2. Сварочная дуга и ее влияние на характеристики сварочного процесса

Основной оббьем сварки плавлением выполняется электрической дугой и от ее поведения зависят многие технологические свойства и характеристики сварочного процесса и качества сварного соединения.

Сварочная дуга это стационарный электрический разряд в газах и ее рабочие параметры зависят от свойств газа, формы кривой тока питающего ее, распределение полюсов по электроду и изделию, внешней вольтамперной характеристики источника тока.

Сварочная дуга состоит из столба дуги и приэлектродных областей прилегающих к полюсам электрической цепи положительному (аноду) и отрицательному (катоду).

Рис. 5. Строение дуги и падение напряжения вдоль ее оси

Протяженность катодной и анодной областей соизмеримы по порядку с длиной свободного пробега электрона и у дуг горящих при атмосферном давлении составляет менее сотых долей миллиметра. На аноде электроны могут свободно входить в металл электрода, а выход ионов из металла электрода ограничен. Это приводит к скоплению у анода электронов и образованию у анода отрицательного объемного заряда, характеризуемого анодным падением напряжения – Ua. У катода ионы, поступающие из столба, могут свободно подходить к электроду, преодолев предварительно встречное движение электронов, покинувших катод. Это и является потенциальным барьером, приводящим к появлению катодного падения напряжения – Uk. Размеры этой области аналогичны анодной. Кроме сказанного обеим этим областям присущ резкий скачек температур от относительно холодных электродов до горячей плазмы столба дуги расположенного между ними.

Между катодной и анодной областями располагается столб дуги, протяженность которого составляет протяженность дуги, а падение напряжения обозначается буквой Uc. Как предыдущие, так и дальнейшие выводы, изложенные здесь, справедливы при горении дуги в условиях атмосферного давления. Столб дуги состоит из квази нейтральной плазмы, в которой с большой скоростью хаотично перемещаются электрически заряженные ионы и электроны, и нейтральные частицы. Кинетическая энергия каждой частицы измеряется величиной

=3/2 kT , (2)

где m – масса частицы

v – скорость ее перемещения

Дж/град – постоянная Больцмана

Т – температура плазмы в Кельвинах.

Ионы (положительно заряженные частицы) являются продуктами диссоциации молекул и ионизации атомов. Масса самого маленького положительного иона – ядра атома водорода – в 1800 раз больше массы отрицательного заряда – электрона.

Поэтому скорость перемещения электронов на несколько порядков превышает скорость перемещения ионов не только в хаотичном, но и «дрейфовом» (направленном от катода к аноду) движении. Все это говорит о том, что проводимость тока сварочной дуги является электронной.

Температура сварочной дуги по поперечному сечении столба дуги не одинакова – в центре она может достигать 20000 ⁰С и намного более (все зависит от рода газа в котором она горит и подаваемой к полюсам энергии), на периферии порядка 5000 ⁰С.

Свойства сварочных дуг

Диапазон их токов составляет от 10 до 10000 А, дуговых напряжений до 46 В. При этом плотность тока измеряется в пределах от 1 до 30 А/мм². При неизменных линейных параметрах дуги и увеличении подаваемой энергии дуга начинает увеличиваться в поперечном сечении препятствуя существенному изменению плотности. Изменение линейных размеров дуги приводит (укорочение или удлинение)к изменению ее главных параметров тока и напряжения. На линейность неплавящихся электродов (вольфрамовых), характеристики сплавления металла шва с основным металлом и величину расплавления проволоки влияет подключение дуги к источнику тока, т.е. грамотное расположение катода и анода на изделии и электроде. Кроме того, дуги постоянного тока, особенно низкоамперные, имеют низкую пространственную устойчивость. При выполнении сварки определенным технологическим процессом (ручная сварка покрытыми электродами, механизированная сварка тонкой проволокой в защитных газах и т. д.) вопросы стабильного горения дуги, ее саморегулирования, формирования шва и его качественного сплавления исключительно зависят от правильно выбранных внешних вольт-амперных характеристик источников питания. Для стабильности протекания технологического процесса сварки плавящимся электродом необходимо поддержание постоянной длины дуги и электрических параметров режима I_св и U_д. При сварке плавящимся электродом это постоянство достигается равенством скорости подачи электрода V_э и скорости его плавления V_п

V_э = V_п (3)

В тоже время, в реальных условиях протекания технологического процесса, происходят колебания напряжения электрической сети, волнистость свариваемой поверхности, неравномерность подачи электродной проволоки из-за пробуксовывания, наличие прихваток, влияние намагниченности свариваемых деталей и т.д. все это вызывает изменение параметров сварочного режима, устранение которых производится совместно, как за счет внешней вольамперной характеристики источника, так и за счет принципов регулирования процессов заложенных в сварочное оборудование.

