сварочная дуга электрода

Виды сварочных дуг, их основные особенности

Краткая историческая справка

В предвоенные годы дуговая сварка начала развиваться на качественно новой основе. В 1939—1940 гг. в Институте электросварки АН УССР под руководством Б. О. Патона разработан метод автоматической сварки под флюсом. Он осуществляется с помощью электрической дуги, горящей под слоем специального вещества — флюса. Идея применения флюса для защиты разогретого металла от воздействия воздуха была предложена еще Н. Г. Славяновым. В современном виде этот способ усовершенствован благодаря фундаментальным исследованиям особенностей дуги под флюсом, условий формирования шва и металлургических процессов. Работами Б. Е. Патона и А. М, Макары [31] показано, что электрический процесс под флюсом представляет собой электрическую дугу, в то время как в американской литературе в 1942 г. утверждалось, что сварку под флюсом не следует смешивать с такими процессами, как ручная дуговая или автоматическая сварка открытой дугой.
Дуга под флюсом сильно погружается в металл, вызывая более глубокое его проплавление, интенсивнее плавит и присадочный материал, обеспечивая повышение производительности в 5— 20 раз по сравнению с ручной дуговой сваркой.
Трудами Б. Е. Патона, А. М. Макары, К. К. Хренова, И. В. Кирдо, И. И. Зарубы, Л. Н. Кушнарева, Н. Г. Остапенко, Б. И. Медовара, Д. М. Рабкина, Г. И. Лескова и др. [1, 2, 38] определены размеры газового пузыря под флюсом, в котором горит дуга, измерены распределение потенциала между электродами и температура столба, их зависимость от режима горения и состава флюсов и электродов, исследованы особенности плавления электродов и переноса металла, условия устойчивости и процессы повторного возбуждения после перехода переменного тока через нуль.
Дуга под флюсом горит под слоем достаточно тугоплавких и трудно испаряемых веществ специального состава, подбираемых по требованиям не только устойчивого горения дуги, но и обеспечения благоприятного течения металлургических процессов. Они содержат, как правило, и фтор-электроотрицательный элемент с большой энергией сродства к электрону, который существенно влияет на физические процессы в дуге, захватывая свободные электроны. Дуга проплавляет во флюсе полость, радиальные размеры которой в 2—3 раза превышают радиус столба дуги.
Как показали измерения, во всех дугах под флюсом напряженность поля столба выше, чем в открытых дугах, и составляет 32—43 В/см. Выше в них (кроме флюса АН-3) и сумма приэлектродных напряжений [20]. Это обусловливает более высокую концентрацию мощности в таких дугах и эффективное плавление ими свариваемых металлов и электродов.
Тепловой баланс дуги под флюсом (в) и балансы открытых дуг с угольным (а) и металлическим (б) электродами по измерениям И. В. Кирдо [2] приведены на рис. 1.4. Дуга под флюсом отличается наиболее высоким КПД.
Изучены и используются в сварочном производстве дуги в инертных газах — аргоне, гелии, в углекислом газе, дуга под водой и др. В настоящее время они классифицируются по следующим основным группам:

Группы

Screenshot_2

Screenshot_1

Рассмотренные дуги характеризуются прямым действием на электроды, поскольку им передается вся кинетическая и потенциальная энергия падающих на электроды заряженных частиц.

