УП ФОИЭС (841336), страница 20
Текст из файла (страница 20)
2.49). Широко применяется постоянная скорость подачи электрода в дугу, обеспечивающая саморегулирование процесса.84Рис. 2.49. Внешние характеристики источника питания Uист(а); вольт-амперные характеристики дуги под флюсом Uд (б)В отличие от ручной дуговой сварки перенос металла в дуге под флюсом (рис.2.50) обычно мелкокапельный без коротких замыканий и пиков тока Iд и напряженияUд (рис. 2.50, б).
Размер капель тем мельче, чем больше плотность тока. Существенную роль имеет перенос электродного металла паром. Капли обычно пористые(плотность 2...5 г/см3 вместо 7,8 г/см3 для стали). Количество мелких капель достигает 60-70% их общего количества.Температура дуги 5000…7000 К. Присварке на переменном токе она колеблется в зависимости от изменения угла синусоиды ψ (рис. 2.51). Высокая устойчивостьпроцессапозволяетвподавляющем большинстве случаев применять переменный ток, что связано с большей простотой и экономичностью оборудования. Различный теплоотвод с электрода и изделия обусловливает некоторую асимметрию тока в дуге под флюсом.Рис.
2.50. Осциллограммы тока и наОднако вентильный эффект сравнительпряжения в дуге (показаны схематиче- но мал, и, как правило, специальных устски): а – при ручной дуговой сваркеройств для его устранения не требуется.с короткими замыканиями; б – присварке дугой под флюсом без коротких Сварка под флюсом отличаетсязамыканийвысоким КПД (рис. 2.52), ее легко автоматизировать и поэтому она широко применяется в промышленности.2.10.3. Металлические дуги в защитных газах и в вакуумеMe-дуга в защитных газах используется в основном для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей (СО2, смесь СО2+Ar, СО2+О2), а также алюминиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей (Аr, Ar+He) главным образом на постоянном токе обратной полярности при жесткой или пологопадающей характеристике источников питания.
Наибольшее применение ввиду своей экономичности получилпроцесс механизированной сварки тонкой проволокой в среде углекислого газа. Оснащение этих установок для механизированной сварки импульсными приставкамидля управляемого переноса существенно расширяет область их применения.85Me-дуга в вакууме (вакуумная дуга) горит обычно в парах металла электрода и применяется главным образомдля сварки на постоянном токе обратной полярности. Давление среды — от1 Па и ниже. Безусловно, дуга в вакуумеотличается по своим свойствам от дугипри атмосферном давлении. Плазмустолба дуги уже нельзя рассматриватькак термически равновесную, так какэлектронная температура больше температуры газа Те > Та.Рис. 2.51.
Зависимость температурыдуги под флюсом от фазы переменноготокаТермическая ионизация в столбе дуги снижается и ее роль компенсируется неупругими столкновениями.В вакуумной дуге увеличивается катодное падение напряжения до 18…20 В иуменьшается градиент напряжения в столбе дуги по сравнению с атмосферными дугами с 2…4 до 0,2…0,4 В/мм, т.
е. примерно в 10 раз (в воздухе Е = 1,5…2,0 В/мм; всреде СО2 Е =3…4 В/мм). Столб вакуумных дуг обычно длиннее, что позволяет применять более узкую разделку кромок стыка. Анодное падение напряжения меняетсямало.Рис. 2.52. Примерная диаграмма баланса энергии: а – угольная дуга I = 1000А, Uд = 40 В (по данным И.Д. Кулагина); б – открытая Ме-дуга: I = 200 А, Uд =25 В (по данным Н.Н. Рыкалина); в – Ме-дуги под флюсом: I = 1000 А, Uд = 36В,v = 24 м/ч (по данным И.В.
Кирхо)86Баланс энергии в вакуумной дуге (рис. 2.53), показывает, что частьэнергии на анод приносится непосредственно с катода. Вследствие интенсивного выделения теплоты на электроде-аноде коэффициент наплавки растет до 35-40 г/(А·ч).Это почти в 2 раза больше, чем при сварке под флюсом. Стоимость сварки в вакуумеоказывается в ряде случаев ниже, чем в контролируемой атмосфере, а качество швадостаточно высокое.2.11. Сварочные дуги с неплавящимся электродомВ качестве неплавящихся электродов для сварочных процессов применяютглавным образом вольфрамовые, значительно реже — угольные (графитовые) и охлаждаемые медные электроды. Наибольшее распространение получила сваркавольфрамовым (W) электродом в среде аргона, гелия и их смеси.Вольфрам, нагреваясь от дуги до температур, близких к температуре плавления, становится весьма восприимчивым к действию активных газов.
Поэтому в целяхэкономии электродов и для обеспечения стабилизации процесса обычно при сваркеW-электродом используют инертные газы с содержанием кислорода не более 0,001% объемной доли.Рис. 2.53. Баланс энергии вакуумной дуги «сталь-сталь»: I = 170 А,Uд = 26 В, v = 20 м/ч, dэ = 2,0 мм, lд = 20 мм, Е = 0,2 В/мм, αр = 40г/(А·ч)2.11.1. Аргонодуговая сварка W-электродомАргонодуговая сварка W-электродом широко применяется для сварки ответственных конструкций из коррозионно-стойких сталей, цветных металлов, алюминиевых и других сплавов.
