импульса tи, паузы tп и цикла, tц = tи + tп, частота импульсов f = 1/tц, ток в промежутках между импульсами – базовый ток Iб.

пространственных положениях. Такое управление сварочным процессом называется синергетическим.

Синергетическая импульсная сварка плавящимся электродом достаточно полно реализуется при использовании инверторных источников питания, обеспечивающих управление длительностью импульса и паузы в интервале 1 мс .. 5 с при частоте пульсаций до 300 Гц и выше. Импульсное управление переносом металла позволяет влиять также и на металлургию процесса, регулируя выгорание (окисление) отдельных элементов.

2.9.Сварочные дуги переменного тока

2.9.1.Особенности дуги переменного тока

По сравнению с дугой постоянного тока дуга переменного тока имеет следующие главные особенности.

Каждый полупериод, т.е. 0,01 с при f = 50 Гц, электрический ток в дуге меняет свое направление, а напряжение — полярность. Катод и анод меняются местами, и каждый полупериод дуга возбуждается вновь. Кривые тока и напряжения дуги несинусоидальны.

Повторное возбуждение дуги облегчается остаточной термоэлектронной эмиссией электродов или остаточной ионизацией дугового промежутка. Если ионизация недостаточна, то в каждом полупериоде существует пик зажигания Uз > Uд. Дуга повторно возбуждается, если соблюдается соотношение Umsinψ ≥ Uз. Угол ψ сдвига фаз между напряжением U и током I источника питания зависит от величины сопротивления дуги, а также индуктивного и активного сопротивлений цепи дуги.

Фазу ψ, при которой возбуждается дуга, можно найти из соотношения

ψ = arcsinUз/Um . (2.101)

Поскольку амплитуда напряжения источников питания Um ограничена соображениями безопасности, уменьшать ψ можно только путем снижения пика зажигания

Uз.

Дуга переменного тока может гореть не весь полупериод, а только часть его. Время перерыва в горении дуги обычно тем больше, чем меньше время существования остаточной термоэмиссии с электродов, чем быстрее происходит распад плазмы столба, чем длиннее дуга и хуже динамические свойства источника питания.

81

2.9.2.Вентильный эффект

Всвязи с изменяющимися условиями существования дуги переменного тока на электродах (различие в работах выхода ϕ1 и ϕ2, разные температуры Тпл и Ткип, разные формы электродов и разный теплоотвод от них) возможна асимметрия токов и напряжений в разные полупериоды горения дуги — так называемый вентильный эф-

фект (рис. 2.46).

Например, при аргонодуговой сварке алюминия вольфрамовым электродом относительная асимметрия токов I = IW –IAl может достигать 50% и более от значения IW. В этом случае стационарная термоэлектронная эмиссия с W-катода и его остаточная эмиссия значительно больше, чем с «холодного» Al-катода по трем основным причинам:

1)Tплw ≈ 4000 К >> ТплAl ≈ 950 К;

2)катодное падение напряжения UкAl значительно больше, чем Uкw ;

3)теплоотвод в массивное алюминиевое изделие больше, чем в W-стержень. Вентильный эффект обычно ухудшает стабильность процесса, формирование

шва, чистоту поверхности, прочностные свойства соединения. Кроме того, постоянная составляющая вредно сказывается на работе сварочных трансформаторов и уменьшает катодное распыление на алюминиевом изделии. Для уменьшения постоянной составляющей включают конденсаторы, аккумуляторы или другие устройства, компенсирующие вентильный эффект.

Рис. 2.46. Ассиметрия токов и напряжений в дуге W-Al (вентильный эффект): а – схематизированная осциллограмма; б – схема питания электрода при смене полярности

82

2.10. Сварочные дуги с плавящимся электродом

Распределение энергии в сварочных дугах, их энергетическая структура определяются рядом факторов, главнейшие из которых следующие два:

1)состав плазмы, размеры и условия стабилизации столба дуги;

2)материал, размеры и форма электродов (особенно катода).

Кроме того, большое влияние оказывает режим сварки: плотность тока, его значение, полярность, наличие импульсов, их амплитуда и частота, динамические характеристики источника питания и т. п. Все эти факторы взаимосвязаны.

