Электрическая сварочная дуга
Формы электрических разрядов в газах очень разнообразны; дуговой разряд есть высшей, самая развитой формой стационарного газового разряда. В обычных условиях при низких температурах все газы являются непроводниками электрического тока — изоляторами. Газ может проводить электрический ток только в том случае, если в газе появляются электрически заряженные частицы — ионы.
Процесс образования заряженных частиц именуется ионизацией, а газ, в котором показались заряженные частицы и что благодаря этого взял свойство проводить электрический ток, именуется ионизированным. На ионизацию газа смогут воздействовать разные факторы. Протекание тока через газ сопровождается ионизацией газа.
В этом случае проходящий через газ ток определяет степень ионизации газа и его электропроводность. В таких условиях электрическое сопротивление газа может иметь любую величину — от малых значений до больших, и наряду с этим отсутствует определенная зависимость между напряжением, подведенным к газовому промежутку, и появляющимся электрическим током. Исходя из этого, к примеру, для дугового разряда не имеет смысла вопрос, какой ток будет в разряде при данном напряжении, поскольку ток может иметь самые разные значения, в зависимости от параметров питающей цепи.
Источниками заряженных частиц в газах могут служить сами молекулы газа, каковые при подведении достаточных количеств энергии смогут образовывать электрически заряженные частицы, т. е. ионизироваться. Такая ионизация возможно названа ионизацией в количестве, либо объемной ионизацией. Источником заряженных частиц смогут кроме этого помогать жёсткие либо жидкие тела, соприкасающиеся с газовым количеством, в котором происходит разряд.
Особенно серьёзна в этом отношении роль отрицательного электрода — катода, что довольно часто является мощным источником свободных электронов в разряде.
Дуговой разряд появляется в газе при достаточной силе тока в цепи. Появившийся разряд концентрируется и стягивается в некотором роде, отвечающим минимуму мощности для данной силы тока, четко отграничивается от внешней среды и протекает при высоких плотностях тока.
На рис. 1 схематически изображен дуговой разряд с угольным катодом при атмосферном давлении, питаемый постоянным током. Между отрицательным электродом — катодом и положительным — анодом расположена наиболее неотъемлемая часть дугового разряда — хороший столб, либо легко столб дугового разряда, имеющий в большинстве случаев коническую либо сферическую форму. Газ столба ослепительно ярко светится и имеет весьма большую температуру, порядка 6000 °С.
Столб окружен пламенем либо ореолом дуги, имеющим большие размеры. Пламя образуется газами и парами, поступающими из столба дуги, химически взаимодействующими с окружающей воздухом и неспешно охлаждающимися по мере удаления от оси столба. Газ столба очень сильно ионизирован.
Главным причиной, вызывающим ионизацию, есть высокая температура газа, поддерживаемая притоком энергии из питающей электрической цепи. В пламени, окружающем столб, степень и температура ионизации скоро падают по мере удаления от оси столба. Ионизация происходит в основном по схеме: нейтральная газовая молекула + энергия ионизации = = хороший ион + вольный электрон.
Степень ионизации газа столба довольно большая. Очень сильно ионизированный газ столба, довольно часто именуемый плазмой, владеет особенными особенностями; его электропроводность приближается к электропроводности металлов. Основаниями столба помогают быстро ограниченные области на поверхности электродов — электродные пятна.
В дуге постоянного тока различают катодное и анодное пятна. Плотность тока в пятнах может составлять десятки тысяч ампер на 1 см2. Электродные пятна выделяются ослепительной яркостью, существенно превышающей яркость столба.
В узком слое у поверхности пятен проходят процессы, которые связаны с нейтрализацией и образованием заряженных частиц, обусловленные переходом электрического тока из материалов электрода в газовый промежуток и напротив. Происходит преобразование громадного количества электроэнергии разряда в тепловую энергию, нагревающую и расплавляющую главный металл. Удельная мощность, освобождаемая разрядом на поверхности пятен, довольно большая и может быть около десятков киловатт на 1 см2.
Рис. 1. Схема дугового разряда: 1 — катодное пятно; 2 — столб дуги; 3 — анодное пятно; 4 — пламя (ореол) дуги
Электрические параметры сварочных дуг смогут изменяться в широких пределах. В самая важной для практики дуге прямого действия используются токи 1—3000 а при напряжении дуги 10—50 в. Мощность дуги может изменяться от 0,01 до 150 кет, т. е. в 15 000 раз. Таковой широкий диапазон мощностей разрешает использовать дуги для сварки металлов от самых малых до больших толщин, от небольших подробностей до самых громадных и тяжелых изделий, сооружений и конструкций.
