Изменение тока и напряжения в дуге переменного тока

Электрическая сварочная дуга

Основные сведения о сварочной дуге

 

Сварочная дуга представляет собой длительный электрический разряд, происходящий при атмосферном давлении в газовом промежутке между двумя электродами.


При всех основных и наиболее распространённых способах сварки обычно используется дуга прямого действия (рис. 1, а), горящая между электродами, из которых одним является стержень (металлический или угольный), а другим — свариваемый металл.


Дуга косвенного действия (рис1, б) образуется между двумя электродами (угольными или вольфрамовыми), расположенными под углом друг к другу. Эта дуга менее удобна для сварки и поэтому используется только при некоторых способах сварки, например при атомно-водородной сварке применяют дугу косвенного действия, горящую в атмосфере водорода между двумя вольфрамовыми электродами.


Схема дуги прямого действия постоянного тока, горящей между металлическим электродом 1 и свариваемым металлом 4, показана на рис. 1, а. Дуга состоит из столба 3, основание которого расположено в углублении (кратере) 7, образующемся на поверхности ванны 6 расплавленного металла. Столб дуги имеет цилиндрическую или слегка коническую форму. Верхняя часть столба соприкасается с сильно раскалённой поверхностью электрода / в области 8, называемой катодным пятном. Основание столба расположено на свариваемом металле и ограничивается областью 5, называемой анодным пятном При средних значениях сварочного тока (200—300 а) диаметр анодного пятна в 1,5 — 2 раза больше диаметра катодного пятна Катодное и анодное пятна ограничивают силовые линии тока, плотность которого в этих частях дуги велика и составляет:
с/лш8 при ручной сварке покрытым электродом ........... 18—20
при сварке под флюсом . . . . . . . 50—100
при сварке в защитной среде углекислого газа........... 75—300



 Схема электрической дуги

Вещество столба, так называемая плазма, состоит из раскалённых, сильно ионизированных газов. В столбе сосредоточено основное количество энергии дуги, поэтому в его осевой части расположена и зона наиболее высоких температур дуги, достигающих здесь значений от 5500 до 7800е. Чем выше плотность тока в дуге, тем выше температура её столба. Снаружи столб окружён ореолом пламени 2 из нагретых паров и газов, имеющих более низкую температуру.

 

Рассмотрим условия, необходимые для возбуждения и горения дуги.


Газы и пары в обычных условиях являются электрически нейтральными веществами и почти не проводят ток. Электрический ток начинает проходить через газ только при наличии в нем частиц, несущих электрические заряды: электронов, положительных ионов, отрицательных ионов. Такой газ называется ионизирован-н ы м. Чем больше количество электронов и ионов, движущихся в газе, тем выше степень ионизации и электропроводность газа. Эти электрически заряженные частицы вещества и являются переносчиками электрической энергии в среде газа.


Электроном называется материальная частица, несущая один отрицательный электрический заряд. Масса электрона ничтожно мала, она в 1840 раз меньше массы атома водорода — самого лёгкого элемента в природе. Ионом называется атом или молекула вещества, несущая только положительный (положительный ион) или отрицательный (отрицательный ион) заряды.


Рассмотрим схематически процесс ионизации газа электронами, движущимися в промежутке между электродом и металлом (рис. 1, в).


Атомы веществ состоят из положительно заряженного ядра и окружающей его оболочки из отрицательно заряженных электронов. При нормальном состоянии вещества отрицательные заряды всех электронов атома уравновешиваются положительным зарядом ядра и поэтому атом электрически нейтрален, а газ, состоящий из таких атомов и молекул, не проводит электрического тока.


Представим теперь, что с поверхности катода начинают вылетать свободные электроны (см. рис. 1, в). Это явление носит название эмиссии электронов*. Под действием электрического поля в катодной зоне движение электронов сильно ускоряется. При столкновении с нейтральными атомами газа электроны, обладая большой энергией движения, выбивают из оболочки более тяжёлого и поэтому менее подвижного атома один или несколько электронов.


Эти электроны уже со значительно меньшей скоростью движутся к положительно заряженному аноду под действием его электрического поля. Атом, потерявший с выбитыми из его оболочки электронами часть отрицательного электричества, становится положительным ионом, который устремляется к отрицательно заряженному катоду. При ударе о поверхность катода положительный ион выбивает из него электроны: часть из них он захватывает, превращаясь снова в нейтральный атом, а часть электронов через столб дуги устремляется к аноду. Отрицательные ионы образуются из нейтральных атомов при захватывании ими свободных электронов. Так как отрицательные ионы способны образовывать не все элементы, то в ионизированных газах отрицательных ионов содержится меньше, чем положительных.


Образование электрически заряженных частиц в среде газов и паров называется объёмной ионизацией. Ионизация возникает не только при соударении электронов с молекулами й атомами газа. Её могут вызывать также энергия светового излучения (особенно ультрафиолетовые лучи) или нагревание газов и паров до температуры 2000°. Ионизация газа под влиянием нагрева, вызывающего ускорение движения частиц газа и увеличивающего число их столкновений при высоких температурах, называется термической ионизацией*.


В дуге происходит также образование нейтральных атомов из положительных и отрицательных ионов или из положительных ионов и электронов. Эго явление носит название рекомбинации. Вследствие этого процессы образования и исчезновения заряженных частиц в газе при данной температуре взаимно уравновешиваются и степень ионизации нагретого газа остаётся постоянной при существующих условиях горения дуги.


Степенью ионизации называется отношение количества заряженных частиц в данном объёме к общему количеству частиц до момента ионизации. Если степень ионизации равна единице, то это означает, что все частицы газа в данном объёме имеют положительные или отрицательные электрические заряды. Чем ниже температура, при которой достигается данная степень ионизации газа или пара, тем легче в его среде возникает электрический дуговой разряд.


На рис. 2 показаны кривые зависимости степени термической ионизации атомов различных веществ от температуры. Из графика видно, что калий, натрий и кальций при температуре дуги обеспечивают достаточную степень ионизации. Поэтому присутствие паров этих веществ в столбе дуги облегчает возбуждение и повышает устойчивость горения дуги, вследствие чего указанные вещества всегда вводятся в составы различных электродных покрытий.

Рис. 1. Схема электрической дуги:
а — прямого действия, б ~ косвенного действия, / — электроды, 2— факел дуги, «? — столб дуги, 4 — свариваемый металл, 5 — анодное пятно, 6 — ванна расплав* ленного металла, 7 — кратер, 8 —- катодное пятно, в — схема процесса объёмной ионизации газа электронами —г),, — Э2 — быстрые электроны, А, А —нейтральные атомы газа, Э/—ь е длинные электроны, —И отрицательный, -f И — положительный ион

Рис. 2. Зависимость степени термической ионизации различных элементов от температуры при атмосферном давлении:
/—калий, 2 — натрий, 3 — кальций, 4 —марганец, 5 — железо, 6 — кремний,

7 — углерод, 8 — кислород, 9— азот


 Зависимость степени термической ионизации различных элементов от температуры при атмосферном давлении

Рис. 3. Схема возникновения дуги между металлическим электродом и металлом:
а — короткое замыкание, б — образование прослойки из жидкого металла, в— образование шейки, г—возникновение дуги, / — электрод, 2 — металл, 5 —дуга


 Схема возникновения дуги между металлическим электродом и металлом

Рис. 4. Статические характеристики дуги:
1 — длина дуги 2 мм\ 2—длина дуги 5 мм\ 3 и 4— для дуг различной длины при высоких плотностях тона

Сварочная дуга может питаться от источника постоянного или переменного тока. Дуга может питаться постоянным током прямой и обратной полярности. При прямой полярности минус источника тока подключают к электроду, а при обратной полярности — к свариваемому изделию. При сварке угольным электродом дуга легче возбуждается и устойчивее горит, если ток имеет прямую полярность. Ток обратной полярности применяют в тех случаях, когда нужно уменьшить выделение тепла на свариваемом изделии: при сварке тонкого или легкоплавкого металла, чувствительных к перегреву легированных, нержавеющих и высокоуглеродистых сталей и т. д., а также при пользовании некоторыми видами электродов (например, с покрытием УОНИ-13).


