§ 7. Определение и строение дуги. Условия зажигания и горения дуги

Электрическая сварочная дуга — устойчивый^электри - ческий разряд в сильно ионизированной смеси газов и па­ров материалов, используемых при сварке, и характеризу­емый высокой плотностью тока и высокой температурой.

В зависимости от числа электродов и способов включе­ния электродов и свариваемой детали в электрическую цепь различают следующие виды сварочных дуг (рис. 14):

• прямого действия, когда дуга горит между электро­дом и изделием;

• косвенного действия, когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь;

* трехфазную дугу, возбуждаемую между двумя элек­тродами, а также между каждым электродом и ос­новным металлом.

По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При использовании постоянного тока раз­личают сварку прямой и обратной полярности. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие — к прложительному полюсу (анод); во втором случае электрод подключается к положи­тельному полюсу и служит анодом, а изделие — к отрица­тельному и служит катодом.

В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными, вольф­рамовыми) и плавящимися металлическими электродами.

Сварочная дуга обладает рядом физических и техноло­гических свойств, от которых зависит эффективность ис­пользования дуги при сварке. К физическим относятся элек­трические, электромагнитные, кинетические, температур­ные, световые. К технологическим свойствам относятся: мощность дуги, пространственная устойчивость, саморегу­лирование.

Электрический разряд в газе — это электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положи­тельных ионов, способных перемещаться между электро-

дами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами).

Процесс, при котором из нейтральных атомов и моле­кул образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией. При обычных температурах иони­зацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе элект­ронам и ионам сообщить при помощи электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти части­цы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, а также из­лучением радиоактивных веществ.

В обычных, условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется ма­лой концентрацией свободных электронов и ионов в газах. Поэтому, чтобы вызвать в газе мощный электрический ток, т. е. образовать электрическую дугу, необходимо ионизи­ровать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами. Ионизацию можно произвес­ти, если приложить к электродам достаточно высокое на­пряжение, тогда имеющиеся в газе свободные электроны и ионы будут разгоняться электрическим полем и, получив большие энергии, смогут разбить нейтральные молекулы на ионы. Однако при сварке, исходя из правил техники бе­зопасности, нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому применяют другой способ. Так как в металлах имеется большая концентрация свободных электронов, то надо извлечь эти электроны из объема металла в газовую среду и затем использовать для ионизации молекул газа.

* Существует несколько способов извлечения электро­нов из металлов. Из них для процесса сварки имеют значе­ние два: термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии.

При термоэлектронной эмиссии происходит «испарение» свободных электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура металла, тем большее число свободных электронов приобретают энер­гии, достаточные для преодоления «потенциального барье­ра» в поверхностном слое и для выхода из металла.

При автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электри­ческого поля, которое несколько изменяет потенциальный барьер у поверхности металла и облегчает выход тех элек­тронов, которые внутри металла имеют достаточно боль­шую энергию и могут преодолеть этот барьер.

Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической. При высоких темпе­ратурах значительная часть молекул газа обладает доста­точной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кро­ме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах в процессе ионизации начинает так­же играть заметную роль излучение газа и раскаленных электродов.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации бу­дет равна единице.

При температуре 6000—8000 К такие вещества, как ка­лий, натрий, кальций, обладают достаточно высокой сте­пенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуго­вом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Это свойство щелочных метал­лов объясняется тем, что атомы этих металлов обладают малым потенциалом ионизации. Поэтому для повышения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флю­сов.

Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкосновении торца электрода и кромок свариваемой детали. Контакт в начальный момент осуществляется меж­ду микровыступами поверхностей электрода и сваривае­мой детали. Высокая плотность тока способствует мгно­венному расплавлению этих выступов и образованию плен­ки жидкого металла, которая замыкает сварочную цепь на участке «электрод — свариваемая деталь». При после­дующем отводе электрода от поверхности детали на 2— 4 мм пленка жидкого металла растягивается, а сечение уменьшается, вследствие чего возрастает плотность тока и повышается температура металла. Эти явления приво­дят к разрыву пленки и испарению вскипевшего металла. Возникшие при высокой температуре интенсивные термо­электронная и автоэлектронная эмиссии обеспечивают ионизацию паров металла и газов межэлектродного про­межутка.

В образовавшейся ионизированной среде возникает электрическая сварочная дуга (рис. 15). Процесс возбуж­дения дуги кратковремен и осуществляется в течение до­лей секунды. В установившейся сварочной дуге различа­ют три зоны: катодную, анодную и столба дуги. Катодная зона начинается с раскаленного торца катода, на котором расположено так называемое катодное пятно. Отсюда вылетает поток свободных электронов, осуществляющих ионизацию дугового промежутка. Плотность тока на ка­тодном пятне достигает 60—70 А/мм2. К катоду устрем­ляются потоки положительных ионов, которые бомбар­дируют и отдают ему свою энергию, вызывая нагрев до температуры 2500—3000°С.

