Зварювальний дуга характеризується виділенням великої кількості теплової енергії і сильним світловим ефектом. Вона є концентрованим джерелом тепла і застосовується для розплавлення основного і присадочного матеріалів.
Залежно від того, в якому середовищі відбувається дугового розряд, розрізняють:
- відкриту дугу, палаючу в повітрі, де складом газового середовища зони дуги є повітря з домішкою парів металу, що зварюється, матеріалу електрода і електродних покриттів;
- закриту дугу, палаючу під флюсом, де складом газового середовища зони дуги є пари основного металу, дроту і зашитого флюсу;
- дугу, палаючу в середовищі захисних газів - закриту дугу (до складу газового середовища зони дуги входять атмосфера захисного газу, пари розплавленого металу дроту і основного металу).
Зварювальний дуга класифікується за родом застосовуваного струму (постійний, змінний, трифазний) і по тривалості горіння (стаціонарна, імпульсна). При застосуванні постійного струму розрізняють дугу прямої і зворотної полярності. При прямій полярності негативний полюс силового ланцюга - катод - знаходиться на електроді, а позитивний полюс - анод - на основному металі. При зворотній полярності плюс на електроді, а мінус на виробі.
Залежно від типу застосовуваного електрода дуга може порушуватися між плавиться (металевим) і не плавиться (вугільним, вольфрамовим і ін.) Електродами. За принципом роботи дуги бувають прямого, непрямого і комбінованого дії (рис. 1).
Мал. 1. Електрична дуга. а - прямої дії, б - побічної дії, в - комбінованої дії
Мал. 2. Схема запалювання дугового розряду. а - прямим дотиком, б - чірканьем
Мал. 3. Схема розподілу падінь напруг в електричній дузі. 1 - виріб, 2 - стовп дуги, 3 - електрод
Дугою прямої дії називають дугового розряд, що відбувається між електродом і виробом. Непрямим дуга являє собою дугового розряд між двома електродами (атомно-воднева зварювання). Комбінована дуга - це поєднання дуги прямого і непрямого дії. Прикладом комбінованої дуги служить трифазна дуга, у якій дві дуги електрично пов'язують електроди з виробом, а третя горить між двома електродами, ізольованими один від одного.
Порушення дуги виробляють двома способами: дотиком, або чірканьем, сутність яких показана на рис. 2.
У зварювальної дузі дугового проміжок поділяється на три основні області: анодний, катодний і стовп дуги. У процесі горіння дуги на електроді і основному металі є активні плями, що представляють собою більш нагріті ділянки електрода і основного металу, через які проходить весь струм дуги. Активне пляма, що знаходиться на катоді, називається катодним, а пляма, що знаходиться на аноді, - анодним.
Загальна довжина зварювальної дуги (рис. 3) дорівнює сумі довжин всіх трьох областей:
де Lд - загальна довжина зварювальної дуги, см; Uк - довжина катодного області, рівна приблизно 10-5 см; Uс - довжина стовпа дуги, см; Uа- довжина анодної області, рівна приблизно - 10-3 ÷ 10-4 см.
Загальне напруження зварювальної дуги складається з суми падінь напруг в окремих областях дуги:
де Uд - загальне падіння напруги на дузі, В; Uк - падіння напруги в катодного області, В; Uс - падіння напруги в стовпі дуги, В; Uа - падіння напруги в анодному області, В.
Температура в стовпі зварювальної дуги коливається від 5000 до 12 000 К і залежить від складу газового середовища дуги, матеріалу, діаметра електрода і щільності струму. Температуру наближено можна визначити за формулою, запропонованою академіком АН УРСР К. К. Хреновим:
де Тст- температура стовпа дуги, К; Uдейств-действуюшие потенціал іонізації.
Статична вольт-амперна характеристика зварювальної дуги
Залежність напруги в зварювальній дузі від її довжини і величини зварювального струму, звану вольтамперної характеристикою зварювальної дуги, можна описати рівнянням
де а-сума падінь напруги на катоді і аноді (a = Uк + Ua); b -Питомий падіння напруги в газовому стовпі, віднесене до 1 мм довжини дуги (величина b залежить від газового складу стовпа дуги); Lд - довжина дуги, мм.
При малих і надвисоких величинах струму Uд залежить від величини зварювального струму.
Статична вольт-амперна характеристика зварювальної дуги показана на рис. 4. В області 1 збільшення струму до 80 А призводить до різкого падіння напруги дуги, яке обумовлюється тим, що при малопотужних дугах збільшення струму викликає збільшення площі перетину стовпа дуги, а також його електропровідності.