На рис. 6 приведены внешние вольтамперные характеристики источников питания дуги.

Рис. 6. Внешние вольт-амперные характеристики питания дуги: 1 — крутопадающая; 2 — пологопадающая; 3 — жесткая; 4 — возрастающая; 5 — штыковая

При ручной сварке неплавящимся или покрытым плавящимся электродом применяется источник с крутопадающей внешней характеристикой. Процесс его регулирования представлен на рис. 7.

Рис. 7. Процесс регулирования источника питания с крутопадающей характеристикой

При наложении на статическую вольт-амперную характеристику дуги 1 вольт-амперной характеристики источника 2, обеспечивается устойчивое горение дуги, соответствующее условиям I_д = I_и и U_д = U_и. Такое условие может выполняться только в двух точках - А и В. В точке В при уменьшении силы тока, согласно статической характеристике дуги, требуется более высокое напряжение U_д , которого внешняя характеристика источника не может обеспечить, и дуга гаснет. Если же в точке В сила тока увеличивается, то по статической характеристике напряжение падает вплоть до значения, соответствующего значению точки А. Эта точка и будет устойчивой точкой горения , т. к. любое возмущение приводит к изменению параметров тока и напряжения. По статической и внешней характеристикам к возвращению в точку А токи при ручной сварке плавящимся или неплавящимся электродом небольшие и не приводят к существенным изменениям параметров плавления изменение напряжения вызывает изменение длины дуги, что можно фиксировать визуально и устранять. Поэтому для стабильного протекания этих процессов достаточно реакции человека, выполняющего ручное регулирование длины дуги. При автоматической сварке неплавящимся электродом скорость протекания процесса регулирования длины дуги должна быть больше, и поэтому автоматы оснащаются системой саморегулирования длины дуги относительно опорного напряжения (установленного перед началом сварки), а внешняя характеристика источника тока является штыковой (см. характеристику 5 на рис. 6). Ток при саморегулировании длины дуги изменяется незначительно и его изменение не сказывается на качестве процесса.

При механизированной сварке плавящимся электродом используется два принципа регулирования дуги по напряжению – принудительное регулирование, при котором скорость подачи электрода автоматически изменяется в зависимости от напряжения на дуге. Внешняя характеристика источников питания, при такой сварке полого падающая (см. характеристику 2 на рис. 6). Проволока имеет большой диаметр (2,5 – 6 мм), плотность тока от 25 до 80 А/мм и скорости подачи проволоки невысоки. При увеличении длины дуги скорость подачи проволоки возрастает, а при уменьшении сокращается. Второй принцип подержания постоянного напряжения это саморегулирование дуги при постоянной скорости подачи электрода и жесткой или возрастающей внешней характеристикой источника тока (см. характеристику 3, 4 на рис. 6).

Диаметры применяемых проволок при этом составляют от 0.8 до 2 мм плотности тока до 250 А/мм , а скорости подачи проволоки Vэ ~ 1000 м/час. Саморегулирование протекает за счет интенсивного изменения тока при изменении напряжения, вызванного изменением длины дуги.

Полярность характеризует подключение свариваемого изделия к положительному или отрицательному полюсу источника. При этом, когда электрод является катодом дуги – полярность прямая, когда анодом – обратная. Физическая сущность этого вопроса состоит в том, что тепловая мощность, выделяющаяся на этих полюсах дуги зависит от падения напряжения на дуге в целом (рис. 8).

Тепловая мощность на полюсах Pк и Pа составляет

Pк = I (Uк- к) , Вт (4)

Pа=(I(Uа+ а) , Вт (5)

где: Рк – ток дуги;

Uк, Uа – падение напряжения в прианодной и

прикатодной областях;

к – мощность, затрачиваемая на работу выхода

электронного тока из катода;

а – мощность, выделяемая электронным током на

аноде.

Величина к и а зависит от материала, полюса на котором выделяется тепло и общего падения потенциала на дуге.

По литературным данным всегда Uк >Uа ,а а > к. поэтому справедливо будет представить на рис. 8 зависимость Рк и Ра от Uд. Аналогичный график, только зависимости Uк, Uа = f (Uд) имеется в работе.

Рис. 8. Схема зависимости Рк и Ра от Uд

Подобный график наглядно показывает, что выбор полярности осуществляется не произвольно. При сварке неплавящимся электродом, как ручной (аргоно-дуговая), так и механизированной (сварка погруженной дугой больших толщин до 60 мм за 2 прохода на токе до 1200 А) применяется прямая полярность при напряжениях на дуге от 7 В до 12 В. По графику (см. рис. 8) в этом диапазоне на катоде выделяется наименьшее количество тепла, и за счет этого на токах 1200 А и напряжении на дуге 8 В (сварка погруженной дугой), обгорание конца катода и его крошение в шов не происходит.

