СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ДУГОВой СВАРКи

При дуговой сварке источником теплоты является электрическая дуга. Выделяют несколько способов дуговой сварки. Различаются они по типу свариваемого материала, количества электродов, участвующих в процессе, способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока, а также по степени механизации процесса и по способу защиты дуги и расплавленного металла.

Сварочную дугу питают переменным или постоянным током. Если для питания дуги применяется постоянный ток, то сварку различают на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катоду) источника питания, во втором к положительному полюсу (аноду).

Способы дуговой сварки:

· сварка неплавящимся электродом дугой прямого действия (рис. 4.6, а); в этом случае применяется графитовый или вольфрамовый электрод, а сварное соединение выполняется путем расплавления только основного металла (для пополнения сварочной ванны может использоваться присадочный металл);

· сварка плавящимся электродом дугой прямого действия (рис. 4.6, б); в этом случае применяется металлический электрод, а пополнение сварочной ванны жидким металлом осуществляется одновременным расплавлением электрода и основного металла, которые соединяются в цепь электрического тока на прямой или обратной полярностях;

· сварка косвенной дугой (рис. 4.6, в); в этом случае дуга горит между двумя, как правило, неплавящимися электродами; при этом сварное соединение выполняется за счет расплавления теплотой дуги только основного материала (применяется в основном для сварки токонепроводящих материалов);

· сварка трехфазной дугой (рис. 4.6, г); в этом случае дуга горит между двумя, как правило, плавящимися электродами, а также между каждым из электродов и основным металлом; применяется для сварки высоколегированных плохосваривающихся сталей, т.к. является самым мощным способом генерации тепла столба дуги.

Возможность применения дугового разряда для расплавления металлов была указана русским физиком В.В. Петровым, который еще в 1802 году открыл явление электрической дуги. Впервые практически применил дугу для целей сварки русский инженер Н.Н. Бенардос, который в 1882 г. предложил способ соединения металлических частей с помощью электрической дуги, горящей между неплавящимся угольным электродом и свариваемым изделием. Русский инженер Н.Г. Славянов в 1889 г. усовершенствовал процесс сварки, предложенный Н.Н. Бенардосом, заменив неплавящийся угольный электрод плавящимся металлическим. Совершенствование предложенных способов дуговой сварки идет по двум направлениям: изыскание средств защиты и металлургическая обработка металла сварочной ванны и автоматизация процесса.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

Электрическая дуга является одной из форм электрического разряда в ионизированном газе. Устойчивый разряд образуется в газовой среде между твердыми или жидкими проводниками (электродами), если в этой среде имеются заряженные частицы - электроны и ионы. В обычных условиях газы являются изоляторами, поскольку атомы газов электрически нейтральны. Заряженные частицы в дуговом промежутке создаются за счет процесса ионизации, при котором происходит расщепление нейтральных атомов на положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Именно они, при своем движении к электродам, обеспечивают перенос зарядов и протекание электрического тока через дуговой промежуток. Для горения дуги необходим источник тока.

Возбудить дугу можно кратковременным касанием изделия сварочным электродом, подключенным к источнику питания. В момент короткого замыкания, по цепи протекает электрический ток, который нагревает торец электрода. При разведении электродов, после их соприкосновения от поверхности нагретого тела отрываются электроны, обладающие кинетической энергией, достаточной для преодоления силы электростатического притяжения. Под действием электрического поля (разности потенциалов, которая создается источником питания между электродами) электроны устремляются к аноду. Электрическое поле сообщает электронам скорости 1,5 … 2 км/с. Летящие с такой скоростью электроны обладают достаточно большой кинетической энергией для того, чтобы столкнувшись с нейтральным атомом, произвести работу, необходимую для его ионизации. В результате такого неупругого столкновения вместо одной заряженной частицы получаются три заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле (рис. 4.7). Процесс ионизации приобретает лавинообразный характер, что и обеспечивает возбуждение дуги при разведении электродов после их соприкосновения.

Электрическую дугу можно питать постоянным или переменным током. Дуга постоянного тока более устойчива. При питании дуги переменным током промышленной частоты полярность на электродах меняется 100 раз в секунду. Столько же раз дуга гаснет и возбуждается снова. Для большей устойчивости дуги переменного тока в дуговой промежуток вводят легкоионизируемые элементы.

Электрический разряд не является однородным по длине дуги. В дуговом разряде различают три зоны; катодную, примыкающую к катоду (отрицательно заряженному электроду), анодную, примыкающую к аноду, и столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами. Протяженность катодной и анодной зон очень невелика. Она составляет 10^-7 … 10^-5 м, однако в этих зонах наблюдается значительное падение напряжения, вызванное образованием около электродов пространственных зарядов за счет скопления заряженных частиц. Значения катодного U_к и анодного U_а падений напряжения не зависят от длины дуги. Длина дуги оказывает влияние на падение напряжения только в столбе дуги U_c. Общее напряжение сварочной дуги складывается из суммы падений напряжения в отдельных областях дуги:

U_Д = U_к + U_а + U_с

Температура в дуге также распределена неравномерно. Экспериментально установлено, что температура в столбе дуги выше, чем в катодной и анодной зонах, и достигает 6000 … 7000°С. Для дуги, горящей в парах железа, температура катодной и анодной зон составляет 2400 … 2600°С.

Для газового разряда сопротивление не является постоянным, так как количество заряженных частиц зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от силы тока. Поэтому электрическая дуга не подчиняется закону Ома. Зависимость напряжения на электродах от силы протекающего через дугу тока носит название статической характери стики дуги. Графическое изображение такой зависимости, полученной для постоянной длины дуги, показано на рис. 4.8. Форма кривой является характерной для всех сварочных дуг. Она показывает, что при малых силах тока (область I) в процессе увеличения силы тока быстро растет число заряженных частиц, поэтому электрическое сопротивление уменьшается и снижается напряжение, необходимое для поддержания дуги. При дальнейшем увеличении силы тока (область II) столб дуги начинает сжиматься, что приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц, характеристика становится жесткой, а в области III характеристика становится возрастающей. Таким образом, форма статической характеристики дуги зависит от процессов, протекающих в дуге при изменении силы тока. Положение кривой в координатах «сила тока - напряжение» зависит от длины дуги. Более длинной дуге соответствует кривая, расположенная выше. Иначе говоря, существует семейство статических характеристик, каждая из которых соответствует определенной длине дуги.

При использовании электрической дуги как источника теплоты важным является вопрос о ее тепловой мощности. Полную тепловую мощность дуги, т. е. количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени, приближенно считают равной электрической мощности, определяемой как произведение силы тока I на напряжение U_Д :

q = IU_Д , Вт,

где I - сила тока, A; U_Д - напряжение на дуге, В.

Однако не вся электрическая (тепловая) мощность дуги используется при сварке на нагрев заготовки. Часть теплоты теряется в окружающую среду. Полезная часть, введенная в металл за единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги q_и. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги связана с полной тепловой мощностью через эффективный КПД η_и значение которого зависит от способа сварки и колеблется от 0,5 до 0,9.