17.3. Дуговая электрическая сварка.

Д

Рис. 17.2 Дугосварочный аппарат (а) и схема авто­матической сварки под слоем флюса (б)

уговая электрическая сварка использует тепло дугового разряда и применя­ется во всех отраслях металлообрабатывающей промышленности. Для питания дуги используют как постоянный, так и переменный ток, одно- и многофазный, нормаль­ной и повышенной частоты. Дуга может быть открытая, погруженная в зернистый флюс и защищенная. На рис. 17.2. представлена схема дуговой автоматической сварки под слоем флюса, как сам аппарат (а), так и зона процесса (б).

В настоящее время электродуговая сварка подразделяется чаще всего на руч­ную, полуавтоматическую и автоматическую.

Для получения качественного сварного шва должен быть пра­вильно выбран режим сварки, опре­деляемый диаметром электродов, величиной сварочного тока и длинной дуги.

17.3.1. Свойства электрической дуги.

Электрическая дуга, используемая при сварке, - так называемая сварочная ду­га - является мощным, длительно существующим между находящимися под напряжением электродами электрическим разрядом в смеси паров и газов.

В обычных условиях при низких температурах газы не проводят электрическо­го тока. Для того, чтобы газ был проводником электрического тока, в нем должны быть заряженные частицы - электроны и ионы.

Эмиссия (испускание) электронов поверхностью электрода достигается:

• за счет изменения и собственной энергии проводимости, происходящих при высо­ких температурах;

• за счет энергии, сообщаемой внешним электрическим полем, создаваемым источ­ником питания;

• ударами ионов по катоду;

• за счет квантов излучения света, сопутствующих горению сварочной дуги.

К

Рис. 17.3. Схема сварочной дуги:

V_д - падение напряжения на дуге: а - падение напряжения в анодной области: б - падение напряжения в столбе дуги: в - паденне напряжения в катодной области; 1-электрод; 2-катодное активное пятно: 3-катодная область: 4-столбдуги: 5-анодная область; 6-анодное пятно: 7-свариваемая заготовка

оличество энергии, необходи­мое для полного удаления электрона из атома пара или газа, т.е. на получение свободного электрона и положитель­ного иона, называется потенциалом ионизации и выражается в электрон-вольтах. Наименьший потенциал иони­зации имеют элементы щелочной груп­пы, поэтому для стабилизации свароч­ной дуги применяют вещества, содер­жащие эти элементы. Промежуток ме­жду электродами называется дуговым промежутком (рис. 17.3.). Он состоит из трех характерных областей: анодной - 5, примыкающей к аноду (ее протя­женность колеблется от 10^-3 до 10^-4см), катодной - 3, примыкающей к катоду, длина которой равна примерно 1О5 см, и средней части - газового промежутка, называемой положитель­ным столбом дуги - 4. При дуговом разряде на поверхности анода и катода образу­ются наиболее нагретые участки, собственно называемые анодное -6 и катодное - 2 пятно. Через катодное пятно проходит весь ток.

Сварочная дуга характеризуется выделением большого количества тепла и сильным лучеиспусканием. Выделение тепловой и световой энергии дугой неравно­мерно в различных ее точках. Температура столба дуги достигает 6000-8000°С, а на активных пятнах - близко к температуре кипения материала электродов.

Т епловая мощность сварочной дуги может быть распределена по отдельным «статьям расхода», т.е. может быть составлен ее тепловой баланс.

П

Рис. 17.4. Тепловой баланс сварочной дуги при среднем для данного способа сварки режима: а - ручная сварка покрытым электродом; б-автоматическая сварка под флюсом

о опытным данным Института электросварки им. Е.О. Патона составлен теп­ловой баланс дуги при сварке покрытым электродом и при сварке под флюсом (рис. 17.4.). Как видно из этих данных, только часть общей тепловой мощности дуги расходуется на нагрев и плавление основного и присадочного металла, т.е. на сварку. Эта мощность назы­вается эффективной. Остальная часть расходуется на теплоотдачу в окру­жающую среду, потери при разбрызги­вании, угар и др. Эффективная мощ­ность составляет от общей: при сварке покрытиями или голыми электродами 50 60%; покрытыми электродами 70 85% и при сварке под флюсом 80 95%. Таким образом, наиболее ра­ционально расходуется тепло дуги при автоматической сварке под флюсом.