Анодная зона расположена у торца положительного электрода, в котором выделяется небольшой участок, на­зываемый анодным пятном. К анодному пятну устремля­ются и отдают свою энергию потоки электронов, накаляя его до температуры 2500—4000°С. Столб дуги, располо­женный между катодной и анодной зонами, состоит из рас­каленных и ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000—7000°С в зависимости от плотности сварочного тока.

Для возбуждения дуги в начальный момент необхо­димо несколько большее напряжение, чем при ее после­дующем горении. Это объясняется тем, что при возбуж­дении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, сте­пень ионизации недостаточно высокая и необходимо боль­шее напряжение, способное сообщить свободным элект­ронам достаточно большую энергию, чтобы при их столк­новении с атомами газового промежутка могла произой­ти ионизация. Увеличение концентрации свободных элек­тронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда — к повышению его элек­тропроводности. Вследствие этого напряжение тока пада­

ет до значения, которое необходимо для устойчивого го­рения дуги.

Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Вольт-амперная характеристика дуги имеет три облас­ти— падающую, жесткую и возрастающую (рис. 16). В пер­вой (до 100 А) с увеличением тока напряжение значитель­но уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а сле­довательно, и проводимость столба дуги. Во второй облас­ти (100—1000 А) при увеличении тока напряжение сохра­няется постоянным, так как сечение столба дуги и площа­ди анодного и катодного пятен увеличиваются пропорцио­нально току. Область характеризуется постоянством плот­ности тока. В третьей области увеличение тока вызывает возрастание напряжения вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровож­дается увеличением катодного пятна ввиду ограниченнос­ти сечения электрода. Дуга первой области горит неустой­чиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга вто­рой области горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

Рис. 16. Статическая вольт-амперная характеристика дуги зависимость напряжения дуги Ud от ее длины Ld — б

Напряжение, необходимое для возбуждения дуги, за­висит от рода тока (постоянный или переменный), дугово­го промежутка, материала электрода и свариваемых кро­мок, покрытия электродов и ряда других факторов. Значе­ния напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2—4 мм, находятся в преде­лах 40—70 В. Напряжение для установившейся сварочной дуги определяют по формуле U — а + Ы, где а — коэффи­циент, по своей физической сущности составляющий сум­му падений напряжений в зонах катода и анода, В; b — коэффициент, выражающий среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм; I — длина дуги, мм. Для стальных электродов в среднем можно принять а = 10 В, b = 2 В/мм. При 1 = 4 мм Ud = 10 + 2 • 4 = 18 В.

Длиной дуги называется расстояние между торцом элек­трода и поверхностью сварочной ванны. Короткой дугой считают дугу длиной 2—4 мм. Длина нормальной дуги со­ставляет 4—6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длин­ной.

Оптимальный режим сварки обеспечивается при корот­кой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномер­но, дуга горит неустойчиво — металл, проходя через дуго­вой промежуток, больше окисляется и азотируется, увели­чиваются угар и разбрызгивание металла.

Электрическая сварочная дуга может быть отклонена от своего нормального положения при помощи магнитных полей, создаваемых вокруг дуги и в свариваемой детали. Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называют магнитным дутьем. Воздействие маг­нитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и достигает заметного значения при сварочных токах более 300 А.

Магнитные поля оказывают отклоняющее действие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги. Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс нарушает симметрич­ность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс.

Магнитное дутье в некоторых случаях затрудняет про­цесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. К таким мерам относятся: сварка ко­роткой дугой; подвод сварочного тока в точке, максималь­но близкой к дуге; наклон электрода в сторону действия магнитного дутья; размещение у места сварки ферромаг­нитных масс.

При использовании переменного тока анодное и катод­ное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени напряжение и ток периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего. При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, тем­пература активных пятен и дугового промежутка снижает­ся. Вследствие этого происходит деионизация газов и умень­шение электропроводности столба дуги. Интенсивнее па­дает температура активного пятна, расположенного на по­верхности сварочной ванны в связи с отводом теплоты в массу основного металла. Повторное зажигание дуги в на­чале каждого полупериода возможно только при повышен­ном напряжении, называемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для сни­жения пика зажигания, облегчения повторного зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяют меры, снижающие эффективный потенциал ионизации га­зов в дуге. При этом электропроводность дуги после угаса­ния дуги сохраняется дольше, пик зажигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее. К этим мерам относится применение различных стабилизирующих эле­ментов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов.