1.2. Классификация и характеристика электрических дуг

Классификация электрических дуг осуществляется по наиболее важным физическим признакам, табл. 1.

Таблица 1.

Классификация электрических дуг

По характеру действия дуги	По виду электро-да	По роду тока	По ограждению дуги	По защи-те дуги	По степени стабильности	По виду среды	По числу дуг
Прямого и косвенного действия	Плавящимся, неплавящимся эл-ом	Посто янного и пере- менного тока	Откры-тая и закрытая дуга	Свобод ная и сжатая	В устано-вившемся и неуста- новившем ся режиме	В парах метал-ла и газовой среде	Одно- и много- дуговые

Дуговые разряды отличаются наивысшей концентрацией энергии: Е _а =10⁵ Вт/см² в пятне нагрева, что обеспечивает эффективный локальный нагрев. Потенциал ионизации U _i обусловливает температуру Т сварочной дуги, напряженность поля Е, В/см и плотность тока, А/см²

Т=800 U _i, °С, Е=2. 10⁸ ^2,4 G_е^0,3 / I^0,3, (3)

где G_e — площадь зоны столкновения атомов с электронами, см²

Для повышения устойчивости дуги переменного тока в зону газового столба вводят элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий, кальций) в виде флюса или покрытия электродов.

Сварочная дуга питается постоянным, переменным или импульсным токами. При постоянном токе различают дугу прямой и обратной полярности. При прямой полярности отрицательный полюс (катод) находится на электроде, а положительный (анод) — на основном металле. При сварке на прямой полярности тепла на электроде выделяется почти на 40 % больше. Поэтому её целесообразно использовать при сварке тонкостенных деталей (для исключения сквозного проплавления).

Дуга может быть прямой (разряд между электродом и изделием), и косвенной (между двумя электродами), или комбинированной (сочетание прямой и косвенной дуги). Косвенная дуга генерируется вблизи поверхности детали и ее целесообразно использовать в условиях незначительных теплопередач от дуги к изделию. Коэффициент наплавки при косвенной дуге достигает 40 г/А.ч., а при прямой – 15 г/А.ч.

Сварка бывает неплавящимся (W, графит), или плавящимся электродом. Дуга является открытой (если отсутствуют преграды, затрудняющие циркуляцию газов) или закрытой (в защитных средах).

Дуга считается свободной, если её естественное развитие ничем не ограничено. Сжатая дуга - это дуга, столб которой сжат с помощью сопла плазмотрона (Пинч-эффект), потока газа или внешнего электромагнитного поля. Сжатые и длинные дуги более стабильны, у них шире диапазон режимов, меньше чувствительность к изменению МЭП.

1.2. Физические явления и процессы при дуговой сварке

Зажигание дуги: осуществляется: а - соприкосновением электродов с последующим их разведением; б - подачей дополнительных импульсов высоких U и f (от осциллятора); в - применением дополнительной вставки и использованием косвенной дуги. Дуга возбуждается по истечении 10^-3...10^-4 с. В коротких дугах 5-10 мм для пробоя МЭП достаточно 10-18 В, для длинных 160...200 мм - 210...250 В.

Дуговая сварки представляет собой комплекс различных физических процессов и явлений, которые определяют ее эффективность, рис.3.

Тепловые Металлур- Гидромеха- Поверх- Кристаллиза-

явления и гические нические ностные ция и другие

деформации процессы явления явления процессы

ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

О с н о в н ы е т е х н о л о г и ч е с к и е ф а к т о р ы с в а р к и

РЕЖИМЫ СВАРКИ СВАРОЧНЫЕ СВАРИВАЕМЫЙ ПОЛОЖЕНИЕ В

(ток, напряжение, МАТЕРИАЛЫ МАТЕРИАЛ ПРОСТРАНСТВЕ

скорсть сварки и др.) (электроды за- (форма, размеры, хим (гравитация)

щитные среды) состав, структура)

критерии качества сварки

Параметры шва (длина, форма и размеры), глубина и ширина проплавления.

Внутренние остаточные деформации и напряжения

Жидкотекучесть расплава; поверхностное натяжение, неровности поверхности металла шва, гребешки изотерм кристаллизации; микро и макрорельеф поверхности

Форма, размеры, однородность и равномерность распределения зернового и химического состава и физико-механические свойства

Рис.3. Физические параметры сварочного процесса

Агрегатное состояние металла меняется от жидкого до твёрдого и его можно представить в виде трёх взаимосвязанных этапов (рис. 4):

ЭТАПЫ И СТАДИИ СВАРОЧНОГО ЦИКЛА

ЭТАП 1 ЭТАП 2 ЭТАП 3

Наведение Кристаллизация Фазоструктурные

жидкой ванны из жидкой ванны превращения

1-я с т а д и я

Нагрев электрода Зарождение центров Рост дендритов, нача-

и зарождение капли кристаллизации ло рекристаллизации

2-я с т а д и я

Перенос металла Зарождение зерна Распад аустенита

3-я с т а д и я

Наведение ванны Рост зерна Стабилизация свойств

Рис.4.

В момент переноса капли в МЭП активно проявляются металлургические процессы взаимодействия металла с газами, шлаком и окружающей средой, включая выгорание легирующих элеменентов, рис. 5.

Э лектрод Давление от испарения Пинч-эффект К авитация Электростатические силы С илы поверхностного н атяжения Г равитация Давление газа Силы плазменного потока  ж-^ог Растекание расплава

Рис. 5. Силы, действующие при капельном переносе металла. На каплю и её перенос действуют электромагнитные силы, гравитация, силы связанные с поверхностным межфазным натяжением м-г которые являются функцией тока дуги (Iд) и напряжения (Uд). Силы поверхностного натяжения ж-г препятствуют росту, отрыву капли и её растеканию