Тема 1.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ДЛЯ СВАРКИ

Физические явления, протекающие в сварочной дуге

Сварочная дуга представляет собой один из видов устойчи­вого электрического разряда через газовый промежуток, в котором на­ходится смесь нейтральных атомов, электронов и ионов. Этот разряд ха­рактеризуется высокими плотностью тока и температурой. Электрод, соединенный с отрицатель­ным зажимом источника, называется катодом, а электрод, 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. В дуговом разряде наблюдается неравномерное распределение электриче­ского поля в межэлектродном пространстве, состоящем из трех областей: катодной, анодной и столба дуги (рис. 1.4). Такая структура связана с тем, что столб дуги не может граничить непосредственно с металлом электродов, так как в большинстве случаев точка кипения последних значительно ниже температуры столба. В приэлектродных областях, соединяющих столб дуги с электродами, происходит постепенное снижение температуры и степени термической ионизации газа. На поверхности электродов часто наблюдаются пятна — катодное и анодное, на границе которых с соответ­ствующими областями дуги наблюдаются скачки потенциалов. Поэтому процессы образования заряженных частиц и переноса тока в этих обла­стях существенно отличаются от соответствующих процессов в столбе, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и анодной областях.

Рис. 1.4. Структура сварочной дуги и распределение электриче­ского поля в межэлектродном пространстве

Катодная область. Большую роль в обеспечении проводимости дуго­вого промежутка играет поток эмитированных катодом электронов. Этот процесс обеспечивается как за счет нагрева поверхности катода (термо­электронная эмиссия), так и за счет создания у его поверхности электри­ческого поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). При термоэлектронной эмиссии электроны за счет нагрева приобретают необ­ходимый запас кинетической энергии для преодоления потенциального барьера, ограждающего поверхность катода. Эту энергию характеризу­ют работой выхода электрона U_BЫX, величина которой для разных ме­таллов составляет от 2 до 5 В. 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 бом­бардировка катода движущимися частицами. Электроны, прошедшие барьер, ускоряются в поле катодного потенциала в сторону столба дуги и, отдавая свою кинетическую энергию в столкновениях с нейтральными атомами, поддерживают ионизацию и нагрев газа на гра­нице между столбом дуги и катодной областью. Внешнее электрическое поле положительных ионов, скопившихся в катодной области, умень­шает работу выхода электронов U_BЫX на 1-2 В. Данное явление называ­ется эффектом Шоттки. Поскольку реальная работа выхода электронов U_BЫXР и катодное падение напряжения U_KАТ имеют разные знаки, то в об­щем случае потенциальный барьер для выхода электронов уменьшается, что может быть выражено так; U_KАТ - U_BЫXР. При малых размерах катод­ной области экспериментально можно определить именно эту величину, которая и принимается за катодное падение напряжения. Протяжен­ность l_KАТ катодной области электрической дуги очень мала и составляет 10-4-10-3 мм. Величина катодного падения напряжения U_KАТ лежит в пределах 5-20 В. Тогда градиент падения напряжения (U_KАТ / l_KАТ) равен 104-105 В/мм. Исследования показывают, что в катодной области доля электронного тока составляет около 60% от полного тока Iд, а плотность тока на стальном катоде близка к 25 А/мм².

