Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Он сопровождается образованием конуса жидкого металла на конце электрода. При этом средний размер капель а б е Рис. 2.44. Схемы перехода крупнокапельного переноса металла в струйный: а — малая плотность тока; б — средние значения плотности тока; в — плотность тока выше критпчсской (о„п', — диаметры электрода и столба дуги) монотонно уменьшается с увеличением тока примерно по гиперболической кривой.
При некотором значении силы тока, называемом критическим, которое при сварке на обратной полярности ниже, чем при сварке на прямой полярности, капельный перенос металла переходит практически в струйный (рис. 2.44). Охват дугой конца электрода (анода) способствует струйному переносу металла. г =И, (2.99) где коэффициент пропорциональности к = (1...5) 10 Н/А н — 7 2 -8 к с 3 10 Н/А — для сварки на постоянном токе соответственно прямой и обратной полярности. Электростатические силы возникают вследствие большого градиента потенциала (напряженности электрического поля Е) в переходных областях дуги, особенно у катода, где Е„может достн- 4 б гать 10 ...1О В!мм. В столбе дуги Е„к Е„, поэтому в нем создается разность давлений и течение газа от катода (или анода) в столб дуги становится подобным «электрическому ветру» с заряженного острия.
Разность давлений может быть оценена по формуле, аналогичной формуле (2.95) для магнитного давления: АР = Рк Рот = (Ек Ест) 80 2 2 л (2.! 00) — !2 где 80 = 8,85 10 А с/(В м) — электрическая постоянная. Давление Лр достигает значений 10...100 Па. Например, электрическое поле высокой напряженности может деформировать металл сварочной ванны, вытягивая его в виде конуса от катода к аноду при сварке на токе обратной полярности. При сварке в среде молекулярных газов (азота, углекислого газа) практически получить струйный перенос металла очень трудно. Это можно объяснить «стягиванием» пятна на поверхности капли (рис. 2.44, а) и увеличением степени сжатия сварочной дуги вследствие охлаждения ее при образовании «стержня» диссоциации, который в этих газах появляется при сравнительно низких температурах. реактивные силы давления паров обычно противодействуют начальному обрыву капли.
Если реактивные силы имеют взрывной характер, то они могут сильно затруднить переход к струйному переносу. При сварке на постоянном токе обратной полярности давление паров меньше, чем при сварке на постоянном токе прямой полярности (так как Св < Ск), и струйный перенос металла возникает при меньших токах. В.И. Дятлов определил реактивную силу истечения паров, действующую на каплю металла при сварке в среде СО2 проволокой Св08.
Оказалось, что так же, как и сила давления паров на сварочную ванну, она прямо пропорциональна квадрату сварочного тока Силы давления плазменных струй также могут сильно влиять на перенос металла в дуге. В некоторых случаях, например в Медугах, мощная катодная струя к изделию вызывает отраженную анодную струю, которая, как отмечалось выше, может охватывать катодную струю. Такая анодная струя затрудняет перенос металла, вызывая сдвиг капли металла в сторону или даже подъем ее над уровнем торца катода.
Это особенно заметно, если катодная струя не охватывает электрод (как на рис. 2.44, а), а стягивается в катодном пятне на его конце, как, например, при сварке в СО2. 2.8.2. Импульсное управление переносом металла в дуге Чтобы сделать перенос металла мелкокапельным или струйным, обычно требуются большие токи, особенно при сварке на токе прямой полярности. Электромагнитные силы пропорциональны квадрату тока, поэтому, подавая периодически кратковременные импульсы увеличенного тока 1ц » 4 (рис.
2.45), можно !ц !1(1) Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Рис. 2.45. Осциллограммы тока и напряжения на дуге при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом обеспечить мелкокапельный перенос металла порциями с частотой воздействия импульсов. При этом в несколько раз уменьшается нижний допустимый предел 1в сварочного тока.
Основными параметрами импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом помимо ранее упомянутых параметров сварки являются: амплитуда импульса Гц; длительности импульса (га), паузы (!ц) и цикла (гц = = г„+ !ц); частота импульсов ~= 1/1ц ток в промежутках между импульсами — базовый ток Тв. 2.9. Сварочные дуги переменного тока 2.9.1. Особенности дуги переменного тока По сравнению с дугой постоянного тока дуга переменного тока имеет следующие главные особенности. В конце каждого полупериода (т. е. через 0,01 с при частоте колебаний переменного тока 1'= 50 Гц) электрический ток в дуге меняет свое направление, а напряжение — полярность. Катод и анод «меняются местами», и дуга возбуждается вновь. Кривые тока и напряжения для дуги переменного тока не являются син— инусоидальными, Повторное возбуждение дуги облегчается остаточной термоэлектронной эмиссией электродов или остаточной ионизацией дугового промежутка. В каждом полупериоде существует пик зажигания У, > Пд.
