ЗАВАРОЧНА ДЪГА
§ 7. Определение и структура на дъга. Условия на запалване и дъга
Електрическата заваръчна дъга е стабилен електрически разряд в силно йонизирана смес от газове и пари на материали, използвани при заваряване, и се характеризира с висока плътност на тока и висока температура.
В зависимост от броя на електродите и методите за включване на електродите и детайла за заваряване в електрическата верига се разграничават следните видове заваръчни дъги (фиг. 14):
• директно действие, когато дъгата гори между електрода и продукта;
• индиректно действие, когато дъгата гори между два електрода, а заваряваният детайл не е включен в електрическата верига;
* трифазна дъга възбуждана между два електрода, както и между всеки електрод и основния метал.
Ориз. 14. Видове заваръчни дъги: а - прави; b - непряко; c - комбинирано действие (трифазен)
Според вида на тока се разграничават дъги, захранвани от променлив и постоянен ток. При използване на постоянен ток се разграничава заваряване на директна и обратна полярност. В първия случай електродът е свързан към отрицателния полюс и служи като катод, а продуктът - към положителния полюс (анод); във втория случай електродът е свързан към положителния полюс и служи като анод, а продуктът е свързан към отрицателния полюс и служи като катод.
В зависимост от материала на електрода дъгите се различават между неконсумируеми електроди (въглерод, волфрам) и консумативни метални електроди.
Заваръчната дъга има редица физични и технологични свойства, които определят ефективността на използването на дъгата при заваряване. Физическите включват електрически, електромагнитни, кинетични, температурни, светлинни. Технологичните свойства включват: мощност на дъгата, пространствена стабилност,саморегулация.
Електрическият разряд в газ е електрически ток, преминаващ през газова среда поради наличието на свободни електрони в нея, както и отрицателни и положителни йони, които могат да се движат между електрони.
дами под действието на приложено електрическо поле (потенциална разлика между електродите).
Процесът, при който положителните и отрицателните йони се образуват от неутрални атоми и молекули, се нарича йонизация. При обикновени температури може да се предизвика йонизация, ако на електроните и йоните, които вече присъстват в газа, се дадат високи скорости посредством електрическо поле. Притежавайки голяма енергия, тези частици могат да разграждат неутралните атоми и молекули на йони. В допълнение, йонизацията може да бъде причинена от светлина, ултравиолетови, рентгенови лъчи и радиация на радиоактивни вещества.
При нормални условия въздухът, както всички газове, има много слаба електропроводимост. Това се дължи на ниската концентрация на свободни електрони и йони в газовете. Следователно, за да се предизвика мощен електрически ток в газа, т.е. да се образува електрическа дъга, е необходимо да се йонизира въздушната междина (или друга газообразна среда) между електродите. Йонизацията може да се извърши, ако към електродите се приложи достатъчно високо напрежение, тогава свободните електрони и йони, присъстващи в газа, ще бъдат ускорени от електрическото поле и след получаване на високи енергии ще могат да разрушат неутралните молекули в йони. Въпреки това, при заваряване, въз основа на правилата за безопасност, не могат да се използват високи напрежения. Затова се използва друг метод. Тъй като в металите има висока концентрация на свободни електрони, тези електрони трябва да бъдат извлечени от обема на метала в газова среда и след това използвани за йонизиране на газови молекули.
*Има няколко начина за извличане на електрони от метали. От тях две са важни за процеса на заваряване: термоемисия и полево излъчване.
При термоемисия свободните електрони се "изпаряват" от металната повърхност поради висока температура. Колкото по-висока е температурата на метала, толкова по-голям брой свободни електрони придобиват енергия, достатъчна да преодолеят "потенциалната бариера" в повърхностния слой и да излязат от метала.
При автоелектронното излъчване електроните се извличат от метал с помощта на външно електрическо поле, което донякъде променя потенциалната бариера на металната повърхност и улеснява излизането на тези електрони, които имат достатъчно висока енергия вътре в метала и могат да преодолеят тази бариера.
Йонизацията, причинена в определен обем на газовата среда, се нарича обемна. Обемна йонизация, получена чрез нагряване на газа до много високи температури, се нарича термична. При високи температури значителна част от газовите молекули имат достатъчно енергия за сблъсъци, за да разрушат неутралните молекули на йони. Освен това с повишаване на температурата общият брой на сблъсъците между газовите молекули се увеличава. При много високи температури радиацията от газа и от горещите електроди също започва да играе значителна роля в процеса на йонизация.
