Свойства сварочной дуги и требования к источнику питания

Свойства   сварочной  дуги   и   требования к   источнику  питания

Общие сведения. Для плавления металлов используется энергия электрического дугового разряда, возбуждаемого и поддерживаемого в пространстве между элек­тродом и изделием. Свойства и размеры шва зависят от физических условий, в ко­торых существует дуговой разряд, и от свойств источника питания, для кото­рого дуга является нагрузкой.

Проводимость дугового промежутка зависит как от расстояния между изде­лием и электродом, так и от параметров, определяющих физические условия существования дугового разряда — химического состава свариваемого изделия, электродной проволоки и газовой среды, давления и др. Изделия могут отличаться по конструкции и геометрическим размерам. Сварной шов может занимать различное пространственное положение. Для качества шва имеет значение не только количество энергии, поступающее от источника питания в зону сварки, но и закон поступления энергии во времени. Наличие электрического поля между изделием и электродом является необходимым, но не достаточным условием для возникновения дугового разряда. Для возникновения дугового разряда необ­ходимо, чтобы в электрическом поле имелись свободные электроны, которые, дви­гаясь упорядоченно под воздействием сил электрического поля, создавали усло­вия для ионизации газа в промежутке между изделием и электродом. Свободные Электроны создают искусственно, возбуждая (зажигая) дугу.

Исходя из конкретных условий, связанных со свойствами свариваемых метал­лов и конструкции изделий, с требованиями к качеству сварного шва, со сте­пенью автоматизации процесса сварки, применяют тот или иной способ сварки И тот или иной источник переменного или постоянного тока, обладающий свой­ствами, удовлетворяющими требованиям технологии процесса дуговой сварки. Эта свойства называют технологическими свойствами источника питания.

В процессе сварки в энергетической системе, которую представляют источ­ник питания — сварочная дуга — шов, возникают возмущения, которые при­водят к нарушению равновесия в системе и вызывают изменения энергетических параметров системы — напряжения на дуге и тока в сварочном контуре, что Отражается на содержании легирующих элементов в шве и на его параметрах. Причинами возникающих возмущений чаще всего являются изменения длины дуги, изменения напряжения сети, скорости подачи электродной проволоки и Т. д. Возмущения могут вызываться и изменениями физико-химических явлений, Происходящих в дуговом промежутке. При возмущениях изменяется электриче­ская проводимость пространства между изделием и электродом, что вызывает в системе источник питания — сварочная дуга переходные процессы, так как нарушается установившийся режим работы системы. Во время переходных про­цессов в системе источник питания — дуга энергия электрического поля преобразуется в энергию магнитного поля, а также происходят обратные преобразования энергий; часть энергии теряется на тепловые процессы. Характер переходных про­цессов и скорость их протекания зависят от свойств источника питания и усло­вий, в которых горит дуга.

В современной сварочной технике применяют следующие источники питания сварочной дуги: источники питания дуги переменным током — сварочные транс­форматоры общепромышленного назначения и специализированные установки переменного тока для сварки изделий из легких сплавов, алюминия, магния и др., источники питания дуги постоянным током — сварочные выпрямители и сварочные генераторы общепромышленного назначения и специализированные сварочные выпрямительные установки.

Физические явления, протекающие в областях сварочной дуги. Пространство между изделием и электродом, заполненное ионизированным газом, является анизотропной средой, которая как в осевом, так и в радиальном направлениях из-за сложных физико-химических явлений, происходящих при сварке, имеет различные свойства — напряженность электрического поля, температуру, про­водимость и т. д. Дуговой разряд относится к устойчивым электрическим разря­дам, который может существовать длительное время, пока эти условия не будут нарушены каким-либо возмущением. В осевом направлении в дуге различают: столб дуги, центральную часть длиной порядка десятых долей сантиметра и приэлектродные области длиной порядка 10^-5—10^{-3 см. Столб дуги — это иони­зированный газ, содержащий нейтральные молекулы и атомы газов и паров, сво­бодные электроны и положительные ионы, возникающие при ионизации нейтраль­ных частиц. В пространстве между электродом и изделием, как известно, имеется хаотическое тепловое движение заряженных частиц. Кроме того, свободные элек­троны и положительные ионы (число отрицательных ионов в обычных условиях сварки ничтожно мало) под действием сил электрического поля движутся упоря­доченно. Свободные электроны с большой скоростью перемещаются к аноду, а положительные ионы, движущиеся значительно медленнее, вследствие большой массы — к катоду. При прямой полярности при сварке плавящимся электродом изделие соединяют с «плюсом» источника питания постоянного тока, а электрод или электродную проволоку — с «минусом». В этом случае изделие является анодом, а" электрод — катодом. При сварке в углекислом газе из-за сильного разбрызгивания металла плавящегося электрода используют обратную поляр­ность. Движущиеся упорядочение электроны и положительные ионы создают свои магнитные поля. В столбе дуги происходят соударения нейтральных частиц и частиц, несущих электрический заряд, что сопровождается ионизацией газа столба дуги. Степень ионизации составляет несколько процентов. Ионизирован­ный газ с такой степенью ионизации называется низкотемпературной плазмой. На оси столба температура порядка 5000—7000° С. При определенных условиях может быть и выше. Столб дуги квазинейтрален, так как концентрация отрица­тельно и положительно заряженных частиц в единице объема плазмы дуги оди­накова. Суммарный заряд единицы объема равен нулю. Плазма дуги не создает своего электрического поля.}

