Использование дугового разряда для сварки. Одним из видов сварки для осуществления неразъемных соединений металлических изделий является дуговая сварка, при которой для плавления ме­таллов используется энергия электрического дугового разряда, воз­буждаемого и поддерживаемого в пространстве между электродом и изделием. Энергию для поддержания дугового разряда доставляет источник питания. Исходя из конкретных условий, связанных со свойствами свариваемых металлов, конструкции изделий, требова­ний к качеству сварного шва применяется тот или иной способ сварки и тот или иной источник питания переменного или постоянно­го тока, обладающий свойствами, удовлетворяющими требованиям технологии. Для источника питания дуга является нагрузкой. Про­странство между электродом и изделием, где создается дуговой разряд, в дальнейшем будем называть разрядным или межэлектрод­ным промежутком. От источника питания к этому промежутку под­водится напряжение. В зависимости от знака потенциала, подведен­ного от источника, изделие или электрод выполняют функции анода или катода.

При подведении напряжения к разрядному промежутку в нем создается электрическое поле. Электрическая проводимость разряд­ного промежутка до возникновения электрического разряда равна нулю. Для его возникновения необходимо, чтобы в созданном элект­рическом поле имелись свободные электроны, которые, двигаясь ускоренно под действием сил поля к аноду, будут ионизировать га­зовую среду разрядного промежутка. Для получения свободных электронов осуществляют первоначальное возбуждение (зажига­ние) дуги, что достигается либо контактным способом при сварке плавящимся электродом, либо бесконтактным с помощью осцилля­тора при сварке неплавящимся электродом.

Качество сварного шва зависит как от количества энергии, по­ступающего от источника питания в зону сварки, так и от закона изменения этой энергии во времени. Электрическая проводимость разрядного промежутка определяется расстоянием между электро­дом и изделием и целым рядом факторов, связанных с физическими условиями при данном способе сварки: свойствами газовой среды, химическим составом свариваемых изделий и электрода, давлением, от которого зависит плотность окружающего газа, и т. д. При этом свариваемые изделия отличаются толщиной и конструкцией, прост­ранственное положение места соединения изделий также может быть различно. Различны и требования к качеству сварного соеди­нения и к структуре металла шва.

Исходя из конкретных требований и степени автоматизации про­цесса применяется тот или иной способ сварки и соответствующий ему источник переменного или постоянного тока.

Современные источники питания для дуговой сварки получают энергию либо в виде механической энергии от двигателя (асинхрон­ного или внутреннего сгорания), либо в виде электрической энергии от трехфазной сети. Если сварка производится переменным током', то электрическая энергия, получаемая от сети, преобразуется с по­мощью трансформатора источника питания в электрическую энер­гию другого напряжения, которое подводится к разрядному проме­жутку. Если сварка производится выпрямленным током, то энергия поступает из сети через трансформатор, входящий в состав свароч­ного выпрямителя, и выпрямленное напряжение подводится к раз­рядному промежутку.

В процессе сварки в энергетической системе источник питания — сварочная дуга — ванна возникают возмущения, причинами которых являются изменения длины дуги, колебания напряжения сети, изме­нения скорости подачи электродной проволоки, а также изменения физических условий в разрядном промежутке. При возмущениях изменяются напряжение на дуге и сварочный ток, что приводит к нарушению установившегося процесса сварки. Это отражается на глубине проплавления, геометрических размерах шва п структуре металла сварного соединения.

Изменение проводимости разрядного промежутка вызывает в системе источник питания — дуга — ванна переходные процессы. Во время переходных процессов происходит преобразование энергии электрического поля в энергию магнитного поля, а также обратное преобразование, сопровождающееся выделением тепла в резистив­ных сопротивлениях цепей. Характер переходных процессов и ско­рость их протекания зависят от свойств источника энергии, парамет­ров сварочного контура, физических условий в разрядном проме­жутке и гидродинамических явлений в ванне.

В сварочной технике применяется как дуга непрерывного горе­ния (стационарная), так и импульсная дуга. Длительность сущест­вования дуги непрерывного горения намного больше времени проте­кания переходных процессов, вызываемых возмущениями, поэтому изменения проводимости разрядного промежутка незначительны и напряжение на дуге, а следовательно, и сварочный ток изменяются мало. Практически их можно считать в процессе сварки постоян­ными.

Если изменение проводимости разрядного промежутка произво­дится во времени по определенной программе, которая осуществля­ется путем наложения на стационарно горящую дугу импульсов напряжения, создаваемых источником питания, то такая дуга на­зывается импульсной. При сварке импульсной дугой осуществляется
программное тепловложение в место соединения изделий за счет циклического изменения величины сварочного тока; при этом созда­ются благоприятные условия для капельного переноса металла.

