§ 32. Сварочные свойства дуги [1981 Фоминых В.П., Яковлев А.П.

Сварочная дуга характеризуется выделением большого количества тепловой энергии и сильным световым эффектом. Она является концентрированным источником тепла и применяется для расплавления основного и присадочного материалов.

В зависимости от того, в какой среде происходит дуговой разряд, различают: открытую дугу, горящую в воздухе, где составом газовой среды зоны дуги является воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электродов и электродных покрытий;

закрытую дугу, горящую под флюсом, где составом газовой среды зоны дуги являются пары основного металла, проволоки и защитного флюса;

дугу, горящую в среде защитных газов - закрытую дугу (в состав газовой среды зоны дуги входят атмосфера защитного газа, пары расплавленного металла проволоки и основного металла). Сварочная дуга классифицируется по роду применяемого тока (постоянный, переменный, трехфазный) и по длительности горения (стационарная, импульсная). При применении постоянного тока различают дугу прямой и обратной полярности. При прямой полярности отрицательный полюс силовой цепи - катод - находится на электроде, а положительный полюс - анод - на орновном металле. При обратной полярности плюс на электроде, а минус на изделии.

В зависимости от типа применяемого электрода дуга может возбуждаться между плавящимися (металлическим) и не плавящимся (угольным, вольфрамовым и др.) электродами. По принципу работы дуги бывают прямого, косвенного и комбинированного действия (рис. 31).

Дугой прямого действия называют дуговой разряд, происходящий между электродом и изделием. Косвенная дуга представляет собой дуговой разряд между двумя электродами (атомно-водородная сварка). Комбинированная дуга - это сочетание дуги прямого и косвенного действия. Примером комбинированной дуги служит трехфазная дуга, у которой две дуги электрически связывают электроды с изделием, а третья горит между двумя электродами, изолированными друг от друга.

Рис. 31. Электрическая дуга. а - прямого, б - косвенного, в - комбинированного действия

Рис. 32. Схема зажигания дугового разряда: а - прямым касанием, б - чирканьем

Рис. 33. Схема распределения падений напряжений в электрической дуге: 1 - изделие, 2 - столб дуги, 3 - электрод

Возбуждение дуги производят двумя способами: касанием, либо чирканьем, сущность которых показана на рис. 32.

В сварочной дуге дуговой промежуток разделяется на три основные области: анодную, катодную и столб дуги. В процессе горения дуги на электроде и основном металле имеются активные пятна, представляющие собой более нагретые участки электрода и основного металла, через которые проходит весь ток дуги. Активное пятно, находящееся на катоде, называется катодным, а пятно, находящееся на аноде, - анодным.

Общая длина сварочной дуги (рис. 33) равна сумме длин всех трех областей L_Д = L_K + L_C + L_a, где L_д - общая длина сварочной дуги, см; L_к - длина катодной области, равная примерно 10^-5 см; L_c - длина столба дуги, см; L_а - длина анодной области, равная примерно - 10^-3 ÷ 10^-4 см.

Общее напряжение сварочной дуги слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги U_д = U_K + U_c + U_a, где U_д - общее падение напряжения на дуге, В; U_K - падение напряжения в катодной области, В; U_c - падение напряжения в столбе дуги, В; U_а - падение напряжения в анодной области, В.

Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12000 К и зависит от состава газовой среды дуги, материала, диаметра электрода и плотности тока. Температуру приближенно можно определить по формуле, предложенной академиком АН УССР К. К. Хреновым T_ст = 810* U_действ, где T_ст - температура столба дуги, К; U_действ - действующий потенциал ионизации.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги. Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины и величины сварочного тока, называемую вольтамперной характеристикой сварочной дуги, можно описать уравнением U_д = а + bL_д, где а - сумма падений напряжения на катоде и аноде (а = U_k + U_a); b - удельное падение напряжения в газовом столбе, отнесенное к 1 мм длины дуги (величина b зависит от газового состава столба дуги); L_д - длина дуги, мм.

