Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров
.pdf
Рис. 1.5. Схема возникновения дуги между
металлическим электродом и металлом
СХЕМА ГОРЕНИЯ
¶Ä¾ÃËÉǽ
£¹ЛЗ½ЖЗ¾
ИШЛЖЗ
¹ÀǻǾ
ǺĹÃÇ
ªËÇĺ
½Ì¼Á
ª»¹ÉÇÐƹØ
»¹Æƹ
ª»¹ÉÁ»¹¾ÅÔž˹ÄÄ
£É¹Ë¾É
ЖЗ½ЖЗ¾
ИШЛЖЗ
Рис. 1.6. Система строения свободной дуги при прямой полярности
9
Лосев В.А., Юхин Н.А. Иллюстрированное пособие сварщика. —
М.: Соуэло, 2000. — С. 3.
9
21
1.3.2. Условия зажигания
и устойчивого горения дуги
Сварочная дуга должна обеспечивать определенные
технологические условия: быстрое зажигание, устойчивое
горение, малую чувствительность к изменениям ее длины
в определенных пределах, быстрое повторное зажигание
(возбуждение) после обрыва, необходимое плавление электрода и основного металла. На эти условия оказывают влияние
следующие факторы:
диаметр электрода;
род тока (постоянный или переменный);
температура окружающей среды;
прямая или обратная полярность при сварке на посто-
янном токе;
состав обмазки при сварке штучными электродами.
Напряжение холостого хода — это напряжение, подводимое от источника питания к электродам при разомкнутой
сварочной цепи. Напряжение холостого хода при сварке
на постоянном токе не превышает 90 В, а на переменном
токе — 80 В. При этом для зажигания дуги требуется напряжение, по величине большее, чем напряжение для горения
дуги, а в момент горения дуги напряжение, подаваемое
от источника питания, значительно снижается и достигает
величины, необходимой для устойчивого горения дуги.
В процессе горения дуги ток и напряжение находятся в определенной зависимости.
Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи
при условии постоянной длины дуги называют статической
вольт-амперной характеристикой дуги, которая графически
представлена на рис. 1.7.
Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области:
падающую, жесткую и возрастающую.
22
©МРЖ¹ШК»¹ЙГ¹ИЗГЙФЛФЕБЦД¾ГЛЙЗ½¹ЕБ
БЖ¾ИД¹»ШТБЕКШЦД¾ГЛЙЗ½ЗЕ»КЙ¾½¾А¹ТБЛЖФО¼¹АЗ»
Напряжение дуги U, B
½ÄÁƹ½Ì¼Á
ª»¹ЙГ¹ИД¹»ШТБЕКШЦД¾ГЛЙЗ
½ЗЕ»КЙ¾½¾А¹ТБЛЖФО¼¹АЗ»
¥¾О¹ЖБАБЙЗ»¹ЖЖ¹ШК»¹ЙГ¹ИЗ½НДЧКЗЕ
Сварочный ток I, A
Рис. 1.7. Статическая вольт-амперная
характеристика дуги в общем виде
10
С увеличением тока от холостого до 100 А напряжение
уменьшается из-за увеличения поперечного сечения столба
дуги и его проводимости. Вольт-амперная характеристика
будет падающей, и дуга горит неустойчиво. При увеличении
тока от 100 до 1000 А напряжение сохраняет постоянную величину, так как поперечное сечение столба дуги и площади
анодного и катодного пятен увеличивается пропорционально
току. При этом вольт-амперная характеристика будет жесткой, дуга горит устойчиво, что обеспечивает нормальный
процесс сварки. Такая дуга используется при ручной дуговой
сварке. Увеличение тока более 1000 А приводит к возрастанию
напряжения, так как увеличение плотности тока не сопровождается увеличением катодного пятна из-за ограниченного
поперечного сечения электрода. Вольт-амперная характеристика будет возрастающей. Такая дуга используется при
сварке под флюсом и в защитных газах.
10
Лосев В.А., Юхин Н.А. Указ. соч. — С. 7.
23
Жесткая вольт-амперная характеристика дуги (см. рис.
1.7)
возникает при ручной дуговой сварке штучным электродом
низкоуглеродистой стали и при автоматической сварке под
флюсом при высоких плотностях тока.
Первым условием зажигания и устойчивого горения дуги
является наличие электрического источника питания дуги
достаточной мощности, обеспечивающего быстрое нагревание
катода до высокой температуры и эмиссионной активности
при возбуждении дуги.
Однако полная стабилизация горения дуги достигается
только при достаточной степени ионизации столба дуги, что
является вторым условием для зажигания и горения дуги.
Для этого в состав покрытия штучных электродов или в состав
флюсов таких элементов вводятся, как было сказано выше,
такие элементы, как калий, натрий, барий, литий, алюминий,
кальций и др. Эти элементы имеют низкий потенциал ионизации и в момент зажигания дуги способствуют ее быстрому
возникновению.
