Джерела нагрівання та
.pdf
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
використавши задане принципом мінімуму значення температури. Справді, якщо для дуги, яка вільно розширяється справедливий принцип Штейнбека, тоді справедливо й наступне:
а) напруженість поля в стовпі мінімальна: Ест = Еmin ;
б) має місце точка екстремуму |
∂ Eст = 0 , тоді: |
е0Ui |
= |
29 |
; |
|
|
||||
|
¶ Т |
6k T 12 |
|||
в) температура стовпа дуги відома: Т » 800 ×Ui
Ці залежності підставимо у рівняння вольт-амперної характеристики
|
|
|
|
|
|
|
|
1 2 |
1 |
|
|
29 |
|
|
|
|
e0Ui |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
= G × a− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
стовпа дуги: |
E |
ст |
3 × d3 |
× R2 ×T 12 × e 6kT |
× I |
3 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д |
|
|
|||||||||
так, як це вигідно для подальших перетворень: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
29 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
E = G × a− |
|
|
|
|
|
|
|
|
(800 ×U |
) |
29 |
|
× e |
|
|
|
× I − |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
3 |
× d3 |
× R2 × |
|
12 |
3 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
12 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д |
|
|
||||||||||
Виконавши деякі перетворення одержимо придатне для подальших |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
29 |
|
29 |
|
− |
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
29 |
− |
1 |
|
|||||||||||
спрощень рівняння: Eст = G ×80012 × e12 × a |
|
|
3 × d3 × R2 ×Ui12 × Iд |
3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
29 |
|
|
|
29 |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Позначимо, |
як постійний коефіцієнт: G = G ×80012 |
|
× e12 ; і спрощене |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
рівняння вольт-амперної характеристики стовпа вільної дуги можна запи-
|
|
|
− |
1 |
|
|
2 |
|
1 |
|
29 |
|
− |
1 |
|
|
сати так: |
E |
ст |
= G × a 3 |
× d3 |
× R2 |
×U 12 × I |
3 |
|
||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
i |
д |
|
|||||
Далі: при незмінному складі газів дугового проміжку постійними ви- |
||||||||||||||||
являються ще й інші величини ( a = const |
і δ = const ), а приймаючи тиск в |
|||||||||||||||
дузі рівний зовнішньому (останній, як правило, при зварюванні є нормальний атмосферний), можна оголосити постійним і його ( Ρ = const ), тоді мо-
|
− |
1 |
|
|
2 |
|
1 |
жна позначити постійну: G = G × a 3 |
× d3 |
× R2 |
|||||
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
Тоді найпростіше рівняння вольт-амперної характеристики стовпа ві-
111
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
|
|
|
|
|
|
29 |
|
− |
1 |
|
|
льної дуги буде: |
|
E |
ст |
= G ×U 12 |
× I |
3 |
|
||||
|
|
|
2 |
i |
|
д |
|
||||
Значення постійної G2 |
залежить від властивостей газів дугового про- |
||||||||||
міжку. Ui - потенціал іонізації газу дугового проміжку (для суміші газів це ефективний потенціал іонізації Uеф ). Iд - струм в дузі.
Про радіус стовпа дуги
Якщо всі втрати енергії стовпа дуги вважати втратами на випромінювання (як було погоджено раніше), тоді справедливе (див. вище) таке рівняння миттєвого теплового балансу стовпа дуги:
IдUст = s × 2prстLд ×Т4 ,
тут: ліва частина – потужність струму в стовпі дуги, права – потужність (тобто, величина за одиницю часу) випромінювання бокової циліндричної поверхні стовпа радіусом rст (згідно з каналовою моделлю К.К. Хрєнова стовп дуги приймається за циліндр з чітко окресленою бічною поверхнею, яка відділяє розпечений газ дуги від зовнішнього холодного).
Поділимо ліву і праву частину цього рівняння на довжину дуги, яка апріорі не дорівнює нулю (якщо дуга горить) ( Lд ¹ 0 ).
Враховуючи, що |
Uст |
= E |
ст |
отримаємо: |
І |
д |
Е |
ст |
= s × 2pr ×Т 4 |
|
|||||||||
|
Lд |
|
|
|
ст |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Звідси визначимо радіус стовпа дуги: rст = ІдЕст
2ps ×Т 4
Використаємо тепер отримані вище залежності для напруженості електричного поля стовпа дуги (спрощену ВАХ), для температури стовпа (T = 800 ×Ui ) і підставимо їх у щойно отриману залежність, буде:
112
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
|
29 |
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
29 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
12 |
|
× I д |
3 |
|
|
|
|
|
G2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
r = |
Ід × G2 ×U i |
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
× I 3 ×U 12 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ст |
4 |
|
|
|
|
|
2p s × (800 ×U |
|
)4 |
д |
i |
|||||||||||||||
|
2p s ×Т |
|
|
|
|
i |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Звідси, позначивши G3 = |
|
|
|
G2 |
|
|
, отримаємо таку залежність для |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
2ps × (800)4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
19 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
радіуса стовпа вільної дуги: |
|
|
r |
= G |
|
×U |
12 |
× I |
3 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
ст |
3 |
|
|
i |
|
д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Остання рівність наочно демонструє, що при сталих умовах (постійний склад газової фази і тиск), радіус стовпа вільної дуги залежить тільки від струму в дузі й потенціалу іонізації газу, в якому вона горить.
