Сварочные источники теплоты

В настоящее время около 70% всех сварочных работ выполняются ме­тодами плавления. Для плавления применяют следующие источники тепло­ты: дуговые, плазменно-дуговые, электронно- и ионно-лучевые, световые, индукционные, электрошлаковые и др.

Электрическая дуга. Сва­рочная дута — это электрический разряд, длительно существующий между электродами, находящими­ся под напряжением. Одним из электродов может быть изделие (рис. 23.1, а).

Рис. 23.1. Виды дуг: а — дуга прямого действия; б — дуга косвенного действия; в — трехфазная дуга

Такая дуга получила название дуги прямого действия, а в случае горения дуги между двумя элек­тродами при отсутствии электрической связи с изделием — дуги косвенного действия (рис. 23.1, б). Может быть и комбинированный вариант, как это имеет место при сварке трехфазной дугой (рис. 23.1, в).

Дуга прямого действия более эффективна по тепловложению в металл, чем косвенная.

Электрический разряд сварочной дуги происходит в смеси газов и паров металла. Он характеризуется высокой температурой газов, сильным свечени­ем, большим током разряда и сравнительно невысоким напряжением, кото­рое складывается из падения напряжения на катоде U_K, аноде (/, ив столбе дуги U„ (рис. 23.2), т. е.

U_a=U_{t +} U_{t +} U„.

На поверхности катода и анода различают соответственно катодные и анод­ные пятна, представляющие собой наиболее нагретые участки, через которые проходит весь ток. Темпе­ратура столба дуги для разных ме­тодов сварки колеблется в пределах 6000—15000 К. Следует отметить, что подобное строение имеет дуга достаточной протяженности. В ко­роткой дуге практически могут смыкаться анодная и катодная зоны.

Рис. 23.2. Зоны дугового разряда и харак­тер падения в нем потенциала: А — анодная область; К — катодная область; / — деталь; 2 — столб дуги; 3 — электрод

Сопротивление дугового раз­ряда непостоянно, так как зависит от количества заряженных частиц, т. е. от степени ионизации, а по­следняя связана с силой сварочно­го тока. Поэтому вольт-амперная характеристика дуги (рис. 23.3) нелинейна и имеет участок /, где напряжение падает по мере возрас-

/.,А

Рис. 23.3. Вольт-амперная характеристика сварочной дуги: Ut — напряжение дуги; /д—ток дуги

тания тока вследствие интенсив- U„B, ного увеличения числа заряжен­ных частиц; II — участок поло-говозрастаюшей характеристи­ки; III — возрастающей. На уча­стке // напряжение мало зависит от тока, так как число заряжен­ных частиц возрастает по мере его увеличения незначительно и одновременно сокращаются раз­меры столба дуги. При сварке на высоких плотностях тока (участок III) столб дуги под влиянием элек­тромагнитных сил сжимается, число заряженных частиц возрас­тать существенно не может, что приводит к практически постоян­ному значению электрического

сопротивления столба дуги. На этом участке можно с высокой достоверно­стью считать действующим закон Ома U_a = IR.

В обычных условиях газовый промежуток между электродами является неэлектропроводным. Возбуждение дуги и ее устойчивое горение зависят от многих причин и обусловлены степенью ионизации дугового промежутка. Ионизация происходит под влиянием мощного потока электронов, который образуется в результате термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии.

Количество теплоты, введенное в изделие, определяется эффективным коэффициентом полезного действия сварочной дуги:

п* =

«пол 0,24£/_д/_д где Лз* — эффективный КПД процесса нагрева дугой; q — количество

теплоты, введенное в металл изделия, Дж/с; U_a — напряжение на дуге, В; /_д — сила сварочного тока, А.

Сварочная дуга может гореть между неплавящимся или плавящимся электродами и деталью. В качестве неплавящегося электрода применяется графит, чаще — вольфрам. Для предупреждения его оплавления и эрозии допустимая плотность тока ограничивается.

Если дуга горит между плавящимся электродом и деталью, то функции электрода расширяются. Он служит не только носителем потенциала, но и, расплавляясь, заполняет сварочную ванну металлом, вносит в нее дополни­тельное количество теплоты, что повышает КПД процесса.

Ток, применяемый в дуге, может быть постоянным или переменным. Устойчивость горения дуги на постоянном токе выше, чем на переменном, так как в последнем случае при переходе напряжения через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода температура дугового промежутка уменьшается, что вызывает деионизацию газов. Устойчивость горения дуги на переменном токе значительно возрастает, если через покры­тие или проволоку в дуговой промежуток ввести легко ионизируемые эле­менты, например калий, кальций и др.

Сварка дугой постоянного тока, когда к электроду подключен отрица­тельный полюс источника тока, а к изделию — положительный, получила название сварки дугой прямой полярности; сварка, когда электрод соединен с положительным полюсом источника тока, а изделие — с отрица­тельным, — обратной полярности. Для дуги прямой полярности характерно большее выделение теплоты на изделии, а обратной — на электроде. Применяется при сварке и дуга переменного тока, в том числе при свар­ке цветных металлов неплавящимся электродом и ручной дуговой сварке.

Электрические сварочные дуги могут быть непрерывные и прерыви­стые, импульсные. Импульсная дуга по сравнению с обычной имеет следующие преимущества: более совершенное управление процессом плав­ления проволоки; сокращение величины зоны термического влияния и раз­меров кристаллов в шве; снижение нижнего предела рабочих токов и повы­шение устойчивости горения дуги; улучшение условий для сварки в верти­кальном и потолочном положениях.

Если электрическая дуга функционирует в замкнутом канале — цилинд­ре, то такая дуга относится к сжатым дугам, а сам источник нагрева получил название плазменно-лучевого или плазменно-дугового. На рис. 23.4 представлены схемы свободно горящей, стабилизированной и сжатой (плазменной) дуги. В последнем случае дуга функционирует внутри канала, ог­раниченного стенками водоохлаждаемого сопла. Напряжение плазменной дуги выше, чем свободно горящей (рис. 23.5), что позволяет, вследствие повышения мощности дуги, увеличить производительность сварки.

В обычных условиях дуговой разряд в вакууме не возбуждается, так как
для этого необходимы высокое напряжение и наличие газов или паров ме­
талла. Однако в качестве источни-
^Аг ка нагрева при сварке можно ис­
пользовать дуговой разряд в ва­
кууме, стабилизированный струей
разреженного инертного газа. Ка­
тод в таком случае представляет
а о в собой полую трубку небольшого

Рис. 23.4. Схемы свободно горящей (а), диаметра из тугоплавкого мате-стабилизированной (б) и сжатой (в) дуги риала (вольфрам, тантал). Сквозь