Учебное пособие 2013

ЛЕКЦИЯ 2

висит стабильность ее горения, а от стабильности перемещения электрода вдоль стыка — качество провара, формирования шва, стабильность защиты шва от внешней среды, и в конечном счете все это влияет на качество сварного соединения. Поэтому при ручной дуговой сварке качество сварного соединения в основном определяется квалификацией сварщика и его работа подобна искусству.

Рис. 2.10

Для защиты металла в зоне сварки от взаимодействия с окружающей средой применяют электродную обмазку, которая, оплавляясь и сгорая, образует защитные газы и шлак. Газы вытесняют из дугового промежутка воздух, а шлак, покрывая электродные капли и сварочную ванну, обеспечивает защиту жидкого металла от взаимодействия с окружающей средой и удаляет окислы из металла сварочной ванны.

Кроме того, в обмазку вводят элементы, атомы которых легко отщепляют электроны, т. е. элементы, имеющие малый потенциал ионизации (в основном соли щелочных и щелочноземельных металлов — калия, кальция, натрия). Благодаря этим элементам повышается стабильность горения дуги.

При полуавтоматической сварке

электродная проволока подается в дугу с помощью электродвигателя, т. е. скорость подачи электрода Vэ задается независимо от электросварщика

(рис. 2.11).

Перемещение горелки вдоль шва осуществляется сварщиком вручную, т. е. скорость сварки Vсв задается сварщиком.

21

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ

При автоматической сварке подача электродной проволоки и перемещение дуги вдоль стыка осуществляется с помощью электродвигателя, то есть оба параметра Vэ и Vсв задаются и поддерживаются независимо от сварщика (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Установка (трактор) для автоматической сварки под слоем флюса:

1 — бобина с электродной проволокой; 2 — подающие ролики; 3 — бункер для флюса; 4 — каретка для перемещения автомата вдоль стыка шва

Производительность процесса и качество сварных соединений при этом намного выше, чем при ручной дуговой сварке.

При полуавтоматической и автоматической сварке для защиты металла от взаимодействия с окружающей средой в зону сварки подают порошкообразный флюс (сварка под флюсом) или защитные газы (углекислый газ, аргон, гелий и др.) — сварка в защитных газах.

При ручной дуговой сварке токоподвод к электроду осуществляется на его оголенном (свободном от обмазки) конце (рис. 2.13, а) на расстоянии 250— 450 мм от дуги.

Рис. 2.13. Схема токоподвода к дуге при ручной (а), автоматической и полуавтоматической сварке (б)

22

ЛЕКЦИЯ 2

В связи с этим при протекании тока через электрод, сопротивление которого пропорционально расстоянию от дуги до токоподвода, электрод нагревается проходящим током. Поэтому величина тока при РДС ограничена, иначе возможно оплавление и сползание обмазки с электродного стержня. Величина сварочного тока для РДС выбирается по соотношению I = (30 — 50) dэ [A], где dэ — диаметр электродного стержня, мм.

При механизированной и автоматической сварке токоподвод к электродной проволоке осуществляется на расстоянии 15—30 мм, поэтому величина сварочного тока при этих способах сварки увеличена в 5—8раз. Соответственно возрастает мощность дуги и производительность процесса сварки.

Контрольные вопросы

1.Назовите типы межатомных связей в твердых и жидких телах. Особенности металлической связи.

2.Перечислите факторы, препятствующие образованию металлических связей между поверхностными атомами двух металлических тел.

3.Назовите способы устранения препятствий при получении сварных соединений металлических тел.

4.Объясните, как влияет температура и усилие сдавливания свариваемых тел на способность металлов образовывать сварные соединения.

5.По каким признакам можно классифицировать существующие способы сварки?

6.Назовите условия горения сварочной дуги (условия протекания электрического тока через газовый промежуток).

7.Что такое электронов; ионизация газов?

8.Назовите виды сварочных дуг и перечислите их особенности.

