3.2 Электрическая сварочная дуга
При электродуговой сварке между электродом (рис.52) и свариваемым металлом возникает дуга, окруженная газовым облаком. В образовавшейся дуге в осевом направлении различают: столб дуги, центральную часть длиной порядка нескольких миллиметров и приэлектродные области (катодную и анодную). Дуга, вытесняя расплавленный металл сварочной ванны, образует кратер.
Катодная область включает в себя катодное пятно и часть дугового промежутка, примыкающего к нему. Основной физический процесс в этой области - электронная эмиссия и разгон электронов. На катодном пятне выделяется до 36 % общей теплоты дуги, температура достигает 3000 °С.
Анодная область состоит из анодного пятна и также части дугового промежутка, примыкающего к нему. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода; в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты (до 43 %), чем на катоде, температура достигает 4000 °С.
Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка. В столбе дуги происходит соударение нейтральных частиц и частиц, несущих электрический заряд, что сопровождается ионизацией газа столба дуги. Степень ионизации составляет несколько процентов. Ионизированный газ с такой степенью ионизации называют низкотемпературной плазмой. В столбе дуги выделяется до 21 % общего количества теплоты, которая в основном (около 80 %) рассеивается путем лучеиспускания в окружающее пространство. На оси столба температура порядка 5000. ..7000 С.
Рисунок 52 - Схема горения электрической дуги
Электрическая характеристика дуги в координатах напряжение U - время t, (рис.53), имеет несколько четко выраженных участков в соответствии с технологическими этапами электродуговой сварки. Сварка начинается с короткого замыкания (точка 1) , при которой напряжение U → 0, а ток I → Iмах. Короткое замыкание необходимо для разогрева торца электрода и металла заготовки в зоне контакта. Затем электрод отводят от поверхности заготовки, и образуется межэлектродное пространство. Образование воздушного зазора вызывает увеличение сопротивления межэлектродного пространства и соответственно повышение напряжения до напряжения зажигания дуги UЗ (точка 2). Под действием электрического поля с разогретого торца электрода (катода) начинается эмиссия электронов, которые, двигаясь упорядоченно по направлению к аноду, сталкиваются с молекулами и атомами газов и паров металла и ионизируют их. В результате дуговой промежуток становится электропроводным (участок 2-3) и начинается разряд электричества, т.е. возникает электрическая дуга. При этом для горения дуги требуется меньшее напряжение Uр. Последний этап характеризуется расплавлением электрода, образованием и отрывом капли металла и уменьшением длины межэлектродного пространства при дальнейшем падении напряжения (участок 3 – 4). В дальнейшем цикл сварки повторяется.
1 2 3 4
Рисунок 53 - Электрическая характеристика дуги
В процессе сварки в энергетической системе, которую представляют источник питания - сварочная дуга - шов, возникают возмущения, которые приводят к нарушению равновесия в системе и вызывают изменения ее энергетических параметров - напряжения на дуге и тока в сварочном контуре. Причинами возмущений чаще всего служат изменения длины дуги, напряжения сети, скорости подачи электродной проволоки и др.
Длиной дуги (рис.54) называется расстояние между торцом электрода и поверхностью сварочной ванны. Короткой дугой называют дугу длиной 2...4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4...6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной.
Рисунок 54 - Длина сварочной дуги
Длина дуги значительно влияет на качество сварки. Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение шва высокого качества, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. Но слишком короткая дуга вызывает приваривание электрода к изделию, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Длинная дуга горит неустойчиво с характерным шипением. Глубина проплавления недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается и больше окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество окислов. Для электродов с толстым покрытием длина дуги указывается в паспортах.
Непременное условие получения качественного сварного соединения - устойчивое горение дуги, при котором основные ее параметры (сила тока и напряжение) находятся в определенной взаимозависимости. Графическое изображение этой зависимости называют статической вольт-амперной характеристикой дуги (рис 55).
