Сварочная дуга и требования к источникам ее питания

СВАРОЧНАЯ ДУГА И ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ЕЕ ПИТАНИЯ

Образование и строение сварочной дуги

Дуговая сварка плавлением основана на использовании тепла электрической дуги, которая представляет собой длительный электрический разряд в газе, выделяющий значительное количество энергии. Сварочная дуга образуется между электродом и изделием или между двумя электродами, имеющими разность потенциалов. При соприкосновении электрода с изделием разогреваются и сгорают мелкие выступы между ними, образуя пары металла и ионизированный газ, в котором при напряжении 20-30 В образуется электрический разряд. Длительность разряда и образование дуги достигаются отрывом электрода от изделия на расстояние 2-5 мм. При высокой разности потенциалов между электродом и изделием (несколько тысяч вольт) при их сближении происходит зажигание дуги. Под действием разности потенциалов, высокой температуры и светового излучения электроны двигаются с большой скоростью, отрываясь первоначально с поверхности отрицательного электрода (эмиссия электронов). Ударяясь об атомы и молекулы газа испаряющегося материала, электроны добавляют или отнимают у них отрицательные заряды, превращая в положительные и отрицательные ионы, которые в свою очередь двигаются в дуговом пространстве, усиливая его ионизацию. Таким образом, воздух, который в обычном состоянии не является проводником' электричества, ионизируясь в дуговом пространстве, становится проводником электрического тока, вследствие чего достигается длительное горение дуги. Движение электронов и ионов в дуговом пространстве происходит при наличии двух полюсов: отрицательного - катода и положительного - анода, которые в известной степени упорядочивают движение этих частиц, так как электроны, имеющие отрицательный заряд, а также отрицательные ионы, двигаются к положительному полюсу, а положительные ионы - к отрицательному.

Рис.1. Схема дуги:

1 - электрод (катод);

2 - катодное пятно;

3 - катодная область;

4 - столб дуги; 5 - анодная область;

6 - анодное пятно;

7 - изделие (анод)

На рис.1 показана схема строения дуги постоянного тока. Электрод 1 является катодом, а изделие 7 - анодом, и в данном случае играет роль второго электрода.

В дуговом пространстве различают приэлектродные области, характеризующиеся значительным падением напряжения, вызванным затратой электрического потенциала на образование пространственных зарядов- электронов и ионов. Это отрицательная катодная 3 и положительная анодная 5 области, между которыми расположен столб дуги, представляющий собой высокотемпературную плазму ионизированного газа. На поверхности катода и анода находятся яркие катодные 2 и анодные 6 пятна, через которые проходит сварочный ток. Падение напряжения анодной области обозначено на рисунке буквой а, столба дуги - б и катодной области - в. Их сумма является падением напряжения дуги В и при ручной дуговой сварке плавящимся электродом составляет 16-30 В. Плотность тока наибольшая в катодном пятне, из которого первоначально отрываются электроны, ионизируют дуговое пространство и бомбардируют анодную область. Дуга переменного тока не имеет выраженной катодной и анодной областей, так как в течение одной секунды происходит многократное изменение направления тока и смена катода на анод и обратно. Падение напряжения дуги переменного тока такое же, как дуги постоянного тока, и составляет 16-30 В. Устойчивость горения и зажигания дуги переменного тока хуже, чем дуги постоянного тока, так как в начале и конце каждого полупериода прохождения тока дуга угасает, падает температура активных пятен, и для зажигания дуги вновь требуется повышенное напряжение. Для улучшения условий горения дуги переменного тока применяют покрытия, способствующие повышенной ионизации. Различают открытые и закрытые дуги. Открытая дуга, горящая в воздухе, имеет в своей зоне смесь паров металла и электродного покрытия. Она окружена газовым ореолом и дает яркое световое излучение, опасное для незащищенных глаз. Закрытая дуга горит под слоем флюса, в ее зоне находятся пары металла н флюса. Дуга, горящая в среде защитных газов, закрыта от проникания воздуха в ее зону. Она также дает яркое световое излучение, опасное для глаз. Большое значение при ручной дуговой сварке имеет длина дуги. При длинной дуге увеличивается возможность контакта столба дуги и расплавляемого металла с воздухом, который вредно влияет на качество сварки, увеличивается напряжение дуги. В зависимости от применяемых электродов устанавливают длину дуги, которую необходимо выдерживать для получения качественного сварного шва. Сварочные дуги различают по принципу работы: дуга прямого действия (рис.2, а) горит между электродом и изделием, ее широко применяют при ручной дуговой сварке; дуга косвенного действия горит между двумя электродами (рис.2, б) и нагревает изделие своим пламенем, дуга комбинированная (рис.2, в) горит между электродами и изделием, она образуется при сварке трехфазным током.

Рис.2. Схемы дуг различного действия:

а - прямого действия;

б - косвенного действия;

в - комбинированная

Тепловые свойства дуги. Плавление и перенос металла

Наиболее важным свойством для сварки являются тепловые свойства дуги. Температура сварочной дуги очень высокая - около 5500 °С и зависит от диаметра электрода, плотности тока, материала электродов и состава газовой среды. На катоде она более низкая, чём на аноде, и максимального значения достигает в столбе дуги. При ручной сварке на постоянном токе разница температур на катоде и аноде используется для увеличения расплавления электрода или изделия. Тепловые возможности сварочной дуги измеряются ее тепловой мощностью. Полная тепловая мощность дуги Q, количество теплоты в Дж/с, выделяемое дугой в единицу времени, может быть выражена как эквивалент электрических характеристик произведением сварочного тока I на напряжение дуги U.

Однако эта мощность используется на нагрев и расплавление основного и электродного металла только частично: при сварке покрытыми электродами (0,6 - 0,85) Q; при сварке в аргоне (0,5 - 0,6) Q и при сварке под флюсом (0,80 - 0,95) Q. Мощность дуги, используемая на нагрев и расплавление металла, называют эффективной тепловой мощностью Q.

Неиспользуемая на нагрев основного и присадочного металла часть полной тепловой мощности уходит в атмосферу, на световое излучение, уносится с каплями металла при разбрызгивании.

Для определения затраты тепла при сварке пользуются понятием погонной энергии сварки, которой называют количество теплоты, вводимой в металл в процессе сварки в единицу времени, отнесенное к единице длины шва.