9.Перечислите особенности процесса сварки при использовании в качестве источника тепла электрической дуги с неплавящимся и плавящимся электродами.

10.По каким признакам электродуговую сварку подразделяют на ручную, полуавтоматическую и автоматическую?

23

ЛЕКЦИЯ 3

Рис. 3.1. Схема эмиссии электрона с поверхности катода

Максимальная температура, до которой может нагреться катод, — температура кипения материала, из которого изготовлен катод. У вольфрама Ткип. = 4000 оС, поэтому jтэ у него больше, чем у калия, хотя работа выхода электрона более чем в 2 раза выше (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Зависимость плотности тока термоэлектронной эмиссии

25

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ

окисленных поверхностей Na и Fe (jтэ, А/см2) от температуры

При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов, сообщается электрическим полем, которое как бы «отсасывает» электроны за пределы воздействия электростатического поля металла. При этом работа выхода электрона уменьшается на величину ∆ϕ (эффект Шотки).

∆ϕ = e3 Е,

∆ϕ = ϕο - ϕΕ,

где ϕο — работа выхода при отсутствии электрического поля; ϕΕ — при действующем поле; e — заряд электрона; Е — напряженность электрического поля, В/см.

При напряженности поля 106—107 В/см, характерной для прикатодной области дуги, величина ∆ϕ для железных и вольфрамовых электродов при температуре их кипения оказывается сопоставимой с работой выхода электрона (ϕο = ϕΕ, ∆ϕ = 0), т. е. потенциальный барьер для выхода электрона при этом исчезает. Тогда плотность тока электронной эмиссии будет зависеть только от температуры кипения материала катода j = АТ2кип.

Эмиссии электронов в результате бомбардировки поверхности катода по-

ложительными ионами играет незначительную роль в сварочной дуге.

3.2. ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВЫХ МОЛЕКУЛ И АТОМОВ

Для ионизации нейтральных молекул и атомов, заключающейся в «отрыве» от них электронов, требуется затратить определенное количество энергии еUi. Здесь е-заряд электрона, постоянная величина, которая называется потен-

циалом ионизации.

Для различных веществ требуется различная энергия для их ионизации

(табл. 4).

Таблица 4

Потенциал ионизации различных элементов

Ионизации может быть вызвана различными видами воздействия: соударением; облучением (фотоионизация), нагревом (термическая ионизация).

Ионизация соударением происходит при столкновении быстролетящего электрона с относительно малоподвижным нейтральным атомом:

26

ЛЕКЦИЯ 3

А + е = А+ 2е.

При этом кинетическая энергия электрона, определяемая его скоростью, должна быть больше или равна работе ионизации.

mV 2 ≥

2 eUi ,

где еUi — работа ионизации; е — заряд электрона; U — потенциал ионизации; m — масса электрона; V — скорость электрона.

Отсюда минимально необходимая скорость электрона в момент его столкновения с частицей, необходимая для ионизации нейтральной частицы,

V = 2eUm .

Например, для ионизации атома железа необходимо, чтобы скорость электрона была не менее 1,66•108 см/с (1660 км/с).

Ионизация облучением (фотоионизация) происходит под действием лучистой энергии. Для этого необходимо, чтобы квант действия лучистой энергии был бы больше или равен работе ионизации:

hν ≥ еUi,

где h — постоянная Планка; ν — частота колебаний световой волны.

Для осуществления ионизации газы должны облучаться волнами высокой частоты:

ν ≥ eUh i , или ν ≥ kUi (k = e/h).

Учитывая, что с = Vh (с — скорость света), условия ионизации можно выразить через сумму волны светового излучения:

λ ≤ k 1v .

То есть, чем выше потенциал ионизации вещества, тем выше должна быть частота световой волны облучения (или меньше длина волны), излучение должно быть более жестким (табл. 5).

