Електрична дуга і її властивості
Електрична дуга являє собою тривалий електричний розряд, що відбувається в газовому проміжку між двома провідниками - електродом і зварюваних металом при значній силі струму. Безперервно виникає під дією стрімкого потоку позитивних і негативних іонів і електронів в дузі іонізація повітряного прошарку створює необхідні умови для тривалого стійкого горіння зварювальної дуги.
Мал. 1. Електрична дуга між металевим електродом і зварюваних металом:
а - схема дуги, б - графік напружений дуги довжиною 4 мм; 1 - електрод, 2 - ореол полум'я, 3 - стовп дуги, 4 - зварюваний метал, 5 - анодна пляма, 6 - розплавлена ванна, 7 - кратер, 8 - катодна пляма; h - глибина проплавлення в дузі, А - момент запалювання дуги, Б - момент стійкого горіння
Дуга складається з стовпа, основа якого знаходиться в поглибленні (кратері), що утворюється на поверхні розплавленої ванни. Дуга оточена ореолом полум'я, утвореним парами і газами, які надходять з стовпа дуги. Стовп має форму конуса і є основною частиною дуги, так як в ньому зосереджується основна кількість енергії, відповідне найбільшої щільності проходить через дугу електричного струму. Верхня частина стовпа, розташована на електроді 1 (катоді), має невеликий діаметр і утворює катодна пляма 8. Через катодна пляма випромінюється найбільша кількість електродів. Підстава конуса стовпа дуги розташоване на зварюваної металі (аноді) і утворює анодное пляма. Діаметр анодного плями при середніх значеннях зварювального струму більше діаметра катодного плями приблизно в 15 2 рази.
Для зварювання застосовують постійний і змінний струм. При використанні постійного струму мінус джерела струму підключають до електрода (пряма полярність) або до зварювального виробу "" {зворотна полярність). Зворотну полярність застосовують в тих випадках, коли потрібно зменшити виділення теплоти на зварюваної виробі: при зварюванні тонкого або легкоплавкого металу, чутливих до перегріву легованих, нержавіючих і високовуглецевих сталей, а також при користуванні деякими видами електродів.
Виділяючи велику кількість теплоти і маючи високу темпе-оатуру. електрична дуга разом з тим дає дуже зосереджений нагрів металу. Тому метал під час зварювання залишається порівняно мало нагрітим вже на відстані кількох сантиметрів від зварювальної дуги.
Дією дуги метал розплавляється на деяку глибину h звану глибиною проплавлення або проваром.
Порушення дуги відбувається при наближенні електрода до зварювального металу і замиканні їм зварювального кола накоротко. Завдяки високому опору в точці зіткнення електрода з металом кінець електрода швидко нагрівається і починає випромінювати потік електронів. Коли кінець електрода швидко відводять від металу на відстань 2 4 мм, виникає електрична дуга.
Напруга в дузі, т. Е. Напруга між електродом і основним металом, залежить в основному від її довжини. При одному і тому ж струмі напруга в короткій дузі нижче, ніж в довгій. Це обумовлено тим, що при довгій дузі опір її газового проміжку більше. Зростання ж опору в електричному ланцюзі при постійній силі струму вимагає збільшення напруги в ланцюзі. Чим вище опір, тим вище повинна бути і напруга для того, щоб забезпечити проходження в ланцюзі того ж струму.
Дуга між металевим електродом і металом горить при напрузі 18 28 В. Для збудження дуги потрібно більш висока напруга, ніж те, яке необхідно для підтримки її нормального горіння. Це пояснюється тим, що в початковий момент повітряний проміжок ще недостатньо нагрітий і необхідно надати електронам велику швидкість для розчеплення молекул і атомів повітря. Цього можна досягти тільки при більш високій напрузі в момент запалювання дуги.
Графік зміни струму I в дузі при її запаленні і стійкому горінні (Рис. 1 б) називається статичною характеристикою дуги і відповідає сталому горінню дуги. Точка А характеризує момент запалювання дуги. Напруга дуги V швидко падає по кривій АБ до нормальної величини, відповідної в точці Б сталого горіння дуги. Подальше збільшення струму (вправо від точки Б) збільшує нагрівання електрода і швидкість його плавлення, але не впливає на стійкість горіння дуги.