Статическая вольт-амперная характеристика дуги есть зависимость напряжения UД на дуге от силы сварочного тока I при постоянной длине дуги LД и всех прочих физических факторах, влияющих на условия ее горения. С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая статической вольт-амперной характеристики поднимается выше относительно оси абсцисс, с уменьшением длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму.
В зависимости от силы тока вольт-амперная характеристика может быть падающей 1, жесткой 2 и возрастающей 3.
Рисунок 55 - Статическая вольт–амперная характеристика дуги:
1 – падающая; 2 – жесткая; 3 – возрастающая.
Падающую характеристику имеют малоамперные свободно горящие в воздухе или среде аргона дуги при силе тока до 100 А. Дугу с жесткой характеристикой при силе тока 100 А и более применяют при ручной дуговой и автоматической сварке под флюсом. Дугу с возрастающей характеристикой используют при газоэлектрической сварке плавящимся электродом, а также при автоматической сварке под флюсом и повышенной плотности тока.
Каждому виду характеристики дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного металла электрода в сварочную ванну: падающей и жесткой - крупнокапельный, возрастающей - мелкокапельный.
Чтобы получить устойчивый дуговой разряд между электродом и свариваемым изделием, к ним необходимо подвести напряжение от специального источника Дуговая сварка может проводиться на переменном и постоянном токе.
Зажигание и устойчивое горение дуги при токе любого рода зависят от внешней характеристики источника питания дуги (рис.56). Внешней вольт-амперной характеристикой источника питания называют графическое изображение зависимости напряжения на его выходных клеммах от силы тока в электрической цепи. Внешняя вольт-амперная характеристика может быть крутопадающей 1, пологопадающей 2, жесткой 3 и возрастающей 4.
Источник питания дуги выбирают в зависимости от вида вольт-амперной характеристики дуги. Для ручной дуговой сварки штучными электродами целесообразна крутопадающая внешняя характеристика. Пологопадающую внешнюю вольт-амперную характеристику применяют при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом; жесткую и возрастающую - при сварке в среде защитных газов.
Рисунок 56 - Внешние вольт-амперные характеристики источников питания дуги: 1 –крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая
Сварочная дуга горит устойчиво, если напряжение дуги равно напряжению источника тока, что соответствует точке пересечения статической вольт-амперной характеристики дуги 1 и внешней вольтамперной характеристики источника питания 2 (рис.57).
Рисунок 57 - Совмещение вольт – амперных характеристик: 1 – статической дуги; 2 – внешней источника питания.
Точка В соответствует режиму устойчивого горения дуги; А - напряжению зажигания дуги UЗ ; С - режиму холостого хода (Uхх) источника питания в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута; D - режиму короткого замыкания (IК.З) электрода и детали, который имеет место при зажигании дуги.
Источник питания для ручной дуговой сварки должен отвечать следующим пяти требованиям:
Источник сварочного тока должен обеспечивать напряжение холостого хода UХ.Х в 2,5...3 раза больше, чем рабочее напряжение UР. Напряжение холостого хода в зависимости от рода тока и типа электрода изменяется от 40 до 80 В.
Сила тока короткого замыкания IК.З не должна более чем в 2 раза превышать силу рабочего тока IР. Отношение силы тока короткого замыкания к силе рабочего тока называют коэффициентом добротности Д источника питания: Д = IК.З / IР - Коэффициент добротности характеризует устойчивость работы источника сварочного тока и горения дуги. Его значения при ручной дуговой сварке должны быть в пределах 1,0 < Д < 2.
Источник сварочного тока должен быстро реагировать на все изменения параметров режима в дуге и сети. Источник питания должен восстанавливать напряжение от момента короткого замыкания (U ≈ 0) до напряжения зажигания дуги (Uз) в течение 0,02-0,05 сек.
Источник сварочного тока должен обладать крутопадающей внешней вольт-амперной характеристикой, которая необходима для возбуждения и устойчивого горения дуги, ограничения тока короткого замыкания и равномерной сварки при различных колебаниях режима.
Источник сварочного тока должен обеспечивать регулирование параметров режима сварки (сварочного тока и напряжения), т. е. легко настраиваться на нужный режим сварки.