При малых и сверхвысоких величинах тока U_д зависит от величины сварочного тока.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги показана на рис. 34. В области I увеличение тока до 80 А приводит к резкому падению напряжения дуги, которое обусловливается тем, что при маломощных дугах увеличение тока вызывает увеличение площади сечения столба дуги, а также его электропроводности. Форма статической характеристики сварочной дуги на этом участке падающая. Сварочная дуга, имеющая падающую вольт-амперную характеристику, имеет малую устойчивость. В области II (80 - 800 А) напряжение дуги почти не изменяется, что объясняется увеличением сечения столба дуги и активных пятен пропорционально изменению величины сварочного тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех участках дугового разряда сохраняются постоянными. В этом случае статическая характеристика сварочной дуги жесткая. Такая дуга широко применяется в сварочной технике. При увеличении сварочного тока более 800 А (область III) напряжение дуги снова возрастает. Это объясняется увеличением плотности тока без роста катодного пятна, так как поверхность электрода уже оказывается недостаточной для размещения катодного пятна с нормальной плотностью тока. Дуга с возрастающей характеристикой широко применяется при сварке под флюсом и в защитных газах.

Процессы, происходящие в момент возбуждения сварочной дуги. При коротком замыкании происходит соприкосновение торца электрода с изделием. Поскольку торец электрода имеет неровную поверхность, контакт происходит не по всей плоскости торца электрода (рис. 35). В точках контакта плотность тока достигает весьма больших величин и под действием выделившегося тепла в этих точках металл мгновенно расплавляется. В момент отвода электрода от изделия зона расплавленного металла - жидкий мостик растягивается, сечение уменьшается, а температура металла увеличивается. При отводе электрода от изделия жидкий мостик металла разрывается, происходит быстрое испарение ("взрыв" металла). В этот момент разрядный промежуток заполняется нагретыми ионизированными частицами паров металла, электродного покрытия и воздуха - возникает сварочная дуга. Процесс возникновения дуги длится всего доли секунды. Ионизация газов в дуговом промежутке в начальный момент возникает в результате термоэлектронной эмиссии с поверхности катода, вследствие нарушения структуры в результате резкого перегрева и расплавления металла и электродного покрытия.

Рис. 34. Статическая водьт-амперная характеристика сварочной дуги

Рис. 35. Контакт торца электрода с изделием в момент короткого замыкания

Увеличение плотности электронного потока происходит также за счет окислов и образовавшихся поверхностных слоев расплавившихся флюсов или электродных покрытий, снижающих работу выхода электронов. В момент разрыва мостика жидкого металла потенциал резко падает, что способствует образованию автоэлектронной эмиссии. Падение потенциала позволяет увеличивать плотность тока эмиссии, накапливать электронам кинетическую энергию для неупругих столкновений с атомами металла и переводить их в ионизированное состояние, увеличивая тем самым число электронов и, следовательно, проводимость дугового промежутка. В результате ток увеличивается, а напряжение падает. Это происходит до определенного предела, а затем начинается устойчивое состояние дугового разряда - горение дуги.

Катодная область. Процессы, протекающие в области катодного падения напряжения, играют важную роль в сварочных процессах. Область катодного падения напряжения является источником первичных электронов, которые поддерживают газы дугового промежутка в возбужденном ионизированном состоянии и переносят на себе в силу большой подвижности основную массу заряда. Отрыв электронов с поверхности катода вызывается в первую очередь термоэлектронной и автоэлектронной эмиссией. Энергия, расходуемая на вырыв электронов с поверхности катода и наплавление металла, в некоторой степени возмещается энергией из столба дуги за счет потока положительно заряженных ионов, отдающих на поверхности катода свою энергию ионизации. Процессы, происходящие в области катодного падения напряжения, можно представить по следующей схеме.

1. Электроны, излучаясь с поверхности катода, получают ускорения, необходимые для ионизации молекул и атомов газа. В некоторых случаях катодное падение напряжения бывает равно потенциалу ионизации газа. Величина катодного падения напряжения зависит от потенциала ионизации газа и бывает Ю-16 В.

2. Вследствие малой толщины катодной зоны (около 10^-5 см) электроны и ионы в ней движутся без столкновений и она приблизительно равна свободному пробегу электрона. Значения толщины катодной зоны, найденные опытным путем, меньше 10-4 см.

3. С увеличением плотности тока температура катодной области повышается.

Столб дуги. В столбе дуги имеются три рода заряженных частиц - электроны, положительные ионы и отрицательные ионы, которые перемещаются к противоположному по знаку полюсу.

Столб дуги можно считать нейтральным, так как сумма зарядов отрицательных частиц равна сумме зарядов положительных частиц. Столб дуги характерен образованием заряженных частиц и воссоединением заряженных частиц в нейтральные атомы (рекомбинация). Поток электронов через слой газов разрядного промежутка вызывает в основном упругие соударения с молекулами и атомами газа, вследствие чего создается весьма высокая температура. Возможна также и ионизация в результате неупругих соударений.

Температура столба дуги зависит от состава газов, величины сварочного тока (с увеличением величины тока температура повышается), типа электродных покрытий и полярности. При обратной полярности температура столба дуги выше.

Анодная область. Анодная область имеет большую протяженность и меньший градиент напряжения, чем катодная область. Падение напряжения в анодной области создается в результате извлечения электронов из столба дугового разряда и ускорением при входе их в анод. В анодной области имеется в основном только электронный ток, вследствие малого количества отрицательно заряженных ионов, имеющих меньшие скорости движения, чем электрон. Электрон, попавший на анодную поверхность, отдает металлу не только запас кинетической энергии, но и энергию работы выхода, поэтому анод получает энергию от столба дуги не только в виде потока электронов, но и в виде теплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.

Особенности сварочной дуги, питаемой переменным током. При сварке дугой переменного тока (промышленной частоты 50 периодов в секунду) катодное и анодное пятна меняются местами 100 раз в секунду. При изменении полярности образуется так называемый "вентильный эффект", заключающийся в частичном выпрямлении тока. Выпрямление тока происходит в результате беспрерывно меняющейся электронной эмиссии, так как при изменении направления тока условия выхода эмиссионных токов с электрода и с изделия не одинаковы.

При одинаковых материалах ток почти не выпрямляется, выпрямление тока в сварочной дуге называется составляющей постоянного тока, которая при аргоно-дуговой сварке алюминия отрицательно действует на процесс. Устойчивость горения сварочной дуги, питаемой переменным током, ниже, чем дуги, питаемой постоянным током. Это объясняется тем, что в процессе перехода тока через нуль и изменения полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает. В момент угасания дуги снижается температура дугового промежутка, вызывающая деионизацию газов столба дуги. Одновременно с этим падает и температура активных пятен. Температура особенно падает на том активном пятне, которое расположено на поверхности сварочной ванны, вследствие отвода тепла в изделие. В связи с тепловой инерционностью процесса падение температуры несколько отстает по фазе от перехода тока через нуль. Зажигание дуги из-за пониженной ионизации дугового промежутка в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении между электродом и изделием, называемом пиком зажигания. Если катодное пятно находится на основном металле, то в этом случае величина пика зажигания несколько выше. На величину пика зажигания влияет эффективный потенциал ионизации: чем больше эффективный потенциал ионизации, тем выше должен быть пик зажигания. Если в сварочной дуге находятся легко ионизируемые элементы, пик зажигания снижается и, наоборот, он увеличивается при наличии в атмосфере дуги ионов фтора, которые при соединении с положительными ионами легко образуют нейтральные молекулы.

К основным преимуществам дуги переменного тока следует отнести: относительную простоту и меньшую стоимость оборудования, отсутствие магнитного дутья и наличие катодного распыления оксидной пленки при аргонодуговой сварке алюминия. Катодное распыление - это процесс бомбардировки сварочной ванны положительными ионами в тот момент, когда изделие бывает катодом, за счет чего разрушается окисная пленка.

Влияние магнитного поля и ферромагнитных масс на сварочную дугу

В сварочной дуге столб дуги можно рассматривать как гибкий проводник, по которому проходит электрический ток и который под действием электромагнитного поля может изменять свою форму. Если будут созданы условия для взаимодействия электромагнитного ноля, возникающего вокруг сварочной дуги, с посторонними магнитными полями, с собственным полем сварочной цепи, а также с ферромагнитными материалами, то в этом случае наблюдается отклонение дугового разряда от первоначальной собственной оси. При этом иногда нарушается и сам процесс сварки. Это явление получило название магнитного дутья.

Рис. 36. Зависимость отклонения дуги от положения токо-подвода

Рис. 37. Влияние наклона электрода на отклонение дуги

Рис. 38. Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги при сварке: а - в сторону массивной детали, б - при выполнении углового шва в - при выполнении стыкового шва в разделку, г - при выполнении стыкового шва

Рассмотрим несколько примеров, показывающих воздействие внешнего магнитного поля на сварочную дугу.

