ГлавнаяРазноеОсобенности сварочной дуги

Технологические особенности дуговой сварки. Особенности сварочной дуги


Особенности сварочных дуг переменного тока

Применение дуги переменного тока в сварочных процессах оправдывается, прежде всего, низкой стоимостью, простотой и высокой эксплуатационной надежностью источников питания – сварочных трансформаторов. В ряде специальных случаев, например, при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом сплавов на основе алюминия и магния, применение переменного тока дает и лучший технологический эффект.

В то же время дуга переменного тока имеет некоторые особенности, оказывающие существенное влияние на выбор оборудования, сварочных материалов и весь ход технологического процесса. В частности, дуга переменного тока имеет более низкие, чем у дуги постоянного тока стабильность и эластичность, что пока препятствует ее применению при сварке неплавящимся электродом в защитных газах. При ручной дуговой сварке, где перенос металла также сопровождается короткими замыканиями, устойчивый процесс возможен лишь при использовании электродов со специальным покрытием.

Процессы, имеющие место в сварочной дуге переменного тока при капельном переносе металла с периодическими короткими замыканиями, достаточно сложна, их изучение выходит за рамки настоящего курса. Поэтому в данном разделе мы будем рассматривать лишь стационарную дугу переменного тока, т.е. такую, длина которой в процессе горения практически не изменяется. Такой режим имеет место, прежде всего, при сварке неплавящимся электродом. При сварке под слоем флюса и порошковой проволокой электрод хотя и расходуется, но длина дугового промежутка в силу особенностей переноса металла изменяется незначительно. В этих случаях также можно считать, что дуга горит стационарно.

При питании дуги от источника переменного напряжения ток и напряжение периодически изменяют величину и направление. Вследствие этого изменяются полярность электрода и изделия, а также физические условия возникновения, развития и существования дугового разряда.

Перед каждой сменой полярности дуга гаснет. При этом температура плазмы понижается, что вызывает интенсивную деионизацию промежутка и снижение его проводимости. Наряду с охлаждением дугового газа наблюдается и снижение температуры активных пятен, особенно на изделии. В результате этих явлений повторные возбуждения дуги в начале каждого полупериода возможны лишь при напряжениях, больших напряжения горения дуги.

Считают, что при повторных возбуждениях вначале имеет место стадия тлеющего (преддугового) разряда. В таком случае пик зажигания (Uз) есть не что иное, как пик аномально тлеющего разряда.

После возбуждения дуги напряжение ее горения мало зависит от тока и может считаться постоянным (Uг).

Примем, что ток дуги непрерывен и имеет синусоидальную форму. В силу только что названных причин кривая напряжения дуги будет иметь форму, близкую к прямоугольной с кратковременными выплесками-пиками зажигания в начале каждого полупериода (рис. 1.14). Такая кривая помимо основной гармоники, имеющей ту же частоту, что и ток, содержит высшие гармоники, частота которых кратна основной. В частности прямоугольная кривая, симметричная относительно оси абсцисс, разлагается в ряд

, (1.12)

т.е. содержит лишь нечетные гармоники.

Рис. 1.14. Осциллограмма напряжения дуги при синусоидальном токе

 

Искажение кривой напряжения дуги вызвано тем, что электрическая дуга является нелинейным элементом цепи. Далее будет показано, что при питании дуги от источника с синусоидальным напряжением искажается также, правда в меньшей степени, и кривая тока.

Непрерывность тока дуги (см. рис. 1.15) обеспечивается лишь в том случае, если напряжение источника в моменты ωt = 0, π, 2π,... превышает величину пика зажигания. Поскольку при увеличении длины дуги процессы деионизации происходят интенсивнее, то амплитуда пиков зажигания возрастает, а условия для повторных возбуждений ухудшаются. Поэтому при прочих равных условиях эластичность дуги переменного тока значительно ниже, чем у дуги постоянного тока. Особенно низка эластичность малоамперных дуг переменного тока.

Рассмотрим случай, когда дуга горит между неплавящимся электродом и изделием из какого-либо легкоплавкого материала.

Обычно в качестве материала для неплавящегося электрода используют вольфрам, температура кипения которого (6200 К) значительно превосходит температуры кипения всех известных свариваемых материалов. Поскольку температуры активных пятен близки к температурам кипения соответствующих материалов, условия для протекания процессов возбуждения и горения дуги будут в значительной мере определяться ее полярностью.