Катод разряда эмиттирует в количество столба много свободных электронов. Освобождение, либо эмиссия, электронов на катоде может вызываться нагревом катода, причем плотность эмиссионного тока скоро растет с увеличением температуры катода, и для материалов катода, имеющих кипения и высокие температуры плавления (уголь, вольфрам), электронная эмиссия нагретого катода, либо термоэлектронная эмиссия, может быть около высоких значений.
Для металлических и бронзовых катодов термоэлектронная эмиссия имеет меньшее значение, а для катодов из цинка, ртути и т. п. термоэлектронной эмиссией возможно пренебречь. В последнем случае важное значение приобретает эмиссия холодного катода, либо автоэлектронная эмиссия, создаваемая возникновением электрического поля высокой напряженности, порядка 10е в/см и выше, в узком слое у поверхности катода.
На электронную эмиссию затрачивается энергия, и катод охлаждается. В следствии бомбардировки хорошими ионами поверхности катода неспециализированный баланс энергии на катоде хорош и катод приобретает большое количество энергии, нагревающей, плавящей и испаряющей материал катода. В столбе дуги процессы ионизации протекают в основном за счет большой температуры газа.
В следствии сложных процессов в газе столба, нейтрализации и возникновения заряженных частиц устанавливается подвижное равновесие, характеризующееся тем, что в любом не через чур малом количестве столба алгебраическая сумма зарядов заряженных частиц равна нулю. Исходя из этого очень сильно ионизированный газ, либо плазма, столба дуги ведет себя по отношению к окружающему пространству как нейтральный газ.
Анод дугового разряда бомбардируется электронами, поступающими из столба дуги. Электрон, падающий на анод, попадает в его количество и в свободном виде больше не существует; на поверхности анода электрон отдает потенциальную энергию, соответствующую работе выхода анодной поверхности, и кинетическую энергию, купленную в области анодного падения. В ходе электронной бомбардировки аноду сообщается большое количество энергии и он интенсивно разогревается.
Общее число освобождающейся энергии на аноде в большинстве случаев больше, чем на катоде, но вероятно и время от времени отмечается в сварочных дугах и обратное соотношение.
Наибольшая температура отмечается в осевой части столба дуги; в обычной сварочной дуге она достигает 6000° С. На поверхностях электродов в области электродных пятен температура в большинстве случаев близка к температуре кипения материала электродов. Напряжение дуги, т. е. напряжение между финишами ее электродов, есть сложной функцией силы тока и длины дуги в ней, и значительно зависит от размеров и материала электродов, давления и состава газа и т. д. Умелая связь напряжения между тока и дуги и ее длины представлена на рис. 2, а. Подобные кривые именуются чертями дуги, причем они относятся к установившемуся стационарному состоянию дуги, из-за чего и именуются статическими чертями.
Рис. 2. Черта дуги
Приведенные характеристики и соотношения относятся к сварочным дугам с постоянной плотностью тока в электродных пятнах, в то время, когда площадь пятна меньше площади торцовой поверхности электрода. За последние годы в связи с развитием автоматической дуговой сварки стало возмможно осуществить режимы, при которых торцовая поверхность электрода уже недостаточна для размещения электродного пятна с обычной плотностью тока. При таких условиях плотность тока на электроде изменяется с трансформацией сварочного тока.
Рис. 3. Черта дуги
—-
Виды сварочных дуг. Источником теплоты при дуговой сварке есть сварочная дуга — устойчивый электрический разряд в очень сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, применяемых при сварке, и характеризуемый высокой высокой температурой и плотностью тока.
В зависимости от способов включения и числа электродов электродов и свариваемой подробности в электрическую цепь различают следующие виды сварочных дуг: – прямого действия, в то время, когда дуга горит между изделием и электродом; – косвенного действия, в то время, когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь; – трехфазная дуга, возбуждаемая между двумя электродами, и между основным металлом и каждым электродом.
По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При применении постоянного тока различают сварку на обратной полярности и прямой. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу и является катодом, а изделие — к хорошему полюсу и является анодом; во втором случав электрод подключается к хорошему полюсу и является анодом, а изделие — к отрицательному и. является катодом.