Для определения полярности цепи постоянного тока в стакане воды растворяют половину чайной ложки поваренной соли, опускают в раствор оба провода цепи и включают сварочный ток. Тот провод, около которого происходит интенсивное выделение пузырьков газа (водорода), будет отрицательным, а второй — положительным. Концы проводов на длине 1—2 см должны быть очищены от изоляции. Для определения полярности тока применяют также специальные полюс указатели.

 

На рис. 5 показаны кривые изменения напряжения и тока в Дуге переменного тока за один период. Так как в каждом полупериоде ток (ед) и напряжение дуги (iVU изменяются от нуля до максимальных значений, то за этот же промежуток времени уменьшается температура столба дуги и степень ионизации дугового промежутка. Вследствие этого для возбуждения дуги после прохождения тока через нулевое значение необходимо повышенное напряжение, равное U/заж, которое больше нормального напряжения дуги С/д.


Для повышения устойчивости горения дуги переменного тока в покрытия электродов и в сварочные флюсы вводят элементы с низким потенциалом ионизации: калий, натрий и кальций, которые облегчают возбуждение дуги после того, как ток уменьшается до нуля, и одновременно изменяет своё направление на противоположное.


 Статические характеристики дуги

Вокруг дуги и в свариваемом металле возникают магнитные поля. Если эти поля расположены относительно оси дуги несимметрично, то они могут отклонять дугу, являющуюся гибким проводником тока, что затрудняет сварку. Отклоняющее действие магнитных полей на сварочную дугу носит название магнитного дутья.


Сила магнитного поля пропорциональна квадрату тока, поэтому магнитное дутье особенно заметно при сварке постоянным током значительной величины (свыше 300—400 а). При сварке переменным током толсто покрытыми электродами и сварке под флюсом явление магнитного дутья сказывается значительно слабее, чем при постоянном токе и при применении голых или тонко покрытых электродов.


На величину магнитного дутья оказывает также влияние расположение железных (ферримагнитных) масс вблизи места сварки, место подвода тока к изделию, форма изделия, тип сварного соединения, наличие зазоров и другие причины. Для уменьшения отклоняющего действия магнитных полей на дугу следует вести сварку возможно более короткой дугой, подводить сварочный ток к изделию в точке, расположенной как можно ближе к месту сварки, а также изменять угол наклона электрода так, чтобы нижний конец электрода был обращён в сторону действия магнитного дутья.


На рис. 6 показано, как сказывается влияние места подвода тока к изделию на отклонение дуги.


Для уменьшения влияния больших ферримагнитных масс на свариваемое изделие укладывают массивную стальную плиту со стороны, противоположной направлению отклонения дуги.

Рис. 5. Изменение тока и напряжения в дуге переменного тока:
L — ток дуги, U — напряжение горения дуги,

U/заж— напряжение зажигания дуги

Риг 6. Влияние места подвода тока к изделию на отклонение дуги магнитным дутьём:
а — отклонение влево, б — нормальное положение дуги» е — отклонение вправо

Один провод от источника присоединяют к стальной плите, которую укладывают на расстоянии 200—250 мм от места сварки, постепенно перемещая её вдоль шва по мере продвижения дуги.

 

Плавление и перенос металла в дуге.

 

Электрическая дуга даёт яркий свет и выделяет значительное количество тепла, которое образуется вследствие превращения энергии движения частиц в тепловую энергию при столкновении их с анодом, катодом и друг с другом. Тепло, выделяясь на аноде и катоде, расплавляет свариваемый металл и конец электрода. В катодной и анодной зоне выделяется основное количество тепла дуги. В самой дуге выделяется меньшая часть тепла, расходуемого на испарение материала электрода и частично теряемого в окружающую среду.


Выделяя большое количество тепла и имея высокую температуру, электрическая дуга вместе с тем обеспечивает очень сосредоточенный нагрев металла. Поэтому металл во время сварки остаётся сравнительно мало нагретым уже на расстоянии нескольких сантиметров от сварочной дуги.


Под действием дуги металл расплавляется на некоторую глубину, обозначенную на рис. 1, а буквой h и называемую глубиной проплавления или проваром.