Анодная область. Анод не эмитирует положительно заряженных ио­нов, поэтому анодный ток обусловлен переносом к нему отрицательно заряженных частиц — электронов. В связи с этим вблизи анода образуется избыток отрицательных зарядов, в результате чего у поверх­ности анода возникает дополнительный потенциальный барьер, величина напряжения которого равна работе выхода электронов U_BЫX. Электроны не могут выйти из анода и за счет энергии теплового движения, так как анодное падение напряжения Uан создает для них непреодолимый барьер. Общее значение потенциала в анодной области равно U_АН + U_BЫX. Электро­ны, выходящие из плазмы столба дуги и попадающие в анодную область, ускоряются в поле анодного падения потенциала и приобретают допол­нительную энергию, которой оказывается достаточно для ионизации ато­мов, сталкивающихся с электронами. Появившиеся ионы также ускоря­ются под действием анодного падения напряжения в сторону столба дуги и отдают плазме свою избыточную энергию посредством деионизации и соударений. Протяженность анодной области сопоставима с длиной сво­бодного пробега электрона и составляет около 10-3 мм. В зависимости от материала анода и типа ионизирующих присадок Uан ле­жит в пределах 2-10 В. Градиент напряжения имеет порядок 104 В/мм, т. е. ниже, чем в катодной области. Доля ионного тока в анодной области составляет около 20% от общего тока I_Д , а плотность тока для стальных электродов в анодной области приблизительно равна 15 А/мм2.

Столб дуги. Эта часть дуги расположена между катодной и анодной областями и имеет длину, на несколько порядков превышающую размеры указанных областей, l_СТ = 1-40 мм. Заряженные частицы поступают в столб дуги из катодной и анодной областей, а также возникают в нем за счет термической ионизации нейтральных частиц. Последний процесс играет подчиненную роль. Так, степень диссоциации в парах железа у сварочных дуг не превышает 4%, что свидетельствуете слабой ионизации плазмы столба дуги. В столбе электронная составляющая тока намного больше ионной. Падение напряжения в столбе U_CT достигает 40 В, что обеспечивает градиент напряжения ε_СТ = 1 – 4 В/мм. При этом падение напряжения прямо пропорционально длине столба l_СТ. Плотность тока в столбе дуги со стальными электродами достигает 20 А/мм².

Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравне­нию с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис. 2.1. Из приведенного графика следует, что падение напряжения на дуге для точных расчетов можно записать так:

При использовании экспериментальных данных зависи­мость упрощается:

Вся мощность, выделяемая в катодной области Р_КАТ = I_Д (U_KАТ - U_BЫXР), идет в катод на плавление, испарение и теплоотвод. Мощность тепловыделения на аноде вычисляется по соотношению Р_АН = 1_Д(U_АН + U_BЫX). Знание соотношения мощностей, выделяемых на ка­тоде и аноде, необходимо для выбора полярности дуги при сварке на по­стоянном токе. Для большинства покрытых электродов Р_АН больше Р_КАТ в 1,3-1,5 раза. Поэтому при ручной дуговой сварке для увеличения ско­рости плавления электрода используют обратную полярность (+ на элек­троде). Такая же полярность используется при механизированной свар­ке плавящимся электродом. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом для уменьшения его перегрева и износа применяют прямую полярность (– на электроде).

ТЕМА 2

ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Устойчивость горения дуги при сварке на переменном токе ниже, чем на постоянном. Действительно, при частоте переменного напряжения сети 50 Гц сварочный ток 100 раз в секунду снижается до нуля и меняет направление на обратное, причем после каждого такого обрыва дуга должна возбуждаться снова. Таким образом, при сварке на переменном токе источник должен обладать специфическим свойством — обеспечи­вать многократное повторное зажигание дуги.

Процесс повторного зажигания дуги при переходе тока через нуль рассмотрим по осциллограммам (рис. 2.1,а). В конце предыдущего полупериода с момента t₁ напряжение трансформатора становится недоста­точным для питания дуги, в результате дуга угасает, а ток резко снижается. С момента угасания t₁ температура межэлектродного промежутка Т_МЭ падает, а его сопротивление R_МЭ резко возрастает (рис. 2.1,6).