Компоненты смеси газов и паров пространства между изделием и электродом, имеющие более низкий потенциал ионизации, ионизируются в большей степени. С понижением температуры газа возрастает влияние той компоненты смеси, ко­торая обладает наиболее низким потенциалом ионизации — К, Са, Na и др. При горении дуги в столбе дуги наблюдается ступенчатая ионизация. Из-за малой плотности ионного тока энергией, которую передают положительные ионы ней­тральным частицам при столкновении, пренебрегают. Ток в сварочной дуге обус­ловлен в основном упорядоченным движением свободных электронов. Ток дуги — это ток проводимости. За положительное направление тока в дуге, как это при­нято в физике и электротехнике, принимают перемещение частиц, несущих поло­жительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Положи­тельное направление тока противоположно направлению свободных электронов, движущихся между изделием и торцом электродной проволоки под действием сил электрического поля Электрическая проводимость столба сварочной дуги высока, напряженность электрического поля в столбе дуги не высока и составляет 10—35 В/см. Падение напряжения в столбе дуги невелико. Мощность, выделяемая в столбе дуги, в основном (около 80%) рассеивается путем лучеиспускания в ок­ружающее пространство.

Области дуги, в которых температура столба дуги снижается до температуры расплавленного или нагретого металла, называют приэлектродными областями дуги. В них протекают процессы, резко отличающиеся от процессов в столбе дуги и трудно исследуемые не только теоретически, но и экспериментально.

Рекомендуемые материалы

Энергия, выделяющаяся в этих областях, расходуется на плавление металла изделия и плавящегося электрода или на плавление металла и нагрев вольфра­мового электрода. В приэлектродных областях скапливаются заряженные ча­стицы и возникают пространственные (объемные) заряды. В катодной области скапливаются положительные ионы, а в анодной — электроны. В связи с этим в приэлектродных областях создаются условия для резкого возрастания напря­женности электрического поля. Напряженность в приэлектродных областях порядка (1-2) 10⁶ В/см.

Свободные электроны зарождаются также и в столбе дуги при происходящей там термической ионизации газа. Причинами появления свободных электронов в катодной области являются термоэлектронная и автоэлектронная (электроста­тическая) эмиссии. Положительные ионы, пришедшие из плазмы столба, ударяясь о поверхность катода, нейтрализуются, отдавая катоду кинетическую энергию, приобретенную ими в электрическом поле столба дуги Ввод этой энергии через активное пятно вызывает увеличение скорости теплового движения нейтральных и заряженных частиц вещества катода. Температура катода повышается, возра­стает кинетическая энергия свободных электронов в металле катода. Энергия электрона становится больше энергии, требуемой для преодоления потенциаль­ного барьера, и электрон выходит из активного пятна на катоде в катодную об­ласть. Такого рода эмиссия называется термоэлектронной.

При горении дуги в катодной области возникает положительный объемный заряд. Растет напряженность электрического поля у катода и создаются условия для автоэлектронной эмиссии. Электрическое поле высокой напряженности "вы­рывает» свободные электроны из материала катода даже при невысокой темпера­туре катода, которая недостаточна для протекания термоэлектронной эмиссии. Эмиссия электронов как термоэлектронного, так и автоэлектронного происхожде­ния возникает в первую очередь с тех мест поверхности катода, где работа выхода электронов меньше. Эти места называют активными пятнами.

Активное пятно на катоде (катодное пятно) непрерывно перемещается (блу­ждает) по поверхности горца электродной проволоки и может возникнуть на ее боковой поверхности. Особенно беспокойно блуждает катодное пятно у плавя­щегося электрода (стальная проволока имеет Т_плавл, = 1539° С.

Перемещение катодного пятна вызывает пространственное изменение распо­ложения столба дуги, так как катодное пятно является основанием дуги. Если неплавящийся электрод (вольфрамовая проволока) имеет Т_плавл =3377° С, то при нормальном сварочном режиме проволока только нагревается, обеспечивая выход электронов в катодную область. У торца плавящегося электрода обра­зуются капли жидкого металла. Считают, что при сварке с плавящимся элек­тродом при прямой полярности решающее значение для возникновения и суще­ствования дугового разряда имеет автоэлектронная эмиссия. Если электрод плавится, кипит и испаряется, то возникают струи паров вещества катода (плаз­менные потоки), устремляющиеся в столб дуги и обогащающие его парами мате­риала электрода.

Падение напряжения и 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 анодной области при горении дуги создается отрицательный объемный заряд.