При сварке на постоянном токе угольным электродом количество выделяющегося на аноде тепла составляет около 42%, на катоде около 38% от общего количества тепла дуги. Остальные 20% тепла выделяются в столбе дуги. Наибольшее количество заряженных частиц выбрасывается катодом, поэтому анод подвергается более сильной бомбардировке частицами, благодаря чему на нем всегда выделяется большее количество тепла.


Температура дуги также различна и составляет при использовании угольных электродов для катода около 3200е, для анода около 3900°, при использовании стальных электродов—для катода около 2400е, для анода около 2600°. Полная тепловая мощность дуги q0 подсчитывается по формуле

q0 — 0,24/ • 6/д кал/сек, где / — сварочный ток, а; UA — напряжение дуги, в;
0,24 — коэффициент перевода электрических единиц в тепловые, кал/вт > сек.


Количество тепла, вводимое дугой в свариваемый металл в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги. Она меньше полной тепловой мощности Дуги и слагается из следующего: тепла, выделяющегося в пятне дуги на свариваемом металле; тепла, вводимого в металл за счёт теплообмена со столбом дуги и её пятном на свариваемом металле; тепла, вносимого в свариваемый металл с каплями расплавленного металла электрода, электродного покрытия и флюса. Эффективную тепловую мощность дуги q можно подсчитать по формуле
q = 0,24.£/д./.т] кал/сек.

Здесь буквой т] обозначен эффективный коэффициент полезного действия нагрева металла дугой. Коэффициент т\ равен;


при сварке открытой дугой металлическим электродом:
с тонким покрытием............0,50—0,60
с толстым покрытием.....0,70—0,85
при сварке под флюсом......0,80—0,92
при сварке угольным электродом . . 0,50—0,65
при сварке в среде аргона..........0,50—0,60


Тепловой режим сварки характеризуется количеством тепла, вводимого в металл на единицу длины шва. Эта величина называется погонной энергией сварки и выражается отношением — (кал/см), где v — скорость сварки, см/сек., V

Величиной погонной энергии характеризуют режим, назначаемый при сварке данного металла.

 

 

Из данных табл. 1 следует, что при автоматической сварке под флюсом наиболее полно используется тепловая мощность сварочной дуги. Электродный металл стекает в сварочную ванну в виде капель; при ручной дуговой сварке таким образом переносится до 90% электродного металла. Остальные 10% представляют собой брызги и пары, значительная часть которых теряется. Дуга расплавляет электрод с достаточно большой скоростью, так, например, электрод длиной 450 мм расплавляется за 1,5 — 2 мин.


Капля расплавленного металла собирается на конце электрода и принимает грушевидную форму. Затем у основания капли образуется тонкая шейка, в которой плотность тока резко увеличивается, металл разогревается, шейка делается тоньше, длиннее, и, наконец, капля касается сварочной ванны, на мгновение замыкая электрод и металл накоротко. Шейка рвётся, а давлением паров и газов капля отбрасывается % вперёд, по направлению к кратеру. Вслед за этим дуга возникает вновь, и процесс образования капли повторяется.


В секунду с электрода на металл переносится от 20 до 50 капель примерно одинакового размера. Наряду с крупными каплями электродный металл переносится на изделие также в виде потока мелких капель (струйный процесс переноса металла). Чем больше сварочный ток и чем толще слой покрытия на электроде, тем большая часть металла переносится в виде потока мелких капель. В электродах с тонким покрытием и при сварке на малых токах процесс переноса в основном крупнокапельный. Давлением газов дуги жидкий металл отбрасывается со дна ванночки на её боковую поверхность, что вызывает образование углублённого кратера.

 

Это происходит периодически, поэтому жидкий металл откладывается отдельными порциями, вследствие чего поверхность шва получается чешуйчатой. Чем толще покрытие" электрода, тем больше будет слой шлака над расплавленным металлом шва и тем чешуйки будут тоньше, а поверхность шва — более ровной и чистой. Особенно чистая поверхность шва получается при автоматической сварке под флюсом.

 

Количество электродного металла, расплавленного за определённое. время, можно определить по формуле
Gp = Kp*I*t где Gp — количество расплавленного металла электрода, г; Кр — коэффициент расплавления, г/а • час; I — величина сварочного тока, а; t — время горения дуги, час.