Рис. 2.1. Типичные осциллограммы дуги переменного тока: а — свароч­ные ток iд и напряжение ид, б — температура Тмэ и сопротивление RMЭ межэлектрод-ного промежутка

После перехода тока через нуль в момент t₀ анод и катод меняются местами, т.е. направление тока изменяется на обратное. Дуговой разряд мгновенно в момент t₀ восстановиться не может, для этого мало напряжение источника. Небольшой преддуговой ток, существующий при этом, создается за счет остаточной плазмы межэлектродного промежутка (не более 0,1 мс после угасания дуги) и термоэлектронной эмиссии с не остывшего еще катода (в течение 1-10 мс). Таким образом, электриче­ский разряд в переходном периоде t₁–t₂ не является дуговым, поскольку не обеспечивает генерирования заряженных частиц в количестве, доста­точном для самостоятельного существования дуги. По мере нарастания напряжения источника растет и преддуговой ток, но скорость его увели­чения di_д/dt, вплоть до момента t₂, существенно ниже, чем скорость сни­жения в момент времени t₁. В переходном периоде идут два встречных процесса: с одной стороны, ионизация межэлектродного газа и его на­грев нарастающим током, с другой стороны, деионизация и охлаждение за счет теплоизлучения и теплоотвода в электрод и изделие. Рассмотрим три варианта развития процессов в зависимости от условий сварки.

При достаточно благоприятных условиях (большой объем и высокая степень ионизации остаточной плазмы, мощная термоэлектронная эмис­сия с горячих неплавящихся электродов) из двух процессов существенно преобладает ионизация, поэтому при достижении напряжением источ­ника величины U_д дуговой разряд легко восстанавливается. Менее благо­приятные условия повторного зажигания (рис. 2.1) наблюдаются в большинстве случаев сварки (покрытыми электродами, под флюсом и т.д.). Термоэлектронная эмиссия со сравнительно холодных плавящихся элек­тродов не обеспечивает необходимого количества заряженных частиц. Поэтому дуга возобновляется только в момент t₂ при достижении напря­жением источника довольно высокой величины напряжения повторного зажигания U₃, достаточной для развития автоэлектронной эмиссии. На­конец, в неблагоприятных условиях (малая мощность дуги, большая ее длина, обдув газовыми потоками) из двух процессов преобладает деионизация, при этом температура Т_мэ межэлектродного промежутка резко снижается, а его сопротивление R_MЭ также резко возрастает, как показано пунктиром на рис. 2.1, б, и дуга обрывается.

После зажигания напряжение на дуге снижается от U₃ до прибли­зительно постоянной величины U_д и сохраняется на этом уровне до сле­дующего угасания в момент t₄. Ток после зажигания резко возрастает и далее меняется по кривой, близкой к синусоиде, достигая максимума в момент t₃. Оценивая осциллограммы (рис. 2.1,а) в целом, заметим, что кривые тока и напряжения дуги отличаются от синусоидальных. Как по­казано выше, это объясняется нелинейностью нагрузки, т. е. непостоянством активного сопротивления дуги, а также непостоянством характера разряда.

Рис. 2.2. Динамическая ха­рактеристика дуги перемен­ного тока

Динамическая вольт-амперная характеристика дуги и_д = f(i_д), от­ражающая связь мгновенных значений напряжения и тока при их быстром изменении, характерном для сварки на переменном токе частотой 50 Гц, показана на рис. 2.2. Ее можно построить по данным осциллограм­мы (рис. 2.1, а) или получить на осциллографе, подавая на горизонталь­ную развертку сигнал, пропорциональный току, а на вертикальную — напряжение дуги. Номера характерных точек на рис. 2.2 совпадают с ин­дексами точек осциллограммы (рис. 2.1,а). Здесь на участке 1-0 изобра­жен процесс угасания дуги в полупериоде обратной полярности, 0-2 — процесс зажигания в полупериоде прямой полярности, 2-3 — дуговой разряд при нарастании тока, 3-4 — дуговой разряд при спаде тока, 4-— угасание дуги и т. д.

