книги / Сварка в машиностроении. 4

Г л а в а 2

СВОЙСТВА СВАРОЧНОЙ ДУГИ И ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯ

Общие сведения. Для плавления металлов используется энергия электрического дугового разряда, возбуждаемого и поддерживаемого в пространстве между элек­ тродом и изделием. Свойства и размеры шва зависят от физических условий, в ко­ торых существует дуговой разряд, и от свойств источника питания, для кото­ рого дуга является нагрузкой.

Проводимость дугового промежутка зависит как от расстояния между изде­ лием и электродом, так и от параметров, определяющих физические условия существования дугового разряда — химического состава свариваемого изделия, электродной проволоки и газовой среды, давления и др. Изделия могут отличаться по конструкции и геометрическим размерам. Сварной шов может занимать различное пространственное положение. Для качества шва имеет значение не только количество энергии, поступающее от источника питания в зону сварки, но

изакон поступления энергии во времени. Наличие электрического поля между изделием и электродом является необходимым, но не достаточным условием для возникновения дугового разряда. Для возникновения дугового разряда необ­ ходимо, чтобы в электрическом поле имелись свободные электроны, которые, дви­ гаясь упорядоченно под воздействием сил электрического поля, создавали усло­ вия для ионизации газа в промежутке между изделием и электродом. Свободные электроны создают искусственно, возбуждая (зажигая) дугу.

Исходя из конкретных условий, связанных со свойствами свариваемых метал­ лов и конструкции изделий, с требованиями к качеству сварного шва, со сте­ пенью автоматизации процесса сварки, применяют тот или иной способ сварки

итот или иной источник переменного или постоянного тока, обладающий свой­ ствами, удовлетворяющими требованиям технологии процесса дуговой сварки. Эти свойства называют технологическими свойствами источника питания.

Впроцессе сварки в энергетической системе, которую представляют источ­ ник питания — сварочная дуга — шов, возникают возмущения, которые при­ водят к нарушению равновесия в системе и вызывают изменения энергетических параметров системы — напряжения на дуге и тока в сварочном контуре, что отражается на содержании легирующих элементов в шве и на его параметрах. Причинами возникающих возмущений чаще всего являются изменения длины

дуги, изменения напряжения сети, скорости подачи электродной проволоки и т. д. Возмущения могут вызываться и изменениями физико-химических явлений, происходящих в дуговом промежутке. При возмущениях изменяется электриче­

нарушается установившийся режим работы системы. Во время переходных про­ цессов в системе источник питания — дуга энергия электрического поля преобра­ зуется в энергию магнитною поля, а также происходят обратные преобразования энергий; часть энергии теряется на тепловые процессы. Характер переходных про­ цессов и скорость их протекания зависят от свойств источника питания и усло­ вий, в которых горит дуга.

В современной сварочной технике применяют следующие источники питания сварочной дуги: источники питания дуги переменным током — сварочные транс­ форматоры общепромышленного назначения и специализированные установки

переменного тока для сварки изделий из легких сплавов, алюминия, магния и др., источники питания дуги постоянным током — сварочные выпрямители и сварочные генераторы общепромышленного назначения и специализированные сварочные выпрямительные установки.