Из формулы следует, что количество расплавленного электродного металла определяется током и продолжительностью горения Дуги. Чем больше ток и чем длительнее горит дуга, тем большее количество металла будет расплавлено.

 

Коэффициентом расплавления /Ср называется количество расплавленного электродного металла в граммах в течение одного часа, приходящееся на один ампер сварочного тока. Коэффициент расплавления зависит от материала электродного стержня, состава покрытия, а также от рода и полярности тока. Для стальных электродов коэффициент расплавления колеблется в пределах от 8 до 14 г/а • час.

 

При сварке вследствие частичного окисления кислородом воздуха, испарения и разбрызгивания наблюдаются потери электродного жидкого металла. Поэтому в наплавленный металл шва переходит только часть электродного металла. Для подсчёта количества наплавленного металла нужно в приведённой выше формуле коэффициент расплавления /Ср заменить меньшей величиной /(н, называемой коэффициентом наплавки. Коэффициент наплавки /Сн меньше коэффициента расплавления Кр на величину потерь электродного металла при сварке, составляющих от 1 до 3 г/а • час. При сварке на переменном токе электродами с тонким меловым покрытием коэффициент наплавки. Кн — 6 7 г/а- час, а при сварке электродами с толстыми покрытиями Ки = 6,5 -f 12,5 г/а • час.


Пример: сварка производится толсто покрытыми электродами, током 300 а. Величина /<н = 11 г/я • час, За 1 час горения дуги сварщик может наплавить металла:
11 ■ 300 = 3300 г, или 3,3 кг.


Знать величину коэффициента наплавки очень важно для нормирования сварочных работ Обозначим через v — скорость сварки, см/час; F — площадь поперечного сечения шва, см Тогда скорость сварки можно подсчитать по формуле
где число 7,85 обозначает вес 1 см3 наплавленного металла (стали) в г.


Следовательно, скорость сварки будет тем выше, чем выше коэффициент наплавки Кн и чем больше ток /
Пример: Кн = 11 г/а • час; I — 300 a; F = 1,1 см2 Скорость сварки составит*
11 • 300
v 2=6 —ГТ = 382 см/час, или 3, 62 м/час. 7,85 • 1,1

Разные элементы обладают различными потенциалами ионизации. Потенциалом ионизации называется количество энергии, которое необходимо затратить для полного удаления одного электрона из оболочки атома данного вещества. Потенциал ионизации атомов калия примерно в 3,4 раза, натрия в 2,8 раза и кальция в 2,4 раза ниже, чем потенциал ионизации атомов азота и кислорода. Этим объясняется благоприятное действие калия, натрия и кальция на устойчивость горения дуги.


Ионизация газа и возникновение в нем мощного дугового разряда являются сложными физическими процессами, зависящими от многих факторов и условий. Исследованиями электрической сварочной дуги установлено, что выбрасывание (эмиссия) катодом свободных электронов происходит в результате следующих процессов:


1. Термоэлектронной эмиссии, вызываемой высокой температурой катода, при которой электроны способны отрываться от его поверхности.


2. Автоэлектронной эмиссии, вызываемой действием силового электрического поля, отрывающего электроны от поверхности катода.


3. Эмиссии от ‘ударов тяжёлых положительных ионов о поверхность катода.


4. Фотоэлектронной эмиссии, вызываемой действием световых лучей дуги на поверхность катода.


Эмиссия электронов катодом и объёмная ионизация газов являются основными источниками потоков заряженных частиц, обусловливающих устойчивое горение сварочной дуги.


Горение дуги


Процесс возникновения дуги при сварке протекает следующим образом: при касании концом электрода свариваемого металла происходит короткое замыкание сварочной цепи (рис. 3, а). Проходя через отдельные выступы, ток, имеющий в точках соприкосновения электрода с металлом очень высокую плотность, мгновенно расплавляет их, вследствие чего между электродом и металлом образуется тонкая прослойка из жидкого металла (рис. 3, б). В следующий момент сварщик несколько отводит электрод, отчего в жидком металле образуется шейка (рис. 3, е), где плотность тока и температура металла возрастают. Затем благодаря испарению расплавленного металла шейка разрывается и в ионизированном промежутке газов и паров между электродом и металлом образуется сварочная дуга (рис. 3, г).