При сварке на переменном токе третьим условием является
наличие в сварочной цепи повышенной индуктивности (дросселя). Это объясняется тем, что в сварочной цепи переменного
тока в процессе горения дуги образуются обрывы (100 обрывов
дуги в секунду при промышленной частоте переменного тока
50 Гц). При сварке на переменном токе происходит сдвиг фаз
между напряжением источника питания и током. Горение
дуги относительно стабилизируется. При сварке на постоянном токе зажигание и горение дуги протекают стабильнее,
чем при сварке на переменном токе. Однако в сварочную цепь
постоянного тока также включают дроссели для улучшения
стабильности горения дуги.
Однако полная стабилизация горения дуги достигается
в точке пересечения вольт-амперных характеристик дуги
11
и источника питания
(рис. 1.8).
11
Лосев В.А., Юхин Н.А. Указ. соч. — С. 6.
24
U, B
50
30
20
10
Внешняя вольт-амперная характеристика
источника питания (ВАХ ИП)
(точки устойчивого горения дуги)
Рабочие точки
30 60 90
120 150 180 210 240 270 300
Диапазон регулирования
режима сварки при изменении
длины дуги
I, A
Рис. 1.8. Вольт-амперная характеристика
дуги при ручной дуговой сварке
12
На рис. 1.8. видно, что при увеличении длины дуги до 7 мм
необходима бо` льшая регулировка тока (сварщиком при ручной сварке). Наиболее стабильно процесс осуществляется при
длине дуги 2–5 мм.
Чтобы улучшить возбуждение дуги, используют высокочастотные устройства, специально предназначенные для этого,
например осцилляторы. В свою очередь, для обеспечения надежного повторного возбуждения дуги применяют генераторы
импульсов высокого напряжения (стабилизаторы).
Устойчивое горение дуги зависит от динамической
характеристики источника питания дуги, который должен
поддерживать горение дуги при изменении напряжения
в сети и обеспечивать регулирование сварочного процесса
12
Лосев В.А., Юхин Н.А. Указ. соч. — С. 6.
25
в зависимости от состояния поверхности свариваемого изделия
и скорости подачи сварочной проволоки.
Особенности горения дуги на постоянном или переменном токе выражаются в том, что дуга может отклоняться
от нормального положения под воздействием магнитных полей, создаваемых вокруг нее. Магнитные поля воздействуют
на движущиеся заряженные частицы электронов и ионы столба
дуги и тем самым на всю дугу, особенно при сварке на постоянном токе. Это явление принято называть магнитным дутьем.
На рис.
1.9 показано влияние места подвода тока к свариваемой
детали и наклона электрода на отклонение дуги.
Отклонение дуги может быть вызвано присутствием
ферромагнитных масс вблизи сварки. Для снижения влияния
магнитного дутья на сварочную дугу необходимо применять
специальные меры. К таким мерам относятся: сварка короткой
дугой; подвод сварочного тока к точке, максимально близкой
к дуге; наклон электрода в сторону действия магнитного дутья;
размещение у места сварки компенсирующих ферромагнитных
масс; использование трансформаторов или инверторных источников питания.
Нормальное
положение
дуги
Рис. 1.9. Влияние места подвода тока к свариваемой
детали и наклона электрода на отклонение дуги
13
Лосев В.А., Юхин Н.А. Указ. соч. — С. 5.
Отклонение
влево
26
Отклонение
вправо
Действие
ферромагнитной
массы
13
Контрольные вопросы
1. Перечислите факторы, влияющие на зажигание и устой-
чивое горение дуги.
2. В каком соотношении находятся напряжение холостого
хода источника питания и напряжение дуги?
3. Что выражает статическая вольт-амперная характерис-
тика дуги?
4. Почему вольт-амперная характеристика дуги может
быть падающей?
5. В чем различие падающей и жесткой вольт-амперной
характеристики?
6. Каково первое и наиважнейшее условие зажигания и го-
рения дуги?
7. Оцените роль ионизации при зажигании и горении дуги.
8. Для чего в сварочную цепь включают дроссель (катушку
индуктивности)?
9. Для чего применяют осцилляторы?
10. Что такое магнитное дутье и как оно проявляется?
11. Каковы меры борьбы с магнитным дутьем?
1.3.3. Перенос металла через дугу
На электрический столб дуги воздействуют электрическое
и магнитное поля, обеспечивающие возникновение электромагнитных сил, которые сжимают столб дуги. Это явление носит
название пинч-эффекта.
При высокой температуре конца электродов и действии
пинч-эффекта происходят его оплавление, образование капли
расплавленного металла, ее отрыв и перенос в сварочную ванну. Перенос металла может происходить при соответствующих
технологических характеристиках в виде капель различного
размера. Размер капель зависит от плотности сварочного тока
и пара, напряжения дуги. При увеличении плотности тока происходит уменьшение размеров капель, а их число увеличивает-
27
ся. При повышении напряжения размер капель увеличивается,
а их число уменьшается.