Таблица 5 Длина волны, обеспечивающая ионизацию различных веществ

27

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ

Из этой таблицы видно, что для отрыва электронов от атомов инертного газа аргона требуется жесткое излучение (длина волны 785 Ǻ), а у натрия электрон отрывается при облучении световой волной длиной в 3 раза большей.

Термическая ионизация. При повышении температуры возрастает скорость и частота колебаний атомов и молекул газа. Растет число их соударений и возникает возможность образования ионов:

А+ А ↔ А+ + А + е,

А+ А ↔ А+ + А+ + 2е.

Для полной ионизации газа необходимо, чтобы его тепловая энергия была больше или равна работе ионизации:

32 kT ≥ eUi ,

где k — постоянная Больцмана; Т — температура газа, К.

Отсюда необходимая для 100-процентной ионизации газа температура:

Т≥ 23eUk .

Например, для полной ионизации азота необходимо его нагреть до температуры более 113000 К.

При меньших температурах происходит частичная ионизация, характеризуемая степенью ионизации х. При исходном количестве n атомов количество электронов равно nэ = nх, количество ионизированных атомов nu = nх и количество оставшихся неионизированных атомов nA = n (1 — х).

Степень ионизации газа в зависимости от температуры и давления можно найти из уравнения Сага (Индия):

где Р — давление; m — коэффициент, зависящий от размерности давления; U — потенциал ионизации, В; а — квантовый коэффициент, равный от 1 до 4 для различных элементов.

Обычно в атмосфере дуги присутствует несколько элементов, в этом случае вводится понятие об эффективном потенциале ионизации Uэф, который согласно В. В. Фролову можно вычислить по формуле

где Сi — концентрация i-газа; Ui — потенциал ионизации каждого газа, входящего в данную смесь.

28

ЛЕКЦИЯ 3

Введение в дуговой промежуток элементов с низким потенциалом ионизации уменьшает эффективный потенциал ионизации всей газовой смеси и повышает стабильность горения дуги (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Влияние добавок калия на Uэф

Видно, что введение до 10 % калия в дуговой промежуток, состоящий из паров железа, снижает эффективный потенциал ионизации с 8 до 5 вольт, т. е. почти на 40 %. Дальнейшее увеличение концентрации калия в дуге мало влияет на величину Uэф.

3.3. СТРОЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДУГИ

По изменению напряжения в электрической дуге можно выделить три зоны (рис. 3.4): 1 — прикатодную, 2 — столб дуги, 3 — прианодную.

29

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ

Рис. 3.4. Строение электрической дуги

При горении дуги на электродах видны ярко светящиеся участки, называемые катодным и анодным пятнами. С катодного пятна интенсивно вырываются (эмитируют) электроны, образуя в прикатодной области пограничный прикатодный слой. В этой зоне наблюдается большой перепад напряжения, длина этой зоны около 10-4 см. В прианодной области электроны, вылетающие из столба, создают объемный отрицательный заряд и, ударяясь в поверхность анода, выделяют энергию, которую они получили при ионизации атомов газа.

Длина прианодной области примерно на порядок больше прикатодной (около 10-3 см), и напряженность электрического поля (Ua|la) там соответственно меньше.

Расстояние между катодом и анодом в горячей дуге (lд) называется длиной дуги. Она складывается из длины приэлектродных участков (la и lк) и длины столба дуги (lст.).

lд = la + lст. + lк.

Учитывая малую протяженность приэлектродных участков по сравнению с длиной столба дуги, можно принять, что lд ≈ lст.

Напряжение на дуге можно представить как сумму падений напряжения в столбе дуги и приэлектродных зонах:

Uд = Ua + Ucт + Uк.

Зависимость между напряжением дуги и ее длиной описывается упрощенной формулой Г. Айртона:

Uд = а + blд ≈ a + blст,

где а и b — коэффициенты, зависящие от материала электродов и состава газового промежутка.

Функция Uд = ∫(lд) является уравнением прямой линии, в которой Uд = = Uа + Uк = а (при lд = 0), а b = tgα = Udld−a (рис. 3.5).

30