Форма статичної характеристики зварювальної дуги на цій ділянці падаюча. Зварювальний дуга, що має падаючу вольт-амперну характеристику, має малу стійкість. В області II (80-800 А) напруга дуги майже не змінюється, що пояснюється збільшенням перетину стовпа дуги і активних плям пропорційно зміні величини зварювального струму, тому щільність струму і падіння напруги в усіх ділянках дугового розряду зберігаються постійними. В цьому випадку статична характеристика зварювальної дуги жорстка. Така дуга широко застосовується в зварювальної техніки. При збільшенні зварювального струму понад 800 А (область III) напруга дуги знову зростає. Це пояснюється збільшенням щільності струму без зростання катодного плями, так як поверхня електрода вже виявляється недостатньою для розміщення катодного плями з нормальною щільністю струму. Дуга зі зростаючою характеристикою широко застосовується при зварюванні під флюсом і в захисних газах.
Мал. 4. Статична вольт-амперна характеристика зварювальної дуги
Мал. 5. Контакт торця електрода з виробом в момент короткого замикання
Процеси, що відбуваються в момент порушення зварювальної дуги
При короткому замиканні відбувається зіткнення торця електрода з виробом. Оскільки торець електрода має нерівну поверхню, контакт відбувається не по всій площині торця електрода (рис. 5). У точках контакту щільність струму досягає вельми великих величин і під дією виділився тепла в цих точках метал миттєво розплавляється.
У момент відведення електрода від виробу зона розплавленого металу - рідкий місток розтягується, перетин зменшується, а температура металу збільшується. При відведенні електрода від виробу рідкий місток металу розривається, відбувається швидке випаровування ( «вибух» металу). У цей момент розрядний проміжок заповнюється нагрітими иони-зірованним частинками парів металу, електродного покриття і повітря - виникає зварювальний дуга. Процес виникнення дуги триває всього частки секунди. Іонізація газів в дуговому проміжку в початковий момент виникає в результаті термоелектронної емісії з поверхні катода, внаслідок порушення структури в результаті різкого перегріву і розплавлення металу і електродного покриття.
Збільшення щільності електронного потоку відбувається також за рахунок оксидів і утворилися поверхневих шарів розплавлених флюсів або електродних покриттів, що знижують роботу виходу електронів. У момент розриву містка рідкого металу потенціал різко падає, що сприяє утворенню автоелектронної емісії. Падіння потенціалу дозволяє збільшувати щільність струму емісії, накопичувати електронам кінетичну енергію для непружних зіткнень з атомами металу і переводити їх в іонізоване стан, збільшуючи тим самим число електронів і, отже, провідність дугового проміжку. В результаті струм збільшується, а напруга падає. Це відбувається до певної межі, а потім починається стійкий стан дугового розряду - горіння дуги.
Катодна область. Процеси, які відбуваються в області катодного падіння напруги, грають важливу роль в зварювальних процесах. Область катодного, падіння напруги є джерелом первинних електронів, які підтримують гази дугового проміжку в збудженому іонізованому стані і переносять на собі в силу великої рухливості основну масу заряду. Відрив електронів з поверхні катода викликається в першу чергу термоелектронної і автоелектронної емісією. Енергія, що витрачається на виривання електронів з поверхні катода і наплавлення металу, в деякій мірі відшкодовується енергією з стовпа дуги за рахунок потоку позитивно заряджених іонів, які віддають на поверхні катода свою енергію іонізації. Процеси, що відбуваються в області катодного падіння напруги, можна уявити за такою схемою.
1. Електрони, випромінюючи з поверхні катода, отримують прискорення, необхідні для іонізації молекул і атомів газу. У деяких випадках катодного падіння напруги буває одно потенціалу іонізації газу. Величина катодного падіння напруги залежить від потенціалу іонізації газу і буває 10-16 В.
2. Внаслідок малої товщини катодного зони (близько 10-5 см) електрони і іони в ній рухаються без зіткнень і вона приблизно дорівнює вільному пробігу електрона. Значення товщини катодного зони, знайдені дослідним шляхом, менше 10-4 см.
3. Зі збільшенням щільності струму температура катодного області підвищується.
Стовп дуги. У стовпі дуги є три роду заряджених частинок - електрони, позитивні іони і негативні іони, які переміщуються до протилежного за знаком полюса.
Стовп дуги можна вважати нейтральним, так як сума зарядів негативних частинок дорівнює сумі зарядів позитивних частинок. Стовп дуги характерний утворенням заряджених частинок і возз'єднанням заряджених частинок в нейтральні атоми (рекомбінація). Потік електронів через шар газів розрядного проміжку викликає в основному пружні зіткнення з молекулами і атомами газу, внаслідок чого створюється досить висока температура. Можлива також і іонізація в результаті непружних зіткнень.
Температура стовпа дуги залежить від складу газів, величини зварювального струму (із збільшенням величини струму температура підвищується), типу електродних покриттів і полярності. При зворотній полярності температура стовпа дуги вище.