Основные виды переноса электродного металла при ду-
говой сварке в зависимости от технологических режимов:
крупнокапельный с естественными короткими замыканиями
разрядного промежутка; крупнокапельный без коротких
замыканий; каплями среднего и малого размера без коротких
замыканий; струйный перенос с принудительными короткими
замыканиями разрядного промежутка.
Сварка с крупнокапельным переносом электродного
материала имеет место при сварке в нижнем положении шва.
При этом в сварочную ванну переносится примерно 90–95%
электрод ного металла, а остальное — на брызги и пары. С повышением напряжения разбрызгивание увеличивается, а с ростом
тока сначала увеличивается, а затем уменьшается.
При крупнокапельном переносе на электроде образуются
капли диаметром более 1,5 диаметра электрода. При этом, в том
случае если капля оказывается больше длины разрядного
промежутка, ее переход в ванну сопровождается коротким замыканием разрядного промежутка и погасанием дуги. Однако,
в случае если капля меньше длины разрядного промежутка, ее
переход в ванну происходит без короткого замыкания.
Капли среднего размера возникают при сварке порошковой
проволокой рутилового типа, активированными проволоками
и с принудительным управлением путем процесса наложения
импульсов тока, изменения силы тока при сварке, пульсирующей и вибрирующей подачи электрода, при этом разбрызгивание получается незначительным.
При струйном переносе образуются мелкие капли, следующие одна за другой в виде струй: жидкий металл на электроде
вытянут в виде конуса, с конца которого отрываются мелкие
капли диаметром менее 2/3 диаметра электрода. Определяется
перенос электродинамической силой, силами поверхностного
натяжения, давлением плазменных потоков и реакцией испарения. Скорость расплавления сварочной проволоки при этом
28
увеличивается. Поэтому струйный перенос имеет несомненные
преимущества перед капельным.
Контрольные вопросы
1. Что такое пинч-эффект?
2. За счет чего происходит плавление металла электрода?
3. От чего зависит вид переноса металла?
4. Какие две разновидности управляемого переноса метал-
ла вы знаете?
5. Опишите струйный перенос и охарактеризуйте его.
1.3.4. Тепловые и электрические характеристики
сварочной дуги, условия ее стабильности
и требования к источникам тока
Полная тепловая мощность сварочной дуги может быть
приблизительно подсчитана по формуле
Q = 0,24U
где Q — тепловая мощность, кал/с;
— напряжение на дуге, В;
U
д
J
— сила сварочного тока, А.
д
Однако только 60–70% общего количества тепла дуги
расходуется на нагрев и плавление металла. Остальная часть
тепла из общего теплового баланса уходит на потери (нагрев
окружающего пространства, угар, разбрызгивание, световое
излучение и т. п.).
Количество тепла, выделяемое сварочной дугой в единицу
времени и расходуемое только на плавление металла электрода и изделия, называется эффективной тепловой мощностью
дуги
Q
= 0,24U Jд ηи кал/с,
э
где Q
η
— эффективная тепловая мощность дуги, кал/сек;
э
— эффективный КПД нагрева металла дугой.
и
кал/с,
дJд
29
Величина η
зависит от способа сварки, материала электро-
и
да, состава электродной обмазки и других факторов, например,
для ручной электродуговой сварки качественным электродом
= 0,7 ... 0,85. Наиболее полно используется тепловая мощность
η
и
при сварке под флюсом, η
= 0,85 ... 0,93.
и
Для возбуждения электрической дуги необходимо подать
на электроды напряжение примерно 60–65 В. После зажигания
дуги происходит падение напряжения до величины, соответствующей напряжению установившегося дугового разряда.
При этом изменяется и сила сварочного тока. Зависимость
напряжения дуги при установившемся режиме от силы сварочного тока называется статической вольт-амперной характеристикой дуги (ВАХ).
Увеличение тока примерно до 40–60 А ведет к резкому
падению напряжения. Это объясняется тем, что с увеличением
тока растут поперечное сечение и проводимость дуги, следовательно, уменьшается напряжение. Такая характеристика
называется падающей.
В интервале от 100 до 400 А увеличение тока не вызывает
изменения напряжения, так как пропорционально току увеличиваются поперечное сечение столба дуги и площади активных
пятен. Следовательно, плотность тока и напряжение будут
неизменными. Такая характеристика называется жесткой.
Увеличение тока более 400 А ведет к росту напряжения
на дуге. Это объясняется тем, что увеличение плотности тока
выше определенного значения не сопровождается ростом катодного пятна ввиду ограниченности диаметра электрода. Поэтому, чтобы проводимость дуги осталась прежней, происходит
увеличение напряжения. Такая характеристика называется
возрастающей.
Увеличение длины дуги приводит к увеличению напряжения.
Электродуговая сварка может выполняться при использовании переменного, постоянного и выпрямленного тока. Любой
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]