1.3.2 Современные представления о механизме короткого замыкания

По современным представлениям механизм коротких замыканий можно представить следующим образом: главной причиной коротких замыканий является то, что сварку ведут при длине дуги соизмеримой с размерами капли. Уменьшение длины дуги приводящее к закорачиванию дугового промежутка обуславливается следующими причинами:

а) ростом размера капли;

б) подачей электрода;

в) встречным движением сварочной ванны перед коротким замыканием в процессе ее колебаний под действием сил возникающих при коротких замыканий и разрыве перемычки.

При рассмотрении переноса обычно делаются следующие допущения:

а) столб дуги неподвижен и соосен с электродом;

б) процессы в столбе дуги стабильны и не изименяются во времени;

в) равнодействующая сил, приложенных расплавленного электрода металла находится под действием сил: сила тяжести Р_T, сила поверхностного натяжения Р_ПН электродинамическая сила Р_ЭД, реактивные силы потоков нейтральных и заряженных частиц P_i и паров электродного металла Р_ПАР [1].

1.3.3 Причины возникновения коротких замыканий

Для выяснения причин и механизма возникновения коротких замыканий необходимо рассмотреть взаимодействие сил, приложенных к расплавленному металлу электрода, с учетом длины межэлектродного промежутка. Величина и плотность тока в электроде в периоды горения дуги между короткими замыканиями сравнительно невелики. Вследствие этого электродинамические силы в жидком металле и дуге проявляются слабо. В первом приближении ими можно пренебречь. Давление дуги на каплю при малом токе невелико и, по-видимому, обусловлено главным образом испарением. Непрерывное движение капли, наблюдается не только при горении дуги, но и после ее обрыва, когда ток в цепи отсутствует. Поэтому можно предположить, что причиной этого движения служит не только давление дуги, сколько внутренняя тепловая циркуляция в жидком металле.

В рассматриваемом случае (небольшая величина и плотность тока во времени горения дуги) обычно учитываются только две силы: вес металла капли и поверхностное натяжение. Последнее может удерживать на конце электрода каплю диаметром, превышающим диаметр электрода в три-пять раз и более.

При сварке в углекислом газе с короткими замыканиями на применяемых на практике режимах длина дуги и соответственно межэлектродного промежутка невелика. Она может быть меньше, равна или в два -три раза больше диаметра электрода в зависимости от режима сварки (главным образом от напряжения на дуге). Сопоставляя размер, до которого может вырасти капля на конце электрода при взаимодействии сил веса и поверхностного натяжения, с длиной межэлектродного промежутка, можно убедиться, что диаметр капли обуславливается длиной этого промежутка. Капля будет увеличиваться пока не замкнет его. Следовательно, при определении размера капель, образующихся в процессе сварки с замыканиями, нет надобности учитывать их вес, ни поверхностное натяжение. Причина возникновения коротких замыканий - рост капель, ограничиваемый только длиной дугового промежутка.

Основываясь на этом механизме, можно объяснить, почему при малых токах сварка в углекислом газе возможна только с короткими замыканиями. Если бы короткие замыкания возникали из-за низкой электродвижущей силы (ЭДС), и недостаточного тока в цепи (т.е. скорость плавления электродной проволоки была бы меньше скорости ее подачи), то замыкание можно было бы устранить, увеличивая ЭДС. Однако с возрастанием ЭДС, количество коротких замыканий сначала уменьшается, а затем процесс становится неустойчивым, дуга обрывается с последующими длительными короткими замыканиями. Как бы плавно и постепенно не повышали ЭДС, уловить момент устойчивого процесса без коротких замыканий не удается. Это свидетельствует о том, что ЭДС, не определяет характер процесса и в этом случае возникновение коротких замыканий не обусловлено низкими значениями ЭДС и сварочного тока.

Короткие замыкания (КЗ) возникают вследствие увеличения капли в ограниченном пространстве дугового промежутка. Поэтому с повышением напряжения и увеличением длины дуги расчет и размер капли. В конечном счете, капля достигает такого размера, что после ее отрыва промежуток удлинится, и дуга не возбудится - процесс станет неустойчивым. Во время короткого замыкания дроссель, включенный в сварочную цепь для ограничения тока I_КЗ, может накопить значительную энергию. После короткого замыкания она используется для расплавления электродной проволоки. Однако какой большой не была бы индуктивность, избежать коротких замыканий, как показывают опыты, нельзя. С другой стороны, наличие индуктивности - вовсе не обязательное условие устойчивости процесса с короткими замыканиями. Как показано в работе [2], устойчивый процесс возможен и при безинерционном методе ограничения величины I_КЗ, например балластным реостатом. В последнем случае в дугу после окончания короткого замыкания дополнительная энергия практически не поступает. Если бы она была обязательно необходима для сварки с КЗ, то при ограничении тока I_КЗ реостатом отсутствие энергии стало бы причиной нарушения устойчивости процесса. Между тем в действительности ничего подобного не наблюдается. Практика многопостовой сварки в СО₂ с ограничением I_КЗ балластными реостатами свидетельствует о высокой устойчивости процесса.

Искусственно можно создать такие условия, при которых индуктивность в цепи окажется необходимой не только для ограничения величины 1_КЗ, но и для горения дуги. Если, например, установить напряжение источника питания несколько ниже минимально возможного напряжения на дуге, то последняя будет гореть только при наличии дросселя благодаря энергии, накопленной в нем за время КЗ. Однако и при этом во время горения дуги расплавится столько проволоки, сколько будет подано.

Описанный механизм КЗ хорошо подтверждается опытами продольной вибрацией электрода, проведенными в ИЭС. В результате вибрации мелкие капли металла непрерывно удалялись с торца электрода, и при той же скорости подачи сварки с короткими замыканиями превращалась в процессе без замыканий.

Из основных причин разбрызгивания металла при сварке в СО₂ с систематическими короткими замыканиями дугового промежутка выделяют две:

а) электрический взрыв перемычек расплавленного металла [3,4] вследствие большой скорости нагрева перемычки, особенно в конце короткого замыкания, когда температура металла намного превышает равновесную температуру кипения. Это приводит к накоплению избыточной тепловой энергии в объеме перемычки, и, как следствие, к взрывному ее испарению.

б) силовое воздействие на расплавленный металл капли и ванны со стороны сварочной дуги, возбуждающейся после разрыва перемычки (часто называемое газодинамическим ударом) [5].

Для борьбы с разбрызгиванием необходимо знать роль как электрического взрыва, так и газодинамического удара. Однако в обычных условиях сварки такая оценка сопряжена с трудностями определения влияния каждого из этих факторов. Например, невозможно усилить действие газодинамического удара, не увеличив при этом энергию электрического взрыва, и на оборот, поскольку оба этих фактора связаны с током в конце короткого замыкания I_max.

Из этого можно сделать вывод, что:

а) несоответствие между скоростями подачи электродной проволоки и ее плавления не является основной причиной коротких замыканий при сварке в СО₂.

б) природа коротких замыканий заключается в росте капель, ограничиваемом только длиной дугового промежутка. При сварке в СО₂ этот промежуток значительно меньше возможного диаметра капли.

в) газодинамический удар - силовое воздействие дуги - при сварке с систематическими короткими замыканиями практически не вызывает разбрызгивание металла.

г) основной причиной разбрызгивания является электрический взрыв перемычек расплавленного металла. Ограничение энергии электрического взрыва позволяет снизить разбрызгивание до двух трех процентов.

д) энергия электрического взрыва накапливается на конечной стадии короткого замыкания (за 100-150 мкс до окончательного разрушения перемычки).