Анодна область. Анодна область має велику протяжність і менший градієнт напруги, ніж катодна область. Падіння напруги в анодному області створюється в результаті вилучення електронів з стовпа дугового розряду і прискоренням при вході їх в анод. В анодному області є в основному тільки електричний струм, внаслідок малої кількості негативно заряджених іонів, що мають менші швидкості руху, ніж електрон. Електрон, що потрапив на анодний поверхню, віддає металу не тільки запас кінетичної енергії, а й енергію роботи виходу, тому анод отримує енергію від стовпа дуги не тільки у вигляді потоку електронів, а й у вигляді теплового випромінювання. Внаслідок цього температура анода завжди вище і на ньому виділяється більше тепла.
Особливості зварювальної дуги, що живиться переметні струмом. При зварюванні дугою змінного струму (промислової частоти 50 періодів в секунду) катодного і анодное плями міняються місцями 100 раз в секунду. При зміні полярності утворюється так званий «вентильний ефект», що полягає в частковому випрямленні струму. Випрямлення струму відбувається в результаті безперервно мінливої електронної емісії, так як при зміні напрямку струму умови виходу емісійних струмів з електрода і з виробу не однакові.
При однакових матеріалах ток майже не випрямляється, випрямлення струму в зварювальної дузі називається складовою постійного струму, яка при аргоно-дугового зварювання алюмінію негативно діє на процес. Стійкість горіння зварювальної дуги, що живиться змінним струмом, нижче, ніж дуги, що живиться постійним струмом. Це пояснюється тим, що в процесі переходу струму через нуль і зміни полярності на початку і в кінці кожного напівперіоду дуга згасає. У момент згасання дуги знижується температура дугового проміжку, що викликає Деионизация газів стовпа дуги. Одночасно з цим падає і температура активних плям. Температура особливо падає на те активному плямі, яке розташоване на поверхні зварювальної ванни, внаслідок відводу тепла в виріб. У зв'язку з теплової інерційністю процесу падіння температури дещо відстає по фазі від переходу струму через нуль. Запалювання дуги через знижену іонізації дугового проміжку на початку кожного напівперіоду можливо тільки при підвищеній напрузі між електродом і виробом, званому піком запалювання. Якщо катодна пляма знаходиться на основному металі, то в цьому випадку величина піку запалювання трохи вище. На величину піку запалювання впливає ефективний потенціал іонізації: чим більше ефективний потенціал іонізації, тим вище повинен бути пік запалювання. Якщо в зварювальної дузі знаходяться легко іонізіруемие елементи, пік запалювання знижується і, навпаки, він збільшується за наявності в атмосфері дуги іонів фтору, які при з'єднанні з позитивними іонами легко утворюють нейтральні молекули.
До основних переваг дуги змінного струму слід віднести: відносну простоту і меншу вартість обладнання, відсутність магнітного дуття і наявність катодного розпилення оксидної плівки при аргонодугового зварюванні алюмінію. Катодного розпилення - це процес бомбардування зварювальної ванни позитивними іонами в той момент, коли виріб буває катодом, за рахунок чого руйнується окісна плівка.
Вплив магнітного поля і феромагнітних мас на зварювальну дугу
У зварювальної дузі стовп дуги можна розглядати як гнучкий провідник, по якому проходить електричний струм і який під дією електромагнітного поля може змінювати свою форму. Якщо будуть створені умови для взаємодії електромагнітного поля, що виникає навколо зварювальної дуги, зі сторонніми магнітними полями, з власним полем зварювального кола, а також з феромагнітними матеріалами, то в цьому випадку спостерігається відхилення дугового розряду від первісної власної осі. При цьому іноді порушується і сам процес зварювання. Це явище отримало назву магнітного дуття.
Розглянемо кілька прикладів, які показують вплив зовнішнього магнітного поля на зварювальну дугу:
1. Якщо навколо дуги створено симетричне магнітне поле, то дуга не відхиляється, так як створене поле надає симетричне дію на стовп дуги (рис. 6, а).
2. На стовп зварювальної дуги діє несиметричне магнітне поле, яке створюється струмом, що протікає в виробі; стовп дуги при цьому буде відхилятися в сторону, протилежну струмопроводу (рис. 6, б).
Істотне значення має і кут нахилу електрода, який також викликає відхилення дуги (рис. 7). Сильним чинником, що діє на відхилення дуги, є феромагнітні маси: масивні зварні вироби (феромагнітні маси) мають велику магнітну проникність, ніж повітря, а магнітні силові лінії завжди прагнуть пройти по тому середовищі, яке має менший опір, тому дугового розряд, розташований ближче до феромагнітної маси, завжди відхиляється в її сторону (рис. 8). Вплив магнітних полів і феромагнітних мас можна усунути шляхом зміни місця токоподвода, кута нахилу електрода, шляхом тимчасового розміщення феромагнітного матеріалу для створення симетричного поля і заміною постійного струму змінним.
