Основные сведения о дуге
Дугой называется длительный электрический разряд между двумя электродами в ионизированной смеси газов и паров, характеризующийся высокой плотностью тока и малым напряжением. Дуга состоит из трех основных частей — анодной 6 и катодной 8 областей и столба 7 (рис. 2.1). В процессе горения дуги на поверхностях электрода и основного металла образуются активные пятна, через которые проходит весь ток дуги. Активное пятно, находящееся на катоде, называется катодным, находящееся на аноде, — анодным. Под электрическим разрядом понимают прохождение тока через газовую среду. Различают дуговой, искровой, коронный и тлеющий электрические разряды. При сварке используют дуговой разряд, представляющий собой устойчивый электрик ческий разряд в ионизированной атмосфере газа и паров металла. При недостаточной мощности источника тока происходит искровой — кратковременный электрический разряд. Коронный разряд образуется в сильно неоднородных электрических полях и проявляется в виде интенсивного свечения ионизированного газа. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях газа (например, в лампах дневного света).
Рис. 2.1. Электрическая дуга прямого действия: 1 — электрод, 2, 5 — катодное и анодное пятна, 3 — сварочная ванна, 4 — заготовка, 6, 8 — анодная и катодная области, 7 — столб дуги; Ua — анодное напряжение, Uk — катодное напряжение, Uд — напряжение дуги, Uc — напряжение столба, Lд — длина дуги Образование дуги начинается с ее зажигания, которое может осуществляться одним из двух способов: 1) электрод приближают к заготовке на расстояние 3...6 мм и в сварочную цепь на короткое время подключают источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор); после зажигания дуги цепи переключают на основной источник питания; 2) зажигание дуги осуществляется в три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку; отвод электрода на 3...6 мм; возникновение устойчивого электрического разряда. Второй способ является основным, а первый применяют только при сварке неплавящимся электродом. При коротком замыкании (рис. 2.2, а) плотность тока в точках контакта достигает больших значений и под действием выделяющейся теплоты металл в этих точках «мгновенно» расплавляется, образуя жидкую перемычку между основным металлом и электродом (рис. 2.2, б). При отводе электрода от поверхности металла жидкая перемычка сначала растягивается, а затем разрывается, после чего практически мгновенно начинается дуговой разряд через межэлектродный промежуток, заполненный ионизированными частицами паров металла, газа и электродного покрытия (рис. 2.2 в). Источником электронов для дугового разряда является металл катодного пятна, нагретый до температуры ≈2400 °С. Под действием электрического поля начинается эмиссия электронов в столб дуги, где они, ионизируя нейтральные атомы, делают его электропроводным. Затраты энергии на эмиссию электронов составляют ~36 % от всей затраченной энергии. Падение напряжения Uк в катодной области достигает 10...16 В.
Рис. 2.2. Схема образования дуги: а — короткое замыкание, б — образование перемычки (шейки), в — возникновение цуги; 1 — металл, 2 — электрическая дуга, 3 — электрод, Lд — длина дуги (расстояние от торца электрода до поверхности сварочной ванны) Столб дуги представляет собой плазму, нагретую до 6000...8000 °С и состоящую из смеси электронов, нейтральных атомов, положительных и отрицательных ионов. Количество энергии, теряемой в столбе дуги на направленное перемещение электронов и ионизацию газов, ≈21 %. Падение напряжения Uс в столбе дуги составляет 2...12 В и возрастает с увеличением длины Lд дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации на поверхности заготовки свободных электронов. Температура в анодной области, составляющая ~2600 °С, несколько выше, чем в катодной, что объясняется большим количеством выделяемой энергии (~43%) в результате соударений свободных электронов с поверхностью анодного пятна. Так как поверхность анодного пятна вогнута и имеет большую площадь, чем катодного, падение анодного напряжения Ua относительно небольшое и составляет 6...8 В. Общее падение напряжения на электрической дуге представляет собой сумму падений напряжений в различных областях: Uд=Uк+Uс+Ua, (2.1) или Uд = (10...16) + (2...12) + (6...8) = 18.. .36 В. (2.2) Катодное и анодное падения напряжения зависят от материалов заготовки и электрода, свойств газовой среды и др., но для каждого данного процесса они вполне определенны. Падение напряжения в столбе дуги зависит от длины Lд дуги: чем короче дуга, тем оно ниже. Следовательно, общее падение напряжения Uд= a+bLд, (2.3) где а — постоянный коэффициент, равный Ua+Uк; b — падение напряжения на 1 мм длины дуги. При сварке неплавящимся электродом дуга горит устойчиво при Uд=30...35 В, плавящимся — при Uд = 18...28 В. Для возбуждения дуги при сварке металлическим электродом необходимо напряжение 30...50 В, называемое напряжением зажигания.
Рис. 2.3. Схемы крупнокапельного (а) и струйного (б) переноса электродного металла на заготовку при короткой дуге: dk — диаметр капля, dэ диаметр электрода Под действием теплоты сварочной дуги электрод плавится, а расплавленный металл в виде капель переходит в сварочную ванну на поверхности заготовки (рис. 2.3,а). За 1 с от электрода отделяется 20...50 капель металла примерно одинакового размера. Отрыв и перенос капель в дуге происходят под действием электромагнитных сил, сил тяжести, сил поверхностного натяжения и газовых потоков. При больших плотностях тока, например при сварке в защитных газах, капельный перенос металла может переходить в струйный (рис. 2.3,б), что способствует улучшению условий формирования шва. Э.С. Каракозов, Р.И. Мустафаев "Справочник молодого электросварщика". -М. 1992 См. также:
|