В полупериоды прямой полярности, когда катодом является тугоплавкий электрод, имеются благоприятные условия для интенсивной эмиссии электронов с его сильно разогретого активного пятна. Это обеспечивает высокую проводимость промежутка, а значит низкие значения напряжений горения и зажигания дуги.

Условия для возбуждения и горения дуги в полупериоды обратной полярности значительно хуже: температура активного пятна на легкоплавком катоде-изделии недостаточна для того, чтобы обеспечить сколько-нибудь заметную термоэлектронную эмиссию. По этой причине напряжения горения и зажигания дуги в полупериоды обратной полярности заметно выше, чем в полупериоды прямой полярности. Разница между напряжениями горения дуги в полупериодах обратной и прямой полярности при сварке сплавов алюминия в среде аргона составляет обычно 4–10 В.

Особенно сильно различие теплофизических свойств электрода и изделия влияет на амплитуды пиков зажигания. Так, при аргонодуговой сварке алюминия напряжение зажигания дуги в полупериоды прямой полярности лишь незначительно превышает напряжение горения и обычно равно 20–25 В. Напротив, в полупериоды обратной полярности, когда термоэлектронная эмиссия с катода практически отсутствует (Тк = 2330 К), напряжение зажигания достигает нескольких сотен вольт. Таким образом, кривая напряжения дуги при различии теплофизических свойств материалов электрода и изделия становится несимметричной (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Осциллограмма тока и напряжения при сварке неплавящимся электродом на переменном токе

 

Вследствие более высокой проводимости ток в полупериоды прямой полярности несколько выше, чем в полупериоды обратной. Разность средних значений тока двух соседних полуволн носит название постоянной составляющей (рис. 1.15). Постоянная составляющая сварочного тока имеет направление от изделия к электроду и может быть измерена амперметром магнитоэлектрической системы. Наличие постоянной составляющей в токе означает, что при различии теплофизических свойств материалов электрода и изделия в цепи с электрической дугой наблюдается вентильный эффект, т.е. частичное выпрямление тока. Очевидно, что этот эффект выражается тем сильнее, чем больше различаются свойства материалов изделия и электрода.

На рис. 1.16 приведена зависимость относительной величины постоянной составляющей тока (Iп) от отношения напряжений горения дуги в полупериоды обратной и прямой полярности, из которой видно, что постоянная составляющая может достигать 70–80 % от действующего значения тока.

Рис. 1.16. Зависимость постоянной составляющей тока от степени асимметрии кривой напряжения дуги

 

При сварке плавящимся электродом свойства материалов электрода и изделия практически одинаковы, и вентильный эффект выражен очень слабо. Его проявление в данном случае объясняется лишь различием масс и условий для отвода тепла от активных пятен.

Значительная по величине постоянная составляющая ухудшает условия работы сварочного трансформатора. Кроме того, она может стать причиной плохого формирования шва и появления некоторых дефектов в нем. Поэтому в источниках питания для сварки неплавящимся электродом обычно принимаются меры по ее ограничению или полному подавлению. Рассмотрим два способа, представляющие практический интерес.

Включение последовательно в сварочную цепь конденсаторной батареи позволяет полностью устранить постоянную составляющую, т.к. сопротивление емкости постоянному току бесконечно велико. Анализ показывает, что непрерывность тока, а значит и устойчивое горение дуги, обеспечиваются лишь при индуктивном характере цепи, т.е. при xC << xL.

Практически емкость батареи выбирают из расчета 200–400 мкФ на ампер сварочного тока. В этом случае емкостное сопротивление оказывается на порядок меньше индуктивного. При этом влиянием емкости можно пренебречь и для такой цепи справедливы все выведенные ранее соотношения.

Чтобы батарея имела приемлемые габариты, в ней используют специальные электролитические неполярные конденсаторы типа ЭС емкостью 1000 мкФ. В тоже время масса таких батарей очень велика. Так, источник на 300 А должен содержать батарею из 100 таких конденсаторов общей массой около 50 кг, а источник на 500 А – 150 конденсаторов. Поэтому с целью улучшения технико-экономических показателей источников питания отказались от использования конденсаторов и стали ограничивать постоянную составляющую тока путем встречно-параллельного включения в сварочную цепь диода для пропускания полуволны тока обратной полярности и тиристора для пропускания полуволны тока прямой полярности. Момент включения тиристора должен соответствовать некоторому углу φкр при котором длительность протекания тока прямой полярности равна половине периода π.