Але тут слід особливо відзначити, що постійний склад газової фази означає і незмінний потенціал іонізації (або ефективний потенціал іоніза-
ції), тобто, за цих умов можна вважати, що: Ui = const , або Uеф = const .
Якщо це так, тоді радіус стовпа вільної дуги визначається тільки величи-
ною струму і виявляється пропорційним йому: rст = f (Iд2
3 )
Тут на рисунку наведено результати дослідів впливу величини струму в дузі на основні її параметри. Можна бачити, що в діапазоні реальних, найбільш уживаних, режимів зварювання ( Iд ≈ 200...800 А) на-
пруженість електричного поля в стовпі дуги Eст і густина струму iст змінюються
не набагато. Найсильніше залежить від величини струму саме радіус стов-
па дуги rст. Причому, той факт, що при збільшенні струму, густина його – зменшується, свідчить про непропорційно сильне зростання радіуса стовпа при збільшенні струму в дузі.
113
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
Вольт-амперна характеристика катодної області
При розгляді фізичних явищ у катодній області раніше було отримано рівняння напруженості електричного поля в катодній області:
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|||
|
2 =16p |
|
m U |
|
2 |
|
m U |
|
2 |
|
|
|||
E |
|
j |
i K |
|
- j |
|
e K |
|
|
, |
||||
2е |
2е |
|||||||||||||
|
|
i |
|
|
e |
|
|
|||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
де: j – густина струму ( i – іонного, e – електронного); m – маса ( i – іонів, e – електронів);
U К – катодне падіння напруги;
e0 – заряд електрона (абсолютна величина e0 ).
З тих же припущень, які були наведені вище при виводі вольтамперної характеристики стовпа дуги, при умові, що довжина катодної області дорівнює довжині вільного пробігу електрона ( Sк = λе), а струм в ній переноситься зустрічними потоками електронів та іонів, вирішуючи наведене вище рівняння для напруженості електричного поля відносно падіння напруги в катодній області (Uк ), виявляється справедливим таке рівняння вольт-амперної характеристики катодної області:
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
31 |
|
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
m 3 |
2 |
|
|
− |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
U |
|
= B × |
|
|
|
i |
|
|
|
× (1 - f ) |
|
×U |
9 |
|
× I |
|
9 |
|
|||
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
3 |
д |
|||||||||||||
|
|
39 |
|
|
|
14 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
di |
9 × P 9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
крім уже зазначеного вище, тут: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
δi – |
перетин взаємодії Рамзауера для іонів; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
f – |
|
доля електронного струму в загальному струмі катодної області; |
|||||||||||||||||||||
Uі |
– |
потенціал іонізації газів дугового проміжку; |
Iд – |
|
струм в дузі; |
||||||||||||||||||
B |
– |
коефіцієнт, який збирає всі постійні і табличні величини. |
|||||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
114
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
Загальна вольт-амперна характеристика вільної дуги
Розглядаючи загальну вольт-амперна характеристику вільної дуги потрібно врахувати (крім ВАХ стовпа і катодної області) ще й вольт-амперну характеристику анодної області. Це питання нескладне, тому що для переважної більшості так званих «металевих» дуг в анодній області характерне практично постійне, незалежне від зовнішніх умов, значення анодного падіння напруги U a ≈1,5...3,5 В, яке визначається властивостями носіїв струму – електронів на довжині їх вільного пробігу від стовпа дуги до поверхні анода та величиною потенціальної енергії електронів (а вона, в свою чергу, рівна роботі виходу). Для переважної більшості випадків звичайних умов зварювання величина анодного падіння напруги приймається постійною і рівною: U a ≈ 2,5 В.
