Основные сведения о дуге
Дугой называется длительный электрический разряд между двумя электродами в ионизированной смеси газов и паров, характеризующийся высокой плотностью тока и малым напряжением. Дуга состоит из трех основных частей — анодной 6 и катодной 8 областей и столба 7 (рис. 2.1). В процессе горения дуги на поверхностях электрода и основного металла образуются активные пятна, через которые проходит весь ток дуги.
Активное пятно, находящееся на катоде, называется катодным, находящееся на аноде, — анодным.
Под электрическим разрядом понимают прохождение тока через газовую среду.
Различают дуговой, искровой, коронный и тлеющий электрические разряды При сварке используют дуговой разряд, представляющий собой устойчивый электрический разряд в ионизированной атмосфере газа и паров металла. При недостаточной мощности источника тока происходит искровой—кратковременный электрический разряд. Коронный разряд образуется в сильно неоднородных электрических полях и проявляется в виде интенсивного свечения ионизированного газа. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях газа (например, в лампах дневного света).
Образование дуги начинается с ее зажигания, которое может осуществляться одним из двух способов. 1) электрод приближают к заготовк. на расстояние 3...6 мм и в сварочную цепь па короткое время подключают источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор); после зажигания дуги цепи переключают на основной источник питания; 2) зажи-
гание дуги осуществляется в три этапа: короткое замыкание
электрода на заготовку; отвод электрода на 3...6 мм; возникновение устойчивого электрического разряда. Второй способ является основным, а первый применяют только при сварке неплавя - щимся электродом.
При коротком замыкании (рис. 2.2, а) плотность тока в точках контакта достигает больших значений и под действием выделяющейся теплоты металл в этих точках «мгновенно» расплавляется, образуя жидкук перемычку между основным металлом и электродом (рис. 2.2,6). При отводе электрода от поверхности металла жидкая перемычка сначала растягивается, а затем разрывается, после чегс практически мгновение начинается дуговой разряд через межэлектродный промежуток, заполненный ионизированными частицами паров металла, газа и электродного покрытия (рис. 2.2, в),
Источником электронов для дугового разряда является металл катодного пятна, нагретый до температуры = 2400 СС. Под действием электрического поля начинается эмиссия электронов в столб дуги, где они, ионизируя нейтральные атомы, делают его электропроводным. Затраты энергии на эмиссию электронов составляют ~36 % от всей затраченной энергии. Падение напряжения UK в катодной области достигает 10... 16 В.
Столб дуги представляет собой плазму, нагретую до 6000... ...8000 °С и состоящую из смеси электронов, нейтральных атомов, положительных и отрицательных ионов. Количество энергии, теряемой в столбе дуги на направленное перемещение электронов и ионизацию газов, = 21 %. Падение напряжения Uc в столбе дуги составляет 2... 12 В и возрастает с увеличением длины LK дуги.
Анодное пятно является местом входа и нейтрализапии на поверхности заготовки свободных электронов. Температура в анодной области, составляющая — 2600 °С несколько выше, чем в катодной, что объясняется большим количеством выделяемо^ энергии (—43 %) в результате соударений свободных электронов с поверхностью анодного пятна. Так как поверхность анодного
пятна вогнута и имеет большую площадь, чем катодного, падение анодного напряжения £/а относительно небольшое и составляет 6...8 В.
Общее падение напряжения на электрической дуге представляет собой сумму падений напряжений в различных областях:
Uz = UK + Uc + Ua, (2.1)
или
£/д = (10.. .16) + (2... 12) Hr (6.. .8) - 18.. .36 В. (2.2)
Катодное и анодное падения напряжения зависят от материалов заготовки и электрода, свойств газовой среды и др., но для каждого данного процесса они вполне определенны. Падение напряжения в столбе дуги зависит от длины £.д дуги: чем короче дуга, тем оно ниже. Следовательно, общее падение напряжения
ия=а+Ыл. (2.3)
где а —постоянный коэффициент, равный £/а + £/к; b — падение напряжения на 1 мм длины дуги.
При сварке неплавяшимся электродом дуга горит устойчиво при (Уд = 30...35 В, плавящимся — при UR= 8...28 В.
Для возбуждения дуги при сварке металлическим электродом необходимо напряжение 30...50 В, называемое напряжением зажигания.
Под действием теплоты сварочной дуги электрод плавится, а расплавленный металл в виде капель переходит в сварочную ванну на поверхности заготовки (рис. 2.3,а). За 1 с от электрода
Рис. 2.3 Схемы крупнокапельного (а) и струйного (б) переноса электродного металла на заготовку при короткой дуге: |
dK~ диаметр капли, d э— диаметр электрода
отделяется 20...50 капель металла примерно одинакового разме ра. Отрыв и перенос капель в дуге происходят под действием электромагнитных сил, сил тяжести, сил поверхностного натяжения и газовых потоков. При больших плотностях тока, например при сварке в защитных газах, капельный перенос металла может переходить в струйный (рис. 2.3,6), что способствует улучшению условий формирования шва.