Источник питания для сварки импульсной дугой должен позво­лять регулировать амплитуду импульса тока, его длительность, дли­тельность пауз между импульсами. Управление процессом переноса металла создает условия для снижения разбрызгивания металла.

Физические явления, протекающие в сварочной дуге. Впервые дуговой раз­ряд обнаружил и описал русский уче­ный В. В. Петров (1802). Исследова­нию процессов, протекающих при ду­говом разряде и, в частности, в сва­рочной дуге, посвящено много исследо­вательских работ как в СССР, так и за рубежом. В пространстве между из­делием и электродом, где горит дуга, протекают весьма сложные физико-хи­мические и электромагнитные процес­сы, трудно исследуемые как теоретиче­ски, так и экспериментально. Обще­принятой теории сварочной дуги, осо­бенно с плавящимся электродом, до се­го времени нет.

Сварочную дугу принято изобра­жать графически в виде цилиндра или усеченного конуса, опирающегося боль­шим основанием на изделие. Для рас­смотрения строения дуги в данном пособии принято изображение сварочной дуги в виде цилиндра — так называемая каналовая мо­дель (рис. 1.1) [1]. В осевом направлении различают: столб дуги — ее центральную часть, имеющую длину /ст порядка десятых долей сантиметра и температуру порядка шести и более тысяч градусов; приэлектродные области — катодную и анодную. В приэлектродных областях происходит снижение температуры столба дуги до тем­ператур плавления и кипения металла изделия и электрода или до необходимой температуры нагрева конца электрода при сварке не - плавягцимся электродом. Приэлектродные области (1К и 1а) имеют длины, порядка (10-5—10_3) см. Обнаружены эти области экспе­риментально; ввиду их малой протяженности за длину дуги при­нимают длину столба дуги, т. е. считают, что 1Я~1С1:.

Столб дуги — это ионизированный газ, содержащий нейтральные атомы и молекулы газов и паров, свободные электроны и положи­тельные ионы, возникающие при ионизации газа. При обычно при­меняемых способах дуговой сварки число отрицательных ионов нич­тожно мало. Столб дуги является анизотропной средой, свойства
которой (температура, напряженность электрического поля, элект­рическая проводимость, давление и др.) в осевом и в радиальном направлениях различны. Дуговой разряд является устойчивым электрическим порядком — он может существовать длительное вре­мя, пока условия, при которых горит дуга, не будут нарушены ка­ким-либо возмущением.

В столбе дуги наблюдаются две формы движения заряженных частиц: хаотическое тепловое и упорядоченное движение под дейст­вием сил электрического поля. Упорядоченное движение свободных электронов обусловливает электронную составляющую тока дуги, а положительных ионов — ионную составляющую тока. Электронная составляющая тока дуги в сотни раз больше ионной. Обе составля­ющие тока создают свои магнитные поля. Сварочным током / счита­ют ток проводимости, обусловленный упорядоченным движением свободных электронов, а магнитным полем дуги — поле, создавае­мое этим током.

Под действием сил электрического поля свободные электроны, ускоряясь, движутся к аноду, а положительные ионы, скорость ко­торых значительно меньше вследствие их большей массы, — к ка­тоду, где благодаря разным скоростям свободных электронов и по­ложительных ионов образуется пространственный (объемный) по­ложительный заряд. Ионизация газа столба дуги происходит за счет неупругих столкновений свободных электронов с нейтральными частицами газа. При столкновении и ионизации свободные электро­ны теряют часть своей кинетической энергии. Если кинетическая энергия свободного электрона недостаточна для ионизации, то про­исходит возбуждение нейтральной частицы, которая затем возвра­щается в исходное нейтральное состояние, если не произойдет ново­го столкновения со свободным электроном и не наступит ионизация. В столбе дуги наблюдается ступенчатая ионизация. Энергией, кото­рую передают движущиеся положительные ионы нейтральным час­тицам газа при столкновениях, вследствие малой плотности ионного тока пренебрегают. Столб дуги не создает своего электрического поля, так как в единице объема ионизированного газа одинакова концентрация отрицательно и положительно заряженных частиц. Столб дуги считают квазинейтральным. Степень ионизации газа в столбе дуги составляет несколько процентов. Такой ионизированный газ называется низкотемпературной плазмой. Степень ионизации газа определяется температурой нейтрального газа, потенциалами ионизации Vi и возбуждения VB компонентов смеси газов и паров межэлектродного промежутка. Компоненты смеси газов и паров веществ, имеющие более низкий потенциал ионизации, такие, напри­мер, как калий, кальций и др., ионизируются в большей степени.