Таким чином, загальна вольт-амперна характеристика вільної дуги, представлена у вигляді суми падіння напруги в стовпі дуги, а також катод-
ного та анодного падінь напруги: |
Uд =Uст +U к +U a матиме наступний |
|||||||||||||||||||||||
вигляд: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= G × a − |
1 |
|
2 |
|
1 |
|
|
|
29 eoU i |
− |
1 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
U |
д |
3 |
× d 3 × R |
2 ×T |
12 × e |
6kT × I |
3 × L + |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д |
|
|
д |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
31 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
||||||
+ |
B × |
m 3 |
× (1 - |
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
i |
|
f )3 |
×U 9 × I 9 + U |
|
||||||||||||||||||||
|
|
2 |
39 |
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
д |
|
|
|
a |
||||
di9 × P 9
Наведена залежність носить назву рівняння Хрєнова-Айертона для вольт-амперної характеристики вільної дуги. В такому вигляді, як наведено, для практичного застосування воно досить громіздке і фактично непридатне. Як показує аналіз, алгебраїчні спрощення тут майже неможливі і проблем не вирішують. Через це Айертоном свого часу була запропонована зовсім спрощена емпірична (заснована на дослідних даних) формула
115
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
для вольт-амперної характеристики вільної зварювальної дуги:
Uд = a + b × Lд + c + d × Lд
Iд
де: L д − довжина дуги; Iд − струм в дузі; a , b , c , d − коефіцієнти,
які включають в себе всі постійні для даних умов величини. Ці коефіцієнти визначаються для кожної пари електродів та складу газів дугового проміжку експериментально і наводяться у спеціальній літературі.
Для випадку незмінної величини струму в дузі ( Iд = const ) формула Айертона ще більше спрощується: Uд = a + b × Lд
І саме рівняння вольт-амперної характеристики дуги, і останні залежності Айертона наочно показують важливу особливість вільної дуги, як саморегульованої системи. Згідно з ними напруга на дузі визначається лише властивостями матеріалів електродів і газу, в якому горить дуга (від них залежать коефіцієнти в рівняннях) та довжини дуги L д . Властивості джерела електричного живлення дуги, як виявляється, ніяк не впивають на показник напруги на дузі, якщо вона вільна (така, яка вільно розширяється), звичайно, у межах, в яких джерело живлення здатне безперебійно забезпечувати дугу електрикою в необмеженій кількості. При цьому вольтамперна характеристика джерела електричного живлення дуги не повинна суперечити вольт-амперній характеристиці дуги, а мусить співпадати з нею, або бути близькою до неї. Таким чином специфічні властивості дуги висувають спеціальні вимоги до побудови зварювальних джерел електричного живлення.
116
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
СТИСНЕНА ДУГА
Принципи і способи отримання стисненої дуги
Вище було вже наведено визначення, згідно з яким стисненою вважається електрична дуга, поперечний переріз якої якимось чином обмежено так, що її стовп не може вільно розширятись і, відповідно, приймати довільний розмір (радіус стовпа), який визначається фізичними властивостями газів дугового проміжку і процесами в стовпі. Можна виділити два види причин обмеження перерізу стовпа: зовнішні і внутрішні.
Зовнішні – це фізичні чинники на кшталт зменшеного діаметру електрода, або пропускання (продування) плазми дуги через особливий отвір (нижче це детально описано).
Внутрішні - витікають з природи процесів, які відбуваються в стовпі дуги при необмеженому збільшенні струму. Саме ці причини розглянемо тут докладніше.
Раніше було встановлено, що радіус стовпа вільної дуги rст є насам-
|
|
|
|
|
|
2 |
|
− |
19 |
|
перед функція величини струму в дузі I |
д |
: |
r |
= G |
× I 3 |
×U |
12 |
(потенціал |
||
|
|
ст |
3 |
д |
|
i |
|
|||
іонізації Ui хоча й входить у цю формулу, але при незмінному хімічному складі газової фази він залишається постійним).
Причому, з ростом струму збільшується радіус стовпа дуги. Знайдемо швидкість приросту радіуса стовпа, взявши похідну:
¶ r |
|
2 |
|
− |
1 |
|
|
− |
19 |
|
|
|
|
|
|
||||
ст |
= G × |
|
I |
3 |
×U |
12 |
|||
¶ Iд |
|
||||||||
3 |
3 |
|
д |
|
i |
||||
Останнє рівняння запишемо тепер в кінцевих різницях:
D rст = |
2 |
|
д− |
1 |
×Ui− |
19 |
|
||
G3 × I |
3 |
|
|
|
|||||
12 . |
|||||||||
|
|||||||||
D Iд 3 |
|
|
|
|
|
|
|||
Назвемо rст – темп приросту радіуса стовпа і знайдемо його з попе-
117
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
|
|
|
2 |
G ×U − |
19 |
× D |
Iд |
|
||
реднього рівняння: |
D r |
= |
12 |
|||||||
|
||||||||||
|
ст |
3 |
3 |
i |
|
3 І |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
д |
||
Остання залежність показує, що темп приросту радіу- |
||||||||||
са стовпа rст пропорційний приросту струму, але зворо- |
||||||||||
тно пропорційний абсолютному значенню струму. Це |
||||||||||
означає, що при малих значеннях струму радіус чутливий |
||||||||||
до зміни струму, а при великих струмах – |
мало чутливий. |
|||||||||
Наведений тут графік схематично ілюструє цю залежність.
