Процессы в сварочной дуге. Часть 1

Электрическая сварочная дуга представляет собой неоднородный проводник с нелинейной зависимостью U и I дуги, так как сопротивление дуги постоянно изменяется, а общее падение напряжения в дуге состоит из суммы падений напряжения анодной, катодной областей и столба дуги. Все эти составляющие величины зависят от материалов, состава газовой среды, длины дуги.

Электрическая дуга в газах не подчиняется закону Ома, так как меняется сопротивление дугового разряда.

Изучение сварочной дуги позволило установить закономерности поведения, отличительные особенности и свойства разных дуг, а также влияние на них внешних факторов. Опытным путем установлена зависимость напряжения горящей дуги от тока при различных режимах. В сварочной дуге протекают сложные процессы ионизации газового промежутка (дуги), которые делают его электропроводным. Ионизация газа - это увеличение в газе количества свободных заряженных частиц, которые являются проводником электричества.

Процессы, происходящие в столбе сварочной дуги, нельзя считать полностью изученными, особенно в части ионизации дугового пространства.

Электрическая сварочная дуга - это самостоятельный разряд, т. е. без внешних ионизаторов. Дуговой разряд существует за счет собственной эмиссии. Эта эмиссия бывает четырех видов: термоэлектронная, автоэлектронная, фотоэлектронная и эмиссия соударения.

Термоэлектронная эмиссия имеет место у тугоплавких материалов (угольный, графитовый электроды и прочие). Для стального электрода такая эмиссия имеет незначительную долю, хотя в некоторых источниках ей придается чуть ли не первостепенное значение.

Автоэлектронная эмиссия зависит не от температуры электрополя, а от его энергии.

Фотоэлектронная эмиссия происходит за счет облучения электронов световой энергией, которой хватает, чтобы "вырвать" электроны.

Эмиссия соударения обусловлена той энергией, которой обладают (+) ионы, бомбардирующие поверхность катода.

Ни один из четырех видов ионизации (эмиссии) не может обеспечить 100%-ной ионизации в дуге, обеспечивая ее электропроводность. Электроны, вышедшие из катода, под действием сил электрополя сильно разгоняются и летят к аноду, а при столкновении с молекулами газа "вырывают" из них электроны и за счет этого ионизируют эти молекулы.

Процессы в сварочной дуге. Часть 2

Металлы и газы имеют свой потенциал ионизации в электрон-вольтах, который характеризует степень трудности отрыва ("вырыва") электрона с его оболочки. Чем меньше число электрон-вольт у материала, тем легче "выбить" с оболочки электрон, и наоборот. Ионизация газов в дуге при сварке происходит частичная, так как для полной ионизации газа в дуговом промежутке требуется очень высокая температура - до 22000ºС, а это уже плазменное состояние газа, когда одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц обеспечивает высокую электропроводность и высокую температуру. Электропроводность плазмы почти равна электропроводности металла. При сварке плавящимся электродом в столбе дуги содержатся пары электродного металла, имеющие, как правило, низкий потенциал ионизации, поэтому эффективный потенциал ионизации дугового разряда при сварке плавящимся электродом приближается к потенциалу ионизации металлических паров. Устойчивое горение дуги - это длительное горение дуги без изменения основных элементов режима. Потенциалы ионизации в электрон-вольтах (эВ.) некоторых элементов следующие: калий - 4,32; натрий - 5,12; алюминий - 5,96; кальций - 6,08; хром - 6,74; титан - 6,81; молибден - 7,35; марганец - 7,6; железо - 7,83; кремний - 7,94; углерод - 11,24; кислород - 13,57; углекислый газ (СO₂) - 14,3; азот - 14,51; аргон - 15,7; фтор - 18,7.

Вообще, наибольший потенциал ионизации - 24,5 эВ. Самый высокий потенциал ионизации у фтора и это является одной из причин нестабильного горения дуги у электродов с фтористо-кальциевым покрытием на переменном токе.

При сварке электродами с обмазкой (покрытием) температура в столбе дуги зависит от эффективного потенциала ионизации, величина которого близка по величине к наименьшему потенциалу ионизации одного из компонентов, участвующих в смеси дугового газа.

Тстолба дуги=810 U_i,

где U_i. - эффективный потенциал ионизации; Т - температура столба дуги, ºС; 810 - коэффициент.

На поверхностях электродов в зоне дуги температура 1800- 1850ºС.

Температура в столбе дуги не достигает такой величины, при которой можно получить полную ионизацию газов в дуговом промежутке при обычной дуговой сварке. Полная ионизация газов - это плазменная.

