8. Сварочная дуга. Электрические свойства дуги, вольтамперная характеристика. Магнитные свойства дуги.Газовые потоки в дуге.

Электрические свойства дуги. Режим горения сварочной ду­ги определяют два параметра: напряжение и сила тока. Напряже­ние дуги U_Д слагается из напряжений катодной области U_k, стол­ба дуги U_ст и анодной области U_a, т.е.

U_Д=U_к+U_ст+U_а

При установившемся процессе горения напряжение дуги за­висит главным образом от се длины. Такая зависимость выража­ется формулой

U_д=a+bl_д

где а — постоянный коэффициент, равный сумме напряжений катодной и анодной областей дуги (U_к+U_a), В; b — среднее удель­ное падение напряжения, отнесенное к одному миллиметру дли­ны столба дуги (напряженность поля), В/мм.

Значения коэффициентов а и b зависят от составов покры­тия и стержней электродов, свариваемого металла, силы свароч­ного тока и ряда других факторов (для покрытых электродов можно в среднем принять в-16...18В и 6=1,5...2,5В/мм). При неизменности всех техно­логических параметров сварки В условиях установившегося процесса между напряжением дуги и ее длиной существует фактически линейная зависи­мость (рис. 5).

Другой характер зависимо­сти наблюдается между напря­жением дуги и вторым параме­тром горения дуги — силой сварочного тока при постоян­ной (заданной) длине дуги. Такая зависимость, называе­мая статической волът-амперной характеристикой, показа­на на рис. 6. В общем случае статическая характеристика дуги имеет три ветви: падаю­щую, горизонтальную (жест­кую) и возрастающую. Нали­чие таких грех ветвей связано с тем, что для дугового разря­да электрическое сопротивле­ние не является постоян­ным — оно зависит от интен­сивности ионизации и плотно­сти тока. При малых значениях силы тока (область I) с его увеличением весьма интенсивно возрастает число заряженных частиц, в результате чего сопротивление столба дуги существен­но уменьшается и, как следствие, снижается необходимое для поддержания газового разряда напряжение. При дальнейшем увеличении силы тока скорость роста числа заряженных частиц снижается. Столб дуги начинает сжиматься, сопротивление увеличивается. Это приводит к появлению горизонтальной вет­ви статической характеристики (область //), а затем и к возрас­тающей (область ///).

Области I и II статической характеристики дуги соответству­ют режимам, применяемым при ручной сварке покрытыми электродами. Для нее характерны следующие показатели режима: на­пряжение дуги 14-26 В, плотность сварочного тока 5-25 А/мм².

Показанные на рис. 5 и 6 зависимости относятся к сварке как постоянным, так и переменным током. Однако душ переменного то­ка обладает рядом существенных особенностей, обусловленных пе­риодическими изменениями напряжения и силы тока в соответст­вии с частотой тока (обычно 50 Гц)- В каждый полупериод при сни­жении напряжения ниже напряжения горения дуги, определяемого статической характеристикой (см. рис. 6), дуга гаснет. Несмотря на кратковременность прекращения горения, плазма дуги успевает ос­тыть на несколько тысяч градусов, соответственно уменьшается и ее проводимость. Поэтому в каждый последующий полупериод дуга может возбуждаться только при более высоком напряжении, чем на­пряжение горения. В результате возникают перерывы в горении душ, что и приводит, в конечном счете, к ее обрыву. Поэтому для стабилизации горения дуги переменным током необходимо исполь­зовать специальные меры (например, введение в атмосферу дуги элементов-стабилизаторов с низким потенциалом ионизации: калия, натрия; включение в сварочную цепь специальных источников — ге­нераторов дополнительных импульсов тока, способствующих воз­буждению дуги синхронно с частотой питающей сети).