Йонизацията на газовата среда се характеризира със степента на йонизация, т.е. съотношението на броя на заредените частици в даден обем към първоначалния брой частици (преди началото на йонизацията). При пълна йонизация степента на йонизация ще бъде равна на единица.
При температура от 6000-8000 K вещества като калий, натрий, калций имат доста висока степен на йонизация. Двойки от тези елементинамирайки се в дъговата междина, те осигуряват лекота на възбуждане и стабилно изгаряне на дъгата. Това свойство на алкалните метали се обяснява с факта, че атомите на тези метали имат нисък йонизационен потенциал. Следователно, за да се увеличи стабилността на изгарянето на електрическа дъга, тези вещества се въвеждат в зоната на дъгата под формата на електродни покрития или потоци.
Електрическа дъга с постоянен ток се запалва, когато краят на електрода и ръбовете на детайла влязат в контакт. Контактът в началния момент се осъществява между микроиздатините на повърхностите на електрода и детайла, който се заварява. Високата плътност на тока допринася за мигновеното стопяване на тези издатини и образуването на филм от течен метал, който затваря заваръчната верига в секцията "електрод - заварена част". С последващото изтегляне на електрода от повърхността на детайла с 2–4 mm, течният метален филм се разтяга и напречното сечение намалява, в резултат на което плътността на тока се увеличава и температурата на метала се повишава. Тези явления водят до разкъсване на филма и изпаряване на сварения метал. Интензивните термични и автоелектронни емисии, възникващи при висока температура, осигуряват йонизация на метални пари и газове на междуелектродната междина.
В получената йонизирана среда се появява електрическа заваръчна дъга (фиг. 15). Процесът на възбуждане на дъгата е кратък и се осъществява за части от секундата. При постоянна заваръчна дъга се разграничават три зони: катод, анод и стълб на дъгата. Катодната зона започва с горещ край на катода, върху който се намира така нареченото катодно петно. Оттук излита поток от свободни електрони, извършвайки йонизация на дъговата междина. Плътността на тока в катодното петно достига 60-70 A/mm2. Потоци от положителни йони се втурват към катода, които бомбардират идават му своята енергия, причинявайки нагряване до температура от 2500-3000 ° C.
Ориз. 15. Схема на заваръчната дъга и падането на напрежението в нея: I - електрод; 2 - продукт; 3 - анодно петно; 4 - анодна област на дъгата; 5 - дъгова колона; 6 - катодна област на дъгата; 7 - катодно петно
Анодната зона се намира в края на положителния електрод, в който се разграничава малка област, наречена анодно петно. Потоци от електрони се втурват към анодното петно и отдават енергията си, нагрявайки го до температура 2500-4000°C. Дъговият стълб, разположен между катодната и анодната зона, се състои от нажежени и йонизирани частици. Температурата в тази зона достига 6000-7000°C в зависимост от плътността на заваръчния ток.
За възбуждане на дъгата в началния момент е необходимо малко по-високо напрежение, отколкото при последващото й изгаряне. Това се обяснява с факта, че когато дъгата е възбудена, въздушната междина не се нагрява достатъчно, степента на йонизация не е достатъчно висока и е необходимо по-високо напрежение, което може да придаде достатъчно енергия за освобождаване на електрони, така че да може да настъпи йонизация, когато те се сблъскат с атоми на газовата междина. Увеличаването на концентрацията на свободни електрони в обема на дъгата води до интензивна йонизация на дъговата междина, а оттам и до увеличаване на нейната електропроводимост. В резултат на това напрежението спада
до стойността, която е необходима за стабилна дъга.
Зависимостта на напрежението на дъгата от тока в заваръчната верига се нарича статична характеристика на напрежението на дъгата.
Ток-напрежението на дъгата има три области - спадаща, твърда и нарастваща (фиг. 16). В първия (до 100 A), с увеличаване на тока, напрежението намалява значително. Това се дължи на факта, че с увеличаване на тока,напречно сечение, а оттам и проводимостта на дъговия стълб. Във втората област (100-1000 A), когато токът се увеличава, напрежението остава постоянно, тъй като напречното сечение на дъговата колона и площите на анодните и катодните петна се увеличават пропорционално на тока. Районът се характеризира с постоянна плътност на тока. В третата област увеличаването на тока предизвиква увеличаване на напрежението поради факта, че увеличаването на плътността на тока над определена стойност не е придружено от увеличаване на катодното петно поради ограниченото напречно сечение на електрода. Дъгата на първия регион гори нестабилно и следователно има ограничено приложение. Дъгата на втория участък гори стабилно и осигурява нормален процес на заваряване.
