3.2. Начальное зажигание дуги

Под начальным зажиганием дуги понимают процесс возбуждения ду­ги в начале сварки. От него нужно отличать повторное зажигание после случайных обрывов дуги, которое выполняется теми же способами, что и начальное, но происходит в более благоприятных условиях при уже разо­гретых электродах. Практическое применение при дуговой сварке нашли два способа начального зажигания: высоковольтным искровым разрядом и разрывом цепи короткого замыкания электрода на изделие.

Зажигание дуги высоковольтным разрядом иллюстрирует рис. 3.1. При этом параллельно основному источнику подключается вспомогательный высоковольтный источник малой мощности. По соображениям без­опасности он выполняется импульсным или высокочастотным (частота f > 100 кГц). Назначение высоковольтного источника — пробить искрой, т. е. ионизировать межэлектродный промежуток, по которому затем пой­дет сварочный ток.

Рис. 3.1. Схема процесса (а), осциллограммы напряжения (б) и то­ка (в) при зажигании дуги высоковольтным разрядом

Механизм высоковольтного пробоя газового промежутка можно пред­ставить следующим образом. Высоковольтный источник создает между электродами мощное электрическое поле напряжением в несколько ты­сяч вольт. При любой температуре в межэлектродном промежутке име­ется небольшое количество свободных электронов. Такой электрон раз­гоняется полем и при столкновении с нейтральными частицами ионизи­рует их. При этом образуется лавина электронов, быстро несущихся к аноду, и облако положительных ионов, медленно движущихся к катоду. Другие свободные электроны, а также электроны, образованные фотоио­низацией от возбужденных атомов, вызывают новые короткие лавины, вливающиеся в первую. В результате образуется стример — плазменный канал, состоящий из заряженных частиц. Головка стримера, состоящая из положительно заряженных ионов, постепенно прорастает по направле­нию к катоду, из которого в результате вырывается рой электронов. Рой многократно усиливает ионизацию в стримере и увеличивает его прово­димость. Происходит пробой газового промежутка, между электродами образуется ионизированный плазменный мостик, по которому начинает протекать ток от основного источника.

Под действием тока основного и вспомогательного источников проис­ходит разогрев электродов и развитие термоэлектронной эмиссии с като­да. Если ток и напряжение основного источника достаточны для суще­ствования самостоятельного дугового разряда, вспомогательный источ­ник отключают.

Зажигание дуги разрывом цепи короткого замыкания внешне вы­глядит довольно просто (рис. 3.2). При замыкании электрода на изделие сопротивление нагрузки составляет всего 0,01-0,2 Ом, поэтому ток корот­кого замыкания достигает сотен ампер. С начала короткого замыкания (т. 1) напряжение источника резко уменьшается до сравнительно низкой величины U_ИК = 2 – 5 В, включающей в себя падения напряжения в кон­такте, на вылете электрода и в проводах. Ток короткого замыкания бы­стро возрастает до установившегося значения I_к. Разрыв цепи короткого замыкания (т. 2) происходит через t_K = 0,01-1 с после начала процесса в результате отвода электрода или разрушения перемычек между электро­дом и изделием. Дело в том, что площадь таких перемычек сравнительно мала, поэтому плотность тока в них настолько велика, что наблюдается их мгновенное расплавление и даже испарение.

Рис. 3.2. Стадии процесса (а) и ос­циллограммы напряжения (б) и то­ка (в) при зажигании дуги разрывом цепи короткого замыкания

После разрыва цепи короткого замыкания (т.2) наступает стадия раз­вития дугового разряда. Напряжение источника скачком увеличивается до значения U_дн , равного сумме приэлектродных падений напряжения U_дн = U_кат + U_ан), а затем более плавно в течение времени t_дy = 0,05-0,2 с по мере отвода электрода достигает установившегося значения U_и = U_д , соответствующего начальной длине l_дн (т. 3). Ток после короткого за­мыкания резко снижается и достигает установившегося значения I_д. На стадии дугового разряда ток создается движением первичных носителей (электронов и ионов), возникших в результате разрыва цепи короткого за­мыкания. Источником первичных электронов может служить автоэлектронная эмиссия с катода. Установлено, что на ранней стадии разведения электродов при расстоянии между ними около 10^-9 мм даже относитель­но низкое напряжение источника обеспечивает высокую напряженность электрического поля около 10¹¹ В/мм, достаточную для вырывания элек­тронов из катода. Возможным источником первичных электронов явля­ется и термоэлектронная эмиссия с катода, поскольку при плавлении и испарении перемычки металл на поверхности электрода достигает тем­пературы 2000-6000 К. Наконец, пар металла, образовавшийся между электродами при такой температуре, достаточно электропроводен благо­даря частичной ионизации. При последующем увеличении числа носите­лей возникает самостоятельный дуговой разряд.

Оценим условия надежного зажигания. На первой стадии необходимо обеспечить энергичный разрыв цепи короткого замыкания. При недоста­точной плотности тока в электроде (менее 20 А/мм²) жидкие перемычки между электродом и изделием не взрываются, а, наоборот, застывают. «Примерзание» или «прилипание» электрода можно предотвратить его резким отводом или кратковременным изменением тока. Заметный эф­фект от увеличения тока, горячий пуск, наблюдается лишь при I_к  1,5 I_д. Результат дает и прием противоположного смысла, холодный пуск, т. е. начальное снижение тока до 0,1-0,3 от установленного значения. В этом случае металл в перемычках вообще не плавится, и поэтому прилипания не наблюдается. Естественное превышение тока короткого замыкания над сварочным в несколько раз, наблюдающееся при механизированной сварки плавящимся электродом, также гарантирует отсутствие прилипа­ния.

На второй стадии важно, чтобы напряжение источника было доста­точным для питания дуги (U_и  U_д). У малоинерционных источников, таких как диодные выпрямители, восстановление U_и происходит прак­тически мгновенно. Поэтому для них справедливо соотношение, из которого следует, что для надежного зажигания следует увеличивать напряжение холостого хода источника U_х и снижать его сопротивле­ние Z_И. Длину дуги с этой же целью снижают. Действительно, при чрезмерном удлинении возникшая дуга может оборваться.

Проблема осложняется для источников с большой электромагнитной инерцией – тиристорных выпрямителей с обратными связями. У них восстановление ЭДС после короткого замыкания идет сравнительно медленно, что может привести к опасному провалу тока до I_dmin и даже обрыву дуги.

При субъективной оценке по ГОСТ 25616-83 у источников для ручной сварки покрытым электродом непосредственным критерием надежности начального зажигания принято считать количество попыток до первой успешной. Близким смыслом обладает критерий в виде доли успешных попыток. В качестве объективного критерия надежности начального за­жигания можно принять предельную начальную длину дуги. Это рас­стояние, до которого удается отвести электрод от детали при начальном зажигании без обрыва дуги. У большинства источников для ручной свар­ки покрытым электродом l_дн = (2 – 5)d_э она увеличивается с ростом на­пряжения холостого хода и установленного тока. При оценке источника по этому критерию следует иметь в виду, что l_дн зависит также от свойств электрода. Поэтому при испытании источника постоянного тока рекомен­дуется использовать электроды с основным покрытием, например марки УОНИ-13/55. Источники же переменного тока испытывают при сварке электродами с рутиловым покрытием, обеспечивающим более легкое за­жигание.