2.9.2. Вентильный эффект

В связи с изменяющимися условиями существования дуги пе­ременного тока на электродах (различие в работе выхода электро­нов φ₁ и φ₂, разные температуры T_пл и T_кип, разные формы элек­тродов и разный теплоотвод от них) возможна асимметрия токов и напряжений в разные полупериоды горения дуги - так называе­мый вентильный эффект (рис. 2.46). Например, при аргонодуговой сварке алюминия вольфрамовым электродом относительная асим­метрия токов ΔI = I_w – I_A1 может достигать 50 % и более.

В этом случае стационарная термоэлектронная эмиссия с W-катода и его остаточная эмиссия значительно больше, чем с «холод­ного» А1-катода по следующим основным причинам:

1. температура плавления вольфрама (T^w_пл ≈ 4000 К) значи­тельно превышает температуру плавления алюминия (Т^Al _пл ≈ 950 К);

1. катодное падение потенциала алюминия U^Al _k значительно

больше, чем катодное падение потенциала вольфрама U^w _k ;

3) теплоотвод в массивное алюминиевое изделие больше, чем в W-стержень.

Вентильный эффект обычно ухудшает стабильность сварочно­го процесса, формирование шва, чистоту поверхности, прочност­ные свойства соединения. Кроме того, постоянная составляющая ΔI вредно сказывается на работе сварочных преобразователей энергии (трансформаторов) и уменьшает катодное распыление на алюминиевом изделии. Для уменьшения постоянной составляю­щей включают конденсаторы, аккумуляторы или другие устройст­ва, компенсирующие вентильный эффект.

2.10. Сварочные дуги с плавящимся электродом

Распределение энергии в сварочных дугах, их энергетическая структура определяются рядом факторов, главнейшие из которых следующие:

1. состав плазмы, размеры и условия стабилизации столба дуги;

2. материал, размеры и форма электродов (особенно катода).

Кроме того, большое влияние на распределение энергии в сва­рочных дугах оказывает режим сварки: плотность тока, сила тока, полярность, наличие импульсов, их амплитуда и частота, динами­ческие характеристики источника питания и т. п. Все эти факторы взаимосвязаны.

Основными технологическими применениями Ме-дуг явля­ются сварка и резка плавящимся электродом. Ме-дуги используют при сварке электродами без покрытия и с покрытием, при сварке порошковыми электродами и проволоками, при сварке под флю­сом и в защитных газах (СО₂, Аг, Не), а также при сварке в вакуу­ме. Защитные среды для металлических дуг в большинстве слу­чаев обеспечивают широкие возможности регулирования метал­лургических процессов при сварке.

2.10.1. Ручная дуговая сварка электродами с покрытиями

Ручная сварка Ме-дугой ведется обычно электродами диамет­ром 2...6 мм на постоянном и переменном токах 100...300 А при плотностях тока по сечению электрода j < 20 А/мм в любом про­странственном положении. Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытиями), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему, состоя­щую из расплавленного металла и шлаковых пленок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыка­ниями. КПД дуги составляет около 75 %. Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги со­ставляет примерно от 7 до 30 % общей мощности дуги (табл. 2.5).

Остальная мощность выделяется в приэлектродных областях. Значение U_k + U_a определяли из опытов экстраполированием пря­мой по уравнению Айртона U _д = а + bl_д (рис. 2.47).

Важным фактором при ручной сварке является устойчивость дуги. На нее оказывают влияние внутренние условия в самой дуге

(состав и свойства плазмы) и внешние условия - статические и динамические свойства источника питания и характе­ристики электрической цепи, опреде­ляющие в большой мере переходные процессы в дуге. Наиболее известна оценка устойчивости дуги по ее раз­рывной длине l_разр. Чем больше раз­рывная длина дуги, тем выше ее устойчивость (см. табл. 2.5).

Многие авторы указывают, что введение в дугу элементов с низким потенциалом ионизации U_i (в первую очередь щелочных металлов) повышает ее устойчи­вость. Введение таких элементов облегчает возбуждение дуги, го­рение ее на переменном токе, а также стабилизирует положе­ние катодного пятна и изменяет характер дуги на постоянном то­ке. При достаточной концентра­ции этих элементов можно полу­чать диффузионную привязку дуги на катоде, что существенно влияет на характер плавления и переноса электродного материала.

Считается, что пары легкоионизируемых элементов попадают в столб дуги и повышают степень ионизации в нем. Объяснение действия элементов-ионизаторов можно связать с их воздействием на работу выхода электронов с катода, поскольку значение φ тесно связано с потенциалом ионизации. Пары элементов-ионизаторов попадают в катодную область, понижают работу выхода электро­нов с катода, что снижает катодное падение потенциала, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в це­лом. Анодное падение мало изменяется и, как уже отмечалось, со­ставляет в Ме-дугах 2,5 ±0,5 В. При уменьшенииU_k + U_a увели­чивается градиент напряжения в дуге (рис. 2.48). Это, например, облегчает сварку на автоматах с регуляторами напряжения дуги. Введение элементов-ионизаторов приводит к уменьшению мощ­ности, выделяемой в приэлектродных областях, и к увеличению Доли энергии, затрачиваемой в столбе дуги. Производительность расплавления при этом обычно снижается.