Образование и строение сварочной дуги

БИЛЕТ 1. 1.СВАРОЧНАЯ ДУГА. ОБЪЯСНИТЕ 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 отрквом 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. 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.

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)

В дуговом пространстве различают приэлектродные области, характеризующиеся значительным падением напряжения, вызванным затратой электрическо-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 Ва 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.

Рис. 2. Схемы дуг различного действия: а — прямого действия, б — косвенного действия, в — комбинированная

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 и 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 раличают 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.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА, ТЕХНИКА ВЫПОЛНЕНИЯ СВАРКИ

Сварочная дуга – устойчивый электрический разряд в смеси газов и паров материалов, используемых при сварке, и характеризуется высокой плотностью тока и высокой температурой. По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой (электрод 5 служит катодом, а изделие – анодом), и обратной (электрод служит анодом, изделие - катодом) полярности. Для образования и поддержания горения дуги необходимо иметь в пространстве между электродом и изделием электрически заряженные частицы – электроны, положительные и отрицательные ионы. Процесс образования ионов и электронов называется ионизацией. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. В дуговом промежутке выделяют следующие области, рис. 2: катодную Lк и анодную Lа, где наблюдается значительное падение напряжения, вызванное образованием около электродов пространственных зарядов (скопления заряженных частиц), и расположенную между ними область дугового разряда, называемую столбом дуги Lст. На поверхности анода и катода образуются электродные пятна, представляющие собой основания столба дуги, через которые проходит весь сварочный ток. Электродные пятна выделяются яркостью свечения. Общая длина сварочной дуги равна сумме длин всех трех областей, длина катодной области равна примерно 10-5 см, длина анодной области равна примерно 10-3 ÷10-4 см. Общее напряжение сварочной дуги соответственно слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги.6 Температура дуги является одним из важнейших факторов, влияющих на ход происходящих при сварке физико-металлургических процессов. От нее зависит степень диссоциации и ионизации, находящихся в дуговом промежутке газов, растворимость газов в металле, характер протекания химических реакций и т.д. Температура дуги при ручной сварке зависит от силы сварочного тока, напряжения дуги, состава покрытия и стержня электродов и др. факторов. Средняя температура сварочной дуги, определяемая температурой ее столба, при ручной дуговой сварке составляет 5200÷56000С. Процесс зажигания дуги при сварке можно разделить на три этапа. Первый этап – короткое замыкание электрода на заготовку (рис. 3а). В момент короткого замыкания происходит разогрев торца электрода и соответствующего участка заготовки. Чтобы электрод не приварился к заготовке, короткое замыкание должно продолжаться не более 0,5÷1сек. Приварившийся электрод можно отделить от заготовки быстрыми отламывающими покачиваниями электрода. Второй этап - отвод электрода на расстояние 3÷6мм от заготовки (рис. 3б). С разогретого торца катода под действием напряжения электрического поля начинается эмиссия электронов. Столкновение быстролетящих электронов с молекулами газов приводит к ионизации 1 – электрод; 2 – катодное пятно; 3 – катодная область; 4 – столб дуги; 5 – анодная область; 6 – анодное пятно; 7 – основной металл. Рис. 2. Строение сварочной дуги прямой полярности.7 последних. Если отвод электрода после короткого замыкания превысит 5÷6мм, напряженность электрического поля будет недостаточна для необходимой ионизации дугового промежутка. Третий этап – возникновение дуги (рис. 3в). В результате ионизации промежутка между электродом и изделием он становится электропроводным. Под действием электрического поля, отрицательно заряженные частицы движутся к аноду, положительно заряженные частицы к катоду, в промежутке возникает электрический разряд – сварочная дуга. Длина дуги оказывает существенное влияние на качество сварного шва и его геометрическую форму. Длинная дуга способствует более интенсивному окислению, азотированию и образованию пор в расплавляемом металле, увеличивает разбрызгивание. В процессе сварки электроду сообщается движение в трех направлениях. Первое движение – поступательное, по направлению оси электрода. Этим движением поддерживается постоянная, в а) б) в) Рис. 3. Этапы зажигания дуги: а – первый этап, б – второй этап, в – третий этап.8 определенных пределах, длина дуги в зависимости от скорости плавления электрода. Второе движение – перемещение электрода вдоль оси сварного соединения для образования шва. Скорость этого движение устанавливается в зависимости от тока, диаметра электрода, скорости его плавления и других факторов. Третье движение – перемещение электрода поперек шва для получения шва шире, чем ниточный валик. Ниточный валик получается при отсутствии поперечных движений электрода и его ширина на 2÷3мм больше диаметра электрода. Поперечные колебательные движения конца электрода определяются формой разделки, размерами и положением шва, свойствами свариваемого материала, квалификацией сварщика. Обязательным условием достаточно легкого зажигания и поддержания устойчивой дуги являются наличие и целостность покрытия на электроде, а также правильно выбранный сварочный ток. Сварочный ток выбирается в зависимости от диаметра электрода и типа металла электродного стержня по формуле: св эл kd, где эл d – диаметр электрода, мм; k – коэффициент, равный 40÷60А/мм для малоуглеродистых сталей и 30÷40А/мм для высоколегированных сталей. В соответствии с толщиной свариваемого металла диаметр электрода выбирается по таблице 1. Ручная дуговая сварка широко применяется при производстве металлоконструкций из самых различных металлов и сплавов. Ручная дуговая сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает низкой производительностью. Производительность процесса ручной дуговой сварки, в основном, определяется значением сварочного тока. Однако при ручной сварке покрытыми электродами ток ограничен, так как чрезмерное повышение тока приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия и перегреву расплавленного металла сварочной ванны. Таблица 1 Зависимость диаметра сварочных электродов от толщины свариваемого изделия Толщина металла, мм 2-4 5-8 10-12 12 и более Диаметр электрода, мм 3 4 5 69 3.3