Качество сварки зависит от энергетических и технологических свойств дуги: устойчивости, характера переноса металла, характера плавления основного металла и др. На свойства дуги влияют род тока, полярность, характеристика (электрическая) источника питания дуги, состав атмосферы, состав расплавленного металла, режим сварки и др.

При сварке металлическим электродом напряжение дуги составляет 18-28 В, угольным электродом - 30-40 В.

Сварочные дуги бывают с плавящимся и неплавящимся электродом, свободные и сжатые, переменного и постоянного тока, прямой и обратной полярности.

Процессы в сварочной дуге. Часть 3

Условия зажигания и горения дуги:

• достаточность напряжения холостого тока источника питания дуги, которое складывается из напряжения горения дуги и напряжения ее зажигания. Обычно напряжение зажигания дуги больше в 1,5-2,5 раза, чем напряжение горения дуги;
• наличие специального источника электропитания дуги, позволяющего быстро разогревать точечный контакт торца электрода до испарения;
• наличие и поддержание ионизации в столбе дуги.
• наличие в сварочной цепи переменного тока повышенной индуктивности (реактивного сопротивления) для повышения стабильности горения дуги, так как в такой цепи имеется только омическое сопротивление, и дуга будет получать ток, переходящий по величине своей через нуль 100 раз в секунду.

По причине недостаточной индуктивности или при практически очень малой ее величине "самодельные" сварочные трансформаторы при работе резко "снижают" напряжение питающей сети и электролампы снижают накал.

Индуктивностью проводника называют способность данного проводника создавать электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции при изменении тока в нем.

Величина индуктивности - это показатель, характеризующий связь между скоростью изменения тока в цепи и возникающей при этом ЭДС

Скорость изменения магнитного потока у катушки больше, чем у витка потому, что каждая силовая линия, пронизывающая витки катушки, сцепляется с ней большее число раз (на количество витков), чем с одним витком - при одинаковой скорости изменения тока в цепи для обоих случаев. При этом плотность магнитного потока для ЭДС самоиндукции больше, индуктивность больше, выше коэффициент самоиндукции.

Ток самоиндукции всегда направлен навстречу прохождению основного тока в цепи с той же частотой, но не совпадающий по фазе (во времени). Это явление используют в сварочной технике, чтобы заметно уменьшить отрицательное действие сварочного переменного тока при переходе его через нулевые значения. В момент нулевых значений сварочного основного тока этот "провал" восполняет ЭДС самоиндукции, так как эта ЭДС сдвигает нулевое значение тока относительно нулевого значения напряжения и горение дуги заметно смягчается, обрывы в горении дуги отсутствуют.

Индуктивное сопротивление - реактивные катушки более 30 лет применялись на сварочных трансформаторах типа СТЭ-24, СТЭ-34, СТН-500, СТН-700 и др.

Реактивные дроссельные катушки этих трансформаторов выполняли роль регуляторов сварочного тока и задатчика внешней электрической характеристики источника тока. Индуктивность ускоряет отделение капли от электрода в ванну за счет повышения скорости нарастания тока короткого замыкания на этой капле, стабилизирует процесс.

Повышенная электрическая индуктивность (реактивное сопротивление) в сварочной цепи, стабилизирующая горение дуги, включается не только в сварочную цепь переменного тока, но и в цепь постоянного тока. Некоторые сварочные выпрямители, в особенности с жесткой характеристикой, изготовляют с включением в сварочную цепь индуктивности для стабилизации горения дуги. Это важно в первую очередь при сварке, наплавке голой проволокой в С0₂. Чем больше диаметр электродной проволоки, тем большая величина индуктивности нужна в сварочной цепи. Например, при антифрикционной наплавке бронзовой проволокой БрКМц-3-1 диаметром 1,8 мм в среде азота на стальную деталь потребовалось для стабилизации горения дуги на очень малых режимах (Ud= 16- 18 В, Id = 70-90 А) в сварочную цепь последовательно с выпрямителем ВС-600 включить индуктивность в виде сварочного регулятора тока (дросселя) РСТЭ-34 и отрегулировать его примерно на 0,5- 0,8 мГ. Это позволило значительно ускорить возрастание тока с изменением напряжения на дуге, а значит, стабилизировать процесс горения и отделения электродной капли. Правильность подбора индуктивности несложно определить по качеству наплавленного металла.

Источник питания должен поддерживать горение дуги за счет своей электрической характеристики, отрабатывая все возмущения и отклонение процесса сварки до нормы (это длина дуги, колебания напряжения, скорость подачи проволоки и др.).

Одной из важнейших характеристик дуги в целом является ее вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость напряжения на дуге U от тока / , которая служит главным показателем при выборе источника питания. Эта характеристика между установившимися значениями напряжения и тока при постоянной длине дуги называется статической, а между неустановившимися - динамической.