На динамической характеристике легко фиксируются напряжение U₃ и ток I₃ повторного зажигания. Обращает на себя внимание большой пик напряжения зажигания обратной полярности U_3.ОБР. Дело в том, что в этот момент катодом является сравнительно холодная сварочная ванна с невысокой эмиссионной способностью. Заметно также, что максималь­ное значение тока в полупериоде прямой полярности выше, а напряжение ниже соответствующих величин для полупериода обратной полярности. Следовательно, дуга частично выпрямляет ток, наблюдается так называ­емый вентильный эффект. Динамическая характеристика на участке 2-3 нарастания тока проходит выше, чем на участке спада 3-4. Таким обра­зом, при частоте 50 Гц проявляется инерционность тепловых процессов в дуге. На участке 2-3 температура столба дуги ниже, чем на участке 3-4 (рис. 2.1, б), поэтому сопротивление дуги больше и напряжение дуги также выше.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги переменного тока U_д = f(I_д) строится не для мгновенных, а для действующих, т. е. среднеквадратичных значений. По рис. 2.1,а

В эксперименте такая характеристика получается при использовании приборов электромагнитной системы — вольтметра и амперметра. Ха­рактеристика U_д = f(I_д) подобна той, что была ранее описана для дуги постоянного тока (рис. 2.2). Поэтому для обеспечения устойчивого про­цесса последовательно со вторичной обмоткой трансформатора должен быть включен элемент, формирующий падающую характеристику ис­точника — резистор, катушка индуктивности или конденсатор.

Дуга переменного тока в цепи с резистором

Рассмотрим работу источника переменного тока — трансформатора с резистором в цепи дуги (рис. 2.3, а). Трансформатор снижает сетевое напряжение до необходимого при сварке, резистор формирует падающую внешнюю характеристику и используется для настройки тока.

Рис. 2.3. Дуга в цепи с резистором: а — электрическая схема, б — осциллограммы тока и напряжения

Поскольку электрическая цепь содержит нелинейный элемент — ду­гу, ведем анализ для мгновенных значений и_д, и₂, i₂. По второму правилу Кирхгофа для мгновенных значений напряжений имеем:

и₂ = и_д + и_R , (2.1)

т. е. вторичное напряжение трансформатора уравновешивается падения­ми напряжения на дуге и резисторе.

На рис. 2.3, б приведены осциллограммы тока и напряжения для вторичной цепи с учетом следующих ограничений и упрощений.

Напряжение дуги и_д от момента зажигания t₃ до момента угасания t_у считаем постоянным:

и_д = U_д,

а в момент зажигания t₃ изображаем кратковременным импульсом:

и_д = U₃.

В интервалах 0-t₃ и t_у -π дуги нет.

Вторичное напряжение и₂ зависит от амплитудного значения U_2m и фазы его циклического изменения с частотой ω = 2nf:

и₂ = U_2m sin ωt.

Сварочный ток i₂ = i_д, если не учитывать преддуговой ток, получим из (2.1):

i₂ =(и₂ - и_д) /R.

Его кривая имеет вид отрезка синусоиды.

Длительность повторного зажигания t₃ можно определить, если счи­тать, что до момента зажигания дуги i₂ = 0 и и_R = 0, т. е. все напряжение трансформатора приложено к межэлектродному промежутку (и₂ = и_д):

(2.2)

Как видно на рис. 2.3, б, сварочный ток i₂ появляется в момент t₃ при достижении напряжением и₂ значения напряжения повторного за­жигания U₃, после чего напряжение дуги устанавливается на постоянном уровне U_д, а ток изменяется по синусоидальному закону до момента уга­сания t_У при снижении и₂ до U_д. В следующем интервале длительностью ωt_П , начинающимся в момент t_У и заканчивающимся в следующем по­лупериоде при новом зажигании, сварочного тока нет, если не считать незначительного преддугового тока. Во втором полупериоде описанные процессы повторяются. Наличие бестоковой паузы ωt_П затрудняет по­вторное зажигание дуги и снижает общую устойчивость процесса. Поэто­му в современной сварочной технологии трансформатор с резистором не используется.

