2.11. Сварочные дуги с неплавящимся электродом

В качестве неплавящихся электродов при дуговой сварке при­меняют главным образом вольфрамовые электроды, значительно реже - угольные (графитовые) и охлаждаемые медные электроды. Наибольшее распространение получила дуговая сварка вольфра­мовым электродом (W-электродом) в среде аргона, гелия и их смеси.

Вольфрам, нагреваясь от дуги до температур, близких к тем­пературе плавления, становится весьма восприимчивым к воздейст­вию активных газов. Поэтому в целях экономии электродов и для обеспечения стабилизации процесса обычно при сварке W-электродом используют инертные газы с содержанием кислорода не бо­лее 0,001 % объемной доли.

2.11.1. Аргонодуговая сварка w-электродом

Аргонодуговая сварка W-электродом широко применяется для сварки ответственных конструкций из коррозионно-стойких ста­лей, цветных металлов, алюминиевых и других сплавов. Сварку обычно ведут на постоянном токе прямой полярности (исключая сварку алюминия) от источника с крутопадающей внешней харак­теристикой.

Как уже отмечалось, W-дуги могут быть с катодным пятном и без катодного пятна (так называемые нормальные дуги). Несмотря на различие механизмов катодного процесса (заключающееся в значительной доле электростатической эмиссии в дугах с катод­ным пятном), статические характеристики и тепловые балансы обеих дуг весьма сходны. Нормальная дуга всегда может быть по­лучена на полукруглом торце катода из чистого вольфрама. При нагреве электрода дуга с катодным пятном может сама перейти в термоэмиссионную нормальную дугу.

Образованию пятна на катоде способствуют введение добавки тория, иттрия или лантана к вольфраму (обычно до 1...2 %), луч­ший теплоотвод (меньший вылет) электрода и более острая заточ­ка его рабочего конца. Поверхность торированного, иттрированного или лантанированного вольфрама, имеющего по сравнению с чистым вольфрамом пониженную рабочую температуру, практи­чески не оплавляется в широком диапазоне токов (100...400 А). Коническая вершина электрода сохраняет свою форму, что обес­печивает сжатие дуги у катода.

Дуга с катодным пятном имеет несколько повышенное (при­мерно на 10 %) напряжение (катодное и общее) и большую (на 10...20%) температуру столба (рис. 2.54). Температура катода в дуге с катодным пятном ниже температуры поверхности электрода нормальной W-дуги, где катодное пятно занимает всю сфериче­скую поверхность электродного стержня.

2.11.2. W-дуга в гелии

По теплофизическим свойствам гелий существенно отличается от аргона. Он имеет более высокий потенциал ионизации (24,6 вместо 15,7 эВ у аргона) и в 10-15 раз большую теплопроводность при температурах плазмы. Кроме того, он легче аргона примерно в 10 раз. Достаточно высокая для существования дуги ионизация аргона при (n_i =10¹⁷ см^-3 ) происходит примерно при температуре 16 000 К, в то время как для гелия - при 25 000 К. Все эти особен­ности существенно влияют на свойства W-дуги в гелии. Например, Добавление к аргону гелия постепенно превращает конусную дугу в сферическую (рис. 2.55, а). Пинч-эффект в гелиевой плазме практически не имеет места до весьма больших плотностей тока, так как значительная теплопроводность гелия дает низкий темпе­ратурный градиент по радиусу сечения столба дуги и весьма высо­кое внутреннее давление р = пкТ.

Высокая средняя электриче­ская напряженность Е в плазме гелия, достигающая 2 В/мм про­тив 0,8... 1,2 В/мм в плазме аргона, обусловливает высокое напряже­ние на дуге (рис. 2.55, б). Вольт-амперные характеристики W-дуги в гелии и других инертных газах (аргоне, неоне, криптоне, ксеноне) приведены на рис. 2.56. Скачок вольт-амперной характе­ристики для гелия при 150 А свя­зан, видимо, с переходом от дуги в парах титанового анода к дуге в ионизированном гелии.