На этой основе во ВНИИЭСО разработано новое диодно-тиристорное устройство ограничения постоянной составляющей тока (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Упрощенная схема устройства ограничения постоянной составляющей тока

 

При этом во вторичную цепь сварочного трансформатора СТ включен так называемый двухполюсник, состоящий из встречно-параллельно включенных диода VD1, тиристора VS1 с линией задержки на включение и резистора R1. Линия задержки содержит конденсатор C1, резистор R2 и переключающий диод VD2. В полупериод обратной полярности t1–t2 сварочный ток беспрепятственно проходит через диод VD1, напряжение на двухполюснике определяется падением напряжения на диоде ΔUVD (рис. 1.18). После прекращения тока обратной полярности t2 наступает пауза основного тока, ток дуги поддерживается через резистор R1. Напряжение на двухполюснике скачком возрастает до значения UVS , близкого к значению напряжения холостого хода трансформатора U20 . Начинается заряд конденсатора С1 через резистор R2 линии задержки. По истечении заданного времени τ = t2…t3 (около 1 мс) включается диод VD2 и конденсатор разряжается на управляющий переход тиристора VS1, последний включается и начинается полупериод тока прямой полярности. Напряжение на двухполюснике скачком падает до значения прямого падения напряжения на тиристоре ΔUVS . Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, незначительна, поскольку резистор пропускает ток только во время задержки на включении тиристора. Сопротивление резистора выбирается из условия поддержания минимального тока дуги.

Устройство не требует переналадки при изменении режима сварки и обеспечивает ограничение постоянной составляющей сварочного тока до уровня не превышающего 10–12%, от действующего значения тока. Она применяется в модернизированных серийных устройствах УДГ-301-1, УДГУ-301, УДГ-501-1 в замен батарей электролитических неполярных конденсаторов.

Рис. 1.18. Осциллограммы тока и напряжения при использовании диодно-тиристорного устройства ограничения постоянной составляющей тока

 

Зависимость мгновенных значений тока и напряжения дуги переменного тока выражает динамическая ВАХ. Поскольку полный цикл изменения этих переменных при промышленной частоте совершается за 0,02 с, динамическая ВАХ может быть построена лишь по данным осциллограмм тока и напряжения дуги. При определенных условиях ее можно получить на экране электронного осциллографа, подав на горизонтальные пластины сигнал, пропорциональный току, а на вертикальные – напряжение дуги (рис. 1.19)

Рис. 1.19. Схема присоединения осциллографа к сварочной цепи для наблюдения динамической ВАХ дуги

Типичная динамическая ВАХ для дуги W-Al, горящей в аргоне, показана на рис. 1.20, где выявляются все отмеченные выше особенности дуги переменного тока: наличие пиков зажигания (Uз.пр < Uз.обр), вентильный эффект (Uг.пр < Uг.обр; Iт.пр > Iт.обр), совпадение фаз тока и напряжения дуги.

Рис. 1.20. Динамическая ВАХ дуги переменного тока

 

Особенностью динамической ВАХ дуги переменного тока является несовпадение ее восходящей и нисходящей ветвей – так называемый гистерезис. Это объясняется тем, что изменение температур в областях дуги в силу тепловой инерции отстает от изменений электрических величин – тока и напряжения. Так, в первой четверти периода увеличение тока происходит в условиях более низкой температуры столба дуги, а значит и более низкой проводимости, чем уменьшение тока во второй четверти периода. Поэтому одному и тому же значению тока в области возрастания соответствует большее напряжение дуги, чем в области спада. В общем случае гистерезис сильнее выражен для малоамперных и открытых дуг, чем для мощных и закрытых.

Во всех случаях сварки с использованием дуги переменного тока источник питания должен иметь крутопадающую внешнюю характеристику. Для ее получения последовательно с дугой необходимо включить так называемое балластное сопротивление, на котором падает часть питающего напряжения. При переменном токе балластное сопротивление может быть активным, индуктивным или емкостным.