Сварку обычно ведут на постоянном токе прямой полярности(исключая сварку алюминия), от источника с крутопадающей характеристикой.Как уже отмечалось, W-дуги могут быть с катодным пятном и без катодного пятна (так называемые нормальные дуги). Несмотря на различие механизмов катодногопроцесса (значительная доля электростатической эмиссии в дугах с катодным пят-87ном), статические характеристики и тепловые балансы обеих дуг весьма сходны.Нормальная дуга всегда может быть получена на полукруглом катоде из чистоговольфрама. При нагреве электрода дуга с катодным пятном может сама перейти внормальную термоэмиссионную дугу.Образованию пятна на катоде способствуют введение добавки тория, иттрияили лантана к вольфраму (обычно до 1…2%), лучший теплоотвод (меньший вылет)электрода и более острая заточка его рабочего конца. Поверхность торированного,иттрированного или лантанированного вольфрама, имеющего по сравнению с чистым W пониженную температуру, практически не оплавляется в широком диапазонетоков (100…400 А).
Коническая вершина электрода сохраняет свою форму, что обеспечивает сжатие дуги у катода.Дуга с пятном имеет несколько повышенное (примерно на 10%) напряжение (катодное и общее) и большую на 10-20%, температуру столба (рис. 2.54).Рис. 2.54. Изотермы W-дуги в аргоне для разных значений тока: а – длянормальной дуги; б – для дуги с катодным пятномТемпература катода в дуге с пятном ниже температуры поверхности электрода нормальной W-дуги, где катодное пятно занимает всю сферическую поверхность электродного стержня.2.11.2.
W-дуга в гелииПо теплофизическим свойствам гелий существенно отличается от аргона. Онимеет высокий потенциал ионизации (24,6 вместо 15,7 эВ) и в 10…15 раз большуютеплопроводность при температурах плазмы. Кроме того, он легче аргона примерно в10 раз. Достаточно высокая для существования дуги ионизация аргона при n ≈ 1017ионов/см3 наступает примерно при 16000 К, в то время как для гелия — при 25000 К.Все эти особенности существенно влияют на свойства W-дуги в гелии. Например, добавление к аргону гелия постепенно превращает конусную дугу в сферическую (рис.2.55, а).
Пинч-эффект в гелиевой плазме практически не имеет места до весьмабольших плотностей тока, так как значительная теплопроводность гелия дает низкийтемпературный градиент по радиусу столба и весьма высокое внутреннее давление р= nkT.Высокая средняя электрическая напряженность Е в плазме гелия, достигающая2 В/мм против 0,8-1,2 В/мм в аргоне, обусловливает высокое напряжение на дуге(рис. 2.55, б).88Вольт-амперные характеристики W-дуги в гелии и других инертных газах (аргоне, неоне, криптоне, ксеноне) представлены на рис.2.56.
Скачок характеристики длягелия при 150 А связан, видимо, с переходом от дуги в парах титанового анода к дугев ионизированном гелии.Рис.2.55. Изменение формы плазменного столба W-дуги (а) и напряженности электрического поля (б) в зависимости от состава смесиаргона и гелия (ток 100 А)2.11.3. Баланс энергии W-дугиУникальность W-дуги среди газовых разрядов обусловлена тем, что они могут гореть при напряжениях меньших, чем потенциал ионизации проводящего газа.Низкое напряжение ни в коем случаене обусловлено наличием в столбе металлических паров от электродов.
Эта дугапри Uд ≈ 9…11 В может гореть, например,в потоке аргона, имеющем потенциал ионизации 15,7 В и минимальный потенциалвозбуждения 11,5 В.В столбе дуги спектроскопически необнаруживается каких-либо металлических паров. Очевидно, в этом случае благодаря высокой температуре происходитинтенсивная термоионизация.Выше было показано, что при малыхмощностях значительная доля энергии (до40%) может выделяться на катоде и лишь Рис. 2.56. Вольт-амперные характеристики W-дуги в среде Не, Ne, Ar, Kr,20-30% — на аноде. Это связано с тем,Xe (анод титановый)что температура катода низка и на эмиссию требуется большая затрата мощностиисточника.89С увеличением тока доля катодной теплоты уменьшается обычно до 25% и даже до 8-12%, а анодной достигает 80-85% общей мощности дуги.Расход W-электрода при сварке может значительно увеличиться при слишком большом токе или подключении его на обратную полярность, а также при недостаточнойзащите eго инертным газом или возбуждении дуги касанием.
Допускаемые плотноститока для W-электродов выше на постоянном токе прямой полярности (20…30 А/мм2),примерно в 2 раза ниже на переменном токе и еще ниже (в 3…8 раз) — при сварке напостоянном токе обратной полярности.Для электродов в гелии допустима меньшая плотность тока, так как температура гелиевой плазмы выше, чем плазмы аргона и теплопередача на катод больше. Сувеличением диаметра W-электродов допустимая плотность тока уменьшается примерно в обратной пропорциональности.2.11.4.
Дуга с полым неплавящимся катодом в вакуумеДуговой разряд с полым катодом (ДРПК) в вакууме применяется для сваркиответственных изделий из химически-активных металлов и сплавов. Сварка ведетсяна прямой полярности, от источника с крутопадающей внешней характеристикой.Процесс сварки осуществляется стабильно в диапазоне давления в камере от 1 до1⋅10-2 Па при подаче через полость катода аргона 1-2 мг/c (2-4 л/ч). Согласно классификации дуговых режимов работы ДРПК, используемый для сварочных процессов(рис 2.57), относится к так называемому нормальному режиму (I ≥ 10 А, подача аргона через полость катода G ≥ 0,05 мг/с, давление в камере pк ≤ 10 Па).Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