Сварка на обратной полярности в аргоне при этих же параметрах насыщает шов вольфрамовыми включениями размерами до 3 мм. Правда, подобная сварка, выполняемая в гелии при напряжении 20 - 24 В на токах 100 А на обратной полярности, протекает без разрушения вольфрама. Высокое напряжение в данном случае делает дугу поверхностной и расплавляет чешуйчатость шва, выполненного в аргоне, а низкие токи не приводят к разрушению вольфрама.

Вся механизированная сварка плавящимся электродом (полуавтоматическая и автоматическая) выполняется при напряжениях дуги 23 - 42 В на обратной полярности. В середине 70-х годов прошлого столетия начали публицироваться работы о приемуществах перевода этой сварки на прямую полярность из-за существенного увеличения скорости наплавки. Обращаясь к рис. 8, обратим внимание, что на обратной полярности при напряжении 25 — 40 В , основное тепло должно выделяться катодом, находящимся на поверхности изделия, а при переходе на прямую полярность это тепло перекидывалось на электрод, что и повышало производительность его расплавления в 1,3 – 1,4 раза. Однако, после кратковременного бума стали появляться более глубокие работы, приводящие данные не только по производительности, но и по качеству шва. Оказывается, за высокую производительность приходиться платить непроварами и несплавлениями основного металла с металлом шва, вызванным ограниченным количеством тепла, выделяющимся на аноде, который в этом диапазоне напряжения при прямой полярности находился на свариваемом металле. Таким образом, закончился спор в пользу обратной полярности при сварке плавящимся электродом. Естественно, там где необходимо по технологическим соображениям переносить катод на изделие и при больших напряжения производить сварку (например плазменная сварка алюминия), при которой только катодом можно разрушать поверхностную пленку окисла Al₂O₃, прибегают к приемам, при которых сокращается рабочий ресурс вольфрамового электрода, но частички его разрушения не попадают в шов, так как, превращаются в пар при высокой температуре плазмы столба.

Пространственная устойчивость столба дуги определяется ее способностью сохранять направление движения дуги, соосно подаваемой электродной проволоке.

Широко известно, что дуги постоянного тока обладают низкой пространственной устойчивостью т.к. их ось формируется согласно принципу Штеенбека, т.е дуга горит по линии наименьшего падения потенциала. Например, при горизонтальной сварке на вертикально установленных деталях в соединение со щелевой разделкой кромок при постоянном токе дуга будет приемущественно разваривать верхнюю кромку, оставляя по нижней кромке несплавление шва с основным металлом.

При сварке соединений в нижнем положении пространственная неустойчивость дуги практически не сказывается на качестве сварки. В тоже время, в положениях, отличных от нижнего, высокое качество сварного шва обеспечивается только при хорошей пространственной устойчивости дуги.

На дугах постоянного тока пространственную устойчивость повышают за счет сокращения длинны дуги т.е ведение сварочного процесса на небольших Uд. Но это плохой выход из положения, т.к при малых Uд существенно ухудшается саморегулирование параметров режима, и сварочный процесс всегда сопровождается брызгами. Другой прием повышения устойчивости - это замена источника постоянного тока на источник униполярного переменного (или импульсного) тока. На рис. 9 униполярный (однополярный) переменный ток имеет две составляющие – базовый ток Iд и импульсный ток Iи. Точно также напряжение дуги имеет базовую составляющую Uд и импульсную Uи.

Рис. 9. Импульсный ток: а — перенос металла через дугу с плавящимся электродом; б — кривые формы тока и напряжения

Действующие значения этих величин, показываемые приборами, определяются по формулам:

Uсв = (6)

Iсв = , (7)

где u и i - мгновенные значения напряжения и тока при сварке,

Т – период одного цикла (см. рис. 9).

Ток дуги индуцирует вокруг оси дуги кольцевое магнитное поле, давление которого Рм направлено по радиусу к центру дуги. Величина Рм определяется выражением

Рм = 36 * 10¹³ * Iд² / П * дпр² * с ,

Таким образом, с частотой следования импульсов дуга подвергается пинчеванию, которое и заставляет ее в любом пространственном положении гореть соосно с направлением движения плавящегося электрода. Кроме этого, критические токи дуги (токи, при которых мелкокапельный перенос переходит в струйный) при питании ее импульсным током наступают при величинах в полтора раза меньше чем у дуг постоянного тока. Поэтому для тонких проволок при сварке в пространственных положениях, отличных от нижнего, более предпочтительными являются импульсные источники, способные и при пониженных величинах расплавления (что, необходимо, например, в потолочной или горизонтальной плоскости) сохранять струйный перенос электродного металла.