Физические явления, протекающие в областях сварочной дуги. Пространство между изделием и электродом, заполненное ионизированным газом, является анизотропной средой, которая как в осевом, так и в радиальном направлениях из-за сложных физико-химических явлений, происходящих при сварке, имеет различные свойства — напряженность электрического поля, температуру, про­ водимость и т. д. Дуговой разряд относится к устойчивым электрическим разря­ дам, который может существовать длительное время, пока эти условия не будут нарушены каким-либо возмущением. В осевом направлении в дуге различают: столб дуги, центральную часть длиной порядка десятых долей сантиметра и приэлектродные области длиной порядка 10” ^—10” J см. Столб дуги — это иони­ зированный газ, содержащий нейтральные молекулы и атомы газов и паров, сво­ бодные электроны и положительные ионы, возникающие при ионизации нейтраль­ ных частиц. В пространстве между электродом и изделием, как известно, имеется хаотическое тепловое движение заряженных частиц. Кроме того, свободные элек­ троны и положительные ионы (число отрицательных ионов в обычных условиях сварки ничтожно мало) под действием сил электрического поля движутся упоря­ доченно. Свободные электроны с большой скоростью перемещаются к аноду, а положительные ионы, движущиеся значительно медленнее, вследствие большой массы — к катоду. При прямой полярности при сварке плавящимся электродом изделие соединяют с «плюсом» источника питания постоянного тока, а электрод или электродную проволоку — с «минусом». В этом случае изделие является анодом, а электрод — катодом. При сварке в углекислом газе из-за сильного разбрызгивания металла плавящегося электрода используют обратную поляр­ ность. Движущиеся упорядоченно электроны и положительные ионы создают свои магнитные поля. В столбе дуги происходят соударения нейтральных частиц и частиц, несущих электрический заряд, что сопровождается ионизацией газа столба дуги. Степень ионизации составляет несколько процентов. Ионизирован­ ный газ с такой степенью ионизации называется низкотемпературной плазмой. На оси столба температура порядка 5000—7000° С. При определенных условиях может быть и выше. Столб дуги квазинейтрален, так как концентрация отрица­ тельно и положительно заряженных частиц в единице объема плазмы дуги оди­ накова. Суммарный заряд единицы объема равен нулю. Плазма дуги не создает своего электрического поля.

Компоненты смеси газов и паров пространства между изделием и электродом, имеющие более низкий потенциал ионизации, ионизируются в.большей степени. С понижением температуры газа возрастает влияние той компоненты смеси, ко­ торая обладает наиболее низким потенциалом ионизации — К, Са, Na и др. При горении дуги в столбе дуги наблюдается ступенчатая ионизация. Из-за малой плотности ионного тока энергией, которую передают положительные ионы ней­ тральным частицам при столкновении, пренебрегают. Ток в сварочной дуге обус­ ловлен в основном упорядоченным движением свободных электронов. Ток дуги — это ток проводимости. За положительное направление тока в дуге, как это при­ нято в физике и электротехнике, принимают перемещение частиц, несущих поло­ жительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Положи­ тельное направление тока противоположно направлению свободных электронов, движущихся между изделием и торцом электродной проволоки под действием сил электрического поля Электрическая проводимость столба сварочной дуги высока, напряженность электрического поля в столбе дуги не высока и составляет 10—35 В/см. Падение напряжения в столбе дуги невелико. Мощность, выделяемая в столбе дуги, в основном (около 80%) рассеивается путем лучеиспускания в ок­ ружающее пространство.

Области дуги, в которых температура столба дуги снижается до температуры расплавленного или нагретого металла, называют приэлектродными областями

дуги. В них протекают процессы, резко отличающиеся от процессов в столбе дуги в трудно исследуемые не только теоретически, но и экспериментально.

Энергия, выделяющаяся в этих областях, расходуется на плавление металла изделия и плавящегося электрода или на плавление металла и нагрев вольфра­ мового электрода. В приэлектродных областях скапливаются заряженные часгицы и возникают пространственные (объемные) заряды. В катодной области скапливаются положительные ионы, а в анодной — электроны. В связи с этим в приэлектродных областях создаются условия для резкого возрастания напря­ женности электрического поля. Напряженность в приэлектродных областях порядка (1-т-2) 10е В/см.

