Сварка в машиностроении.Том 4 (Николаев Г.А. - Сварка в машиностроении), страница 11

У торца плавящегося электрода образуются капли жидкого металла. Считают, что при сварке с плавящимся электродом при прямой полярности решающее значение для возникновения и сушь ствования дугового разряда имеет автоэлектронная эмиссия. Если электрод плавится, кипит н испаряется, то возникают струи паров вещества катода (плазменные потоки), устремляющиеся в столб дуги и обогащающие его парами материала электрода.

Падение напряжения в катодной области зависит от потенциала ионизации газов и паров катодной области. Падение напряжения в катодной области обычно преобладает в общем напряжении на дуге, а его величина зависит от конкретных физических условий для данной дуги. Мощность, выделяемая в катодной области, расходуется на нагрев и плавление электрода, т. е.

непосредственно на процесс сварки. Часть теплоты, приобретенной катодом, уходит в его массу путем теплоотдачи В анодпой области при горении дуги создается отрицательный объемный заряд. Электроны, поступающие из столба дуги в анодную область, нейтрализуются у поверхности анода, отдают энерги1о при воссоздании нейтральных атомов вещества анода и вызывают увеличение температуры анода.

Кроме гого, часть электронов задерживается в пространственном заряде. Так как максимальная темпера- тура анода не может превышать температуру кипения материала анода, которая меньше температуры столба дуги, то из столба происходит интенсивнь|й теплоотвод в сторону анода. Энергия, отдаваемая аноду, состоит нз энергии возврата электронов в металл, равной энергии работы выхода электронов из вещества катода и кинетической энергии, которую приобрели электроны, двигаясь к аноду в ионизированном газе столба дуги. В аноднои области ионизация практически не происходит.

Как показывают экспериментальные данные, анод~ое падение напряжения зависит от физических условий в анодной области и от степени влияния пространственного отрицательного заряда. Величина анодного падения напряжения практически не зависит от сварочного тока. Лля дуг с плавяшимся электродом, горящих в атмосфере воздуха, анодное падение напряжения равно 2,5+ 1 В. Мощность, выделяемая в анодпой области при прямой полярности, расходуется на плавление металла анода. График распределения потенциалов по длине дуги.

На рис. 1 приведено распределение потенциалов по длине дуги, горящей в атмосфере воздуха при ручной дуговой сварке. Каждой дуге, горящей прн определенных физических условиях, соответствует определенный график, строящийся по данным опыта. В приэлектродных областях наблюдаются „ резкие изменения потенциалов. Напряжение с мма па ений нап яжений на дуге еегь у д р в анодной и„катодной и, областях, а также в столбе дуги и,т. Для дуг с плавящимся электродом при нормальных Режимах ик)иа рис. 1.

Распределение потениа + ик ) ист. циалов по длине дуги Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) дуги. Проводимость разрядного промежутка зависит от длины дуги и от физических условий, в которых существует дуга. Ввиду малости длин приэлектродных областей обычно за длину дуги принимают длину столба дуги. ВАХ дуги строится по данным, полученным из опыта. Статическая вольт-амперная характеристика дуги есть зависимость напряжения (7д на дуге от сварочного тока / при постоянной длине 1д дуги и при постоянстве всех прочих физических факторов, влияющих на условия горения дуги, В сварочной технике известны три формы статических ВАХ дуг, снятых на постоянном токе: падающая ВАХ вЂ” с ростом тока напряжение уменьшается (рис. 2, а; дифференциальное сопротивление )сд,ф( О, угол ~д ) 90'); жесткая ВАХ вЂ” рост тока не вызывает изменения напряжения (рис.

2, б; дифференциальное сопротивление Ядаф = О, угол рд = 180 ) и возрастающая ВАХ— рост тока вызывает увеличение напряжения (рис. 2, в; дифференциальное сопротивление Дд„ф ) О, угол рл к' 90'). Вольт-амперные характеристики падающей формы имеют малоамйерные свободногорящие в воздухе дуги при токе от нескольких ампер до токов порядка 70 А. Причиной снижения напряжения на дуге является уменьшение напряжения на столбе дуги, С ростом тока более интенсивно протекает ионизация, проводимость столба дуги увеличивается и возрастает площадь поперечного сечения.

Падающую по форме ВАХ имеет также свободногорящая малоамперная дуга в среде аргона. В этом случае увеличение тока не сопро~ждается ростом сечения столба дуги из-за защитного газа, оказывающего действие в радиальном направлении на пространственное положение дуги. Рост проводимости объясняется интенсивно протекающей ионизацией газа столба дуги вследствие повышения температуры газа. ВАХ жесткой формы имеют сварочные дуги при токах от 70 — 80 А и более "ри ручной дуговой н механизированной сварке под флюсом (рис. 2, б).

С ростом тока увеличивается поперечное сечение столба дуги, а проводммэсть столба дуги 47 46 Рис. 3. Осциллограммы вторичного синусоидального напряжения трансформатора, сварочного тока и напряжения на дуге при включении в сварочный контур резистора для получения падающей внешней характеристики источнпяя питания и„,в' ол,в 'я у 2 Ю 'пт ( ппп гв (г Е,Д пп и„ Т Т пг йпп Источники питания для дуговой сварки, наплавки и резки в этих условиях остается практически без изменения. При сварке под флюсом при небольших диаметрах электродной проволоки и больших значениях тока наблюдается некоторое возрастание напряжения на дуге.