Магнитные свойства дуги. Столб дуги фактически является гибким проводником электрического тока, вокруг которого обра­зуется собственное осесимметричпое электромагнитное поле (рис. 7, а). Поэтому положение столба дуги, как всякого электри­ческого проводника, может легко изменяться под действием внешних магнитных сил (рис. 7, б~г). Такое явление отклонения дуги при сварке в результате действия магнитных полей пли ферромагнитных масс называется магнитным дутьем. Под воз­действием магнитного дутья сварочная дуга перемещается и из­меняет свою форму, резко повышается разбрызгивание расплав­ленного металла, ухудшается качество швов. Магнитное дутье может быть столь сильным, что сварка становится вообще невоз­можной. Его воздействие особенно заметно ощущается при свар­ке дугой постоянного тока на больших значениях его силы,

поскольку сила электромагнитного ноля приблизительно пропор­циональна квадрату силы тока. Па магнитное дутье большое влия­ние оказывает размещение ферромагнитных масс вблизи места сварки, форма изделия, тип соединения и величина зазора между свариваемыми кромками, наличие остаточного магнетизма в свариваемых изделиях, угол наклона электрода к поверхности свари­ваемого металла, место подвода сварочного тока к изделию (рис. 8). Магнитное дутье увеличивается при сварке электродами с основным покрытием (по сравнению с электродами с рутиловым покрытием), швов в вертикальном и потолочном положениях, в глубокие и узкие разделки кромок на металле большой толщины. Уменьшение магнитного дутья в основном достигается сле­дующими мероприятиями:

• размагничиванием или ослаблением и уравновешиванием остаточного магнетизма в свариваемых изделиях путем ус­тановки на них постоянных магнитов;

• изменением места подключения сварочного провода к из­делию, имея в виду, что дуга отклоняется в сторону, про­тивоположную точке токоподвода (см. рис. 8, б, в);

• укладкой на свариваемое изделие дополнительных массив­ных стальных плит со стороны, противоположной

направлению отклонения дуги (при сварке на прямой полярности);

• переходом со сварки постоянным током на сварку пере­менным током, при этом сварку рекомендуют вести воз­можно более короткой дугой;

• изменением угла наклона электрода так, чтобы нижний конец электрода был обращен в сторону действия магнит­ного дутья.

Дутье дуги можно также снизить путем наложения на нее продольного постоянного магнитною потока, например, с помо­щью соленоида, а также применением двух обратных проводов с подсоединением их с двух сторон относительно места сварки.

Газовые потоки в дуге. Ионизированный газ (плазма) дуги не является стационарной системой и существует в виде газового по­тока, направленного вдоль ее оси. Эти потоки, движущиеся со ско­ростью до нескольких сотен ме­тров в секунду, оказывают ме­ханическое воздействие на сва­рочную ванну. Главными при­чинами возникновения газовых потоков являются интенсивное поверхностное испарение ме­талла электродного стержня в области активного пятна дуги и выделение большого количест­ва газов, образующихся при разложении компонентов по­крытия и прохождении ряда ре­акций, а также действие элект­родинамических сил пинч-эф-фекта, возникающих в столбе дуги.

Появление электродинами­ческой силы обусловлено взаи­модействием проводника с то­ком и магнитным полем, созда­ваемым этим током. Если сече­ние электрического проводни­ка постоянно, то возникающие в нем электродинамические си­лы Р направлены по радиусу к оси проводника и стре­мятся его сжать (пинч-эффект). Под их влияни­ем внутри проводника со­здается давление, подоб­ное гидростатическому. В центре проводника давле­ние достигает максимума, на периферии оно равно нулю (рис. 9). В провод­никах переменного сече­ния, а к таким проводни­кам можно отнести и столб дуги при ручной дуговой сварке (см. рис. 4), возникает си­ла Р₀, направленная вдоль оси и действующая от меньшего сече­ния к большему сечению (рис. 10). По величине

где Р₀ — осевая сила, Н; I — сила тока, А; r1 и r₂ — радиусы про­водников соответственно большего и меньшего сечений, мм.

В твердых проводниках осевая составляющая электродина­мической силы Р_о внешне не проявляется, поскольку прочност­ные свойства твердого тела несоизмеримо выше. Однако в жид­ких и, особенно, в газообразных проводниках, подобных свароч­ной дуге, действие силы P_Q может проявляться и, как правило, при ручной духовой сварке проявляется в значительной степени.