Свободные электроны зарождаются также и в столбе дуги при происходящей там термической ионизации газа. Причинами появления свободных электронов в катодной области являются термоэлектронная и автоэлектронная (электроста­ тическая) эмиссии. Положительные ионы, пришедшие из плазмы столба, ударяясь о поверхность катода, нейтрализуются, отдавая катоду кинетическую энергию, приобретенную ими в электрическом поле столба дуги. Ввод этой энергии через активное пятно вызывает увеличение скорости теплового движения нейтральных и заряженных частиц вещества катода. Температура катода повышается, возра­ стает кинетическая энергия свободных электронов в металле катода. Энергия электрона становится больше энергии, требуемой для преодоления потенциаль­ ного барьера, и электрон выходит из активного пятна на катоде в катодную об­ ласть. Такого рода эмиссия называется термоэлектронной.

При горении дуги в катодной области возникает положительный объемный заряд. Растет напряженность электрического поля у катода и создаются условия для автоэлектронной эмиссии. Электрическое поле высокой напряженности 'вы­ рывает* свободные электроны из материала катода даже при невысокой темпера­ туре катода, которая недостаточна для протекания термоэлектронной эмиссии. Эмиссия электронов как термоэлектронного, так и автоэлектронного происхожде­ ния возникает в первую очередь с тех мест поверхности катода, где работа выхода электронов меньше. Эти места называют активными пятнами.

Активное пятно на катоде (катодное пятно) непрерывно перемещается (блу­ ждает) по поверхности торца электродной проволоки и может возникнуть на ее боковой поверхности. Особенно беспокойно блуждает катодное пятно у плавя­ щегося электрода (стальная проволока имеет Тплав = 1539° О .

Перемещение катодного пятна вызывает пространственное изменение распо­ ложения столба дуги, так как катодное пятно является основанием дуги. Если неплавящийся электрод (вольфрамовая проволока) имеет ТПЛав = 3377° С, то при нормальном сварочном режиме проволока только нагревается, обеспечивая выход электронов в катодную область. У торца плавящегося электрода обра­ зуются капли жидкого металла. Считают, что при сварке с плавящимся элек­ тродом при прямой полярности решающее значение для возникновения и суще­ ствования дугового разряда имеет автоэлектронная эмиссия. Если электрод плавится, кипит и испаряется, то возникают струи паров вещества катода (плаз­ менные потоки), устремляющиеся в столб дуги и обогащающие его парами мате­ риала электрода.

Падение напряжения в катодной области зависит от потенциала ионизации газов и паров катодной области.

Падение напряжения в катодной области обычно преобладает в общем напря­ жении на дуге, а его величина зависит от конкретных физических условий для данной дуги Мощность, выделяемая в катодной области, расходуется на нагрев и плавление электрода, т. е. непосредственно на процесс сварки. Часть теплоты, приобретенной катодом, уходит в его массу путем теплоотдачи. В анодной области при горении дуги создается отрицательный объемный заряд.

Электроны, поступающие из столба дуги в анодную область, нейтрализуются у поверхности анода, отдают энергию при воссоздании нейтральных атомов ве­ щества анода и вызывают увеличение температуры анода. Кроме того, часть элек­ тронов задерживается в пространственном заряде. Так как максимальная темпера­

тура анода не может превышать температуру кипения материала анода, которая меньше температуры столба дуги, то из столба происходит интенсивный теплоот­ вод в сторону анода. Энергия, отдаваемая аноду, состоит из энергии возврата электронов в металл, равной энергии работы выхода электронов из вещества катода и кинетической энергии, которую приобрели электроны, двигаясь к аноду в ионизированном газе столба дуги. В анодной области ионизация практически не происходит. Как показывают экспериментальные данные, анодное падение на­ пряжения зависит от физических условий в анодной области и от степени влия­ ния пространственного отрицательного заряда. Величина анодного падения на­ пряжения практически не зависит от сварочного тока. Для дуг с плавящимся