Ориз. 16. Статична характеристика на напрежението на дъгата, зависимостта на напрежението на дъгата Ud от нейната дължина Ld - b
Напрежението, необходимо за иницииране на дъга, зависи от вида на тока (постоянен или променлив), междината на дъгата, материала на електрода и ръбовете за заваряване, покритието на електрода и редица други фактори. Стойностите на напрежението, които осигуряват възникването на дъга в дъговите междини, равни на 2-4 mm, са в диапазона 40-70 V. Напрежението за стабилна заваръчна дъга се определя по формулата U - a + N, където a е коефициент, който по своята физическа същност е сумата от падовете на напрежението в катодната и анодната зона, V; b е коефициентът, изразяващ средния спад на напрежението на единица дължина на дъгата, V/mm; I е дължината на дъгата, mm. За стоманени електроди средно можем да вземем a = 10 V, b = 2 V/mm. При 1 = 4 mm Ud = 10 + 2 • 4 = 18 V.
Дължината на дъгата е разстоянието между края на електрода и повърхността на заваръчната вана. Къса дъга се счита за дъга с дължина 2-4 mm. Дължината на нормалната дъга е 4-6 mm. Дъга с дължина над 6 мм се нарича дълга дъга.
Оптималният режим на заваряване се осигурява с къса дъга. При дълга дъга процесът протича неравномерно, дъгата гори нестабилно - металът, преминаващ през дъговата междина, е по-окислен и азотиран, отпадъците и пръскането на метала се увеличават.
Електрическата заваръчна дъга може да бъде отклонена от нормалното си положение от магнитни полета, генерирани около дъгата и в обработвания детайл. Тези полета действат върху движещи се заредени частици и по този начин влияят върху цялата дъга. Това явление се нарича магнитно издухване. Ефектът на магнитните полета върху дъгата е право пропорционален на квадрата на силата на тока и достига забележима стойност при заваръчни токове над 300 A.
Магнитните полета имат отклоняващ ефект върху дъгата с неравномерно и асиметрично разположение на полето спрямо дъгата. Наличието на значителни феромагнитни маси в близост до заваръчната дъга нарушава симетрията на магнитното поле на дъгата и кара дъгата да се отклонява към тези маси.
Магнитното издухване в някои случаи усложнява процеса на заваряване и затова се вземат мерки за намаляване на ефекта му върху дъгата. Тези мерки включват: заваряване с къса дъга; подаване на заваръчен ток в точка, възможно най-близо до дъгата; наклон на електрода по посока на действието на магнитния взрив; поставяне на феромагнитни маси на мястото на заваряване.
При използване на променлив ток анодните и катодните петна сменят местата си с честота, равна на честотата на тока. С течение на времето напрежението и токът периодично се променят от нула до най-високата стойност. Когато стойността на тока премине през нула и полярността се промени в началото и в края на всеки полупериод, дъгата изгасва, температурата на активните петна и междината на дъгата намаляват. В резултат на това настъпва дейонизация на газовете и намаляванеелектрическа проводимост на стълба на дъгата. Температурата на активното петно, разположено на повърхността на заваръчната вана, намалява по-интензивно поради отнемането на топлина в масата на основния метал. Повторно запалване на дъгата в началото на всеки полупериод е възможно само при повишено напрежение, наречено пик на запалване. Установено е, че пикът на запалване е малко по-висок, когато катодното петно е върху основния метал. За да се намали пикът на запалване, да се улесни повторното запалване на дъгата и да се увеличи стабилността на нейното горене, се използват мерки, които намаляват ефективния потенциал на йонизация на газовете в дъгата. В този случай електрическата проводимост на дъгата след изгасването на дъгата остава по-дълга, пикът на запалване намалява, дъгата се възбужда по-лесно и гори по-стабилно. Тези мерки включват използването на различни стабилизиращи елементи (калий, натрий, калций и др.), Въведени в зоната на дъгата под формата на електродни покрития или под формата на потоци.