Дальнейшее развитие

В дугах косвенного действия электродами служат стержни из графита, вольфрама и других металлов, не соединенные электрически со свариваемыми изделиями. Нагрев и плавление изделий происходит лишь За счет кинетической энергии сталкивающихся с ними частиц газа. Такой нагрев мало эффективен, поэтому дуги косвенного действия имеют ограниченное применение.
Группа дуг с плавящимися электродами получила наибольшее распространение, поскольку оба электрода поставляют жидкий металл в общую сварочную ванну. Изменяя состав присадочного металла, можно легировать сварные швы и придавать им желательные свойства. В тех же случаях, когда необходимо сохранить состав металла шва близким к основному металлу и исключить попадание в шов присадки, один из электродов дуги выбирается неплавящимся. Чаще всего им является вольфрамовый стержень соответствующего диаметра. Ввиду высокой химической активности вольфрама для [обеспечения его долговечности и защиты ванны от воздействия воздуха сварку такими электродами ведут в среде инертных газов. Наиболее распространены дуги в аргоне, исследованные
А. Я. Бродским [5]. Им обнаружены сравнительно малый градиент напряжения в столбе дуги и катодное падение потенциала, изучено влияние расхода аргона, диаметра электрода и силы рока на характеристики дуги. Установлено, что наиболее сильный разогрев вольфрама наблюдается в случае его работы анодом дуги. Когда же он является катодом, разогрев уменьшается благодаря уносу значительной энергии термоэлектронами. Чтобы усилить этот процесс, в СССР разработаны вольфрамовые электроды с присадками некоторых редкоземельных металлов [35]. Наибольшее распространение получили электроды с 1—2% окислов лантана. Они позволили увеличить плотность мощности в дуге в 1,5—2 раза без Опасного перегрева электродов и добиться существенного повышения эффективности плавления свариваемых изделий.
Широкое применение в народном хозяйстве сплавов алюминия потребовало решения проблемы удаления окисных пленок с поверхности свариваемых кромок. Для этого изучены процессы взаимодействия ионов в катодном пятне дуги с поверхностью металлов. Обнаружена возможность катодного распыления тугоплавких окислов алюминия. Этот процесс был поставлен на службу производству применением дуг обратной полярности, дуг переменного тока.
В последние годы обнаружен и исследован процесс термического разрушения окислов алюминия, показано, что для его протекания в анодном пятне дуги [45] необходима концентрация мощности не менее 1,1 *104 Вт/см2. Она достигается при введении в аргон не менее 50% высокотеплопроводного гелия ИЛИ 15% водорода. Особенно интенсивно термическое разрушение проходит в чистых водороде и гелии.
Из дуг третьей группы особенно тщательно исследованы дуги в углекислом газе (С02). Они предложены и внедрены в практику сварки К. В. Любавским и Н. М. Новожиловым [27], А. Г. Потапьевским, И. И. Зарубой [16] и др. В отличие от инертных газов С02 обладает весьма высокой энергией диссоциации W=2,8*105 Дж/моль. Эта энергия отбирается от столба дуги и его установившееся состояние характеризуется малым диаметром столба и высокой плотностью тока в активных пятнах, превышающих ее значение в тонком металлическом электроде. В Институте электросварки разработан метод сварки в С02 с частыми короткими замыканиями дугового промежутка [16], обеспечивающий квазиустойчивый сварочный процесс. Дуга горит краткими вспышками, прерываемыми замыканиями дугового промежутка каплями жидкого металла. По своим свойствам она является типичным представителем неустановившихся дуг. Тщательными исследованиями процессов плавления электрода в таких условиях, сил, действующих на каплю во всех фазах ее роста, движения и смыкания с ванной удалось придать новому методу сварки устойчивость, надежность и широкое применение в промышленности.