На практике пользуются эмпирической формулой для вычисления напряжения на дуге, связывающей его с величиной тока. Так, для токов 300 †5 А напряжение на дуге ()д = 20 + + 0,04). При сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа и сварке сжатой дугой ВАХ дуги имеет возрастающую форму. С ростом тока напряжение на дуге увеличивается (рис.

2, в). При этом катодиое пятно занимает всю площадь торца электродной проволоки и высокая напряженность электрического поля в катодиой области обеспечивает условия для автоэлектронной эмиссий. С ростом тока площадь катодного пятна остается неизменной. и) 14 в ) 1,4 в Рис. 2. Статические вольт-амперные характеристики дуги Особенности горения дуги переменного тока. При питании дуги от источника переменного тока, например от трансформатора с синусоидальным напряжением (частоты 50 Гц), активное пятно на катоде 100 раз в секунду изменяет свое расположение.

К концу каждого полупериода синусоидальное напряжение уменьшается до нуля; при этом уменьшается напряженность электрического поля в пространстве между изделием и торцом электродной проволоки. Это влечет за собой уменьшение степени ионизации плазмы столба дуги, рассасывание пространственного заряда в катодной области, что ухудшает условия существования дугового разряда. Последние зависят как от физико-химических свойств пространства между катодом н анодом, которые определяют величину ()„, повторного возбуждения дуги, так и от статических и динамических свойств источника питания, Если источник питания не обладает значительной нндуктивностью, величина которой зависит от конкретных физических условий, то устойчивое горение дуги невозможно.

На рис. 3 приведены осциллограммы вторичного синусоидального напряжения из трансформатора, сварочного тока ~, и напряжения на дуге ид в функции времейи. При проведении опыта для получения падающей внешней характеристики источника в сварочный контур был включен резистор. Осциллограммы записаны электронным осциллографом в отрицательный и положительный полу- периоды Т. Ток ~з и напряжение ид несинусоидальны, так как нагрузкой для источника является нелинейная проводящая среда между изделием и электродом. Мак.

симумы и нулевые значения из и (з во времени совпадают при отсутствии в свароч. ном контуре нндуктивности. В отрицательный полупериод синусоидального на. пряжения, когда из уменьшается по абсолютной величине и достигает значения Ую дуговой разряд практически угасает. Напряжение из становится недостаточным для создания между изделием и электродом напряженности электрического поля, необходимой для существования дугового разряда. Дуга угасает на время („. Вспомогательные устройства источников питания В течение времени гя осциллограмма фиксирует наличие тока, что указывает, что проводимость участка между изделием и электродом не равна нулю. В течение времени от Ет до г, электрический разряд носит недуговой характер.

В следующий полупериод и,, когда синусоидальное напряжение возрастает и достигает значения ()„и (при 1п), вновь создаются условия для существования дугового разряда и дуга повторно возбуждается. Напряжение (/яп повторного возбуждения дуги зависит от многих факторов и прежде всего от физико-химических свойств среды между изделием и элекгродом. При и. = ()яп в дуговом промежутке обеспечивается напряженносгь электрического поля такой величины„ при которой возможно интенсивное зарожде- ние свободных электронов и восстановление условий для существования электрического дугового разряда. В течение времени г„сварочный контур практически разомкнут. На рис. 3 для большей наглядности величины (, в районе (= 0 сильно преувеличены.

Ток ~', при 1 = г, составляет около 2М от действующего значения (з. После повторного возбуждения дуги, начиная с г' = г„ ток ге и скорость его изменения резко возрастают. Время г„ перерыва в горении дугй уменьшают двумя способами: либо снижают напряжение У„ь повторного возбу- ждениЯ дУги, либо изменЯют свойства источника питаниЯ. ВеличинУ ()я, можно снизить, вводя в парогазовую среду между изделием и электродом химические элементы с низкими потенциалами ионизации, уменьшая величину давления ниже атмосферного, увеличивая амплитудное значение и, и увеличивая частоту Г напряжения из, Повторное возбуждение дуги облегчается применением специальныя устройств — возбудителя дуги (осцилляторов) и импульсных стабилизаторов го.

Реник дуги переменного тока. ВСПОМОГАТЕЛЪНЫЕ УСТРОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ пе Осцилляторы. При сварке неплавящимся электродом в среде защитных газов жени ервоначальное возбуждение дуги производится бесконтактным способом. Напрячтобы ь ение холостого хода источника питания порядка 60 — 80 В недостаточно для того й лием обы вызвать электрический разряд или даже искру в промежутке между издеием и электродом, хотя промежуток может составлять лишь доли миллиметра. Источники питания для дуговой сварки, наплавки и резка Вспомогательные устройства источников питания Для возникновения в промежутке свободных электронов и возбуждения дуги необходим кратковременный импульс напряжения, который обеспечил бы пробой и последовательное развитие искрового разряда вплоть до дугового.