за длину дуги принимают длину столба дуги. ВАХ дуги строится по данным, полученным из опыта. Статическая вольт-амперная характеристика дуги есть за­ висимость напряжения £/д на дуге от сварочного тока / при постоянной длине дуги и при постоянстве всех прочих физических факторов, влияющих на условия горения дуги. В сварочной технике известны три формы статических ВАХ дуг, снятых на постоянном токе: падающая ВАХ—с ростом тока напряжение умень­ шается (рис. 2, а; дифференциальное сопротивление # Диф<3 0, угол Рд > 90е); жесткая ВАХ — рост тока не вызывает изменения напряжения (рис. 2, б; диффе­ ренциальное сопротивление /?ДНф = 0, угол Рд = 1804) и возрастающая ВАХ — рост тока вызывает увеличение напряжения (рис. 2, в; дифференциальное сопро­ тивление ЯДИф > 0, угол рд < 90°). Вольт-амперные характеристики падающей формы имеют малоамперные свободногорящие в воздухе дуги при токе от несколь­ ких ампер до токов порядка 70 А. Причиной снижения напряжения на дуге яв­ ляется уменьшение напряжения на столбе дуги. С ростом тока более интенсивно протекает ионизация, проводимость столба дуги увеличивается и возрастает пло­ щадь поперечного сечения. Падающую по форме ВАХ имеет также свободногорящая малоамперная дуга в среде аргона. В этом случае увеличение тока не сопро­ вождается ростом сечения столба дуги из-за защитного газа, оказывающего дей­ ствие в радиальном направлении на пространственное положение дуги. Рост про­ водимости объясняется интенсивно протекающей ионизацией газа столба дуги вследствие повышения температуры газа.

ВАХ жесткой формы имеют сварочные дуги при токах от 70—80 А и более при ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом (рис. 2, б). С ростом тока увеличивается поперечное сечение столба дуги, а проводимость столба дуги

в этих условиях остается практически без изменения. При сварке под флюсом при небольших диаметрах электродной проволоки и больших значениях тока на­ блюдается некоторое возрастание напряжения на дуге. На практике пользуются эмпирической формулой для вычисления напряжения на дуге, связывающей его с величиной тока. Так, для токов 300—500 А напряжение на дуге Ua = 20 + + 0,04/.

При сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа и сварке сжа­ той дугой ВАХ дуги имеет возрастающую форму. С ростом тока напряжение на дуге увеличивается (рис. 2, в). При этом катодное пятно занимает всю площадь торца электродной проволоки и высокая напряженность электрического поля в катодной области обеспечивает условия для автоэлектронной эмиссий. С ростом тока площадь катодного пятна остается неизменной.

Рис. 2. Статические вольт-амперные характеристики дуги

Особенности горения дуги переменного тока. При питании дуги от источника переменного тока, например от трансформатора с синусоидальным напряжением (частоты 50 Гц), активное пятно на катоде 100 раз в секунду изменяет свое распо­ ложение. К концу каждого полупериода синусоидальное напряжение умень­ шается до нуля; при этом уменьшается напряженность электрического поля в пространстве между изделием и торцом электродной проволоки. Это влечет за собой уменьшение степени ионизации плазмы столба дуги, рассасывание пространстьенного заряда в катодной области, что ухудшает условия существования дуго­ вого разряда. Последние зависят как от физико-химических свойств пространства между катодом и анодом, которые определяют величину 1/пв повторного возбуж­ дения дуги, так и от статических и динамических свойств источника питания. Если источник питания не обладает значительной индуктивностью, величина ко­ торой зависит от конкретных физических условий, то устойчивое горение дуги невозможно.

На рис. 3 приведены осциллограммы вторичного синусоидального напряже­ ния и2 трансформатора, сварочного тока /2 и напряжения на дуге иц в функции времени. При проведении опыта для получения падающей внешней характери­ стики источника в сварочный контур был включен резистор. Осциллограммы за­ писаны электронным осциллографом в отрицательный и положительный полупериоды Т . Ток i2и напряжение иА несинусоидальны, так как нагрузкой для источ­ ника является нелинейная проводящая среда между изделием и электродом. Мак­ симумы и нулевые значения и2 и i2 во времени совпадают при отсутствии в свароч­ ном контуре индуктивности. В отрицательный полупериод синусоидального на­ пряжения, когда и2уменьшается по абсолютной величине и достигает ёначения Uyt дуговой разряд практически угасает. Напряжение щ, становится нёдостаточным для создания между изделием и электродом напряженности электрического поля, необходимой для существования дугового разряда. Дуга угасает на время ta.