Как известно из физики и электротехники, ток проводимости / является скалярной величиной, условное положительное направле­ние которой выбирается, а значение определяется по формуле

(1.1)

где б — вектор плотности тока проводимости (рис. 1.2); ds— вектор элемента ds поверхности 5 (перпендикулярный ей), через которую проходят частицы, несущие заряд q. За условное положительное направление тока проводимости I в проводящей среде, как извест­но, принято направление, противоположное направлению движения свободных электронов. Вследствие этого в столбе дуги движение свободных электронов под действием сил электрического поля и ус­ловное положительное направление тока проводимости I противо­положны.

Между векторами плотности тока б и напряженности электриче­ского поля Е в данной точке межэлектродного промежутка сущест­вует зависимость, которая представляет собой закон Ома, записан­ный в дифференциальной форме:

Т==уЁ, (1.2)

где у — удельная проводимость среды. Для линейных изотропных сред у постоянна во всех точках электрического поля, и векторы б и Е совпадают по направлению. Если между изделием и электродом

среда анизотропная и y^const, то б, у и Е — тензорные величи­ны [7].

Плотность тока в столбе дуги практически вычислить затруднительно, так как для этого необходимо учитывать большое число взаимо - зависящих физико-химических факторов. На­пряженность электрического поля в столбе ду­ги Ест невысока — порядка 10—35 В/см. Это объясняется высокой проводимостью столба дуги. Измерить длину столба дуги при сварке плавящимся электродом практически невоз­можно. Часть дуги погружена в кратер ванны, длина дуги непрерывно изменяется вследствие переноса капель через разрядный промежуток, и понятие «длина» дуги — чисто условное.

В при электродных областях протекают процес­сы, трудно исследуемые не только теоретиче­ски, но и экспериментально. Напряженности электрического поля Ек и Еа в приэлектрод - ных областях вследствие появления там при горении дуги простран­ственных (объемных) зарядов значительно больше, чем в столбе дуги, и могут достигать значений порядка (1—2) -106 В/см.

Распределение потенциалов по длине дуги. На рис. 1.3 приведен график, отражающий качественную картину распределения потен­циалов по длине дуги, горящей в воздухе при ручной дуговой сварке.

Величины потенциалов для построения графика определяются экспериментальным путем (существуют разработанные методы экс­периментального определения потенциалов, например метод зонди­
рования; эти методы в данной книге не рассматриваются). Харак­терным для графика является то, что в приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изме­нением потенциалов в столбе дуги. Это объясняется различием фи­зических процессов, протекающих в этих областях и в столбе дуги. Напряжение на дуге ид есть сумма разностей потенциалов в анод­ной области иа, в столбе дуги ис? и в катодной области ик:

Ид=:йа-|-йС1-|-йк. (1.3)

Ионизированные потоки газа в разрядном промежутке. На про­цессы, протекающие в разрядном промежутке при горении свароч­ной дуги, значительное влияние оказывают потоки ионизирован­ного газа, называемые плазменны­ми. Они возникают у активных пя­тен и направлены в сторону стол­ба дуги. Появление этих потоков связано с интенсивным испарени­ем материалов электрода и из­делия. Потоки, направленные встречно, взаимодействуют и да­ют результирующий плазменный поток в дуге. Плазменные потоки возникают в дугах как с плавя­щимся, так и с неплавящимся электродом, как в воздухе, так и в среде защитного газа; вообще возникновение плазменных пото­ков типично для сварочных дуг. Плазменные потоки кроме нейтральных атомов испаряющегося материала электрода и изде­лия содержат заряженные частицы ионизированного газа. Возни­кая у активных пятен, плазменные потоки хаотично перемещаются в пространстве, поскольку сами активные пятна хаотично переме­щаются по поверхности электрода и изделия. Хаотичное перемеще­ние плазменных потоков в пространстве усиливают анизотропию разрядного промежутка. Скорость перемещения плазменных пото­ков порядка 105 см/с. Эта скорость на 1—2 порядка ниже скорости упорядоченного движения электронов. Плазменные потоки не ока­зывают влияния на скорость движущихся свободных электронов. Скорость положительных ионов соизмерима со скоростью плазмен­ных потоков и поэтому ионы увлекаются плазменными потоками, что оказывает влияние на состояние объемных зарядов в приэлек­тродных областях. Это сказывается на величинах напряженностей электрического поля в приэлектродных областях, на распределе­нии потенциалов и в конечном счете на условиях, в которых горит дуга, а следовательно, на ее устойчивости. Особенно заметное влия­ние оказывают плазменные потоки на процесс сварки плавящимся электродом. Потоки воздействуют на относительно медленно пере*

мещающуюся каплю жидкого металла, вызывают ее отбрасывание и увеличивают потери металла на разбрызгивание.