Для получения качественного сварного соединения необходимо устойчивое горение дуги, т.е. чтобы дуга длительное время горела при заданном напряжении то­ка, не прерываясь и не переходя в другие виды разряда. Устойчивое горение дуги за­висит главным образом от режима сварки, рода тока, характера переноса расплав­ленного металла с электрода в сварочную ванну, характеристики источника тока, свойства и состава газов дуги.

В лияющие соотношения между током и напряжением. Чтобы сварочная дуга горела устойчиво, ток и напряжение должны находиться в определенной зависимости друг от друга. Напряжение дуги, т.е. напряжение между концом электрода и свари­ваемой заготовкой, является сложной функцией длины дуги и силы тока в ней и зави­сит от материала и размеров электродов, состава и давления газа и т.д.

Р

Рис. 17.5. Статистическая вольтамперная характеристика дуги

ассмотрим зависимость между на­пряжением и током для случая переменного тока при постоянных длине дуги и диаметре электрода и при состоянии установившего­ся равновесия. Графическое изображение этой зависимости, называется статической вольтамперной характеристикой дуги, и представлено на рис. 17.5. Как видно из приведенной зависимости, при малых токах, до 80 ампер, статическая вольтамперная характеристика имеет крутопадающий характер, т.е. напряжение дуги уменьшается по мере увеличения тока. Это объясняется тем, что при маломощных дугах с увеличением тока резко растет площадь сечения столба дуги, а, следователь­но, уменьшается его сопротивление, поэтому увеличивается электропроводность ду­ги. Дуга с падающей вольтамперной характеристикой малоустойчива и поэтому в сварочной технике применяется редко.

С увеличением тока от 80 до 800 ампер напряжение дуги не изменяется, так как при этом пропорционально току растут площади активных пятен и столба дуги, по- этому плотность тока и падение напряжения сохраняются. Итак, в данном случае статическая характеристика дуги жесткая. Дугу с такой характеристикой довольно широко применяют в сварочной технике.

Таким образом, с ростом тока, растет и площадь катодного пятна, но этот рост ограничен площадью поперечного сечения электрода. Каждому диаметру электрода соответствует тот ток, при котором активное катодное пятно покрывает все его сечение. При дальнейшем увеличении тока, а с ним и сопротивление прохождению тока, что неизбежно приведет к увеличению напряжения дуги. В рассматриваемых условиях форма статической характеристики дуги будет возрастающей. Сварочная дуга с та­кой характеристикой широко применяется при сварке в среде защитных газов и при сварке под флюсом, а также при огневой резке металлов.

Влияние рода тока. В начале развития сварочной техники для питания сварочной дуги использовали только машины постоянного тока. Многолетний опыт пока­зал, что при современных качественных электродах устойчивость сварочной дуги вполне достаточна как при постоянном, так и при переменном токе. Распределение же тепла в сварочной дуге переменного тока в большинстве случаев обеспечивает по­лучение высококачественных сварных соединений.

Переменный ток имеет следующие преимущества:

1. Источники питания переменным током просты по устройству, дешевы, портатив­ны, имеют малые размеры и вес, почти не требуют обслуживания, отличаются высоким к.п.д., поэтому расход электроэнергии почти в два раза меньше по сравне­нию с источниками питания постоянным током.

2. При сварке голыми или покрытыми электродами на переменном токе практически отсутствует магнитное дутье, значительно затрудняющее сварку на постоянном токе, если его величина превышает 350-400 ампер.