Сварочная дуга. Часть 1

Электрический разряд между двумя электродами в ионизированной смеси газов и паров металла с выделением теплоты, звуковой и лучистой энергии называется сварочной дугой.

Для получения длительного дугового разряда в газе необходима достаточная сила тока.

Хорошим источником тока считается тот, который расплавляет свариваемые кромки при минимальной температуре.

Для сварки металлов обычно используется электрическая дуга прямого действия, когда одним электродом является металлический или угольный стержень, а вторым - свариваемое изделие. Электропитание может быть от источников постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Свойства дуги зависят от рода тока, полярности, характеристики источника тока, состава атмосферы, дугового промежутка, состава расплавленного металла, режима сварки.

В сварочной технике различают дугу свободную и сжатую.

Свободная - когда дуга горит между электродами и изделием на воздухе, сжатая - когда поперечное сечение дуги принудительно уменьшено.

Свободная дуга состоит из трех зон: 1 - катодной, с катодным пятном; 2- анодной, с анодным пятном, бомбардирующимся электронным (т. е. минусовым) потоком; 3 - столба дуги в промежутке между катодной и анодной зонами.

Температура в столбе свободной дуги - 7000ºС, на анодном, катодном пятне - до 1900ºС. Этой разностью температур объясняется нерасплавляемость вольфрамового электродного стержня, у которого температура плавления более 3000ºС.

Процесс образования электрически заряженных частиц (электронов и ионов) в межэлектродном пространстве называется ионизацией, а газ, в котором появились заряженные частицы, делается электропроводным и называется ионизированным газом.

Основным фактором, вызывающим ионизацию, является высокая температура газа, поддерживаемая энергией электрического тока. Степень ионизации столба дуги очень высока. Сильно ионизированный газ столба называют электронной плазмой и его (газа) электропроводность приближается к электропроводности металлов.

Чем больше заряженных частиц в газе, тем выше его ионизация. Дуговой разряд существует за счет эмиссии, т. е. выхода электронов. Заряд электрона постоянный.

Энергия, затраченная на отрыв электрона от атома, а значит, и на образование положительного иона, называется работой ионизации. Эта работа, выраженная в электронвольтах (эВ), называется потенциалом ионизации. Величины потенциалов для различных материалов колеблются от 3,9 до 24,5 эВ. Наименьшими потенциалами ионизации обладают щелочноземельные материалы (кальций, калий, натрий) и их соединения.

Для повышения степени ионизации, а значит, для стабилизации горения дуги, в дуговой промежуток (через обмазку электродов или флюс) вводят элементы с малым потенциалом ионизации. Чем ниже потенциал ионизации, тем легче оторвать электрон с электронной оболочки, т. е. получить свободный электрон, тем легче стабилизировать электрическую дугу.

Но от потенциала ионизации зависит температура столба дуги: чем выше потенциал, тем выше температура. Потенциалы ионизации некоторых элементов следующие (в эВ): калий - 4,32; натрий - 5,12; алюминий - 5,96; хром - 6,74; марганец - 7,6; железо - 7,83; кремний - 7,94; углерод - 11,24; углекислый газ - 14,3; аргон - 15,7; азот - 14,51.

Сварочная дуга. Часть 2

Длина дуги - это расстояние от конца электрода до поверхности сварочной ванны и обычно равно 2-6 мм. Дуга длиной более 6 мм считается длинной.

Между температурой столба дуги и потенциалом ионизации найдена зависимость в форме числа 810, т. е.

Тс = 810 х VэВ, где Тс - температура столба дуги в "Кельвина" VэВ - потенциал ионизации данного вещества.

При сварке покрытыми электродами температура столба дуги намного не достигает температуры, необходимой для полной ионизации газов в дуговом промежутке.

Из нескольких видов эмиссии электронов следует отметить две, особенно заметные при сварке: термоэлектронную и автоэлектронную.

Термоэлектронная эмиссия, или электронная эмиссия нагретого катода, происходит от нагревания металла до высокой температуры, при этом ослабляется связь электрона с ядром атома и под влиянием электростатического поля электрон отрывается с поверхности катода и устремляется к аноду. Термоэлектронная эмиссия достигает очень высоких значений у тугоплавких материалов (угольный, графитовый, вольфрамовый электроды).

У стальных и медных катодов электронная (термоэлектронная) эмиссия нагретого катода незначительна.

Автоэлектронная эмиссия - или эмиссия холодного катода, создается появлением электрополя очень высокой напряженности в тонком слое у поверхности катода. Для стальных и медных катодов эта эмиссия имеет решающее значение. Она происходит независимо от температуры электрополя, за счет его энергии.

Другие факторы, вызывающие электронную эмиссию на катоде, в условиях сварочной дуги имеют второстепенное значение.

Электрическая дуга - это неоднородный проводник, включенный последовательно в сварочную цепь. Общее падение напряжения, равно сумме падений напряжения в катодной, анодной областях и в столбе дуги:

U_a = U_k x U_a + U_c.

Катодное и анодное падения напряжения зависят от материала электрода и свариваемого изделия, свойств газовой среды и других показателей; для каждого данного процесса они постоянны. Падение напряжения в столбе дуги зависит от ее длины. При сварке стали металлическим электродом напряжение на дуге составляет 18-30 В, угольным электродом - 30-40 В. Для возбуждения дуги при сварке металлическим электродом необходимо напряжение 40-60 В. Это напряжение называется напряжением зажигания.

Электрическая дуга переменного тока может гаснуть и вновь зажигаться один раз в течение каждого периода. Во время этих перерывов будет уменьшаться (прерываться) и степень ионизации дугового промежутка, что снизит устойчивость дуги. Для повторного зажигания дуги требуется несколько большее напряжение, чем напряжение горения.

Для повышения устойчивости дуги переменного тока применяют повышенное напряжение зажигания (по сравнению с постоянным током), введение в покрытия электродов элементов с низким потенциалом ионизации и включение в сварочную цепь индуктивного сопротивления для сдвига нулевого значения тока относительно нулевого значения напряжения.