3. Основные термические источники энергии при сварке

Основными термическими источниками энергии (тепла) при свар­ке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники энергии и тепло, выделяемое при электрошлаковом про­цессе.

Термические источники энергии характеризуются температурой источника, степенью сосредоточенности, определяемой наименьшей

площадью нагрева (пятно нагрева), и наибольшей плотностью в пятне нагрева.

Эти энергетические характеристики (табл. 1) определяют техно­логические свойства источников нагрева металла при сварке, на­плавке и резке.

3.1. Сварочная дуга

Виды сварочных дуг. Источником теплоты при дуговой сварке является сварочная дуга — устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, исполь­зуемых при сварке, и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.

В зависимости от числа электродов и способов включения электродов и свариваемой детали в электрическую цепь различают сле­дующие виды сварочных дуг (рис. 6):

• прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием;

• косвенного действия, когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь;

• трехфазная дуга, возбуждаемая между двумя электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. В первом случае электрод под­ключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие — к положительному полюсу и служит анодом; во втором случае электрод подключается к положительному полюсу и служит анодом, а изделие — к отрицательному и служит катодом.

Виды сварочных дуг:

а – прямого, б- косвенного, в — комбинированного действия (трехфазная)

Схема сварочной дуги и падения напряжения в ней:

1 – электрод, 2 – изделие, 3 – анодное пятно, 4 – анодная область дуги, 5 – катодное пятно

В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными или вольфрамовыми) и плавящимися ме­таллическими электродами.

Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность использования дуги

для сварки. К физическим свойствам относятся элект­рические, электромагнит­ные, кинетические, темпе­ратурные, световые.

К основным техноло­гическим свойствам относятся: мощность дуги, про­странственная устойчи­вость, саморегулирование.

3.2. Электрические свойства дуги.

Для образования и поддержания горения дуги необходимо иметь в пространстве между электродами электрически заряженные частицы — электроны, положительные и отрицательные ионы. Процесс образования ионов и электронов на­зывается ионизацией, а газ, содержащий электроны и ионы, иони­зированными. Ионизация дугового промежутка происходит во вре­мя зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения.

В дуговом промежутке выделяют следующие области (рис. 7): катодную L_K и анодную L_a, где наблюдается значительное падение напряжения, вызванное образованием около электродов простран­ственных зарядов (скоплением заряженных частиц), и расположен­ную между ними область дугового разряда, называемую столбом дуги L_c. На поверхности анода и катода образуются электродные пятна, представляющие собой основания столба дуги, через которые проходит весь сварочный ток. Электродные пятна выделяются яр­костью свечения. Общая длина сварочной дуги Lд равна сумме длин всех трех областей: L_д=L_K+L_c+L_a, где L_д — общая длина сварочной дуги; L_K — длина катодной области, равная примерно 10^-5 см; L_c — длина столба дуги; L_a — длина анодной области, равная примерно 10^-3—10^-4 см.

Общее напряжение сварочной дуги соответственно слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги: U_d=U_к+ U_с + U_а, U_K, U_c, U_a— соответственно падение напряжения общее на дуге, в катодной области, столбе дуги и анодной области, В.

Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины описы­вается уравнением U_d=a + bL_d, где а — сумма падений напряжения в прикатодной и прианодной областях, В; L_d— длина столба дуги, мм; b — удельное падение напряжения в дуге, отнесенное к 1 мм столба дуги, В/мм.

Тепловая мощность дуги. Основной характеристикой сварочной дуги как источника энергии для сварки является эффективная теп­ловая мощность q_и. Эффективная тепловая, мощность источника сварочного нагрева — это количество теплоты, введенное в металл за единицу времени и затраченное на его нагрев. Эффективная теп­ловая мощность является частью общей тепловой мощности дуги q, так как некоторое количество тепла дуги непроизводительно рас­ходуется на теплоотвод в металле, излучение, нагрев капель при разбрызгивании.

Отношение эффективной тепловой мощности к полной тепловой мощности источника теплоты называется эффективным коэффици­ентом полезного действия (к. п. д.) процесса нагрева η_и = q_и,/q.

Полную тепловую мощность сварочной дуги, т.е. количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени, приближенно считают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности q = IU_d, где I - величина сварочного тока, А; U_д — падение на­пряжения на дуге, В; q — тепловой эквивалент электрической мощ­ности сварочной дуги, Дж/с.

Соответственно, эффективная тепловая мощность определяется выражением q_и = IU_dη_и.

Значение η_и может меняться от 0,3 до 0,95 и для различных видов сварки ориентировочно составляет: открытая угольная дуга —0,5 – 0,65; дуга в аргоне — 0,5—0,6; сварка штучными покрытыми электродами — 0,7—0,85; сварка под флюсом — 0,85—0,93.

Количество тепла, вводимое в металл источником нагрева и отнесенное к единице длины шва, называется погонной энергией сварки. Погонная энергия равна отношению эффективной мощности источника тепла (дуги) q_a к скорости перемещения дуги v.

При образовании сварного шва эффективная тепловая мощность дуги расходуется на расплавление основного и присадочного ме­талла.

Сжатая дуга. Особым видом сварочной дуги является сжатая дуга — дуга, столб которой сжат с помощью сопла плазменной горел­ки или потока газов (аргона, азота и др.). Плазма — это газ, со­стоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, об­щий заряд которых равен нулю.

Плазма генерируется в канале сопла, обжимается и стабилизи­руется его водоохлаждаемыми стенками и холодным плазмообразующим газом.

Схемы сварки плазменной дугой (а) и плазменной струей (б, в):

1 — электрод, 2 — канал, 3 — охлаждающая вода, 4 — столб дуги, 5 — сопло, 6 — плаз­менная струя, 7 — изделие,, И — источник тока, l — длина рабочей части канала

Обжатие и охлаждение наружной поверхности столба дуги вызывает его концентрацию, что приводит к резкому увеличению числа соударений между частицами плазмы, увеличе­нию степени ионизации и резкому повышению температуры столба дуги (до 10 000—20 000 К) и кинетической энергии плазмы, которая используется для сварки и резки. Устройство для создания направ­ленного потока плазмы, движущегося с большой, скоростью и обла­дающего большим запасом энергии, называется плазмотроном или плазменной горелкой.

Имеется несколько схем устройств для получения плазменных дуг и струй:

• для получения плазменной дуги, когда сопло и канал совмеще­ны, плазменная струя совпадает со столбом дуги, одним из электро­дов является обрабатываемый материал (рис. 8, а);

• для получения плазменной струи, выделенной из столба дуги при раздельных сопле и канале (рис. 8, б);

• то же, но с совмещенными соплом и каналом (рис. 8, б).

Плазменная струя создается дуговым разрядом 4, возбуждаемым между электродом и вторым электродом, в качестве которого может служить изделие 7, раздельное сопло 5 или стенки канала 2.

Эффективный к, п. д. плазменно-дугового нагрева ниже, чем к.п.д. дуги, что объясняется большой теплоотдачей стенкам сопла и окружающему пространству, и составляет η_и—0,3-0,8.

3.3. Полярность. Возбуждение и горение дуги.

Чтобы подлежащее сварке или резке изделие, имеющее большую массу, чем электрод, получало больше тепла, нужно изделие присоединять к плюсовому, а электрод к минусовому контактам сварочного генератора. Такое соединение сварочной цепи называется прямой полярностью, а соединение в обратном порядке – обратной полярностью.

Полярность соблюдается при работе на постоянном токе, который с течением времени не изменяет своего направления и силы при прохождении по замкнутой электрической цепи.

Прямая полярность применяется при сварке больших толщин металла, а также при электродуговой и электрокислородной резке металлов. Обратная полярность – при сварке тонких листов металла, цветных металлов и чугуна.

При выборе полярности следует руководствоваться данными, нанесенными на упаковке электродов, обращая внимание на их покрытие, так как распределение тепла на полюсах зависит от его состава и качества.

При сварке на переменном токе полярность не соблюдается, ибо направление тока меняется 100 раз в секунду (50 Гц), и, следовательно, полярность практически отсутствует: отсюда температура и количество выделяемого тепла на электроде и свариваемом металле получаются одинаковыми.