Глава 2. Дуговая сваркаплавлением

Дуговая сварка (1*) – сварка плавлением, при которой нагрев осуществляется электрической дугой.

* -далее, число с пометкой " *" размещенное в скобках - индекс процесса по ГОСТ Р ИСО 4063- 2010 Сварка и родственные процессы. Перечень и условные обозначения процессов.

Дуговая сварка относится к электрическим способам сварки плавлением.

Электрические свойства дуги

Сварочная дуга – один из видов устойчивого электрического разряда через газовый промежуток, в котором находится смесь нейтральных атомов, электронов и ионов.

Для дугового разряда характерны высокая плотность тока и высокая температура (до 10000°С). Ток протекает через газ, находящийся между двумя электродами, присоединенными к источнику энергии. Электрод, соединенный с отрицательным зажимом источника тока называют катодом, а соединенный с положительным зажимом – анодом. Под действием напряжения, имеющегося между электродами электроны и отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду.

Межэлектродное пространство (l_д) разбито на три области (рис. 2.1): катодная (l_к); анодная (l_а) и столб дуги (l_ст). Такое деление связано с тем, что столб дуги не может граничить непосредственно с металлом электродов, так как температура кипения металлов электродов значительно ниже температуры столба дуги.

Рассмотрим явления в приграничных областях и в столбе дуги.

Катодная область

В обеспечении проводимости дугового промежутка большую роль играет поток электронов эмитированных катодом. Этот процесс обеспечивается за счет нагрева поверхности катода (термоэлектронная эмиссия) и за счет созданияу поверхности катода электрического поля большой напряженности (автоэлектронная эмиссия).

 

Рис. 2.1.Модель сварочной дуги и распределение потенциала по ее длине: 1 - катодная область; 2 - столб дуги; 3 - анодная область

При термоэлектронной эмиссии электроны за счет нагрева приобретают запас кинетической энергии достаточный для преодоления потенциального барьера, ограждающего поверхность катода. Эта энергия характеризуется работой выхода электронов (U_вых), величина которой составляет 2…5 В. Величина этой энергии зависит от природы химической связи атомов в молекулах (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Работа ионизации, в Эв

Процесс ионизации	Работа ионизации	Процесс ионизации	Работа ионизации
He®He+	24, 5	A ®Ar+	15, 7
Ne ®Ne+	21, 5	CO2® CO+	14, 4
N2®N2+	15, 8	Na ®Na+	5, 1

При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов из катода, сообщается внешним электрическим полем, которое вытягивает их за пределы воздействия электростатического поля металла

Определенный вклад вносит и бомбардировкакатода движущимися частицами.Электроны, которые не могут преодолеть энергетический барьер, возвращаются в металл, а электроны, имеющие достаточную кинетическую энергию эмитируются в дуговой промежуток. Электроны, преодолевшие энергетический барьер, ускоряются в поле катодного потенциала, перемещаются в сторону столба дуги, и отдают свою кинетическую энергию в столкновениях с нейтральными атомами, поддерживая таким образом ионизацию и нагрев газа на границе катодной области и столба дуги. Внешнее электрическое поле положительных ионов, скопившихся в катодной области, уменьшает работу выхода электронов (U_вых) на 1…2 В. (данное явление называют эффектом Шоттки).

Реальная работа выхода электронов (U_{вых. р}) и катодное напряжение (U_к) имеют разные знаки. Поэтому потенциальный барьер для выхода электронов уменьшается, что может быть выражено, как U_к - U_{вых. р}.

Величина катодного падения напряжениялежит в пределах 5…20 В. Градиент падения напряжения (U_к/l_к) равен 10⁴ … 10⁵ В/мм.

Анодная область

Анод не имитирует положительно заряженных ионов, поэтому анодный ток обусловлен переносом к нему отрицательно заряженных частиц – электронов и ионов. Поэтому вблизи анода образуется избыток отрицательно заряженных частиц, в результате чего у поверхности анода возникает дополнительный отрицательный барьер, величина которого равна работе выхода электронов (U_вых).Электроны не могут покинуть анод за счет энергии теплового движения, так как анодное падение напряжения (U_а) создает для них непреодолимый барьер (U_а + U_вых).

Электроны, выходящие из плазмы столба дуги и попадающие в анодную область, ускоряются в поле анодного падения напряжения потенциала и приобретают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно для ионизации атомов, сталкивающихся с ними. Вновь появившиеся ионы так же ускоряются под действием падения анодного напряжения, перемещаются в сторону столба дуги, и отдают плазме столба свою избыточную энергию за счет деионизации и соударений.

Анодноепадение напряжения, в зависимости от материла анода и ионизирующих присадок в материале покрытия электрода лежит в пределах 2…10 В, градиент напряжения ниже, чем в катодной области (~10⁴ В/мм).

 

 

Столб дуги

Эта часть дуги, расположенная между катодной и анодной областями на несколько порядков больше размеров этих областей, и составляет от 1 до 40 мм.

Заряженные частицы поступают в столб дуги из катодной и анодной областей, а также возникают в нем за счет ионизации нейтральных частиц (до 4%, что свидетельствует о слабой ионизации столба дуги).

Электронная составляющая тока столба дуги намного больше ионной. Падение напряжения в столбе (U_ст) достигает 40 В, что обеспечивает градиент напряжения ε _ст = 1…4 В/мм. При этом падение напряжения прямо пропорционально длине столба дуги (l_ст). Плотность тока в столбе дуги со стальными электродами достигает 20 А/мм².

Так как длина столба дуги значительно превышает суммарную длину анодной и катодной области, то длину столба дуги принимают за длину дуги:

2.1

Падение напряжения на дуге равно:

2.2

Из принципа термического равновесия между катодной областью и столбом дуги следует: сколько тепла приходит из катодной области в столб дуги, столько же приходит из столба дуги в катодную область.Поэтому вся мощность, выделяемая в катодной областиидет в катод на плавление, испарение, теплоотвод.

2.3

Аналогично для анодной области: энергиявозвращающаяся в плазму столба дуги с ионами и излучением анода, полностью покрывает потери энергии из столба дуги с уходящими электронами и излучением плазмы в сторону анода.

Мощность тепловыделения на аноде равна:

2.4

Знание соотношения мощностей, выделяемых на катоде и аноде необходимо для выбора полярности дугипри сварке на постоянном токе. Для большинстваштучных покрытыхэлектродов: Р_а> Р_кв 1, 3 … 1, 5 раза. Поэтому при ручной дуговой сварке штучными электродами для увеличения скорости плавления электрода используют обратную полярность (+ на электроде). Такую же полярность используют при механизированной сварке плавящимся электродом. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом для уменьшения его перегрева и износа применяют прямую полярность (" -" на электроде).

Зажигание дуги

Для зажигания (возбуждения) дуги необходимо ионизировать воздушный промежуток между катодом и анодом. Ионизировать воздушный промежуток можно коротким кратковременным замыканием электрической цепи «источник питания – электрод - заготовка» или высоковольтным искровым разрядом.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: