Основні відомості про зварювальної дузі

Зварювальної дугою називається тривалий електричний розряд між двома електродами в іонізованої суміші газів і парів, що характеризується високою щільністю струму і малим напругою.

Під електричним розрядом розуміють проходження струму через газове середовище. Існує кілька форм або видів електричного розряду: дугового, тліючий, іскровий, блискавка і ін..

Один розряд відрізняється від іншого тривалістю, напругою, силою струму і ін..

Залежно від схеми підведення зварювального струму, роду струму і інших ознак розрізняють такі види зварювальних дуг:

- Дуга прямої дії (рис. 1 а), коли дуга горить між електродом і зварюваних металом;

- Дуга побічної дії (рис. 1 б), коли дуга горить між двома електродами, а зварюваний метал не включений в електричний ланцюг;

- Дуга між двома плавкими електродами і зварюються виробом при харчуванні змінним трифазним струмом (рис. 1 в);

- Стисла дуга (рис. 1 г) та ін..



Мал. 12. Схеми зварювальних дуг:
а - прямої дії, б - побічної дії, в- прямої дії двома електродами при трифазному струмі, г - стисла дуга

Умови горіння зварювальної дуги. У звичайних умовах гази не проводять електричного струму. Для освіти і підтримки горіння дуги необхідно мати в просторі між електродами електрично заряджені частинки (позитивні і негативні іони і електрони). Іони в газовому проміжку між електродами утворюються в результаті втрати або приєднання до атомам електронів, а електрони випускаються сильно нагрітим катодом.

Процес утворення електрично заряджених частинок в междуелектродного просторі називається іонізацією, а енергія, витрачена на відрив електрона від атома, отже, і на освіту позитивного іона, - роботою іонізації. Ця робота виражається в електрон-вольтах (еВ) і називається потенціалом іонізації. Для відриву електрона від атома потрібна повідомити йому значну швидкість. Енергія, витрачена на повідомлення електрону цієї швидкості, носить назву потенціалу збудження і вимірюється в еВ.

Величини потенціалів іонізації і збудження залежать від природи атома і коливаються від 39 до 245 еВ. Найменшими потенціалами іонізації мають лужноземельні метали (калій, кальцій) та їх сполуки. Елементи, які мають малими потенціалами іонізації і збудження, вводять до складу електродних покриттів, так як вони сприяють сталому горіння дуги. це перша умова стійкого горіння дуги. Друга умова - напруга холостого ходу джерела живлення повинна бути більше напруги дуги.

Третя умова горіння дуги - підтримка постійної температури нагріву катода. Ця температура залежить від матеріалу катода, складу газового проміжку між електродами, діаметра електрода і температури навколишнього середовища.

Будова зварювальної дуги. зварювальний дуга складається з катодного області, стовпа дуги і анодної області.



Мал. 2. Схема будови зварювальної дуги:
1 - катодний область, 2 - стовп дуги, 3 - анодна область



Мал. 3. Падіння напруги в дузі:
U Uс і Ua -падіння напружень в катодній області, в стовпі дуги і анодної області. Uд напруга дуги, Кп і оп-діаметр катодного і анодного плям: 1 і 2 - висота при-електродних областей, 3 і 4 - висота катодного і анодного областей

Катодна область поширюється на ділянку електродного матеріалу і на приелектродному частина дуги. На торці електрода при бомбардуванні його позитивними іонами утворюється катодна пляма, з якого присходит при цьому додатковий вихід електронів, крім утворилися при іонізації в междуелектродного просторі. Електрони, що виходять з поверхні електрода, називаються первинними. Вихід первинних електронів пояснюється декількома факторами: термічної емісією (випусканням) електронів, автоелектронної емісією і іонізацією на катоді. Термічна емісія електронів полягає в нагріванні поверхні електрода до високої температури, при якій зв'язок електрона з ядром атома слабшає і під впливом електростатичного притягання він відривається з поверхні катода і з великою швидкістю спрямовується до анода. Зі збільшенням температури нагріву електрода число вириваються електронів збільшується.

Автоелектронна емісія полягає в тому, що під впливом високої напруженості електричного поля з катода вириваються первинні електрони і летять до анода. Зі збільшенням різниці потенціалів між електродами вихід з катода первинних електронів зростає.

