124872 (История и развитие сварочного производства), страница 3

Легче возбуждать и поддерживать горение дуги.

Дело в том, что ионизирующие вещества вводили в состав электрода для ламп дугового освещения.

Сварочный генератор предложенный и построенный Славяновым, несколько упростил уход за источником питания. Однако для сглаживания пиков тока в цепи оставалась аккумуляторная батарея, т.е. конструкция генераторов была еще не совершена.

В 1907 году на заводе «Линкольн электрик» в Америке был выпущен первый генератор с регулируемым напряжением.

В 1909 году свой генератор постоянного тока создал американский промышленник и изобретатель Вестингауз.

В это же время начинает выпускать мотор-генераторы фирма «Дженерал электрик» возглавляемая Коффином.

Электрическая промышленность разных стран уже осваивала переменный ток. Его применение сулило большие преимущества, и в первую очередь, упрощение источников энергии - сварочных трансформаторов, так как в них не было сложных вращающих деталей, работали они бесшумно, были просты в обслуживании.

Глава 3. Основные виды современной сварки

3.1 Электрическая дуговая сварка

В настоящее время электрическая дуговая сварка занимает первое место среди многочисленных способов сварки материалов.

Дуговая сварка основана на явлении электрической дуги.

.Электрическая дуга представляет собой один из видов устойчивого электрического разряда через газовый или парогазовый промежуток, характеризующийся высокой плотностью тока и температурой.

Для сварки важно, чтобы дуга легко возбуждалась, устойчиво существовала и легко регулировалась по своим энергетическим параметрам.

Известно несколько способов возбуждения дугового разряда. По способу В.В. Петрова два электрода, соединенные с источником тока, сближают до соприкосновения и сразу же разводят на небольшое расстояние. В этот момент между ними вспыхивает дуга.

Что же происходит при этом? Упрощенно это можно представить себе так: при соприкосновении электродов электрическая цепь замыкается и по ней идет ток. В соответствии с законом Джоуля-Ленца при протекании тока в проводниках выделяется теплота. Поскольку соприкосновение электродов вследствие неровностей их поверхностей осуществляется лишь в отдельных физических точках, сопротивление протеканию тока в них будет значительным, поэтому материал в точках контакта нагревается сильнее и быстрее, чем в остальных участках цепи. При высокой температуре электрода возникает явление так называемой термоэлектронной эмиссии - испускание электронов под действием теплового возбуждения. Если в этот момент разорвать контакт между электродами, то под действием электрического поля электроны, образовавшиеся вследствие термоэмиссии, начнут перемещаться к положительному электроду (аноду). Сталкиваясь с нейтральными молекулами газа или атомами в межэлектродном промежутке, электроны «раскалывают» их на ионы и новые электроны (рис. 2.1).

В результате этих и других более сложных и тонких процессов в межэлектродном промежутке образуется плазма ~ достаточно ионизированный и квазинейтральный газ, обладающий хорошей проводимостью тока. Следует отметить, что наряду с образованием ионов в межэлектродном промежутке наблюдается и обратная картина, т.е. образование нейтральных атомов и молекул за счет присоединения (поглощения) электронов. При этом происходит выделение энергии в виде фотонов, т.е. возникает излучение в виде света (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема ионизации молекул в дуговом промежутке:

М — молекула; А — атом; Ф — фотон; «-» электрон; « + » — ион

Каково же строение дуги? На рис. 2.2 показан схема дуги постоянного тока, горящей между электродом 1 (катод) и изделием 3 (анод). В межэлектродном (дуговом промежутке) находится электропроводный канал 2, называемый столбом дуги.

Газы столба достаточно ионизированы, ослепительно ярко светятся, имеют по его оси высокую температуру — порядка 10 000 °С. Наиболее ионизирована центральная часть столба.

Столб окружен пламенем, или ореолом, с меньшей температурой, образуемым парами и газами, поступающими из столба дуги и взаимодействующими химически с окружающей атмосферой.

Основаниями столба дуги являются расположенные на электродах ярко светящиеся катодное и анодное пятна (их называют активными), плотность тока в которых может составлять десятки тысяч ампер на квадратный сантиметр. На них происходит преобразование электрической энергии газового разряда в тепловую, нагревающую и расплавляющую металл и способную доводить его до кипения, превращать в пары.