Легко бачити, що |
темп зміни |
радіусу стовпа дуги |
( rст ) залежить від |
абсолютного |
значення струму (див. рис. вище: |
rст = f (Iд )). При невеликих значеннях струму темп приросту радіуса стовпа дуги досить значний, але при збільшенні струму темп приросту стає все меншим і меншим. Гранично, коли струм досить великий, тоді темп приросту радіуса стовпа дуги зовсім незначний (може бути навіть оголо-
шений нескінченно малим |
rст → 0 при Iд → ∞). |
Але, якщо приросту радіуса немає: rст ≈ 0 , тоді сам радіус стовпа |
|
можна вважати постійним: |
rст = const . |
При таких припущеннях струм дуги визначається, як і для будь-якого звичайного електричного провідника, добутком густини струму в стовпі
( i |
ст |
) на площу перерізу стовпа ( πr 2 |
), буде: |
I |
д |
= p r 2 |
× і |
|
ст |
|
|
ст |
ст |
Дуга, яка має такі властивості називається стисненою:
Дуга називається стисненою, якщо радіус дуги хоча б в одному пе-
ретині є величина постійна.
Границя природного переходу від вільної дуги до стисненої при збільшенні струму (критичний струм переходу до стисненої дуги Iкр ) зале-
жить переважно від величини потенціалу іонізації газу, в якому горить ду-
118
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
га Ui . При низьких значеннях потенціалу іонізації Ui потрібно, відповід-
но, великий струм для переходу дуги в стиснену форму. Часто це значення струму буває недосяжним в практичних умовах. При високих значеннях потенціалу іонізації дугового газу (Ui > 10...12 В) перехід дуги в стиснену форму можливий навіть при невеликих значеннях струму (як це й насправді відбувається при зварюванні в захисному середовищі інертних газів ( Ar , He ), які мають високий потенціал іонізації.
Реально обмеження радіусу стовпа дуги виконують, зазвичай, штучно, іншими шляхами: обмеженням площі перетину одного з електродів, між якими горить
дуга, або через збільшення тепловіддачі з бокової поверхні стовпа дуги. Наприклад, обдуваючи дугу потоком холодного газу можна перевести її в стиснену форму при значно зменшених значеннях струму.
В реальних умовах дугового зварювання на темп приросту радіуса стовпа дуги rст можуть впливати такі умови:
−Радіус електродів, між якими горить дуга.
−Потенціал іонізації газу, в якому горить дуга.
−Тепловіддача з бокової поверхні стовпа дуги.
Відповідно до цих умов, існують різні способи штучного одержання стисненої дуги:
−Обмеження (або суттєве зменшення) діаметру хоча б одного з електродів, між якими горить дуга.
−Фізичне обмеження перетину стовпа дуги отвором малого діаметру.
−Примусове обдування бокової поверхні дуги газом з високою теплопровідністю і високим потенціалом іонізації (( Ar , He ).
−Застосування зовнішнього поздовжнього магнітного поля (в техніці не використовується).
119
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
На практиці найбільше поширення отримали такі типові технологічні схеми отримання стисненої дуги (див. рис.):
1. Неплавкий (вольфрамовий електрод); 2. Корпус пальника (охолоджується водою); 3. Охолоджуюча вода; 4. Допоміжна (чергова) дуга; 5. Робоча дуга (плазма); 6. Виріб, який зварюється; Е. Джерело електричного живлення дуги.
В обох випадках захисне середовище − інертний газ (аргон, гелій або їх суміші); катодом служить вольфрамовий (неплавкий) електрод; переведення дуги в стиснену форму забезпечується обдуванням бокової поверхні стовпа великою кількістю захисного газу.
Але є різниця: у випадку (а) дуга підтримується між вольфрамовим електродом і виробом, який зварюється; у випадку (б) дуга горить між вольфрамовим електродом і корпусом пальника (мідь), а розпечена плазма дугового проміжку видувається потоком захисного газу назовні і використовується для зварювального нагрівання.
Вольт-амперна характеристика стисненої дуги
Вольт-амперна характеристика стисненої дуги подібно до вольтамперної характеристики вільної дуги виводиться з рівняння теплового балансу розжареної плазми стовпа дуги з навколишнім середовищем.
Раніше, вважаючи всі теплові втрати стовпа дуги втратами на випромінювання (каналова модель К.К.Хрєнова), було одержано залежність для
120