Терма и автоэлектронная эмиссия электронов катодом создаёт условия для дальнейшего устойчивого горения дуги при токе и напряжении сварочной цепи.

Напряжение дуги, т. е. напряжение между электродом и свариваемым металлом, зависит в основном от её длины. Чем короче дуга, тем ниже напряжение, хотя ток в дуге может остаться неизменным. Это обусловлено тем, что при длинной дуге сопротивление газового промежутка будет больше. Как известно из электротехники, чем выше сопротивление, тем выше должно быть напряжение для того, чтобы обеспечить прохождение того же тока в цепи. Общее падение напряжения в дуге (£/д) складывается из падения напряжения в катодной зоне (£/к), в столбе дуги (£/ст) и в анодной зоне ((Уа), т. е.


Приближённо напряжение устойчиво горящей дуги выражается следующей формулой:
где UА — напряжение дуги, в;


а — постоянный коэффициент, выражающий сумму падений напряжения на катоде и аноде дуги, не зависящий от длины дуги;

b — среднее падение напряжения на единицу длины дуги; L — длина дуги, мм. Для стальных электродов можно в среднем принять а = 10 и b = 2в/мм. Тогда напряжение дуги длиной L — 4 мм составит:
С/д = 10 + 2. 18 е.


На абсолютную величину напряжения дуги могут также влиять состав электрода и свариваемого металла, состав и давление окружающей дугу газовой среды (воздуха, аргона, гелия, углекислого газа) и другие факторы.


Дуга при сварке металлическим электродом горит устойчиво при напряжении 18—28 в, а при сварке угольным или графитовым— при напряжении 30—35 в. Для возбуждения дуги требуется более высокое напряжение, чем то, которое необходимо для поддержания её нормального горения. Это объясняется тем, что в начальный момент воздушный промежуток ещё недостаточно нагрет и необходимо придать электронам большую скорость для ионизации атомов газового промежутка, что можно достичь только при более высоком напряжении в момент зажигания дуги.


На рис. 4 показаны графики изменения напряжения и тока в дуге при её зажигании и устойчивом горении. Кривая, показывающая зависимость между напряжением и током в дуге, называется статической (или вольт-амперной) характеристикой дуги и соответствует установившемуся (стационарному) горению дуги. Точка А отмечает момент зажигания дуги. Затем напряжение дуги быстро падает до нормальной величины, соответствующей устойчивому горению дуги. Дальнейшее увеличение тока повышает нагрев электрода и скорость его плавления, но не сказывается на устойчивости горения дуги.


Падающую статическую характеристику (кривые / и 2 на рис. 4) имеет дуга при относительно небольшой плотности тока, используемой при ручной дуговой сварке или при автоматической сварке под флюсом на средних режимах. При более высоких плотностях тока (сварка под флюсом на большом токе, сварка проволокой малого диаметра в среде защитного газа) статическая характеристика дуги будет возрастающей, как это условно изображено на рис. 4 пунктирными линиями 3 и 4.

Устойчивой называется дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания. Если дуга горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, то такая дуга называется неустойчивой. Устойчивость дуги зависит от многих причин, основными из которых являются род тока, состав покрытия электродов, полярность и длина дуги.


Длина дуги равняется расстоянию между торцом электрода и поверхностью расплавленного металла свариваемого изделия. Обычно нормальная длина дуги не должна превышать 3—4 мм для стального электрода. Такая дуга называется короткой. Короткая дуга горит устойчиво и обеспечивает нормальное протекание процесса сварки. Для электродов диаметром 4—5 мм с покрытием ОММ-5 нормальная длина дуги равна 5—6 мм. Дуга, у которой длина больше 6 мм, называется длинной. Процесс плавления металла электрода при такой дуге протекает неравномерно.

 

Стекающие с конца электрода капли металла в этом случае в большей степени могут окисляться кислородом и обогащаться азотом воздуха. Наплавленный металл получается пористым, шов имеет неровную поверхность, а дуга горит неустойчиво. При длинной дуге понижается производительность, увеличивается разбрызгивание металла, чаще образуются места с не проваром и недостаточным сплавлением наплавленного металла с основным.