Цепь переменного тока с дугой и активным балластным сопротивлением показана на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Сварочная цепь с активным балластным сопротивлением

 

Питание цепи осуществляется синусоидальным напряжением, действующее значение которого равно U0. Поскольку дуга является нелинейным элементом, имеющим к тому же, вследствие вентильного эффекта, несимметричную характеристику, строгий анализ такой цепи достаточно труден и не дает наглядных результатов. Поэтому с целью упрощения задачи примем некоторые допущения: – напряжение горения дуги в течение интервала ее горения не зависит от тока; – кривые тока и напряжения дуги симметричны. Принятие таких допущений означает, что мы пренебрегаем гистерезисом динамической ВАХ дуги, в также вентильным эффектом. Последнее возможно постольку, поскольку при сварке плавящимся электродом вентильный эффект проявляется очень слабо, при сварке же неплавящимся электродом против него принимаются специальные меры. Как показывают эксперименты, ошибка при расчетах, произведенных с принятыми допущениями, обычно не выходит за пределы ±10 %.

Примем за начало отсчета времени момент, когда питающее напряжение равно нулю. Тогда закон его изменения во времени соответствует функции

.

Горение дуги начинается в момент t = tЗ, когда напряжение достигает значения напряжения зажигания дуги. После зажигания, согласно принятому допущению, напряжение на дуговом промежутке не изменяется и равно Uг. Когда величина питающего напряжения становится равной напряжению горения, дуга гаснет.

Сварочный ток в интервале ωtз < ωt < ωty изменяется по закону

. (1.13)

Как видно из временной диаграммы (рис. 1.22), в течение каждого полупериода имеются два интервала, где ток равен нулю (дуга не горит).

Прерывистость тока является следствием того, что ввиду активного характера цепи, максимумы тока и питающего напряжения совпадают во времени. Наличие интервалов, когда дуга не горит, приводит к интенсивному охлаждению столба и активных пятен, повышению напряжения зажигания, что в сильной степени снижает устойчивость и эластичность дуги.

Нетрудно убедиться, что для суммарного времени за полупериод, когда дуга не горит, справедливо выражение

. (1.14)

Рис. 1.22. Временная диаграмма тока и напряжений для сварочной цепи с активным балластным сопротивлением

 

Из выражения (1.14), в частности, следует, что это время может быть снижено повышением питающего напряжения U0 либо увеличением частоты сети (ω = 2πf). Однако опыты показывают, что приемлемые устойчивость и эластичность дуги могут быть, получены лишь при недопустимо высоком питающем напряжении. Кроме того, включение активного сопротивления вызывает неизбежные тепловые потери, которые тем больше, чем выше питающее напряжение.

Таким образом, применение в качестве балластного активного сопротивления неприемлемо, поскольку не обеспечивает непрерывность горения дуги и снижает экономичность процесса.

Включение в качестве балластного сопротивления конденсаторной батареи тоже не обеспечивает непрерывности горения дуги, поэтому этот случай здесь не рассматривается.

Перейдем к анализу сварочной цепи, где последовательно с дугой включена индуктивность (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Цепь переменного тока с дугой и индуктивным балластным сопротивлением

 

При анализе данной цепи в дополнение к ранее принятым предположениям будем считать, что ее активное сопротивление равно нулю.

Ввиду индуктивного характера цепи ток и напряжение U0 сдвинуты по фазе на некоторый угол φ, поэтому к моменту изменения полярности напряжения дуги напряжение источника отлично от нуля.

Благодаря этому, ток в принципе может быть непрерывным. Именно этот случай представлен на временной диаграмме (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Временная диаграмма тока и напряжений для сварочной цепи с индуктивным балластным сопротивлением

 

Поскольку активное сопротивление цепи принято равным нулю, то приложенное напряжение в любой момент времени уравновешивается суммой напряжения дуги и ЭДС самоиндукции:

. (1.15)

Приняв и решив дифференциальное уравнение (1.15) для начального условия ωt = φ , i = 0 получим

, (1.16)

где x = ωL – индуктивное балластное сопротивление.

Полученное выражение свидетельствует об искажении кривой тока, которая помимо гармонической составляющей – , содержит линейную составляющую, т.е. является несинусоидальной.

