2. Електрична дуга та її властивості.

Дуга – потужний стабільний електричний розряд в іонізованій атмосфері газів і парів металу. Іонізація дугового проміжку відбувається під час запалювання дуги та безперервно підтримується в процесі її горіння. Процес запалювання дуги в більшості випадків складається з трьох етапів (рис. 4.32):

а) короткого замикання електрода на заготовку;

б) відрив електрода від заготовки на відстань 3…6 мм;

в) утворення стійкого дугового розряду.

а) б) в)

Рис. 4.32. Схема процесу запалювання при прямій полярності.

Коротке замикання (рис. 4.32, а) виконується для розігрівання торця електрода 1 і заготовки 2 в зоні контакту. Після відведення електрода (рис.4.32, б) з його розігрітого торця (катода) під дією електричного поля починається емісія електронів 3. Зіткнення електронів, які швидко рухаються у напрямку анода, з молекулами газів і парів металу призводить до появи іонів 4. Внаслідок цього дуговий проміжок стає електропровідним і через нього проходить електричний розряд. Процес запалювання дуги закінчується утворенням стійкого дугового розряду (рис. 4.32, в). Можливе запалювання дуги без короткого замикання та відриву електрода – за допомогою високочастотного електричного розряду через дуговий проміжок, що забезпечує його первинну іонізацію.

Для цього в зварювальний ланцюг на короткий час підключається джерело високочастотного змінного струму високої напруги (осцилятор). Цей спосіб застосовують для запалювання дуги при зварюванні неплавким електродом.

Електрична дуга – це концентроване джерело теплоти з високою температурою. Температура стовпа дуги 6 сягає 6000…7000 С, а температура катодної 5 і анодної 7 плям (рис. 4.32, в) сталевих електродів відповідно 2400 С та 2600 С.

Повна теплова потужність дуги (Дж/с) може бути обчислена за формулою:

Q = K· I_зв ·U_д ,

де К – коефіцієнт несинусоїдальності напруги та струму. (Для постійного струму він дорівнює 1,0; для змінного – 0,7…0,97); І_зв – зварювальний струм, А; U_д – напруга дуги, В.

Частка потужності дуги, що витрачається на нагрівання заготовок, називається ефективною тепловою потужністю зварювальної дуги, Дж/с:

q = ηQ,

де η – к. к. д. дуги, що визначається як відношення ефективної потужності до повної.

Рис. 4.33. Схема утворення зварного шва (наплавленого валика).

Величина η залежить від способу зварювання, виду та складу зварювальних матеріалів. Середнє значення η для ручного дугового зварювання – 0,8.

Після утворення сталої дуги основний метал розплавляється і в зоні зварювання утворюється так звана зварювальна ванна (рис. 4.33).

В цю ванну зі швидкістю до 40 м/с безперервним потоком поступають краплини 4 металу електрода.

Під тиском газів дуги утворюється заглиблення, що називається кратером. За глибиною кратера судять про глибину проварювання. Розплавлений метал після затвердіння утворює наплавлений валик (зварний шов) 1, з властивістю вилитого металу.

Безпосередньо до нього прилягає перехідна зона 2, що називається зоною термічного впливу або навколо шовною зоною. В цій зоні внаслідок значного нагрівання та швидкого охолодження відбуваються явища відпуску, нормалізації або гартування.

Електричні властивості дуги описуються залежністю між напругою і струмом дуги у стані її сталого горіння – статичною вольт-амперною характеристикою дуги. На першій ділянці – характеристика падаюча, на другій – жорстка, на третій – зростаюча. Найширше застосування знайшли

статичні характеристики дуги з жорсткою характеристикою, коли

напруга практично не залежить від струму. Цю ділянку дуги використовують при ручному дуговому зварюванні, автоматичному зварюванні під флюсом, газоелектричному зварюванні неплавким електродом. Ділянку дуги зі зростаючою характеристикою використовують при газоелектричному зварюванні плавким електродом, а також при автоматичному зварюванні під флюсом при підвищеній щільності струму. Дуга з падаючою характеристикою малостійка і має обмежене застосування.

Статична характеристика складається з трьох ділянок.

В дузі з жорсткою характеристикою напруга прямо пропорційна її довжині, тому для збереження напруги постійною необхідно довжину дуги підтримувати постійною.