Дуга повторно возбуждается, если соблюдается соотношение (! з!пу > ( м Угол ~1~ сдвига фаз между напряжением (.! и током ! источника питания зависит от сопротивления дуги, а также от индуктивного и активного сопротивлений цепи дуги. Фазу 9, при которой возбуждается дуга, можно найти из соот- ношения ~'з Ч/ = агсгйп — '. и ' (2.10! ) В свою очередь„импульсные параметры могут быть подобраны для каждой скоРости подачи проволоки так, что с квжд пульсом будет пеРеноситься только одна капля присадочного металла.
В результате можно получить хорошо управляе у д у без брызг во всех диапазонах тока, обеспечивающую проц сс формирования высококачественных швов в разных простра ве ых положениях Такое управление сварочным процессом на зывается синергетическим. Синергетическая импульсная сварка плавящимся электродом достаточно полно Реализуется при использовании инвертор источников питания, обеспечивающих управление длительностями импульса и паузы в интервале от 1 мс до 5 с при частоте пульсаций до 300 Гц и выше. Импульсное управление переносом металла позволяет влиять также и на металлургию процесса, регулируя выгорание (окисление) отдельных элементов. 114 115 Поскольку амплитуда напряжения источников питания Ц„ограничена (по соображениям безопасности), уменьшать у можно только путем снижения пика зажигания (7,.
Дуга переменного тока может гореть не весь полупериод, а только часть его. Время перерыва в горении дуги обычно тем больше, чем меньше время существования остаточной термоэмиссии электронов, чем быстрее происходит распад плазмы столба дуги„чем длиннее дуга и чем хуже динамические свойства источника питания.
2.9.2. Веитильный эффект В связи с изменяющимися условиями существования дуги переменного тока на электродах (различие в работе выхода электронов ср1 и ф2, разные температуры Тпл и Т»„п, разные формы электродов и разный теплоотвод от них) возможна асимметрия токов и и,, в 'я А В этом случае стационарная термоэлектронная эмиссия с %-квола и его остаточная эмиссия значительно больше, чем с «холодного» А1-катода по следующим основным причинам: 1) темпеРатУРа плавлениЯ вольфРама (Тп, = 4000 К) значи- % тельно превышает температуру плавления алюминия ( ТА = 950 К); 2) катодное падение потенциала алюминия (7к значительно А1 больше, чем катодное падение потенциала вольфрама (1„; 3) теплоотвод в массивное алюминиевое изделие больше, чем в %-стержень. Вентильный эффект обычно ухудшает стабильность сварочного процесса, формирование шва, чистоту поверхности, прочностные свойства соединения.
Кроме того, постоянная составляющая А1 вредно сказывается на работе сварочных преобразователей энергии (трансформаторов) и уменьшает катодное распыление на алюминиевом изделии. Для уменьшения постоянной составляющей включают конденсаторы, аккумуляторы нли другие устройства, компенсирующие вентнльный эффект. б Рис. 2.46. Асимметрия токов н напряжений в дуге %-А1 (вентнльный эффект): а — схематнзнрояянняя осциллограмма; б — схема пнтання электрода прн смене полярности напряжений в разные полупериоды горения дуги — так называемый вентильный эффект (рис. 2.46).
Например, при аргонодуговой сварке алюминия вольфрамовым электродом относительная асимметрия токов А1 = 1н — 1А1 может достигать 50 % и более. 116 2.10. Сварочные дуги с плавящимся электродом Распределение энергии в сварочных дугах, их энергетическая структура определяются рядом факторов, главнейшие из которых следующие: 1) состав плазмы, размеры и условия стабилизации столба дуги; 2) материал, размеры и форма электродов (особенно катода). Кроме того, большое влияние на распределение энергии в сварочных дугах оказывает режим сварки: плотность тока, сила тока, полярность, наличие импульсов, их амплитуда и частота, динамические характеристики источника питания н т. и. Все эти факторы взаимосвязаны.
Основными технологическими применениями Ме-дуг являются сварка и резка плавящимся электродом. Ме-дугн используют при сварке электродами без покрытия и с покрытием, при сварке порошковыми электродами и проволоками, при сварке под флюсом и в защитных газах (С02, Аг, Не), а также при сварке в вакууме. Защитные среды для металлических дуг в большинстве случаев обеспечивают широкие возможности регулирования металлургических процессов при сварке. 117 2.10.1. Ручная дуговая сварка электродами с покрытиями Ручная сварка Ме-дугой ведется обычно электродами диаметром 2...6 мм на постоянном и переменном токах 100...300 А при 2 плотностях тока по сечению электродами < 20 А/мм в любом пространственном положении.
Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытиями), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему, состоящую из расплавленного металла и шлаковых пленок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыканиями. КПД дуги составляет около 75 %. Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги составляет примерно от 7 до 30 % общей мощности дуги (табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