1. Если вокруг дуги создано симметричное магнитное поле, то дуга не отклоняется, так как созданное поле оказывает симметричное действие на столб дуги (рис. 36,а).

2. На столб сварочной дуги действует несимметричное магнитное поле, которое создается током, протекающим в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную тохопроводу (рис. 36,6).

Существенное значение имеет и угол наклона электрода, который также вызывает отклонение дуги (рис. 37). Сильным фактором, действующим на отклонение дуги, являются ферромагнитные массы: массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух, а магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по той среде, которая имеет меньшее сопротивление, поэтому дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 38). Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, путем временного размещения ферромагнитного материала для создания симметричного поля и заменой постоянного тока переменным.

Перенос расплавленного металла через дуговое пространство

При переносе расплавленного металла действуют силы тяжести, поверхностного натяжения, электромагнитного поля и внутреннего давления газов.

Сила тяжести проявляется в стремлении капли под действием собственного веса переместиться вниз. При сварке в нижнем положении сила тяжести играет положительную роль при переносе капли в сварочную ванну; при сварке в вертикальном и особенно в потолочном положениях она затрудняет процесс переноса электродного металла.

Сила поверхностного натяжения проявляется в стремлении жидкости уменьшить свою поверхность под действием молекулярных сил, стремящихся придать ей такую форму, которая бы обладала минимальным запасом энергии. Такой формой является сфера. Поэтому сила поверхностного натяжения придает капле расплавленного металла форму шара и сохраняет эту форму до момента соприкосновения ее с поверхностью расплавленной ванны или отрыва капли от конца электрода без со прикосновения, после чего поверхностное натяжение металла важны "втягивает" каплю в ванну. Сила поверхностного натяжения способствует удержанию жидкого металла ванны при сварке в потолочном положении и создает условия для формирования шва.

Рис. 39. Схема сжимающего действия силовых магнитных линий на электрод

Сила электромагнитного ноля заключается в том, что электрический ток, проходя по электроду, образует вокруг него магнитное силовое поле, которое оказывает на поверхность электрода сжимающее действие, стремящееся уменьшить поперечное сечение электрода. На твердый металл магнитное силовое поле не влияет. Магнитные силы, действующие нормально к поверхности расплавленной капли, имеющей сферическую форму, оказывают на нее значительное влияние. С увеличением количества расплавленного металла на конце электрода под действием сил поверхностного натяжения, а также сжимающих магнитных сил на участке между расплавленным и твердым электродным металлом образуется перешеек (рис. 39). По мере уменьшения сечения перешейка резко возрастает плотность тока и усиливается сжимающее действие магнитных сил, стремящихся оторвать каплю от электрода. Магнитные силы имеют минимальное сжимающее действие на шаровой поверхности капли, обращенной к расплавленной ванне. Это объясняется тем, что плотность тока в этой части дуги и на изделии небольшая, поэтому сжимающее действие магнитного силового поля также небольшое. Вследствие этого металл переносится всегда в направлении от электрода малого сечения (стержня) к электроду большого сечения (изделию). Следует отметить, что в образовавшемся перешейке вследствие увеличения сопротивления при прохождении тока выделяется большое количество тепла, ведущее к сильному нагреву и кипению перешейка. Образовавшиеся при этом перегреве пары металла в момент отрыва капли оказывают на нее реактивное действие - ускоряют ее переход в ванну. Электромагнитные силы способствуют переносу металла во всех пространственных положениях сварки.

Сила внутреннего давления газа возникает в результате химических реакций, протекающих тем активнее, чем больше будет перегрет расплавленный металл на конце электрода. Исходными продуктами для образования реакций являются газы, причем объем образующихся газов в десятки раз превосходит объем участвовавших в реакции соединений. Отрыв крупных и мелких капель от конца электрода происходит как следствие бурного кипения и удаления образовавшихся газов из расплавленного металла. Образование брызг на основном металле также объясняется взрыво-образным дроблением капли, когда капля переходит через дуговой промежуток, так как в этот момент усиливается выделение из нее газов, и некоторая часть капли вылетает за пределы сварочной ванны. Сила внутреннего давления газов главным образом перемещает каплю от электрода к изделию.

Основные показатели процесса дуговой сварки

Коэффициент расплавления. При сварке металла шов образуется вследствие расплавления присадочного и проплавления основного металла.