Критерии устойчивости дуги переменного тока

В качестве непосредственного критерия устойчивости можно принять частоту обрывов дуги. Поскольку устойчивость дуги переменного тока определяется надежностью повторного зажигания, то в качестве косвен­ных критериев обычно принимают напряжение U₃, ток I₃ и время t₃ по­вторного зажигания. При испытании трансформатора для их определе­ния записывают начальный участок осциллограмм тока и напряжения (рис. 2.4). Типичные характеристики повторного зажигания при сварке покрытыми стальными электродами следующие. Напряжение повторно­го зажигания U₃ = 15-90 В, максимальный преддуговой ток I₃ = 2-30 А, время зажигания t₃ составляет от 0,1 до 3 мс. Устойчивость повышает­ся с увеличением преддугового тока 1₃ и снижением напряжения U₃ и времени t₃.

Рис. 2.4. Начальные участки осциллограмм напряжения и тока дуги (электрод ОЗС-4, 3 мм, 100 А, трансформатор ТДМ-401)

Время повторного зажигания t₃, чаще других принимаемое в каче­стве косвенного критерия устойчивости, зависит от параметров дуги и источника. Для цепи с резистором (рис. 2.3) время t₃ определяется из (2.2). Для цепи с катушкой индуктивности (рис. 2.5) необходимо в этом уравнении учесть еще и угол φ сдвига фаз между напряжением и₂ и током i₂:

Рис. 2.5. Дуга переменного тока в цепи с катушкой индуктивности: а – электрическая схема; б – осциллограммы напряжений; в – осциллограммы токов

Угол φ зависит от величины сопротивления дуги R_д, а также индуктив­ного Xl = ωL и активного R сопротивления в цепи дуги:

(2.3)

Тогда из (2.2) и (2.3)

(2.4)

Приемы повышения устойчивости проанализируем с помощью урав­нения (2.4). Чем меньше время зажигания, тем меньше охлаждение межэлектродного промежутка и тем вероятней повторное зажигание. Как уже отмечалось, в переходном периоде идут два встречных процесса — охлаждение и нагрев межэлектродного промежутка. Уменьшить t₃, т. е. повысить устойчивость, можно либо технологическими приемами — за­медляя охлаждение и деионизацию межэлектродного промежутка, либо электротехническими приемами — ускоряя нагрев благодаря увеличе­нию скорости нарастания напряжения и тока дуги.

Все технологические приемы так или иначе направлены на сниже­ние напряжения зажигания U₃. С этой целью для замедления охлажде­ния межэлектродного промежутка увеличивают температуру и массу на­гретых электродов, увеличивают ток, снижают теплопроводность элек­тродов, ограничивают теплоотвод газовыми потоками. Для увеличения эмиссионной способности электродов рекомендуется использовать неплавящиеся электроды с высокой температурой нагрева (вольфрамовые и угольные). Для увеличения ионизации остаточной плазмы вводят лег­ко ионизируемые вещества, содержащие К, Na, Ca, в состав покрытий и флюсов. Снижается напряжение зажигания и при уменьшении длины дуги.

Из электротехнических приемов простейшим является увеличение напряжения трансформатора U_2m (или его напряжения холостого хо­да U_х), хотя он связан с ухудшением безопасности труда. Устойчивость повышается и при увеличении частоты f переменного тока. Однако за­метный эффект достигается лишь при увеличении частоты выше 300-500 Гц. Поскольку увеличение частоты связано с существенным услож­нением конструкции источника, такой прием на практике применяется редко. Таким образом, самым эффективным приемом является включе­ние в цепь дуги катушки индуктивности (см. рис. 2.5). Устойчивость дуги повышается при увеличении индуктивности L и снижении величи­ны активного сопротивления R в цепи дуги, приводящих к увеличению угла сдвига φ фазы сварочного тока относительно напряжения трансфор­матора. Полезно также последовательное включение конденсатора или параллельное включение импульсного стабилизатора.

