Технология электродуговой сварки

Дуговая сварка основана на явлении электрической дуги.

Электрическая дуга представляет собой один из видов устойчивого электрического разряда через газовый или парогазовый промежуток, характеризующийся высокой плотностью тока и температурой.

Для сварки важно, чтобы дуга легко возбуждалась, устойчиво существовала и легко регулировалась по своим энергетическим параметрам.

Известно несколько способов возбуждения дугового разряда. По способу В.В. Петрова два электрода, соединенные с источником тока, сближают до соприкосновения и сразу же разводят на небольшое расстояние. В этот момент между ними вспыхивает дуга.

Что же происходит при этом? Упрощенно это можно представить себе так: при соприкосновении электродов электрическая цепь замыкается и по ней идет ток. В соответствии с законом Джоуля-Ленца при протекании тока в проводниках выделяется теплота. Поскольку соприкосновение электродов вследствие неровностей их поверхностей осуществляется лишь в отдельных физических точках, сопротивление протеканию тока в них будет значительным, поэтому материал в точках контакта нагревается сильнее и быстрее, чем в остальных участках цепи. При высокой температуре электрода возникает явление так называемой термоэлектронной эмиссии - испускание электронов под действием теплового возбуждения. Если в этот момент разорвать контакт между электродами, то под действием электрического поля электроны, образовавшиеся вследствие термоэмиссии, начнут перемещаться к положительному электроду (аноду). Сталкиваясь с нейтральными молекулами газа или атомами в межэлектродном промежутке, электроны «раскалывают» их на ионы и новые электроны. В результате этих и других более сложных и тонких процессов в межэлектродном промежутке образуется плазма - достаточно ионизированный и квазинейтральный газ, обладающий хорошей проводимостью тока. Следует отметить, что наряду с образованием ионов в межэлектродном промежутке наблюдается и обратная картина, т.е. образование нейтральных атомов и молекул за счет присоединения (поглощения) электронов. При этом происходит выделение энергии в виде фотонов, т.е. возникает излучение в виде света.

Схема ионизации молекул в дуговом промежутке:

М — молекула; А — атом; Ф — фотон; «-» электрон; «+» — ион

Каково же строение дуги?

На схеме показана дуга постоянного тока, горящей между электродом 1 (катод) и изделием 3 (анод). В межэлектродном (дуговом промежутке) находится электропроводный канал 2, называемый столбом дуги.

Газы столба достаточно ионизированы, ослепительно ярко светятся, имеют по его оси высокую температуру — порядка 10 000 °С. Наиболее ионизирована центральная часть столба.

Столб окружен пламенем, или ореолом, с меньшей температурой, образуемым парами и газами, поступающими из столба дуги и взаимодействующими химически с окружающей атмосферой.

Основаниями столба дуги являются расположенные на электродах ярко светящиеся катодное и анодное пятна (их называют активными), плотность тока в которых может составлять десятки тысяч ампер на квадратный сантиметр. На них происходит преобразование электрической энергии газового разряда в тепловую, нагревающую и расплавляющую металл и способную доводить его до кипения, превращать в пары.

Расстояние от анодного до катодного пятна называется длиной дуги(/д). Длина дуги редко превышает 1—2 см, а диаметр столба дуги — и того меньше. Плазма дуги занимает небольшой объем — около 1куб. см, который можно разделить на три области: две из них непосредственно прилегают к катодному и анодному пятну и имеют небольшую протяженность (/а, /к), сопоставимую с длиной свободного пробега. Третья область — собственно межэлектродный промежуток, заполненный ионизированным газом, Длина его(/с) близка к длине дуги /д. В каждой из областей происходят сложные явления.

В столбе дуги, являющемся основной ее частью, присутствуют наряду с заряженными частицами (ионами и электронами) и нейтральные частицы — атомы и молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды, и газов, окружающих дугу. Наличие в столбе дуги заряженных частиц, а также фотонов и квантов электромагнитной энергии придает ему необычные свойства, которые характерны только для четвертого или плазменного состояния вещества, — наряду с твердым, жидким и газообразным состояниями. В земных условиях мы редко сталкиваемся со свободно существующей плазмой (по некоторым представлениям это может быть, например, шаровая молния). Однако в целом во всей Вселенной примерно 99, 9 % вещества находится в плазменном состоянии (звезды, туманности и т.д.).

Под действием электрических и магнитных полей, конвективных потоков, местных флуктуации давления, кулоновского взаимодействия между электронами и ионами частицы в столбе дуги перемещаются по сложным траекториям. Наиболее подвижны отрицательно заряженные частицы — электроны. Они могут приобретать высокие скорости перемещения и вступать во взаимодействие с ионами, молекулами и атомами, передавая им свою энергию. При каждом так называемом неупругом взаимодействии происходит возбуждение атома или молекулы, т.е. переход их в состояние с более высоким, энергетически неустойчивым уровнем. Самопроизвольно возвращаясь к нормальному состоянию, частицы излучают энергию в виде фотонов, что наряду с излучением фотонов в процессе объединения положительного иона с электроном (т.е. при образовании нейтральных атомов) и вызывает ослепительное свечение плазмы.

При сильном взаимодействии электрона с атомом последний получает такую большую энергию, которая достаточна для отрыва собственных электронов от ядра. Атом становится положительным ионом: однозарядным, если выбит один электрон, двухзарядным — если два, и т.д. Уровень энергии электрона, необходимой для ионизации какого-либо атома, выражают в электрон-вольтах (ЭВ) и называют потенциалом ионизации.

