3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Под электрической дугой понимают стабильный многоамперный разряд с низким катодным напряжением (до 10...20 В), горящий в ионизированном газе высокого давления (более 0,1-10’’ Па). Суммар­ное падение напряжения всех зон сварочной дуги находится в преде­лах 18...50 В; это определяет выходное напряжение сварочных источ­ников тока относительно небольшой величиной (до 80...90 В).

Сварочная дуга характеризуется концентрированным выделени­ем теплоты, что обеспечивает высокую эффективность нагрева и плав­ления металла. Диапазон мощностей сварочных дуг очень широк - от 50 Вт до 160 кВт. Различают прямое и косвенное действие дуги на металл. В первом случае свариваемый металл включен в сварочную цепь и является одним из электродов. Нагрев металла происходит в основном за счет выделения тепла в активных пятнах дуги, располо­женных на электродах (удельная мощность нагрева в этих пятнах до­стигает 10’’ Вт/см~). Во втором случае основной металл не включен в сварочную цепь, и нагрев его происходит за счет теплопередачи от газов столба дуги и ее излучения (здесь удельная мощность нагрева значительно ниже, что уменьшает эффективность нагрева). Это дуга косвенного действия - она горит между двумя электродами.

В нормальном состоянии воздух, как смесь различных газов, не об­ладает электрической проводимостью, так как состоит из нейтраль­ных атомов или молекул. Поэтому дуговой разряд возможен лишь при условии наличия в дуговом промежутке частиц, способных перено­сить электрические заряды. Иными словами, необходима частичная ионизация газов дугового промежутка. В сварочной дуге газ поддер­живается в ионизированном состоянии принудительно и непрерывно благодаря приложенному к электродам электрическому потенциалу. Если рассматривать строение дуги постоянного тока (рис. 3.1), то можно выделить три основные зоны: прикатодную зону, столб дуги и при - анодную зону. Дуга горит в частично ионизированном газе, состоящем из смеси нейтральных частиц, ионов и электронов (плазма дуги).

Плазма в дуге находится в виде цилиндрического или коничес­кого проводника, называемого столбом дуги. У обоих электродов имеются прикатодная и прпанодная области, отделяющие столб луги от электродов. Области эти невелики по протяженности. На элект­родах находятся катодные и анодные пятна, имеющие высокую тем­пературу нагрева. Катодное пятно является тем участком электрода, которое эмитирует (излучает) электроны. Происходит это в силу процесса термо - и автоэлектронной эмиссии, идущей с затратой энергии на выход электрона из поверхности катода, преодоления энергетического поверхностного барьера - раздела металл-газ. Элек­троны, разгоняясь до высоких скоростей в прикатодной зоне, попа­дают в столб дуги.

Автоэлектронная эмиссия связана с созданием у поверхности катода электрического поля высокой напряженности. Оно понижает работу выхода электрона, как бы «вытягивая» его за предел металла катода. Напряжение в катодной области UK падает до 10...20 В, а на­пряженность электрического поля в ней £ составляет до 10ь В/см.

Электроны способны в столбе дуги ионизировать нейтральные атомы за счет так называемого «электронного удара». Образующиеся при этом положительно заряженные ионы как бы «отсасываются» к катоду под действием электрического поля, образованного падением напряжения в катодной зоне. Ударяясь о поверхность катода, ионы отдают ему энергию ионизации и кинетическую энергию, накоплен­ную при разгоне иона в прмкатодной воне. Именно этот процесс при­водит к выделению теплоты на катоде, ведущей к его нагреву и плав­лению.

Таким образом, в при катод нон области текут навстречу друг дру­гу два тока: электронный, в направлении от катода к столбу дуги, и ионный, направленный от столба к катоду. На катоде же идут два процесса: охлаждение за счет эмиссии электронов с катода (с погло­щением энергии) и нагрев за счет бомбардировки катода положи­тельно заряженными ионами. В столбе дуги также идут два процесса: образование частиц за счет ионизации и их потеря, вызванная их рекомбинацией и переходом на катод и анод. Причины ионизации газа в дуговом разряде могут быть различны.

Источником энергии, затрачиваемой на ионизацию, служит элек­трическое поле, напряженность Еп. которого в столбе дуги невелика и составляет 10...50 Вт/см. Энергия поля в наибольшей мере воспри­нимается самыми легкими частицами - электронами, они разгоня­ются до энергии ионизации и производят ее «электронным ударом». Если при этом энергии электрона недостаточно для удаления элект­рона из нейтрального атома, то может происходить либо его возбуж­дение, сопровождаемое выделением энергии в виде кванта светового излучения, либо передача атому части его энергии, что ведет к повы­шению температуры плазмы, способствуя процессу термической иони­зации. Последнее происходит при высоких температурах за счет не­упругих столкновений частиц, имеющих высокую кинетическую энергию. В результате процессов ионизации в плазме в целом нахо­дится примерно одинаковое количество разноименных электричес­ких частиц, поэтому плазма электрически нейтральна. Плазма элект­ропроводка за счет дрейфа электронов в столбе дуги, они по сравнению с ионами более подвижны, поэтому величина электронного тока прак­тически равна сварочному.

В области анода электроны, поступившие из столба дуги к анодно­му пятну, наряду с работой выхода, накапливают достаточную кине­тическую энергию в прианодной зоне, которая при ударе потока элек­трона о поверхность анода переходит в тепловую и плавит металл анода. При падении напряжения И до 4...6 В напряженность электри­ческого поля в области анода Е составит порядка 10“ В/см.