В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными либо вольфрамовыми) и плавящимися железными электродами.
Рис. 4. Виды сварочных дуг: а — прямого, 6 — косвенного, в — комбинированного действия (трехфазная)
Сварочная дуга владеет рядом физических и технологических особенностей, от которых зависит эффективность применения дуги для сварки. К физическим особенностям относятся электрические, электромагнитные, кинетические, температурные, световые.
К фундаментальным технологическим особенностям относятся: мощность дуги, пространственная устойчивость, авторегулирование.
Электрические особенности дуги. Для поддержания и образования горения дуги нужно иметь в пространстве между электродами электрически заряженные частицы — электроны, хорошие и отрицательные ионы. Процесс образования ионов и электронов именуется ионизацией, а газ, содержащий ионы и электроны, ионизированными.
Ионизация дугового промежутка происходит на протяжении зажигания дуги и непрерывно поддерживается в ходе ее горения.
Рис. 5. Схема сварочной падения и дуги напряжения в ней: 1 — электрод, 2 — изделие, 3 — анодное пятно, 4 – анодная область дуги, 5 — столб дуги, в — катодная область дуги, 7 — катодное пятно
Тепловая мощность дуги. Главной чёртом сварочной дуги как источника энергии для сварки есть действенная тепловая мощность qa. Действенная тепловая мощность источника сварочного нагрева — это количество теплоты, введенное в металл за единицу, времени и затраченное на его нагрев.
Действенная тепловая мощность есть частью неспециализированной тепловой мощности дуги q, поскольку некое количество тепла дуги непроизводительно расходуется на теплоотвод в металле, излучение, нагрев капель при разбрызгивании.
Отношение действенной тепловой мощности к полной тепловой мощности источника теплоты именуется действенным коэффициентом нужного действия (к. п. д.).
Значение может изменяться от 0,3 до 0,95 и для разных видов сварки ориентировочно образовывает: открытая угольная дуга — 0,5—0,65; дуга в аргоне — 0,5—0,6; сварка штучными покрытыми электродами — 0,7—0,85; сварка под флюсом — 0,85—0,93.
Количество тепла,.вводимое в металл источником нагрева и отнесенное к единице длины шва, именуется погонной энергией сварки. Погонная энергия равна отношению действенной мощности источника тепла (дуги) qa к скорости перемещения дуги.
При образовании сварного шва действенная тепловая мощность дуги расходуется на расплавление главного и присадочного металла.
Сжатая дуга. Особенным видом сварочной дуги есть сжатая дуга — дуга, столб которой сжат посредством сопла плазменной горелки либо потока газов (аргона, азота и др.). Плазма — это газ, складывающийся из положительно и отрицательно заряженных частиц, неспециализированный заряд которых равен нулю.
Плазма генерируется в канале сопла, обжимается и стабилизируется его водоохлаждаемыми холодным и стенками плазмообра-зующим газом. охлаждение и Обжатие наружной поверхности столба дуги вызывает его концентрацию, что ведет к резкому повышению числа соударений между частицами плазмы, резкому степени повышению и увеличению ионизации температуры столба дуги (до 10 000—20 000 К) и кинетической энергии плазмы, которая употребляется для резки и сварки. Устройство для направленного потока плазмы, движущегося с громадной скоростью’ и владеющего громадным запасом энергии, именуется плазмотроном либо плазменной горелкой.
Рис. 6. Схемы сварки плазменной ду.гой (а) и плазменной струей (б, в): 1 — электрод, 2 — канал, 3 — охлаждающая вода, 4 — столб дуги, 5 — сопло, в — плазменная струя, 7 — изделие, И — источник тока, I — протяженность рабочей части канала
Имеется пара схем устройств для получения плазменных струй и дуг: – для получения плазменной дуги, в то время, когда канал и сопло совмещены, плазменная струя сходится со столбом дуги, одним из электродов есть обрабатываемый материал (рис. 6, а); – для получения плазменной струи, выделенной из столба дуги при раздельных сопле и канале (рис. 6, б);– то же, но с совмещенными каналом и соплом (рис.
6, б).
Плазменная струя создается дуговым разрядом, возбуждаемым между вторым электродом и электродом, в качестве которого может служить изделие, раздельное сопло либо стены канала.