Электроны, поступающие из столба дуги в анодную область, нейтрализуются у поверхности анода, отдают энергию при воссоздании нейтральных атомов ве­щества анода и вызывают увеличение температуры анода. Кроме того, часть электронов задерживается в пространственном заряде. Так как максимальная температура анода не может превышать температуру кипения материала анода, которая меньше температуры столба дуги, то из столба происходит интенсивный теплоотвод в сторону анода. Энергия, отдаваемая аноду, состоит из 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 анодной области ионизация практически не происходит. Как показывают экспериментальные данные, анодное 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. Для дуг с плавящимся электродом, горящих в атмосфере воздуха, анодное падение напряжения равно 2,5±1 В. Мощность, выделяемая в анодной 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 при определенных фи­зических условиях, соответствует определен­ный график, строящийся по данным опыта. В приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов. Напряжение на дуге есть сумма падений напряжений в анодной и_а,

Рис. 1 Распределение потенциалов

              по длине дуги

катодной и_к областях, а также в столбе дуги и_ст. Для дуг с плавящимся электродом при нормальных режимах и_к>и_а,

и_а + и_к > и_ст

Статические     вольт-амперные    характе­ристики   (ВАХ)   дуги.    Проводимость   разрядного промежутка зависит от длины дуги и от физических условии, 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 Uд на дуге от сварочного тока I при постоянной длине l_д 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—с ростом тока напряжение умень­шается (рис. 2, а; дифференциальное сопротивление Rдиф < 0, угол β_д > 90^е); жесткая ВАХ — рост тока не вызывает изменения напряжения (рис. 2, б; диффе­ренциальное сопротивление R_ДИф = 0, угол β_д = 180°) и возрастающая ВАХ — рост тока вызывает увеличение напряжения (рис. 2, в; дифференциальное сопро­тивление Rдиф > 0, угол β_д < 90°). Вольт-амперные характеристики падающей формы имеют малоамперные 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 сопро­вождается 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.

Рекомендация для Вас - 8 Методика и техника оформления результатов исследования.

ВАХ жесткой формы имеют сварочные дуги при токах от 70—80 А и более при ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом (рис. 2, б) С ростом тока увеличивается поперечное сечение столба дуги, а проводимость столба дуги 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—500 А напряжение на дуге Uд = 20 + + 0,04I.

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 катодное пятно занимает всю площадь торца электродной проволоки и высокая напряженность электрического поля в катодной области обеспечивает условия
для автоэлектронной эмиссий. С ростом тока площадь катодного пятна остается неизменной. 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 и анодом, которые определяют величину U_пв повторного возбуж­дения дуги, так и от статических и динамических свойств источника питания. Если источник питания не обладает значительной индуктивностью, величина ко­торой зависит от конкретных физических условий, то устойчивое горение дуги невозможно.

На рис. 3 приведены осциллограммы вторичного синусоидального напряже­ния и₂ трансформатора, сварочного тока i₂  и напряжения на дуге и_д в функции времени. При проведении опыта для получения падающей внешней характери­стики источника в сварочный контур был включен резистор. Осциллограммы за­писаны электронным осциллографом в отрицательный и положительный полу­периоды Т. Ток i₂ и напряжение и_д несинусоидальны, так как нагрузкой для источ­ника является нелинейная проводящая среда между изделием и электродом. Максимумы и нулевые значения и₂ и i₂ во времени совпадают при отсутствии в свароч­ном контуре индуктивности. В отрицательный полупериод синусоидального на­пряжения, когда u₂ уменьшается по абсолютной величине и достигает значения U_у, дуговой разряд практически угасает. Напряжение u₂ становится недостаточным для создания между изделием и электродом напряженности электрического поля, необходимой для существования дугового разряда. Дуга угасает на время t_п.

В течение времени t_п осциллограмма фиксирует наличие тока, что указывает, что проводимость участка между изделием и электродом не равна нулю. В течение времени от t_y до t_e электрический разряд носит недуговой характер. В следующий полупериод и₂, когда синусоидальное напряжение возрастает и достигает значе­ния U_ПВ (при t_B), вновь создаются условия для существования дугового разряда и дуга повторно возбуждается.

Напряжение U_ПВ.повторного возбуждения дуги зависит от многих факторов и прежде всего от физико-химических свойств среды между изделием и электродом.

При u₂ = Uпв в дуговом промежутке обеспечивается напряженность элек­трического поля такой величины, при которой возможно интенсивное зарождение свободных электронов и восстановление условий для существования элек­трического дугового разряда. В течение времени t_п сварочный контур прак­тически разомкнут. На рис. 3 для большей наглядности величины i₂ в районе t = 0 сильно преувеличены. Ток i₂ при t = t_s составляет около 2% от действую­щего значения i₂. После повторного возбуждения дуги, начиная с t= t_B, ток i₂ и скорость его изменения резко возрастают. Время t_n перерыва в горении дуги уменьшают двумя способами: либо снижают напряжение U_пъ повторного возбу­ждения ду

ги, либо изменяют свойства источника питания. Величину U_пв можно снизить, вводя в парогазовую среду между изделием и электродом химические элементы с низкими потенциалами ионизации, уменьшая величину давления ниже атмосферного, увеличивая амплитудное значение и₂ и увеличивая частоту f на­пряжения и₂- Повторное возбуждение дуги облегчается применением специальных устройств — возбудителя дуги (осцилляторов) и импульсных стабилизаторов го­рения дуги переменного тока.