В течение времени tn осциллограмма фиксирует наличие тока, что указывает, что проводимость участка между изделием и электродом не равна нулю. В течение времени от ty до /в электрический разряд носит недуговой характер. В следующий полупериод и2, когда синусоидальное напряжение возрастает и достигает значе­

Напряжение Unв повторного возбуждения дуги зависит от многих факторов и прежде всего от физико-химических свойств среды между изделием и электродом.

При и2 = U„и в дуговом промежутке обеспечивается напряженность элек­ трического поля такой величины, при которой возможно интенсивное зарожде­

ние свободных электронов и восстановление условий для существования элек­ трического дугового разряда. В течение времени *п сварочный контур прак­ тически разомкнут. На рис. 3 для большей наглядности величины /2 в районе t = 0 сильно преувеличены. Ток ц ПРИ * = *в составляет около 2% от действую­

ждения дуги, либо изменяют свойства источника питания. Величину Unв можно снизить, вводя в парогазовую среду между изделием и электродом химические элементы с низкими потенциалами ионизации, уменьшая величину давления ниже атмосферного, увеличивая амплитудное значение и2 и увеличивая частоту { на­ пряжения и2. Повторное возбуждение дуги облегчается применением специальных устройств — возбудителя дуги (осцилляторов) и импульсных стабилизаторов горения дуги переменного тока.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Осцилляторы, При сварке неплавящимся электродом в среде защитных газов первоначальное возбуждение дуги производится бесконтактным способом. Напря­ жение холостого хода источника питания порядка 60—80 В недостаточно для того, чтобы вызвать электрический разряд или даже искру в промежутке между изде­ лием и электродом, хотя промежуток может составлять лишь доли миллиметра.

Для возникновения в промежутке свободных электронов и возбуждения дуги не­ обходим кратковременный импульо напряжения, который обеспечил бы пробой и последовательное развитие искрового разряда вплоть до дугового. На практике сварочную дугу возбуждают специальным устройством, называемым осцилля­ тором.

Осциллятор представляет собой генератор затухающих по амплитуде знако­ переменных высокой частоты (порядка 100—300 кГц) импульсов высокого на­ пряжения (около 3 кВ). При подаче импульсов на промежуток между изделием

иэлектродом происходит пробой промежутка искрой и появление свободных элек­ тронов. Кратковременный искровой разряд развивается в дуговой, создавая усло­ вия для горения сварочной дуги, питаемой от основного источника питания ИП.

Применяют две схемы включения осциллятора в цепь дуги: параллельную

ипоследовательную. В схеме осциллятора параллельного включения (рис. 4)

Рис. 4. Схема осцил­ лятора параллельного включения

трансформатор 77 промышленной частоты (50 Гц) повышает напряжение сети до 3000—6000 В. Напряжение вторичной обмотки 77 подведено к разряднику F, входящему в колебательный контур, в котором возникают высокочастотные коле­ бания частотой / = 150 000-7-300 000 Гц. При возрастании синусоидального на­ пряжения на выходе трансформатора 77 заряжается конденсатор Ск. В его элек-

Ски2 п

трнческом поле накапливается энергия —^ — . По достижении определенного зна­

чения напряжения на вторичной обмотке трансформатора 77 происходит пробой искрой воздушного промежутка разрядника F. Конденсатор Ск разряжается на индуктивность LK, являющуюся первичной обмоткой высокочастотного трансфор­ матора Т2г осуществляющего магнитную связь осциллятора со сварочным конту­ ром. В колебательном контуре Ск — LK— F возникает ток /. Энергия поля кон­ денсатора Ск при его разряде за вычетом потерь на резистивные сопротивления

щий по амплитуде колебательный процесс с угловой частотой, зависящей от ве­ личин Ск и LK.