Основные технологические применения Ме-дуг — сварка и резка плавящимся электродом. Me-дуги используют при сварке электродами без покрытия, покрытыми и порошковыми электродами и проволоками, при сварке под флюсом и в защитных газах (СО2, Аr, Не), а также при сварке в вакууме.

Защитные среды для металлических дуг в большинстве случаев обеспечивают широкие возможности регулирования металлургических процессов при сварке.

2.10.1.Ручная дуговая сварка электродами с покрытиями

Ручная дуговая сварка Ме-дугой ведется обычно электродами диаметром 2-6 мм на постоянном и переменном токах 100-300 А при плотностях тока по сечению электрода j < 20 А/мм2 в любом пространственном положении. Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытиями), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему из расплавленного металла и шлаковых пленок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыканиями. КПД дуги составляет около 75%. Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги составляет примерно от 7 до 30% общей мощности дуги (табл. 2.5).

Т а б л и ц а 2.5. Энергетическая структура некоторых Ме-дуг

Остальная мощность выделяется в приэлектродных областях. Значение Uк + Uа определяли из опытов экстраполированием прямой по уравнению Айртона Uд = a + bl

(рис. 2.47).

Важным фактором при ручной сварке является устойчивость дуги. На устойчивость дуги оказывают влияние внутренние условия в самой дуге (состав и свойства плазмы) и внешние условия — статические и динамические свойства источника питания, и свойства электрической цепи, определяющие в большой мере переходные процессы в дуге. Наиболее известна оценка устойчивости дуги по ее разрывной длине lразр. Чем больше разрывная длина дуги, тем выше ее устойчивость (см. табл. 2.5).

Многие авторы указывают, что введение в дугу элементов с низким потенциалом Ui (в первую очередь щелочные) повышает ее устойчивость. Введение таких элементов облегчают возбуждение дуги, горение ее на переменном токе, а также стаби-

83

стабилизируют положение катодного пятна и изменяют характер разряда на постоянном токе. При достаточной концентрации этих элементов можно получать диффузионную привязку дуги на катоде, что существенно влияет на характер плавления и переноса электродного материала.

Считается, что пары легкоионизируемых элементов попадают в столб дуги и повышают степень ионизации в нем. Объяснение действия элементов-ионизаторов можно связать с воздействием их на работу выхода катода, поскольку значение φ тесно связано с потенциалом ионизации. Пары веществ-ионизаторов попадают в зону катода, понижают его работу выхода, что снижает катодное падение, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в целом. Анодное падение мало изменяется и составляет в Ме-дугах, как уже отмечалось, 2,5 ± 0,5 В.

При уменьшении Uк + Uа увеличивается градиент напряжения в дуге (рис. 2.48). Это, например, облегчает сварку на автоматах с регуляторами напряжения дуги.

Введение элементов-ионизаторов приводит к уменьшению мощности, выделяемой в приэлектродных областях, и к увеличению доли энергии, затрачиваемой в столбе дуги. Производительность расплавления при этом обычно снижается.

2.10.2. Сварка под флюсом

Дуга под флюсом отличается от свободной (открытой) сварочной дуги в первую очередь тем, что газовый разряд происходит в изолированном расплавленным шлаком пространстве. Наличие газового пузыря обусловливает повышение давления в нем, например, около 3 кПа при токе порядка 500 А.

Флюсовая защита позволяет значительно повысить по сравнению со сваркой открытой дугой токи Iсв (до 1000 А и более), мощность дуги и плотность тока на электродах jсв (до 200 А/мм2 и выше).

Высокая плотность тока, избыточное давление, некоторое шунтирование дуги флюсом и присутствие во флюсе ионизирующих компонентов обеспечивают высокую устойчивость процесса сварки. Практически отсутствует разбрызгивание металла, шов хорошо формируется.

Высокая плотность тока обусловливает возрастание вольт-амперной характеристики дуги, что позволяет применять источники питания с жесткой или пологой внешней характеристикой (рис. 2.49). Широко применяется постоянная скорость подачи электрода в дугу, обеспечивающая саморегулирование процесса.

84