Рис. 2.2. Схема строения сварочной дуги и распределение напряжения по ее длине

Расстояние от анодного до катодного пятна называется длиной дуги (/д). Длина дуги редко превышает 1—2 см, а диаметр столба дуги — и того меньше. Плазма дуги занимает небольшой объем — около 1 см3, который можно разделить на три области: две из них непосредственно прилегают к катодному и анодному пятну и имеют небольшую протяженность (/а, /к), сопоставимую с длиной свободного пробега. Третья область — собственно межэлектродный промежуток, заполненный ионизированным газом, Длина его /с близка к длине дуги /д. В каждой из областей происходят сложные явления.

В столбе дуги, являющемся основной ее частью, присутствуют наряду с заряженными частицами (ионами и электронами) и нейтральные частицы — атомы и молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды, и газов, окружающих дугу. Наличие в столбе дуги заряженных частиц, а также фотонов и квантов электромагнитной энергии придает ему необычные свойства, которые характерны только для четвертого или плазменного состояния вещества, — наряду с твердым, жидким и газообразным состояниями. В земных условиях мы редко сталкиваемся со свободно существующей плазмой (по некоторым представлениям это может быть, например, шаровая молния). Однако в целом во всей Вселенной примерно 99,9 % вещества находится в плазменном состоянии (звезды, туманности и т.д.).

Под действием электрических и магнитных полей, конвективных потоков, местных флуктуации давления, кулоновского взаимодействия между электронами и ионами частицы в столбе дуги перемещаются по сложным траекториям. Наиболее подвижны отрицательно заряженные частицы — электроны. Они могут приобретать высокие скорости перемещения и вступать во взаимодействие с ионами, молекулами и атомами, передавая им свою энергию. При каждом так называемом неупругом взаимодействии происходит возбуждение атома или молекулы, т.е. переход их в состояние с более высоким, энергетически неустойчивым уровнем. Самопроизвольно возвращаясь к нормальному состоянию, частицы излучают энергию в виде фотонов, что наряду с излучением фотонов в процессе объединения положительного иона с электроном (т.е. при образовании нейтральных атомов) и вызывает ослепительное свечение плазмы.

При сильном взаимодействии электрона с атомом последний получает такую большую энергию, которая достаточна для отрыва собственных электронов от ядра. Атом становится положительным ионом: однозарядным, если выбит один электрон, двухзарядным — если два, и т.д. Уровень энергии электрона, необходимой для ионизации какого-либо атома, выражают в электрон-вольтах (ЭВ) и называют потенциалом ионизации.

Различные элементы имеют различный потенциал ионизации. Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше потенциал ионизации. Так, цезий, самый тяжелый элемент из всех щелочных металлов, имеет наименьший потенциал ионизации 3,9 ЭВ, а самый легкий из инертных газов — гелий обладает наивысшим потенциалом ионизации — 24,5 ЭВ. Регулируя состав атмосферы столба дуги, можно, по-видимому, регулировать устойчивость и энергетические возможности дугового разряда, чем на практике и пользуются сварщики.

Для диссоциации различных молекул необходима также различная энергия. Так, например, молекула фтора диссоциирует при затрате энергии в 1,6 ЭБ, а углекислого газа — 9,7 ЭБ. Для сварщиков не безразличны эти цифры. Ведь от того, какие атомы и молекулы будут преобладать в атмосфере дуги, будут зависеть легкость возбуждения дуги, ее стабильность и другие характеристики.

Рис. 2.3. Зависимость напряжения на дуге от силы тока при различных длинах дуги (1, 2) и напряжениях на зажимах источника питания (3, 4)

Столб дуги, достаточно однородный по строению и свойствам, примыкает своими концами к электродам — аноду и катоду, через которые питается током от источника питания 4 (см. рис. 2.2). Приэлектродные области (анодная и катодная), т.е. зоны перехода от твердых или жидких проводников — электродов к газовому проводнику — столбу дуги, являются наиболее сложными областями дугового разряда. Протекание тока в пограничных областях носит необычный характер. Здесь наблюдаются очень высокие плотности тока и совершенно необычные напряженности электрического поля — в десятки тысяч вольт на сантиметр по сравнению с 20 — 30 В/см в столбе дуги. Именно в этих областях горячая плазма граничит со сравнительно холодной поверхностью электродов, нагретых до 2 — 3 тыс. °С. Весьма неопределенна и среда в переходных областях — неизвестно сколько в ней газа и какого он состава, сколько паров материала электродов и т.п. Несмотря на многочисленные работы, посвященные изучению приэлектродных областей, многое остается еще невыясненным, что объясняется трудностями исследований: высокими температурами, малой протяженностью приэлектродных областей (тысячные доли сантиметра), сложностью характера протекающих явлений. Упрощенно можно представить себе основные процессы, происходящие в приэлектродных областях.