Расплавление присадочного металла характеризуется коэффициентом расплавления

где α_р - коэффициент расплавления; G_p - масса расплавленного за время t электродного металла, г; t - время горения дуги, ч; I - сварочный ток, А.

Коэффициент расплавления зависит от состава проволоки и покрытия электрода, веса покрытия, а также рода и полярности тока.

Коэффициент потерь. Коэффициент характеризует потери металла электрода на разбрызгивание, испарение и окисление.

где ψ - коэффициент потерь; G_H - масса наплавленного металла, г; G_p -масса расплавленного металла, г.

Коэффициент потерь зависит не только от состава проволоки и ее покрытия, но также и от режима сварки и типа сварного соединения. Коэффициент потерь возрастает при увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько меньше при сварке в тавр, с разделкой фомок, чем при наплавке.

Коэффициент наплавки. Для оценки процесса наплавки вводят понятие коэффициента наплавки:

где α_H - коэффициент наплавки; G_H - масса наплавленного за время t металла, г (с учетом потерь).

Коэффициент наплавки зависит от рода и полярности тока, типа покрытия и состава проволоки, а также от пространственного положения, в котором выполняют сварку.

Зависимость величины сварочного тока от диаметра электрода. При ручной дуговой сварке сварочный ток и диаметр электрода связаны следующей зависимостью I = К × d, где I - величина сварочного тока, А; К - коэффициент, зависящий от марки электрода (К = 40 ÷ 60; 40 - для легированных электродов; 60 - для углеродистых); d - диаметр электрода, мм.

Приведенная формула применима для электродов, имеющих диаметр 3 - 6 мм.

Зависимость между диаметром и величиной сварочного тока выражают также следующей опытной формулой I = (m + n - d)- d, где m = 20; n = 6 (для ручной сварки стальными электродами).

Производительность процесса дуговой сварки. Производительность сварки определяется количеством наплавленного металла G = α_H×I×t где G - масса наплавленного металла, г.

Чем больше ток, тем выше производительность. Однако при значительном увеличении сварочного тока для применяемого диаметра электрода - последний может быстро нагреваться теплом Ленца - Джоуля, что резко понизит качество сварного шва, так как металл шва и зона сплавления основного металла будут перегреты. Необходимо отметить, что перегрев электрода увеличивает разбрызгивание металла.

Погонная энергия. Отношение эффективной тепловой мощности дуги (источника) q_и к скорости перемещения дуги ν называется погонной энергией.

где ν - скорость перемещения дуги (скорость сварки), см/с.

Погонная энергия - это количество тепла в калориях, введенное на единицу длины однопроходного шва или валика.

Полную тепловую мощность сварочной дуги приближенно считают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности Q = 0,24 U_д×I, кал/с, где U_д - падение напряжения на дуге, В; I - величина сварочного тока, A; Q - тепловой эквивалент электрической мощности сварочной дуги, кал/с.

Количество тепла, введенное сварочной дугой в изделие в процессе его нагрева за единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги, которая является суммой тепловой энергии, выделяющейся в пятне дуги на изделии, вводимой в изделие при теплообмене со столбом дуги и пятном на изделии и поступающей с каплями расплавленного флюса, электродного металла и покрытия q_и = - 0,24U_д×I×h_и кал/с, где q_и - эффективная тепловая мощность сварочной дуги, кал/с; h_и - эффективный к. п. д. процесса нагрева металла сварочной дугой.

Эффективным к. и. д. процесса нагрева металла сварочной дугой называется отношение количества введенного в металл тепла к тепловому эквиваленту электрической мощности дуги. Этот коэффициент характеризует эффективность процессов выделения тепла и теплообмена в дуговом промежутке по отношению к нагреву металла изделия и зависит в основном от способа сварки.

Рис. 40. Тепловой баланс сварочной дуги при среднем для данного способа сварки режиме: а - ручная сварка покрытым электродом, б - автоматическая сварка под флюсом

На рис. 40 приведен тепловой баланс тепла, выделяемый дугой, из которого видно, что более полно используется тепло дуги при автоматической сварке под флюсом. При увеличении длины дуги эффективный к. п. д. падает и возрастает с углублением дуги в ванну. При сварке металлическими электродами этот коэффициент мало зависит от рода, полярности и величины сварочного тока.