Фазовый угол φ, при котором происходит смена полярности дуги может быть определен из (1.16), если воспользоваться условием ωt = φ + π , i = 0 вытекающим из симметричности кривой тока:

. (1.17)

Таким образом, момент изменения полярности дуги определяется лишь отношением напряжения горения дуги к действующему значению питающего напряжения. Попутно отметим, что при Uг = 0 (короткое замыкание дугового промежутка) , как и должно быть в чисто индуктивной цепи.

Итак, при определенных условиях в цепи с балластной индуктивностью кривая тока, а значит и горение дуги могут быть непрерывными. Кроме того, использование в качестве балластного сопротивления индуктивности более экономично, т.к. в идеальной индуктивности отсутствуют потери энергии. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь этот, имеющий практическое значение случай.

Условие непрерывности тока в цепи с балластной индуктивностью может быть выведено исходя из того, что мгновенное повторное возбуждение дуги при изменении полярности возможно лишь в том случае, если напряжение источника в этот момент равно напряжению зажигания или превышает его.

Для первого полупериода (рис. 1.24) это условие может быть записано так:

. (1.18)

В свою очередь, учитывая (1.17), справедливо выражение

. (1.19)

Напряжения зажигания и горения при изменении длины дуги изменяются почти пропорционально, поэтому можно считать, что

. (1.20)

Коэффициент m показывает во сколько раз напряжение зажигания в данных условиях больше напряжения горения дуги, и называется кратностью пика зажигания. Подставив в (1.18) значения для Uφ и U3 из (1.19) и (1.20) после несложных преобразований получим

. (1.21)

Полученное неравенство (1.21) является математическим выражением условия непрерывности тока. Из него следует, что для получения непрерывного тока, а значит и устойчивой, эластичной дуги даже при (m = 1) напряжение питания должно превышать напряжение горения дуги в 1,32 раза. С увеличением кратности пика зажигания требуемое напряжение питания непрерывно возрастает (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Зависимость кратности пика зажигания от напряжения питания

 

Для обычных условий сварки покрытыми электродами, порошковой проволокой или под слоем флюса m = 2,0–3,5. Значит, действующее значение питающего напряжения должно быть больше напряжения горения дуги в 1,8–2,75 раза.

Похожие статьи:

poznayka.org

Особенности сварочной дуги переменного тока » Портал инженера

В реальных условиях параметры сварочной цепи ориентировочно имеют следующие значения: Ro ~10 Ом; -5-105 Гн; С0 ~108 Ф; Rк << Ro, которые и принимаются при проектировании сварочных источников питания, поэтому запишем: 0 >Сп. Для соблюдения приведенного условия необходимо уменьшать "паразитные" емкости трансформатора, шунтируя дуговой промежуток и сопротивление Rо дугового промежутка в момент изменения полярности тока. Постоянная времени 0 увеличивается с увеличением энергии Qп, принимающих участие в дуговом разряде электронов, ионов и нейтральных атомов и уменьшением мощности потерь энергии Wp. Низкое сопротивление дугового промежутка Rо и высокое значение Qп, характерные для дуг большой мощности, электроды которых имеют низкую теплопроводность. Мощность потерь Wp уменьшается в дугах с низкой начальной температурой (в парах дуги присутствуют легкоионизирующие элементы), которые горят в недвижимой атмосфере (отсутствует обдувание дуги продольными и поперечными потоками газов).

Дуга переменного тока периодически, с частотой питающей сети Д изменяет свою полярность, а погасает и зажигается снова с частотой 2Д. При использовании тока промышленной частоты Д = 50 Гц) этот процесс повторяется 100 раз в секунду. Электрод и изделие 50 раз в секунду поочередно бывают катодом и анодом, то есть 50 раз в секунду происходит разрушение и формирование катодной и анодной областей и активных пятен, а также переориентация заряженных частиц в столбе дуги. Изменение полярности электродов вызовет изменение интенсивности и направления газовых потоков в дуге, что необходимо учитывать при оценке статического и динамического влияния дуги на жидкий металл сварочной ванны и электродного провода. Ток дуги, величина которого непрерывно изменяется на протяжении каждого полупериода по синусоиде, обуславливает изменение радиальных размеров столба, его температуры, размеров изотермических областей активных пятен на электродах и др., что в ряде случаев служит причиной важного расхождения технологических свойств дуг переменного и постоянного токов.