В катодной области наблюдается интенсивное эмиссирование (выбрасывание) потока электронов с поверхности катода за счет нагрева его до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) и за счет локального действия электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Кроме этого, поверхность катода бомбардируется положительными ионами и фотонами, способными также выбивать электроны из атомов катода. В результате интенсивной эмиссии электронов с катода и соответствующей ионизации дугового промежутка и устанавливается устойчивый разряд — электрическая дуга.

В анодной области идут более простые процессы: за счет притяжения положительно заряженного анода электроны разгоняются и непрерывно бомбардируют его поверхность. В результате энергия электронов передается аноду, что приводит к интенсивному разогреву его поверхности до температуры, близкой к температуре кипения материала анода.

Известно, что падение напряжения на участке металлического проводника подчиняется закону Ома и может быть представлено в виде прямой.

Падение напряжения в дуге на различных ее участках, отнесенное к единице длины, неодинаково.

На рис, 2.2 представлено распределение падения напряжения в дуге. В прикатодной области на длине около 10^-5 см сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением напряжения ( ). В при-анодной области сосредоточено анодное падение напряжения ( ).

Таким образом, напряжение дуги может быть представлено суммой трех составляющих:

, (2.1)

где ( , , , — соответственно общее напряжение на дуге и падение напряжений: катодное, в столбе дуги и анодное. Количество тепла, выделяемое дугой в единицу времени ( ) может быть определено по зависимости

, (2.2)

где 0,24 — коэффициент перевода электротехнических единиц в тепловые; — ток дуги.

При сварке не все тепло, выделенное дугой, вводится в изделие. Часть тепла теряется в виде излучения в окружающую среду.

Количество тепла, введенное в изделие, учитывается эффективным коэффициентом полезного действия сварочной дуги п.. Величина эффективного КПД дуги зависит от многих факторов и колеблется в пределах от 0,5 до 0,9.

Для практического применения чрезвычайно важна так называемая статическая вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ), показывающая, как изменяется напряжение на дуге в зависимости от силы тока при заданной длине дуги.

На рис. 2.3 приведена такая зависимость для разных длин дуги (кривые 1 и 2). Удлинение дуги приводит к увеличению напряжения на ней ( ).

Вольт-амперная характеристика показывает, что дуга как вид газового разряда является нелинейным сопротивлением и не подчиняется закону Ома. Вольт-амперную характеристику можно разделить на три области. В первой области (до 100 А) с нарастанием тока резко падает напряжение на дуге (падающая характеристика). Во второй области (~ до 1000 А) наблюдается постоянство напряжения на дуге при значительном изменении тока. В третьей области (> 1000 А) вместе с нарастанием тока увеличивается и напряжение на дуге (возрастающая ВАХ). Причина такой сложной связи тока и напряжения дуги объясняется поведением заряженных частиц в столбе дуги, закономерности которого рассматриваются в теории дугового разряда.

Исходя из конкретных условий сварки назначаются определенные величины тока ( ) и напряжения ( ) на дуге. Для того, чтобы понять, как это делается, необходимо еще, кроме рассмотренной зависимости ВАХ, рассмотреть так называемую внешнюю характеристику (ВХ) источника питания Дуги.

В современной сварочной технике используют следующие источники питания (ИП) сварочной дуги: источники питания дуги переменным током — сварочные трансформаторы, источники питания дуги постоянным током — сварочные выпрямители и сварочные генераторы.

График зависимости между напряжением на зажимах ИП и током, отдаваемым ИП в цепь и называют внешней характеристикой источника питания. Различают крутопадающие (см. кривые 3 и 4 на рис. 2.3), пологопадающие, жесткие и возрастающие ВА.

Наиболее широко используются ИП с крутопадающими ВХ, чаще называемыми просто падающими ВХ. Если сварочная цепь будет разомкнута, то напряжение на зажимах ИП будет соответствовать так называемому напряжению холостого хода ( на рис. 2.3).