Трансформатор Т2 через вторичную обмотку Lc осуществляет ввод высоко­ вольтного высокочастотного напряжения на дуговой промежуток (зажимы с и d). Защита источника от воздействия этого напряжения ^осуществляется G помощью Т-образного фильтра, состоящего из индуктивности £ф и емкости Сф. Если транс­ форматор источника питания имеет повышенное магнитное рассеяние, то наличие индуктивного фильтра Ц» не обязательно. Блокировочные конденсаторы Сб со­ здают условия безопасной работы сварщика и предотвращают повреждение источ­ ника питания при пробое конденсатора Ск. В осцилляторе есть помехозащитный фильтр ПЗФ сети от высокочастотных колебаний. Колебания, возникшие в коле­ бательном контуре, затухают примерно за 2 ыс, так как энергия поля конденса­ тора Ск расходуется на покрытие потерь в трансформаторе Т2, а также в электри­ ческих разрядниках F и дуге. Импульсы колебаний, генерируемых осциллятором, периодически повторяются после восстановления электрической прочности раз­ рядника F. В источниках питания дуги переменным током осциллятор облег­

чает повторное возбуждение дуги после смены полярности. Импульсы должны подаваться с небольшим опережением во времени к моменту перехода сварочного тока через нуль.

Принципиальная электрическая ехема осциллятора последовательного вклю­ чения приведена на рис. 5. Катушка е индуктивностью LKколебательного контура включена последовательно с дугой. Сечение обмотки рассчитывается на сварочный

при сварке переменным током неплавящимся электродом изделий из легких спла­ вов в среде защитного газа. При этом виде сварки возникают трудности повтор­ ного возбуждения дуги при переходе на обратную полярность. На рио. 6 при­ ведена принципиальная схема ИСГД. Форма сварочного тока источника во вре­ мени может быть синусоидальной, трапецеидальной и прямоугольной. Конден­

конденсатора Сн. Импульс обеспечивает повторное возбуждение дуги на обрат­ ной полярности сварочного тока. Параметры импульса — амплитуда порядка 600 В, длительность 60—80 мкс — устанавливаются в соответствии с требованиями технологии. Мгновенная амплитуда тока импульса 60—80 А.

Устройство для плавного снижения сварочного тока в конце сварки. При бы­ стром прекращении сварочного тока в шве образуется кратер. Для исключения данного технологического дефекта шва необходимо плавно снижать сварочный ток в конце сварки до нуля примерно за 5—6 с. В установках для автоматизиро­ ванной сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов это осуществ­ ляется автоматически с использованием специального узла РССТ — регулятора спада сварочного тока, воздействующего на цепь управления регулятора свароч­ ного тока Обычно на практике это осуществляется путем разряда предвари-

Повторно-кратковременный режим отличается от перемежающегося тем, что источник не работает на холостом ходу, а отключается от питающей силовой сети. На рис. 8 показана зависимость нагрузки для повторно-кратковременного ре­ жима. В таком режиме, как правило, работают источники питания установок

Рис. 7. Зависимость нагрузки Р (/), нарастание температуры перегрева 0 (О и температуры Т (/) источника для продолжительного (а) и для перемежающегося режимов работы (б)

для механизированной сварки. Повторно-кратковременный режим характери­ зуется относительной продолжительностью включения. Длительность цикла ра­ боты источников, предназначенных для ручной дуговой сварки, имеющих пере­ межающийся и повторно-кратковременный режимы,

ГОСТ 12.2.007.0—75, ГОСТ 12.2.007.8—75, ГОСТ 12.1.003—76. Степень защиты источников питания для ручной сварки — не ниже 1Р22, источников для меха­ низированной сварки — не ниже 1Р21.

Единая структура обозначения электросварочного оборудования. С 1975 г. для электросварочного оборудования, выпускаемого заводами МЭТП СССР, при-