Электрическая проводимость плазмы зависит от введения в нее различных веществ (например, паров металла, испаряемых при плав­лении электродов), так как от этого зависит ход процесса ионизации. Сам процесс определяется понятием потенциала ионизации, кото­рый представляет собой величину работы (выраженной в электрон - 5 Заказ № 1398 вольтах), необходимую для удаления электрона из нейтрального ато­ма. Введение тем или иным путем (например, через покрытие) таких элементов как калий, барий, кальций приводит к понижению потен­циала ионизации, облегчению зажигания дуги и стабилизирует ее горение.

С понижением или увеличением электрической проводимости плазмы связана ее температура; известно, что увеличение плотно­сти тока в дуге увеличивает температуру плазмы. Эксперименталь­ные исследования показывают, что температура дуг с плавящимся элек­тродом находится в пределах 6000...8000 °С, неплавящимся (вольфрамовым) электродом 10000... 15000 °С, сжатой дуги 20000...30000 °С.

Электрическая энергия в дуге преобразуется в теплоту в трех ее зонах: катодной, анодной и столбе дуги. Это количество различно в разных зонах и зависит от потенциала ионизации, соотношения ион­ного и электронного тока, т. е. от состава покрытия, флюса, защитного газа. По различным данным, теплота, выделяемая на электроде-като­де, составляет 10... 15% от мощности дуги. Теплота, выделяемая на электроде-аноде, составляет примерно 35%, а в столбе дуги - 50...55% от общей мощности дуги. Таким образом, в зависимости от рода тока и его полярности на изделии и электроде может выделяться различ­ное количество теплоты. Количество теплоты, выделенное на катоде, зависит в основном от потенциала ионизации дугового газа, поэтому разница в тепловыделении грубо определяется способом дуговой свар­ки. В реальных условиях сварки при прямой полярности (анод на изделии) глубина проплавления оказывается меньше, чем на обрат­ной полярности (катод на изделии). Это объясняется тем, что актив­ное анодное пятно (площадь, где происходит интенсивное выделение теплоты) занимает большую площадь, чем катодное; это определяет форму дуги (рис. 3.2) и ширину ванны и шва на прямой полярности.

Режим горения дуги определяют два параметра: сила тока и на­пряжение на дуге. Между напряжением на дуге и ее длиной суще­ствует практически линейная зависимость (рис. 3.3)

U л = а + Е„1л,

где Е t - напряженность электрического поля в столбе дуги.

Между током и напряжением в дуге при / =const существует связь; в ее графическом изображении в координатах ток - напряжение она пред­ставляет кривую. На графике (рис. 3.4) эта кривая, названная статичес­кой вольт-амиерной характеристикой (ВАХ) дуги, изображенная в об-

а - на прямой; 6 - на обратной

щем виде, имеет ниспадающую ветвь, ветвь, близкую к горизонтальной, и возрастающую ветвь.

Однако для конкретных случаев экспериментально удается полу­чить лишь часть такой кривой. На рис. 3.4 показаны 3 участка. I - уча­сток совмещенных кривых внешней падающей ВАХ источника и ста­тической характеристики дуги обычен для ручной сварки (Ux =12...25 В; / =5...25 А/мм2), II - для автоматической сварки под флюсом (Ux =25...45 В; І = 40... 125 А/мм2), III - для сварки в защитных газах (Uх =25...45 В; / = 100...350 А/мм2).

Изложенные закономерности характерны для дуг как постоянного, так и переменного тока, однако последние имеют свою специфику (рис. 3.5). Синусоидальное изменение тока при снижении напряжения

а, б, в - статические характеристики, соответствующие
дугам с длинами / > І> І іЛ:

1,2,3 - падающие шіспніис характеристики источника питания;

/, J - жесткая и шкірнетающая характерне гики источника питания:
точка Л - нестабильное, а точки В, В, Г - стабильное горение дуги

менее напряжения горения дуги приводит к перерыву ее горения. Не­смотря на кратковременность этого перерыва, плазма успевает остыть на несколько тысяч градусов, что требует более высокого напряжения по­вторного зажигания, а это ведет к перерывам горения дуги тп, и для ста­билизации процесса сварки на переменном токе требуются специальные меры.

Скорость плавления электрода дугой (а значит и скорость его по­дачи в зону горения дуги) пропорциональна силе сварочного тока. Количество расплавляемого в единицу времени металла связано с величиной сварочного тока зависимостью где а - коэффициент расплавления электрода, определяемый опыт­ным путем:

[г/А-ч].

а — толі, ко активного сопротивления; б — индуктивного сопротивления;
Uss — напряжение холостого хода; Vл — напряжение горения дуги;
г — продолжительность перерыва горения дуги

Дуга, как гибкий проводник, легко изменяет свое положение маг­нитным полем. Собственное электромагнитное поле дуги может от­клонять ее столб вблизи больших масс металла - это так называемое магнитное дутье.

В ряде случаев это явление затрудняет сварку; приходится при­менять различного рода приемы, ослабляющие магнитное дутье (вы­полнение шва обратноступенчатым способом, стабилизация дуги пу­тем наложения на нее постоянного электромагнитного поля с помощью соленоида и т. д.).