С точки зрения стабильности горения дуги важными факторами является время формирования постоянного дугового разряда и время деионизации плазмы столба дуги. Как известно, начальное зажигание дуги плавящимся электродом может осуществляться двумя способами: методом короткого замыкания электродного провода на изделие и бесконтактным методом. В первом случае ток идет по мостикам металла, которые осуществляют контакт электрода с изделием. Они быстро испаряются и пары лавинообразно ионизируются, после чего наступает стадия активной термической ионизации, характерной для стойкого дугового разряда. Во втором случае к электроду и изделию прикладывается высоковольтное и высокочастотное напряжение от 2 до 10 кВ. Время формирования постоянной дуги составляет До = (1 ...5)-10-5 с, то есть после окончания этого времени от начала разряда между металлическими электродами его параметры, при прочих равных условиях, приобретают значения, присущие сколько угодно продолжительному горению дуги. Время существования остаточной плазмы после прекращения сварочного тока зависит от многих факторов (материала электродов, скорости исчезновения тока, защитного газа и др.), но не превышает для стальных электродов 10-4 с, несмотря на то, что термоэмиссия из этих электродов существует 103 с.

Некоторые особенности горения дуги и изменение ее электрических параметров вытекают из ее статической и динамической характеристик. Известно, что дуга является нелинейным элементом электрической цепи и статическая вольтамперная характеристика дуги (зависимость между постоянными действующими значениями тока и напряжения) имеет форму, близкую к и-образной (рис. 25), то есть в значительном диапазоне, величина которого зависит от плотности тока, напряжение на дуге остается практически одинаковым.

Динамическая характеристика дуги переменного тока (зависимость между мгновенными значениями тока и напряжения) является в большинства случаев возрастающей (рис. 26). При этом восходящая и нисходящая ветви характеристики, как правило, не совпадают между собой. Возрастание характеристики обуславливается тем, что с ростом сварочного тока в дуговой разряд втягиваются все большие объемы газовой среды, на разогрев и диссоциацию которых нужна дополнительная энергия. Расхождение ветвей характеристики (тепловая инерция дуги) объясняет расхождение дугового разряда при одних и тех же мгновенных значениях тока в разные четверти полупериода. Почти вертикально возрастающие участки динамической характеристики свидетельствуют о том, что в момент перехода тока через нуль существует несамостоятельный разряд, и напряжение на промежутке резко увеличивается до из.

Нелинейностью характеристик электрической дуги обуславливается отличие кривых напряжения дуги от синусоидальной формы напряжения холостого хода сварочного трансформатора (ихх). Из типичных осциллограмм тока и напряжения (рис. 27) видно, что зажигание дуги после перехода тока через нулевое значение происходит по достижении на электродах напряжения зажигания из.. Ток дуги в момент ее зажигания = у равняется току зажигания 1д = 1з. Величина его относительно небольшая (1з = 8...10 А). Момент зажигания дуги у наступает тем раньше, чем быстрее нарастает напряжение между электродами и чем меньше дуговой промежуток утратил заряженных частиц и тепловой энергии за время отсутствия тока. После зажигания дуги ток в дуговом промежутке изменяется приблизительно по синусоидальному закону, а напряжение от из. снижается к напряжению горения дуги ид и остается на весь полупериод практически одинаковым. Ток и напряжение дуги для удобства изображены в противофазе.

Наличие перерывов в горении - характерная особенность сварочной дуги переменного тока. До конца полупериода перед угасанием дуги и после него с некоторым отставанием температура дугового газа существенным образом уменьшается (почти в два раза), степень его ионизации и электропроводность падают, температура анодного и катодного пятен снижается. В результате, повторное зажигание дуги может состояться только при повышенном напряжении из, которое превышает величину дугового напряжения.