Магнитное поле сварочной дуги. Как известно из физики и электротехники (2, 3], при движении заряженных частиц в твердом, жидком или газообразном проводнике в окружающей среде возни­кает магнитное поле. Магнитным полем сварочной дуги принято счи­тать магнитное поле, созданное упорядоченным движением частиц с зарядом q, который по абсолютной величине равен заряду элект­рона |<7| = |<7эл|, т. е. магнитное поле дуґи — это поле, созданное в разрядном промежутке током проводимости. На движущиеся в маг­нитном поле дуги заряженные частицы действуют механические си­лы. Сила F, действующая на частицу с зарядом ц, определяется вы­ражением

F=q[vB], (1.4)

где v — вектор скорости движущейся частицы в точке т электриче­ского поля разрядного промежутка; В—вектор магнитной индук­ции магнитного поля дуги в той же точке т; {vB — векторное произ­ведение векторов v и В. Абсолютное значение силы F равно [2]

F=qvB sin а, (1.5)

где а — угол между векторами о и В, a q — заряд движущейся час­тицы. Направление вектора В лежит в плоскости, перпендикулярной направлению тока проводимости / дуги, а направление вектора ско­рости v зависит от направления вектора напряженности электриче­ского поля Е в точке, через которую проходит частица, несущая заряд q. Из (1.5) следует, что при а=0 F=0, а при а=я/2, когда векторы v, В и Е взаимно перпендикулярны, Е=ЕМакс. При а—я F=0, а при а>я вектор F изменяет направление. Большое значение

для величины и направления вектора F имеет конфигурация элек­трического поля в разрядном промежутке, так как направление век­тора v определяется направлением вектора Е, совпадающим с ка­сательной к силовой линии электрического поля. Величина силы F определяется значениями напряженностей электрического и магнит­ного полей и зависит от параметров среды, т. е. от физических условий межэлектродного промежутка. По известному из электро­техники мнемоническому правилу левой руки определяется направ­ление вектора силы F, действующей в точке т на движущуюся час­тицу с зарядом q в ионизированном газе столба дуги. Точка т (рис. 1.4) взята на силовой линии магнитного поля тока / дуги в плоскости сечения, которое перпендикулярно оси столба дуги. По­ложительное направление силовой линии магнитного поля связано
с направлением тока / правоходовым винтом, что определяет на­правление вектора магнитной индукции В. Вектор v параллелен оси

столба и совпадает с направлением вектора Е. Между v и В угол а = я/2. Как видно из рис. 1.4, возникающие силы направлены ра­диально от наружной поверхности столба дуги к его оси и оказы­вают сжимающее действие на столб дуги.

Сжимающее действие сил F называют пинч-эффектом (от англ, глагола to pinch — сжимать). Столб дуги уплотняется, чему проти­водействует давление. В случае равенства сил сжатия и давления процессы в столбе протекают в условиях равновесия.

Изменение полярности не изменит направления сил F. По-преж­нему будет наблюдаться эффект сжатия столба дуги. Это объясня­ется тем, что при изменении направления вектора напряженности Е электрического поля в разрядном промежутке изменяется и направ­ление векторов скорости v и магнитной индукции В.

При сварке плавящимся электродом на конце электрода образу­ется капля жидкого металла, соединенная с торцом электрода жид­кой перемычкой, имеющей площадь поперечного сечения 5i меньше сечения S2 капли (рис. 1.5). В этих условиях происходит искривле­ние силовых линий электрического поля по отношению к оси столба

дуги. Вектор скорости v частицы с зарядом q, движущейся в раз­рядном промежутке, составляет в точке т с вектором В угол аф
фп/2. В этом случае вектор силы F, определяемой по правилу ле­вой руки, имеет две составляющие: радиальную Ерад и осевую Foc, которая направлена вдоль оси проводящей среды от меньшего сече­ния к большему. Сила F0c — это проекция силы F, которая перпен­дикулярна вектору скорости v, на линию, лежащую в плоскости, пер­пендикулярной вектору магнитной индукции В. Благодаря результи­рующему действию радиальных сил происходит сжатие жидкой пе­ремычки, соединяющей каплю с торцом электродной проволоки, а под действием осевых сил происходит перемещение капли вдоль оси столба дуги. Если свариваемый стык находится на горизонтальной поверхности, то отрыв капли происходит в основном при взаимо­действии радиальных и осевых сил, сил поверхностного натяжения и сил тяжести. Важное значение для переноса расплавленного ме­талла через разрядный промежуток и для степени разбрызгивания металла при сварке плавящимся электродом имеет направление сил

F, величины которых зависят не только от сварочного тока и созда­ваемого им магнитного поля, но и от скорости изменения их во вре­мени. Если изменяется сварочный ток, то изменяются проводимость разрядного промежутка и напряжение на дуге. Силы, которые име­ют значение для переноса металла через разрядный промежуток при сварке плавящимся электродом, зависят от конкретных физи­ческих условий в нем — химических свойств электрода, изделия, среды, толщины изделия, диаметра электродной проволоки, от кон­фигурации электрического поля, что связано с размерами и распо­ложением активных пятен на электроде и изделии.