Дуга переменного тока

Дуга переменного тока имеет следующие особенности:

1.Каждый полупериод электрический ток меняет направление . Анод и катод меняются местами. Дуга возбуждается повторно.

2. Повторное возбуждение облегчается остаточной термоэлектронной эмиссией или остаточной ионизацией. Остаточная эмиссия возможна за счет тепловой инерции. Чем меньше максимальный ток , тем меньше нагрев пятен дуги и тем труднее повторное возбуждение.

3. Если остаточная ионизация недостаточна, то в каждом полупериоде существует пик зажигания (напряжение зажигания Uз ), по достижении которого дуга возбуждается повторно. Условие повторного зажигания

U_max sin  Uз ,

где  -- угол зажигания.

U_max

U_з

ψ

Уменьшить угол зажигания возможно путем увеличения Umax , однако амплитудное значение напряжения ограничено из соображений безопасности. Более эффективным путем является включение в сварочную цепь источников высоковольтного высокочастотного разряда (осциллятора), которые увеличивают степень остаточной ионизации.

4. В связи с разными условиями существования дуги на электродах из разных материалов возможна асимметрия токов и напряжений на дуге в разные полупериоды – вентильный эффект.

Р ассмотрим особенности сварки алюминия вольфрамовым электродом на переменном токе

Температура плавления вольфрама (3380 ^оС) гораздо выше, чем уалюминия (660 С). Следовательно, остаточная эмиссия с вольфрамового катода гораздо выше, чем с холодного алюминиевого. Помимо этого, теплоотвод в массивное алюминиевого изделия с высокой теплопроводностью гораздо интенсивней.

В период обратной полярности (катод – алюминий) дуга загорается позднее, следовательно ток прямой полярности больше, чем ток обратной полярности. Появляется постоянная составляющая тока Iпост. Ее наличие ухудшает условия работы сварочного трансформатора и качество шва. Для ее устранения применяется последовательное включение в сварочную цепь батареи конденсаторов.

Плавление и перенос электродного металла

Скорость плавления, оцениваемая уменьшением массы электрода в единицу времени, изменяется в течение процесса сварки. Ее изменеие можно представить как сумму двух периодических процессов.

v_э

t_э

t_к

v_эt

v_э0

t

Первый процесс с периодом t_э обусловлен повышением температуры и ускорением процесса плавления электрода за счет нагрева теплом Джоуля-Ленца в конце периода. Имеет место в основном при РДС.

Второй процесс с периодом t_к обусловлен накоплением с последующим отрывом капли жидкого металла на конце электрода. Этот процесс свойственен для всех процессов сварки плавящимся электродом.

Неравномерность расплавления оценивается коэффициентом неравномерости

ξ = v_эt/v_э0.

Неравномерность расплавления – весьма нежелательный процесс, ухудшающий стабильность формирования сварного соединения. Для нормального течения сварки необходимо ξ < 1,3.

В диапазоне нормальных режимов наплавки средние скорости наплавки v_н и расплавления электрода v_р пропорциональны силе тока сварки I

v_н = α_н · I; v_р = α_р · I,

где α_н и α_р – соответственно коэффициенты наплавки и расплавления.

Они связаны между собой соотношениями

α_н = (1–ψ) α_р,

где ψ – коэффициент потерь на угар и разбрызгивание.

Величины коэффициентов наплавки и расплавления зависят от режима и способа сварки. Особое влияние оказывает полярность и температура нагрева электрода. При сварке на обратной полярности производительность расплавления существенно выше, чем при сварке на переменном токе и при прямой полярности . Это объясняется тем, что на аноде выделяется в 2-3 раза больше теплоты, чем на катоде, за счет бомбардировки анода быстрыми электронами, в то время как на катоде затрачивается энергия на их эмиссию.

Увеличить температуру нагрева электрода при автоматической сварке возможно путем увеличения расстояния между токоподводящим мундштуком и изделием (вылета электрода).

При электродуговой сварке возможны следующие типы переноса электродного металла:

1. Крупнокапельный.

2. Мелкокапельный.

3. Струйный.

Переход от одного типа переноса к другому зависит от преобладающих сил, действующих на каплю металла.

При малой силе тока и наличии сил тяготения отрыв капли происходит в момент, когда сила тяжести равна силе поверхностного натяжения, удерживающей каплю на конце электрода диаметром d_э

,

где σ – коэффициент поверхностного натяжения;

πd_э – периметр шейки, удерживающей каплю;

– объем капли;

ρ – плотность металла;

g – ускорение свободного падения.

Отсюда

При достаточно большой длине дуги капли достигают размеров, определяемых данным уравнением, и переходят без коротких замыканий. Вследствие этого увеличиваются потери на угар и разбрызгивание. При короткой дуге переход происходит с короткими замыканиями.

Чем меньше σ, тем легче отрывается капля и тем вероятней переход к мелкокапельному и струйному типам переноса. Соприкосновение металла со шлаками и окислами уменьшает величину σ. Например, добавка в аргон 5% кислорода уменьшает величину σ в 1,5 ÷ 2,0 раза.

С дальнейшим увеличением плотности тока решающий вклад вносят электродинамические силы поперечного сжатия (пинч-эффект) и реактивные сивлы от испарения. Первые стлы отрывают каплю, вторые – прижимают, причем обе эти силы пропорциональны квадрату тока. Эти силы учитываются путем введения поправки в величину σ

σ = σ_о – ВI².

При увеличении плотности тока до критического значения происходит переход от мелкокапельного к струйному переносу. Катодное пятно сжимается и полностью охватывает каплю, которая принимает коническую форму.

Режим переноса существенно влияет на свойства металла шва. При увеличении размеров капель нарушается равномерность плавления и увеличивается время контакта с атмосферой. Поэтому необходимо стремиться к уменьшению размеров капель. В частности, это достигается наложением кратковременных импульсов тока с большой амплитудой. Незначительно влияя на общее тепловложение, эти импульсы усиливают пинч-эффект и ускоряют преход к мелкокапельному и струйному типам переноса.