Величину из в данное время не могут определить расчетным путем. Экспериментально установлено, что она зависит от теплофизических свойств материалов электрода и изделия, от состава газовой смеси в дуговом промежутке, от режима сваривания и многих других факторов. В частности, из возрастает при увеличении потенциала ионизации дугового газа, теплопроводности электродов, интенсивности их охлаждения, длины дугового промежутка, уменьшении мощности сварочной дуги. В те полупериоды, когда анодом является электрод, напряжение из+ в большинства случаев значительно выше, чем при расположении на нем катодного пятна, то есть из+ > из-. Напряжение зажигания значительно уменьшается, если в состав дугового газа входят легкоионизируемые элементы, которые снижают величину эффективного потенциала ионизации. Экспериментальные определения величины из в зависимости от времени перерыва (фд) в горении сварочной дуги подтвердили вышеизложенное. Так, для электродов ОММ-5 и ЦМ-7, обмазки которых имеют значительные количества элементов, которые легко ионизируются, - калия и натрия, величина из при Дд = 1 • 10-2 с составила 60...65 В, в то время как для УОНИ-13 эта величина равняется 100...150 В, а для электрода без обмазки - больше 200...250 В. Исследователи определяли этим же методом величину из для дуг, которые горят в разных защитных средах (Аг, СО2, открытый воздух) между стальными электродами. Ими было установлено, что дуга надежно зажигается при из = 100...120 В, если продолжительность в перерыве горения дуги не превышает (5...10)П0-6 с - для СО2, (150...180)П0-6 с - для открытого воздуха и (300...350)П0-6 с - для Аг. Увеличение длины дуги до 7мм не сказывалось на величине из. Величина тока дуги не оказывала заметного влияния на величину из до тех пор, пока Дд не превышало 200П0-6 с. С дальнейшим увеличением Дд величина из немного снижалась с увеличением тока. Установлено, что величина из для алюминия составляет 150 В, железа - 240 В, меди - 250 В. Как видим, во всех случаях величина из не превышает 200...300 В при сравнительно небольших перерывах в горении дуги (10-4..10-2 с).

Величина из может служить критерием оценки стойкости горение дуги. Нестойкий процесс сварки характеризуется большими значениями из. Этот критерий отображает состояние межэлектродного промежутка в преддуговой период. Любое ухудшение условий повторного зажигания дуги приводит к увеличению из.

Стабильность процесса сваривания можно оценить двумя методами: непосредственно во время проведения самой сварки или после обработки результатов и величин, которые характеризуют режим сварки. К первому методу относятся следующие оценки: по баллам, если сварщик, наблюдая непосредственно за горением дуги, оценивает по пятибальной системе ее стойкость, как признак стабильности процесса; по частоте обрывов горения дуги; по разрывной длине дуги; по величине минимальной ихх сварочного источника питания, при который все еще возможно стабильное горение дуги. Второй метод оценки стабильности процесса сварки переменным током основан на изучении взаимосвязей характеристик дуги и источника питания. Определенный интерес представляет способ оценки стойкости горения дуги по величине скорости на растания тока при коротком замыкании дугового промежутка каплей, которая представляет собою функцию diд/dt = д) (рис.28).

Критерий стабильности горение дуги В = 1з/изД учитывает средние значения величин тока 1з, напряжения из и времени Д, при которых дуга повторно зажигается. Критерий Каррера связывает стабильность горения дуги с напряжением холостого хода сварочного трансформатора и его током короткого замыкания, хотя известно, что формы тока сварочной дуги и тока короткого замыкания источника питания отличаются друг от друга, в особенности, если индуктивность источника питания нелинейная. В двух последних критериях предполагается, что ихх сварочного трансформатора определяет из. Между тем показано, что увеличение ихх полезно только до определенного предела, который зависит от режима сварки, характеристик электрода и др. Превышение его не улучшает заметно стабильности горения дуги. Очень сложный, по нашему мнению, был предложенный критерий, который учитывает частоту сети питания, геометрию сварочного трансформатора, полное сопротивление сварочной цепи в момент зажигания дуги, продолжительность преддугового периода, угол сдвига фаз между напряжением холостого хода и током дуги.

Рассмотренные критерии стабильности горения дуги учитывают много физических процессов дуги и цепей ее питания. Они применяются для оценки стойкости горения дуг, как с неплавящимся электродом, так и с плавящимся. Как известно, первые в большинстве случаев горят более стойко, чем вторые. Процессы в этих дугах отличаются между собой, прежде всего переносом металла через межэлектродный промежуток (во втором случае), который практически не учитывается ни в одном из приведенных критериев. Как будет показано дальше, перенос электродного металла существенным образом влияет на стабильность горения дуги, а потому необходимо остановиться на формах переноса подробнее.

