Электрическая сварочная дуга.

Электрическая сварочная дуга - это мощный стабильный длительный электрический разряд в ионизированной атмосфере (газовой среде) свариваемых материалов между твердыми или жидкими электродами, осуществляемый при высокой плотности тока и сопровождаемый выделением большого количества тепла.

Электрический разряд в газе- это электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля.

Ионизация- процесс образования положительных и отрицательных ионов из нейтральных атомов и молекул. Ее можно вызвать электрическим полем, световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, излучением радиоактивных веществ. В обычных условиях воздух, газы обладают слабой электропроводностью из-за малой концентрации ионов и электронов. После приложения к электродам достаточно высокого напряжения свободные электроны и ионы разгоняются и, получив значительную энергию, разбивают нейтральные атомы и молекулы на ионы.

Однако высокое напряжение опасно для жизни. Поэтому при сварке извлекают электроны посредством термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии. В 1-й испарение свободных электронов с поверхности металла происходит из-за высокой температуры. Чем она выше, тем лучше. Во 2-й - с помощью внешнего электрического поля, изменяющего потенциальный барьер и облегчающего выход электронов.

Ионизация в некотором газовом объеме называется объемной ионизацией, а объемная ионизация от нагревания газа до очень высокой температуры - термической ионизацией. Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации - отношение числа заряженных частиц к первоначальному числу частиц. Потенциал ионизации определяется выражением U= w/q, где w - работа по удалению электронов [Дж]; q - заряд электрода [Кл]. На рис. 7.2 показано изменение степени ионизации для разных металлов от температуры.

Рис. 7.2

Степень ионизации

Сложные атомы, содержащие много электронов, имеют несколько потенциалов ионизации, причем 1-й самый маленький (см. табл. 7.1)

Потенциалы ионизации металлов Табл. 7.1

Для повышения устойчивости горения электрической дуги и защиты капель металла от окисления и азотирования вводят K, Na, Li, Ca и др. в виде электродных покрытий и флюсов. Таким способом электропроводность воздушного промежутка между электродами, а значит устойчивое горение дуги, обеспечивается эмиссией катода и объемной ионизацией в зоне дуги.

Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкосновении торца электрода и кромок свариваемых деталей. Высокая плотность тока при этом способствует расплавлению касающихся неровностей и образованию пленки, замыкающей цепь электрод - свариваемая деталь. При последующем отводе электрода на 2- 4 мм пленка жидкого металла растягивается, а сечение уменьшается, приводя к повышению плотности тока. Металл вскипает. Возникшие при этом термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии обеспечивают ионизацию паров металла.

На рис. 7.3 показана структура электрической дуги, а на рис. 7.4- вольт-амперные характеристики дуги при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали.

Рис.7.3

Структура электрической дуги:

1- электрод; 2- катодная зона (Т= 2400…3200°С); 3- столб дуги (Т= 6000…7000°С); 4- анодная зона (Т= 2500…4000°С).

Рис.7.4.

Вольт-амперная характеристика дуги при РДС.

Напряжение, необходи-мое для возбуждения дуги, зависит от рода тока (постоянный, переменный), дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, покрытия электрода и др.

При использовании переменного тока анодное и катодное пятна (зоны) меняются местами с частотой тока.

Количество тепла, выделяемого в сварочной дуге, определяется выражением

Q= IU_qt [Дж], (7-1)

где I, U_q - соответственно, ток и напряжение; t- время.

Температура в катодной зоне составляет T= 2400- 3200°C, в анодной- 2500- 4000°C, в столбе дуги- 6000- 7000 °C. При этом в катодном пятне выделяется 36- 38%, в столбе- 20- 21%, в анодном пятне- 42- 43 % тепла сварочной дуги.

Разная температура катода и анода и разное количество тепла, там выделяемого, используются при решении технологических задач. Так, при сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок применяют прямую полярность (+ на детали). В случае сварки тонкостенных деталей, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропрочные, высокоуглеродистые) - обратную полярность.

При ручной дуговой сварке (РДС) на плавление и нагрев металла используется 50- 85% тепла дуги. Остальное тепло рассеивается, идет на разбрызгивание, угар и т.д., т.е. эффективный коэффициент полезного действия равен

h_э= Q_э /(tIU_q) (7-2).

Величина к.п.д. зависит от способа сварки, электрода, состава электродного покрытия и др.

Так, при использовании во время ручной дуговой сварки (РДС) электродов с тонким покрытием дает h_э=0,5- 0,6. В случае качественных электродов h_э=0,7- 0,85.

Во время аргоно-дуговой сварки (АрДС) h_э=0,5- 0,6.

При сварке под флюсом h_э= 0,85- 0,93.

Для характеристики теплового режима процесса сварки определяют погонную энергию дуги на единицу длины однопроходного шва, т.е. Э_П= IUh_э /u, [Дж/м], где u - скорость сварки, м/сек.