1.1. Природа сварочной дуги

Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах, при котором наблюдается прохож­дение электрического тока через газовый промежуток под воз­действием электрического поля. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, называют сварочной дугой. Дуга явля­ется частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дути, называют анодом, ак отрицательному — катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Промежуток между электродами называют областью ду­гового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют д л и н о й дуги. В обычных условиях при низких температурах газы состоят из нейтральных атомов и молекул и нс обладают электрической проводимостью. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных частиц — электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют ионизацией, а сам газ —ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испус­канием) электронов с поверхности отрицательного электрода (ка­тода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между электродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугойв отличие от сжатой, поперечное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит сле­дующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании электродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электронов — электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связывают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напря­женности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 3.1): катодную, анодную и находящийся между' ними столб дуги. Катодная область включает в себя нагретую поверх­
ность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примыкающую к ней. Про­тяженность катодной об­ласти мала, но она харак­теризуется повышенной напряженностью и протека­ющими в ней процессами получения электронов, явля­ющимися необходимым ус­ловием для существования дугового разряда. Температу­ра катодного пятна для стальных электродов дости­гает 2400—2700°С. На нем выделяется до 38% общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение напряжения в катодной области Ц. составляет порядка 12—17 В.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дути. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью. Падение напряжения в ней Ua составляет порядка 2—I В. Протяженность этой области также мала.

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового про­межутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц здесь явля­ется ионизация газа. Этот процесс происходит в результате соуда­рения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частуц газа. При достаточной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание электронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию называют ионизацией соударе­ние м. Соударение может произойти и без ионизации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заря­женные частицы движутся к электродам: электроны —к аноду, ионы — к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрица­тельно заряженные электроны, становятся нейтральными атомами.

Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбина­цие й. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и реком­бинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количес­тва противоположно заряженных частиц. Температура столба дуги достигает 6000—8000°С и более. Падение напряжения в нем 6/с изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба - Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее легко ионизующихся компонентов - Такими компонентами являются щелочные и щелоч­но-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее падение напря­жения в дуге UR = 6/к + 6/а + Uc. Принимая падение напряжения в столбе дати в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uc — Е1С, где Е — напряженность по длине, 1С—длина столба. Значения 64, 64, Е практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизмен­ности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяженностью катодной и анодной областей можно считать практически /с = /л. Тогда получается выражение

Ец = а + Ыц9

показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где а = 6/х + (Ja b = Е.

Непременным условием получения качественного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее стабильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при котором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разря­дов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее пара­метры— сила тока и напряжение—находятся в определенной взаимозависимости. Поэтому одной из основных характеристик дугового разряда является зависимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой за­висимости при работе в ста­тическом режиме (в состоя­нии устойчивого горения дуги)называют статичес­кой вольтамперной характеристики ду - г и (рис. 3.2). С увеличением длины душ ее напряжение возрастает и кривая статичес­кой вольт-амперной харак­теристики поднимается вы­ше, с уменьшением длины

дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму.

Кривую статической характе­ристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области увеличение тока приводит к резко­му падению напряжения дуги. Это обусловлено тем, что с увели­чением силы тока увеличиваются площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отлича­ется малой устойчивостью. Во вто­рой области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения душ. Это объясняется тем, что площадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорционально силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными. Сварка дугой с жесткой статической характеристикой находит широкое при­менение в сварочной технологии, особенно при ручной сварке. В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуте возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрас­тающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки. При механизированной сварке плавящимся электродом иногда приме­няют статическую волътамперную характеристику душ, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 3.3). Как видно из рисунка, каждой скорости подачи электродной проволоки соответствует узкий диапазон токов с устойчивым горением дути. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замыканию электрода с изделием, а слишком большой —к резкому возрастанию напря­жения и ее обрыву.