 Іонізація на катоді відбувається в результаті зіткнень з електронами позитивних іонів, які утворюються при іонізації в стовпі дуги і летять до катода. Іонізація також відбувається в результаті випромінювання (так звана фотоионизация).

У стовпі дуги відбувається утворення вторинних електронів, а також позитивних іонів. Електрони прямують до анода, підтримуючи іонізацію в анодної області. Позитивні іони рухаються до катода, вибивають з нього електрони; при цьому частина позитивних іонів, з'єднуючись з електронами, утворює нейтральні атоми. Процес утворення нейтральних атомів називається рекомбінацією. Внаслідок рекомбінації врівноважуються процеси зникнення і освіти заряджених частинок в дузі і ступінь іонізації нагрітого газу залишається незмінною.

Анодна область дуги складається з анодного плями і пріелек-тродной частини. Анодное пляма піддається бомбардуванню потоком електронів, що переміщаються від катода, і електронів, що утворилися при іонізації в стовпі дуги. В результаті бомбардування анода виникають іони. Від сильної бомбардування анодная область завжди має форму увігнутої сфери (чаші), яка називається кратером.

Особливості зварювальної дуги.

Зварювальний дуга в порівнянні з іншими електричними розрядами має такі особливості:

1. Нерівномірний розподіл електричного поля в междуелектродного просторі. Поблизу електродів створюються різкі зміни потенціалу - це катод і анодное паденпя напруги, причому катод падіння напруги (близько 10 В) зазвичай значно більше анодного. Такі скачки падінь напруги на ділянці досить малої протяжності викликані умовами проходження струму з одного середовища (металевий провідник) в іншу (газ і пари зварювальних матеріалів).

2. Висока щільність струму в дузі, що досягає тисяч А /см2 на електродах і в стовпі дуги. В даний час стислу дугу широко застосовують у виробництві зварних виробів.

3. Висока температура дуги. Найбільша температура досягається в стовпі дуги, найменша - на поверхні катода і анода. Температура на поверхні катода і анода досягає температури випаровування електродів незалежно від виду дугового зварювання. Наприклад, при зварюванні стали на прямий полярності вугільним електродом температура катода може досягати температури кипіння вуглецю, т. Е. ~ 3700 ° С.

Зазвичай величина ефективного ионизационного потенціалу близька за величиною до найменшого іонізаційному потенціалу одного з компонентів, що беруть участь в суміші дугового газу.

Особливо сильно зростає температура стовпа дуги при його стисненні.

4. Можливість отримання різних статичних вольтамперних характеристик. Статичної вольт-амперної характеристикою дуги називають залежність падіння напруги в дузі від сили струму при постійній довжині дуги (сталому горінні). Дуга, що застосовується в зварювальної техніки, може мати падаючу, жорстку і зростаючу характеристики в залежності від умов зварювання.

Падаюча характеристика - зі збільшенням струму напруга зменшується, жорстка характеристика - збільшення струму не змінює напруги дуги, зростаюча характеристика - збільшення зварювального струму призводить до зростання напруги дуги.

Падаючу ділянку характерний для малопотужної дуги, при зварювальному струмі менше 50 А і щільності струму на електроді 10-12 А /мм 2. Жорстка характеристика відповідає зварювальним струмів 50-1000 А і плотностям струму на електроді від 12 до 80 А /мм2. Зростаюча характеристика дуги спостерігається при зварюванні тонкого зварювальним дротом з густиною струму на електроді більше 80 А /мм2.

Нагрівання вироби і ефективний коефіцієнт корисної дії дуги. Кількість тепла, що вводиться дугою в виріб, що зварюється в одиницю часу, називають ефективною тепловою потужністю дуги qu. Вона включає в себе тепло, безпосередньо виділяється на катодному або анодном плямі на виробі; тепло, яке надходить з краплями електродного металу, покриття або флюсу; тепло, що вводиться у виріб з стовпа дуги.



Мал. 4. Статичні вольт-амперні характеристики дуги:
1 - падаюча, 2 - жорстка, 3 - зростаюча