Скорость нарастания проводимости межэлектродного промежут­ка в преддуговом периоде

(3.5)

– это комплексный критерий устойчивости, учитывающий как значе­ния времени t₃, так и напряжения U₃ и тока 1₃ повторного зажигания, которые можно получить в эксперименте по начальным участкам осцил­лограмм (см. рис. 2.4). Единица измерения этого критерия – сименс в се­кунду (См/с = 1/(Ом·с)). Критерий обладает ясным физическим смыслом – понятно, что при высокой скорости восстановления проводимости В₃ вы­ше и вероятность повторного зажигания. Так, у электродов с фтористо-кальциевым покрытием, известных низкой устойчивостью горения дуги, В₃ = 40-3000 См/с, а у электродов с рутиловым покрытием, предназна­ченных для сварки на переменном токе, В₃ = 700-8000 См/с. Обнаружено также, что при сварке покрытыми электродами скорость В₃ в полуперио­де прямой полярности в 4-5 раз выше, чем при обратной полярности. По­этому и обрыв дуги переменного тока, как правило, происходит в начале полупериода обратной полярности. По этой же причине сварка вольфра­мовым электродом алюминия, как правило, невозможна без импульсной стабилизации в полупериоде обратной полярности.

Скорость нарастания тока (di₂/dt)₃ в интервале повторного зажи­гания также принимают в качестве критерия устойчивости. Ее можно вычислить по осциллограммам (рис. 2.4):

(di₂/dt)₃ = I₃/t₃.

Но более эффективно ее экспериментальное определение по осциллографической записи фазовой характеристики di₂/dt = f(i₂), которая получа­ется, если подать на горизонтальный вход осциллографа сигнал тока i₂ с шунта в сварочной цепи, а на вертикальный вход — сигнал di₂ /dt c диффе­ренцирующей RС-цепочки, подключенной к этому же шунту (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Фазовая характеристика di₂/dt = f(i₂) (электрод ОЗС-4, 5 мм, 200 А, трансформатор ТДМ-401)

Видно, что непосредственно перед переходом тока через нуль наблюда­ется пик скорости, соответствующий резкому спаду тока при угасании di₂/dt)_У, а после перехода — провал до значения, соответствующего ско­рости нарастания тока (di₂/dt)₃ в интервале повторного зажигания. Та­кой характер изменения тока при переходе через нуль отмечался ранее на осциллограммах (рис. 2.1 и 2.4). Типичные значения скоростей 15-150 кА/с. Чем выше скорость (di₂/dt)₃, тем надежней повторное зажи­гание и выше устойчивость процесса сварки. Разработан ряд специфических приемов, направленных на увеличение этой скорости. С этой целью снижают вихревые токи в магнитопроводе и кожухе трансформатора, не допускают насыщения железа магнитопровода. Иногда в цепь дуги включают дроссель насыщения, увеличивающий эту скорость в 2-4 раза и ограничивающий амплитуду тока, так что кривая сварочного тока вме­сто синусоидальной приобретает форму трапецеидальных импульсов. Но самым эффективным приемом увеличения скорости является использо­вание импульсного стабилизатора, подающего на дугу кратковременные импульсы тока после его перехода через нуль.

Для сравнения трансформаторов различной мощности удобно харак­теризовать их не абсолютной, а относительной скоростью

(di₂/dt)₃/(di₂/dt)_У,

которую желательно приближать к 1. У большинства сварочных транс­форматоров эта величина находится в интервале 0,3-0,8. Используется также комплексный критерий для оценки трансформаторов

(3.6)

который учитывает полезное влияние на устойчивость как увеличения напряжения холостого хода U_x, так и увеличения скорости (di₂/dt)₃. У трансформаторов промышленного назначения F_з = 20 – 60 В, у бытовых трансформаторов – 17 – 35 В.

ТЕМА 3

СВАРОЧНЫЕ СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДУГИ