ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Сварочная дуга из "Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением " Сварочная дуга является электрическим разрядом в газах сравнительно высокого давления (не ниже 50 тор). Она характеризуется высокой плотностью тока в электропроводном газовом канале и низким напряжением между электродами. Электропроводность газа дуги обусловлена заряженными частицами — электронами и ионами, возникающими в результате его термической ионизации. Образующаяся смесь нейтральных атомов, электронов и ионов носит название плазмы. [c.32] В электрической дуге энергия источника ее питания преобразуется в кинетическую и потенциальную энергию частиц плазмы, которая, в свою очередь, передается электродам и частично превращается в электромагнитное излучение — фотоны, покидающие зону дуги. [c.32] При сварке металлов неплавящимися электродами в среде защитных газов концентрация различных компонентов смеси неодинакова по длине дуги. Так, при сварке алюминия в среде аргона дугой с вольфрамовым электродом наиболее высокая концентрация паров алюминия наблюдается у поверхности изделия, наименьшая — у вольфрамового электрода. В результате столб сильно расширен у алюминиевого и сжат у вольфрамового электродов. Температура, плотность тока и напряженность поля в различных его сечениях неодинаковы. Это, в свою очередь, приводит к появлению интенсивных потоков плазмы. [c.35] В дуге со стальным анодом = 4,2 В, а = 4,36 В, поэтому каждым ампером тока аноду передается мощность (4,2 + 4,36) X X 1 = 8,56 Вт. Ее достаточно, чтобы за 1 ч расплавить и нагреть до температуры 2933 К (температура капель, покидающих стальной анод) около 14,5 г/А-ч металла. По многочисленным измерениям фактически плавится 11,5 г/А-ч металла, так как часть передаваемой аноду мощности затрачивается на его испарение. Расчеты и измерения показьшают, что эта мощность составляет около 2 Вт на каждый ампер тока. [c.36] Катодная область. Недостаток данных о физических процессах в катодной области заставляет исследователей пользоваться рядом гипотез об их сущности и на этой основе выяснять важные для практики сварки закономерности. Основное затруднение возникает при объяснении процессов стекания электронного тока высокой плотности с катодов дуги, кипящих при сравнительно низких температурах (холодных катодов). [c.37] Такие расчеты дают максимальную величину плотности термоэлектронного тока на стальных, медных, алюминиевых, никелевых и других холодных катодах = 20н-50 А/см . Экспериментально же измеренная плотность тока в активных пятнах таких катодов достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Следовательно, термоэлектронной эмиссией нельзя объяснить процессы на холодных катодах. [c.37] Электростатическая гипотеза объясняет механизм стекания электронов действием у катода поля высокой напряженности Е = 10 н-10 В/см), создаваемого объемным положительным зарядом ионов. Она удовлетворительно согласуется с основными представлениями и уравнениями современной физики, описывающими явления на границе металл—газ в аналогичных условиях. Однако эта гипотеза пока не разработана в такой мере, чтобы выяснить основные параметры катодной области и определяющие их факторы. [c.37] Термическая гипотеза предполагает существование у катода небольшой области газа — ионизационного пространства, нагретой до температуры немного более высокой, чем температура столба. В этой области в результате интенсивной термической ионизации образуется необходимое количество электронов и ионов, которые движутся соответственно заряду в столб (электроны) и к катоду (ионы). Рекомбинируя у поверхности катода, ионы вызывают стекание с него тока электронов соответствующей силы. На основе термической гипотезы получены некоторые подтверждаемые экспериментом закономерности, описывающие катодную область дуги. [c.37] В уравнениях (2-7), (2-8) обозначает площадь катодной области, через которую проходит ток дуги, и равную-ей площадь активного пятна на катоде. В слое газа, непосредственно примыкающем к катоду и имеющем сравнительно низкую температуру, термическая ионизация практически невозможна. Поэтому электрический ток через него переносится главным образом ионами, движущимися из ионизационного пространства к катоду. Ионы создают здесь объемный положительный заряд значительной плотности. [c.38] Зависимость 11 от вычисленная по уравнению (2-9), хорошо подтверждается экспериментом (см. рис. 2-2). [c.39] Из приведенных уравнений следует, что при высоких температурах кипения катода разность температур АГ = — Г и напряжение катодной области должны быть сравнительно низкими. Действительно, при прочих равных условиях напряжение у вольфрамового катода составляет 8—9 В, у алюминиевого 17— 18 В. Подтверждается также зависимость катодного напряжения от теплопроводности газа. В дугах, горящих в струе гелия, обладающего высокой теплопроводностью, катодное и анодное напряжения выше, чем в аргоне, теплопроводнорть которого сравнительно невелика. Эти падения выше в парах алюминия и ниже в па рах железа в полном соответствии с их теплопроводностью. [c.39] Она затрачивается на нагрев и плавление катода чем больше катодное напряжение дуги и , тем интенсивнее плавится катод. Выше показано (см. рис. 2-2), что 7 возрастает с ростом потенциала ионизации дугового газа. Поэтому введение в дугу легко ионизирующихся элементов, снижающих всегда приводит к уменьшению как скорости плавления катода, так и эффективности сварочного процесса. Опыт показывает, что повышение коэффициента теплопроводности газа в катодной области приводит к росту скорости плавления катода. [c.39] Этой мощности достаточно для плавления 17,4 г/А ч стали. Фактически расплавляется 14,5 г/А-ч и около 2 Вт/А затрачивается на испарение катода. [c.39] Здесь А, В м С объединяют все постоянные, входящие в соответ ствующие уравнения. [c.39] При малых токах тепловые потоки от приэлектродных областей к активным пятнам электродов невелики и последние не могут быть разогреты до температуры кипения. Поэтому разность температур и, следовательно, напряжения в этих областях при малых токах значительны. Велико при этом и падение напряжения в столбе. В этих условиях дуга характеризуется высоким напряжением горения. [c.40] По мере роста силы тока разогрев электродов увеличивается, разности температур в приэлектродных областях, а также напряжение столба уменьшаются. В итоге общее напряжение дуги с увеличением силы тока уменьшается и вольт-амперная характеристика становится падающей. Однако при некотором значении тока катодное пятно дуги занимает весь торец электрода и дальнейшее его увеличение становится невозможным. Увеличение силы тока дуги после этого происходит не за счет увеличения площади проводящего канала у катода, а вследствие увеличения концентрации зарядов в нем. Последнее происходит при повышении температуры канала и, следовательно, увеличении разности температур в катодной области. В итоге увеличивается катодное напряжение и характеристика дуги становится сначала независимой, затем возрастающей. Чем меньше диаметр электрода, тем при меньших силах тока падающая характеристика дуги становится независимой и затем возрастающей. Две такие характеристики для горящих в воздухе дуг длиной / = 5 мм со стальными электродами диаметром 2 и 4 мм показаны на рис. 2-3. [c.40] Газовые потоки в дуге. Мощные потоки ионизированного газа с преимущественным направлением вдоль оси обнаружены экспериментально во всех дугах. Как правило, они появляются при токах выше 50 А по истечении не более 10 с после возбуждения дуги. Их скорости в сварочной дуге со стальными электродами достигают 75—150 м/с. Потоки обладают значительной тепловой мощностью и влияют на баланс энергии всех областей дуги. Так, по измерениям Н. Н. Рыкалина, И. Д. Кулагина и А. В. Николаева, при силе тока свыше 300 А мощность, передаваемая потоком газа свариваемому изделию, составляет 40% получаемой через активное пятно дуги. [c.40] Газовые потоки оказывают также силовое воздействие на электроды, определяя при сварке глубину проплавления и высоту валика. Потоки сообщают жесткость дуге вблизи электродов, поддерживая направление столба перпендикулярно поверхности активных пятен. Причинами возникновения потоков являются сжатие плазмы столба собственным магнитным полем (пинч-эффект) и испарение электродов. [c.40] Испарение электродов объясняется тем, что передаваемая дугой их активным пятнам удельная мощность не может быть отведена от пятен теплопроводностью и лучеиспусканием даже при предельно возможной температуре пятен (кипении). Анализ имеющихся экспериментальных данных показывает, что интенсивность испарения электродов и вызываемые им эффекты растут по мере увеличения передаваемой электродам мощности и плотности тока в активных пятнах. Обе эти величины быстро растут по мере увеличения потенциала ионизации дугового газа. Особенно интенсивные потоки истекают из пятен электродов, кипящих при низких температурах. [c.41] Распределение энергии по активным пятнам дуги. Как показывает опыт, мощность, передаваемая активным пятнам дуги и расходуемая на нагрев, плавление и испарение электродов, распределена по площади пятен неравномерно. Максимальна она в центральных зонах пятен и уменьшается к краям. Кроме того, электроды-пластины, которыми чаще всего служат свариваемые изделия, получают от дуги часть мощности излучения и газовых потоков столба теми точками, которые расположены за пределами активных пятен. Пятна, в свою очередь, перемещаются (блуждают) по поверхностям электродов. Все это приводит к увеличению ширины и уменьшению глубины проплавления металла, что снижает эффективность дуги в сварочном процессе. [c.41] Вернуться к основной статье