Стійкої називається дуга, палаюча рівномірно, без довільних обривів, що вимагають повторного запалювання. Якщо дуга горить нерівномірно, часто обривається і гасне, то така дуга називається нестійкою. Стійкість дуги залежить від багатьох причин, основними з яких є рід струму, склад покриття електрода, вид електрода, полярність і довжина дуги.
При змінному струмі дуга горить менш стійко, ніж при постійному. Це пояснюється тим, що в той момент, коли струм п, дає до нуля, іонізація дугового проміжку зменшується і дуга може гаснути. Щоб підвищити стійкість дуги змінного струму, доводиться наносити на металевий електрод в.о.-криття. Пари елементів, що входять в покриття, підвищують іонізацію дугового проміжку і тим сприяють сталому горіння дуги при змінному струмі.
Довжину дуги визначають відстанню між торцем електрода і поверхнею розплавленого металу зварюється. Зазвичай нормальна довжина дуги не повинна перевищувати 3 4 мм для сталевого електрода. Така дуга називається короткою. Коротка дуга горить стійко і при ній забезпечується нормальний перебіг процесу зварювання. Дуга довжиною більше 6 мм називається довгою. При ній процес плавлення металу електрода йде нерівномірно. Стікають з кінця електроду краплі металу в цьому випадку більшою мірою можуть окислюватися киснем і збагачуватися азотом повітря. Наплавлений метал виходить пористим, шов має нерівну поверхню, а дуга горить нестійкий. При довгій дузі знижується продуктивність зварювання, збільшується розбризкування металу і кількість місць непровару або неповного сплаву наплавленого металу з основним.
Перенесення електродного металу на виріб при дугового зварювання плавиться є складним процесом. Після запалювання дуги (положення /) на поверхні торця електрода утворюється шар розплавленого металу, який під дією сил тяжіння і поверхневого натягу збирається в краплю (положення //). Краплі можуть досягати великих розмірів і перекривати стовп дуги (положення III ), Створюючи на нетривалий час коротке замикання зварювального кола, після чого утворився місток з рідкого металу розривається, дуга виникає знову, і процес краплеутворення повторюється.
Розміри і кількість крапель, що проходять через дугу в одиницю часу, залежать від полярності і сили струму, хімічного складу і фізичного стану металу електрода, складу покриття і ряду інших умов. Великі краплі, що досягають 3 4 мм, зазвичай утворюються при зварюванні непокритими електро-дами, дрібні краплі (до 01 мм) -при зварюванні покритими електл пологами і велику силу струму. Дрібнокрапельне процес забезпечує стабільність горіння дуги і сприяє умовам перенесення в дузі розплавленого металу електрода.
Мал. 2. Схема перенесення металу з електрода на зварюваний метал
Мал. 3. Відхилення електричної дуги магнітними полями (а-ж)
Сила тяжіння може сприяти або перешкоджати переносу крапель в дузі. При стельової і частково при вертикальній зварюванні сила тяжіння краплі протидіє переносу її на виріб. Але завдяки силі поверхневого натягу рідка ванна металу утримується від витікання при зварюванні в стельовому і вертикальному положеннях.
Проходження електричного струму за елементами зварювального кола, в тому числі по зварювального виробу, створює магнітне поле, напруженість якого залежить від сили зварювального струму. Газовий стовп електричної дуги є гнучким провідником електричного струму, тому він схильний до дії результуючого магнітного поля, яке утворюється в зварювальному контурі. У нормальних умовах газовий стовп дуги, відкрито палаючої в атмосфері, розташований симетрично осі електрода. Під дією електромагнітних сил відбувається відхилення дуги від осі електрода в поперечному або поздовжньому напрямку, що за зовнішніми ознаками подібно зміщення факела відкритого полум'я при сильних повітряних потоках. Це явище називають магнітним дуттям.
Приєднання зварювального дроту в безпосередній близькості до дуги різко знижує її відхилення, так як власне круговий магнітне поле струму надає рівномірний вплив на стовп дуги. Підведення струму до виробу на віддалі від Дуги призведе до відхилення її внаслідок згущення силових ліній кругового магнітного поля з боку струмопроводу.