Обсудить на форуме

ingeneryi.info

Технологические особенности дуговой сварки — КиберПедия

Дуговая сварка — самый распространенный способ сварки плавлением. Широко используемый во всех областях техники, так как позволяет создавать конструкции, отличающиеся высокой технологичностью, обеспечивает короткие сроки изготовления, ремонта, восстановления и модернизации конструкций при большой экономии труда и металла.Дуговая сварка основана на использовании тепловой энергии электрической дуги, обладающей высокой температурой. По мере развития техники расширяется область применения дуговой сварки и повышаются требования, предъявляемые к качеству сварных соединений и швов, их долговечности.Современные виды ручной, полуавтоматической и автоматической сварки дают возможность успешно решать задачи наиболее рационального соединения металлов. С помощью сварки можно получать соединения, прочность которых равна или приближается к прочности основного металла.Поэтому дуговую сварку применяют при изготовлении различных изделий и конструкций, в том числе ответственного назначения, работающих при статических и переменных нагрузках, высоких давлениях и в вакууме, при высоких и низких температурах и в других эксплуатационных условиях.Для получения сварного соединения металлов необходимы нагрев и давление, или только нагрев, или только давление. Для сварки плавлением нужен только нагрев. Сварка давлением выполняется при нагреве и давлении или только при давлении.Все способы дуговой сварки относятся к сварке плавлением. При этом кромки соединяемых элементов (деталей) нагревают до расплавления и соединения их в жидком состоянии.Наиболее распространены ручная сварка покрытыми электродами, автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом, ручная сварка неплавящимися электродами в защитной газовой среде, полуавтоматическая и автоматическая сварка плавящимся и неплавящимся электродами в среде инертных газов, полуавтоматическая и автоматическая сварка плавящимся электродом в среде углекислого газа.При ручной сварке возбуждение дуги, поддержание примерно постоянной ее длины в процессе сварки, передвижение и манипулирование дугой выполняет рабочий-сварщик.При автоматической сварке под флюсом и в защитных газах возбуждение дуги, поддержание примерно постоянной ее длины в процессе сварки, непрерывная подача электрода в сварочную ванну и перемещение электрода вдоль шва с заданной скоростью осуществляются с помощью механизмов.Главное отличие полуавтоматической сварки от автоматической заключается в способе перемещения электрода вдоль шва. При полуавтоматической дуговой сварке электрод перемещается вдоль шва вручную, при автоматической сварке - с помощью механизмов.К числу основных требований, предъявляемых к деталям, свариваемым автоматически, относятся чистота поверхности свариваемых кромок, тщательная подготовка стыка (постоянная величина зазора по всей длине шва), защита обратной стороны шва, доступность сварных швов применению одной или нескольких сварочных головок, линейное или круговое перемещение мундштука или изделия для получения необходимой скорости сварки.

Техника сварки

Для образования и поддержания электрической дуги к электроду и свариваемому изделию (см. рисунок) от источника питания подводится сварочный ток (переменный или постоянный).

Рисунок 4.1. Ручная дуговая сварка

Если положительный полюс источника питания (анод) присоединен к изделию, говорят, что ручная дуговая сварка производится на прямой полярности. Если на изделии отрицательный полюс, то полярность обратная. Под действием дуги расплавляются металлический стержень электрода (электродный металл), его покрытие и металл изделия (основной металл). Электродный металл в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну, где смешивается с основным металлом, а расплавленный шлак всплывает на поверхность.

Размеры сварочной ванны зависят от режимов и пространственного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверхности изделия, конструкции сварного соединения, формы и размера разделки свариваемых кромок и т.д. Они обычно находятся в следующих пределах: глубина до 6 мм, ширина 8–15 мм, длина 10–30 мм.

Длина дуги – расстояние от активного пятна на поверхности сварочной ванны до другого активного пятна на расплавленной поверхности электрода. В результате плавления покрытия электрода вокруг дуги и над сварочной ванной образуется газовая атмосфера, оттесняющая воздух из зоны сварки для предотвращения его взаимодействия с расплавленным металлом. В газовой атмосфере также присутствуют пары легирующих элементов, основного и электродного металлов.

Шлак, покрывая капли расплавленного электродного металла и поверхность сварочной ванны, препятствует их взаимодействию с воздухом, а также способствует очищению расплавленного металла от примесей.

По мере удаления дуги металл сварочной ванны кристаллизуется с образованием шва, соединяющего свариваемые детали. На поверхности шва образуется слой затвердевшего шлака.

cyberpedia.su