Основні відомості про зварювальної дузі - зварювальний дуга
Зварювальної дугою називається тривалий електричний розряд між двома електродами в іонізованої суміші газів і парів, що характеризується високою щільністю струму і малим напругою.
Під електричним розрядом розуміють проходження струму через газове середовище. Існує кілька форм або видів електричного розряду: дугового, тліючий, іскровий, блискавка і ін.
Один розряд відрізняється від іншого тривалістю, напругою, силою струму і ін.
Залежно від схеми підведення зварювального струму, роду струму і інших ознак розрізняють такі види зварювальних дуг:
- дуга прямої дії (рис. 1, а), коли дуга горить між електродом і зварюваних металом;
- дуга побічної дії (рис. 1, б), коли дуга горить між двома електродами, а зварюваний метал не включений в електричний ланцюг;
- дуга між двома плавкими електродами і зварюються виробом при харчуванні змінним трифазним струмом (рис. 1, в);
- стисла дуга (рис. 1, г) та ін.
Мал. 12. Схеми зварювальних дуг: а - прямої дії, б - побічної дії, в- прямої дії двома електродами при трифазному струмі, г - стисла дуга
Умови горіння зварювальної дуги. У звичайних умовах гази не проводять електричного струму. Для освіти і підтримки горіння дуги необхідно мати в просторі між електродами електрично заряджені частинки (позитивні і негативні іони і електрони). Іони в газовому проміжку між електродами утворюються в результаті втрати або приєднання до атомам електронів, а електрони випускаються сильно нагрітим катодом.
Процес утворення електрично заряджених частинок в междуелектродного просторі називається іонізацією, а енергія, витрачена на відрив електрона від атома, отже, і на освіту позитивного іона, - роботою іонізації. Ця робота виражається в електрон-вольтах (еВ) і називається потенціалом іонізації. Для відриву електрона від атома потрібна повідомити йому значну швидкість. Енергія, витрачена на повідомлення електрону цієї швидкості, носить назву потенціалу збудження і вимірюється в еВ.
Величини потенціалів іонізації і збудження залежать від природи атома і коливаються від 3,9 до 24,5 еВ. Найменшими потенціалами іонізації мають лужноземельні метали (калій, кальцій) та їх сполуки. Елементи, які мають малими потенціалами іонізації і збудження, вводять до складу електродних покриттів, так як вони сприяють сталому горіння дуги. Це перша умова стійкого горіння дуги. Друга умова - напруга холостого ходу джерела живлення повинна бути більше напруги дуги.
Третя умова горіння дуги - підтримка постійної температури нагріву катода. Ця температура залежить від матеріалу катода, складу газового проміжку між електродами, діаметра електрода і температури навколишнього середовища.
Будова зварювальної дуги. Зварювальний дуга складається з катодного області, стовпа дуги і анодної області.
Мал. 2. Схема будови зварювальної дуги: 1 - катодний область, 2 - стовп дуги, 3 - анодна область
Мал. 3. Падіння напруги в дузі: U Uс і Ua -падіння напружень в катодній області, в стовпі дуги і анодної області. Uд напруга дуги, Кп і оп-діаметр катодного і анодного плям: 1 і 2 - висота при-електродних областей, 3 і 4 - висота катодного і анодного областей
Катодна область поширюється на ділянку електродного матеріалу і на приелектродному частина дуги. На торці електрода при бомбардуванні його позитивними іонами утворюється катодна пляма, з якого присходит при цьому додатковий вихід електронів, крім утворилися при іонізації в междуелектродного просторі. Електрони, що виходять з поверхні електрода, називаються первинними. Вихід первинних електронів пояснюється декількома факторами: термічної емісією (випусканням) електронів, автоелектронної емісією і іонізацією на катоді. Термічна емісія електронів полягає в нагріванні поверхні електрода до високої температури, при якій зв'язок електрона з ядром атома слабшає і під впливом електростатичного притягання він відривається з поверхні катода і з великою швидкістю спрямовується до анода. Зі збільшенням температури нагріву електрода число вириваються електронів збільшується.