Характеристики дуги

Дуга считается свободной (4 группа), если ее развитие в пространстве не ограничено в пределах, определяемых естественными свойствами дуги.
При наличии таких ограничений дуга называется сжатой. Дуги сжимают, помещая их в узкие каналы или щели, ограничивая размеры электродов, обдувая струями газов или жидкостей, с целью придания им новых свойств и достижения более эффективного воздействия па металлы.
В числе первых исследований дуг, столб которых размещен в цилиндрическом отверстии специального устройства — плазмотрона, продуваемого газом, были работы, выполненные Д. А. Дудко, С. П. Лакизой [15]. Схема плазмотрона приведена на рис. 1.5. Дуга возбуждается между вольфрамовым или медным с циркониевой вставкой катодом 1 и свариваемым или разрезаемым изделием — анодом 4. Катод помещен внутри корпуса плазмотрона 2 с отверстием, через которое продувается плазмообразующий газ и в котором размещается столб дуги 3. Диаметр этого отверстия — сопла выбирается в зависимости от тока дуги таким, чтобы он был несколько меньше «свободного» диаметра столба. Таким путем дуга несколько сжимается и в ней растет концентрация мощности. Стенки сопла охлаждаются водой. Продуваемый через него газ сильно нагревается, ионизируется и отдает обрабатываемому изделию свою энергию в дополнение к выделяющейся в активном пятне. Эффективность его нагрева и плавления повышается. Струя газа, как отмечено выше, создает динамический напор на сварочную ванну, вызывая увеличение ее глубины. Наиболее широко применяются дуговые плазменные струи для резки металлов. При использовании дешевого плазмообразующего газа — воздуха — вольфрамовые катоды плазмотронов быстро выходят из строя. Более стоек в этих случаях циркониевый катод, на поверхности которого образуется стойкая пленка окисла, предохраняющая его от разрушения и улучшающая эмиссионные свойства.
Анодное пятно сжатой дуги, как показала скоростная киносъемка процесса резки, располагается на торцовой стенке реза и перемещается по ней с большой скоростью, расплавляя эту стенку энергией, поступающей через активное пятно. Кроме того, стенки реза получают 10—50% тепловой мощности плазменной струи. Общий КПД нагрева металла плазменной струей достигает 80%. Такие струи используются также для наплавки и нанесения покрытий.
Большую работу по созданию плазмотронов, исследованию дуги в них и практическому применению для плазменной сварки и резки провели Д. Г. Быховский [7], К. В. Васильев [10], В. С. Гвоздецкий [11], Э. М. Эсибян [44], Д. И. Вайнбом [9], В. В. Горский [13] и др. Плазма под действием напора струи погружается в свариваемый металл и повышает глубину проплавлепия.
К закрытым дугам, кроме описанной выше дуги под флюсом, относится дуга под водой. Ее исследования стимулировались потребностями подъема и ремонта судов, прокладки речных и морских коммуникаций, а в последние годы освоением морского шельфа. Первые исследования дуги под водой выполнены К. К. Хреновым [43]. Они продолжаются и теперь в ИЭС им. Е. О. Патона.
Когда возбуждается дуга, вокруг нее образуется газовый пузырь, быстро приобретающий форму, близкую к полусфере с основанием, лежащим на свариваемом изделии. Когда размер пузыря достигает критического, он разрушается. При этом всплывает основная часть его объема (80—90%). Остаток служит основой для последующего развития пузыря до критических размеров, всплывания н т. д. Время цикла развития и разрушения пузыря 0,08—0,1 с при токе дуги 150—250 А.

Screenshot_3
Рис .1.5

Опыты по отбору газа из пузыря показали, что в нем содержится около 75% водорода, 14% окиси углерода, 4% углекислого газа, 2% кислорода. Высокая теплопроводность водорода, как отмечено выше, определяет значения остаточной плазмы и термоэлектронной эмиссии электродов. Показано, что несмотря на малую величину такой эмиссии, повторные возбуждения дуги происходят в результате разогрева межэлектродного газа ее током. Чем больше ток эмиссии, тем меньше напряжение повторного возбуждения дуги.

Выводы

На этой основе разработаны электроды, обеспечивающие интенсивные остаточные термоэлектрические явления в дуговом промежутке и устойчивые повторные возбуждения дуги. Найдены также критерии оценки динамических свойств трансформаторов, питающих сварочные дуги.
В СССР работами Г. П. Михайлова[23] исследованы и применены трехфазные дуги, горящие между тремя электродами, одним из которых является свариваемое изделие. Последовательность и длительность горения каждой из них зависят от чередования фаз.

Добавить комментарий