Различные элементы имеют различный потенциал ионизации. Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше потенциал ионизации. Так, цезий, самый тяжелый элемент из всех щелочных металлов, имеет наименьший потенциал ионизации 3, 9 ЭВ, а самый легкий из инертных газов — гелий обладает наивысшим потенциалом ионизации — 24, 5 ЭВ. Регулируя состав атмосферы столба дуги можно регулировать устойчивость и энергетические возможности дугового разряда, чем на практике и пользуются сварщики.

Для диссоциации различных молекул необходима также различная энергия. Так, например, молекула фтора диссоциирует при затрате энергии в 1, 6 ЭВ, а углекислого газа — 9, 7 ЭВ. Для сварщиков не безразличны эти цифры. Ведь от того, какие атомы и молекулы будут преобладать в атмосфере дуги, будут зависеть легкость возбуждения дуги, ее стабильность и другие характеристики.

Зависимость напряжения на дуге от силы тока при различных длинах дуги (1, 2) и напряжениях на зажимах источника питания (3, 4)

Столб дуги, достаточно однородный по строению и свойствам, примыкает своими концами к электродам — аноду и катоду, через которые питается током от источника питания. Приэлектродные области (анодная и катодная), т.е. зоны перехода от твердых или жидких проводников — электродов к газовому проводнику — столбу дуги, являются наиболее сложными областями дугового разряда. Протекание тока в пограничных областях носит необычный характер. Здесь наблюдаются очень высокие плотности тока и совершенно необычные напряженности электрического поля — в десятки тысяч вольт на сантиметр по сравнению с 20 — 30 В/см в столбе дуги. Именно в этих областях горячая плазма граничит со сравнительно холодной поверхностью электродов, нагретых до 2 — 3 тыс. градусов по Цельсии.. Весьма неопределенна и среда в переходных областях — неизвестно сколько в ней газа и какого он состава, сколько паров материала электродов и т.п. Несмотря на многочисленные работы, посвященные изучению приэлектродных областей, многое остается еще невыясненным, что объясняется трудностями исследований: высокими температурами, малой протяженностью приэлектродных областей (тысячные доли сантиметра), сложностью характера протекающих явлений. Упрощенно можно представить себе основные процессы, происходящие в приэлектродных областях.

В катодной области наблюдается интенсивное эмиссирование (выбрасывание) потока электронов с поверхности катода за счет нагрева его до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) и за счет локального действия электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Кроме этого, поверхность катода бомбардируется положительными ионами и фотонами, способными также выбивать электроны из атомов катода. В результате интенсивной эмиссии электронов с катода и соответствующей ионизации дугового промежутка и устанавливается устойчивый разряд — электрическая дуга.

В анодной области идут более простые процессы: за счет притяжения положительно заряженного анода электроны разгоняются и непрерывно бомбардируют его поверхность. В результате энергия электронов передается аноду, что приводит к интенсивному разогреву его поверхности до температуры, близкой к температуре кипения материала анода.

При сварке не все тепло, выделенное дугой, вводится в изделие. Часть тепла теряется в виде излучения в окружающую среду.

Количество тепла, введенное в изделие, учитывается эффективным коэффициентом полезного действия сварочной дуги. Величина эффективного КПД дуги зависит от многих факторов и колеблется в пределах от 0, 5 до 0, 9.

Для практического применения чрезвычайно важна так называемая статическая вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ), показывающая, как изменяется напряжение на дуге в зависимости от силы тока при заданной длине дуги.

Удлинение дуги приводит к увеличению напряжения на ней.

Вольт-амперная характеристика показывает, что дуга как вид газового разряда является нелинейным сопротивлением и не подчиняется закону Ома. Вольт-амперную характеристику можно разделить на три области. В первой области (до 100 А) с нарастанием тока резко падает напряжение на дуге (падающая характеристика). Во второй области (~ до 1000 А) наблюдается постоянство напряжения на дуге при значительном изменении тока. В третьей области (> 1000 А) вместе с нарастанием тока увеличивается и напряжение на дуге (возрастающая ВАХ). Причина такой сложной связи тока и напряжения дуги объясняется поведением заряженных частиц в столбе дуги, закономерности которого рассматриваются в теории дугового разряда.

Исходя из конкретных условий сварки назначаются определенные величины тока (I) и напряжения (U) на дуге. Для того, чтобы понять, как это делается, необходимо еще, кроме рассмотренной зависимости ВАХ, рассмотреть так называемую внешнюю характеристику (ВХ) источника питания lуги.

В современной сварочной технике используют следующие источники питания (ИП) сварочной дуги: источники питания дуги переменным током — сварочные трансформаторы, источники питания дуги постоянным током — сварочные выпрямители и сварочные генераторы.

График зависимости между напряжением на зажимах ИП и током, отдаваемым ИП в цепь и называют внешней характеристикой источника питания. Различают крутопадающие, пологопадающие, жесткие и возрастающие ВА.

Наиболее широко используются ИП с крутопадающими ВХ, чаще называемыми просто падающими ВХ. Если сварочная цепь будет разомкнута, то напряжение на зажимах ИП будет соответствовать так называемому напряжению холостого хола.

Точка пересечения внешней характеристики источника питания с вольт-амперной характеристикой дуги обусловливает заданный уровень тока и напряжения дуги и отвечает устойчивому состоянию системы источник питания — сварочная дуга. Изменение или настройку режима дуги по току и напряжению можно осуществлять различными путями, например, изменяя крутизну ВХ источника питания, изменяя напряжение холостого хода ИП или скорость подачи электрода по мере его плавления. В каждом конкретном случае режим дуги по току и напряжению назначается инженером-сварщиком исходя из соображений обеспечения высокого качества и производительности сварки.