Автоелектронна емісія полягає в тому, що під впливом високої напруженості електричного поля з катода вириваються первинні електрони і летять до анода. Зі збільшенням різниці потенціалів між електродами вихід з катода первинних електронів зростає.
Іонізація на катоді відбувається в результаті зіткнень з електронами позитивних іонів, які утворюються при іонізації в стовпі дуги і летять до катода. Іонізація також відбувається в результаті випромінювання (так звана фотоионизация).
У стовпі дуги відбувається утворення вторинних електронів, а також позитивних іонів. Електрони прямують до анода, підтримуючи іонізацію в анодної області. Позитивні іони рухаються до катода, вибивають з нього електрони; при цьому частина позитивних іонів, з'єднуючись з електронами, утворює нейтральні атоми. Процес утворення нейтральних атомів називається рекомбінацією. Внаслідок рекомбінації врівноважуються процеси зникнення і освіти заряджених частинок в дузі і ступінь іонізації нагрітого газу залишається незмінною.
Анодна область дуги складається з анодного плями і пріелек-тродной частини. Анодное пляма піддається бомбардуванню потоком електронів, що переміщаються від катода, і електронів, що утворилися при іонізації в стовпі дуги. В результаті бомбардування анода виникають іони. Від сильної бомбардування анодная область завжди має форму увігнутої сфери (чаші), яка називається кратером.
Особливості зварювальної дуги.
Зварювальний дуга в порівнянні з іншими електричними розрядами має такі особливості:
1. Нерівномірний розподіл електричного поля в междуелектродного просторі. Поблизу електродів створюються різкі зміни потенціалу - це катод і анодное паденпя напруги, причому катод падіння напруги (близько 10 В) зазвичай значно більше анодного. Такі скачки падінь напруги на ділянці досить малої протяжності викликані умовами проходження струму з одного середовища (металевий провідник) в іншу (газ і пари зварювальних матеріалів).
2. Висока щільність струму в дузі, що досягає тисяч А / см2 на електродах і в стовпі дуги. В даний час стислу дугу широко застосовують у виробництві зварних виробів.
3. Висока температура дуги. Найбільша температура досягається в стовпі дуги, найменша - на поверхні катода і анода. Температура на поверхні катода і анода досягає температури випаровування електродів незалежно від виду дугового зварювання. Наприклад, при зварюванні стали на прямий полярності вугільним електродом температура катода може досягати температури кипіння вуглецю, т. Е.
Зазвичай величина ефективного іонізаційного потенціалу близька за величиною до найменшого іонізаційному потенціалу одного з компонентів, що беруть участь в суміші дугового газу.
Особливо сильно зростає температура стовпа дуги при його стисненні.
4. Можливість отримання різних статичних вольтамперних характеристик. Статичної вольт-амперної характеристикою дуги називають залежність падіння напруги в дузі від сили струму при постійній довжині дуги (сталому горінні). Дуга, що застосовується в зварювальної техніки, може мати падаючу, жорстку і зростаючу характеристики в залежності від умов зварювання.
Падаюча характеристика - зі збільшенням струму напруга зменшується, жорстка характеристика - збільшення струму не змінює напруги дуги, зростаюча характеристика - збільшення зварювального струму призводить до зростання напруги дуги.
Падаючу ділянку характерний для малопотужної дуги, при зварювальному струмі менше 50 А і щільності струму на електроді 10-12 А / мм 2. Жорстка характеристика відповідає зварювальним струмів 50-1000 А і плотностям струму на електроді від 12 до 80 А / мм2. Зростаюча характеристика дуги спостерігається при зварюванні тонкого зварювальним дротом з густиною струму на електроді більше 80 А / мм2.
Нагрівання вироби і ефективний коефіцієнт корисної дії дуги. Кількість тепла, що вводиться дугою в виріб, що зварюється в одиницю часу, називають ефективною тепловою потужністю дуги qu. Вона включає в себе тепло, безпосередньо виділяється на катодному або анодном плямі на виробі; тепло, яке надходить з краплями електродного металу, покриття або флюсу; тепло, що вводиться у виріб з стовпа дуги.
Мал. 4. Статичні вольт-амперні характеристики дуги: 1 - падаюча, 2 - жорстка, 3 - зростаюча