ГлавнаяРазноеСварочная дуга и ее свойства

Электрическая дуга и ее свойства Билет5 Сварочная. Сварочная дуга и ее свойства


Лекция№2 Свойства сварочной дуги

Лекция № 2

Физические явления, протекающие в сварочной дуге

Сварочная дуга представляет собой один из видов устойчи­вого электрического разряда через газовый промежуток, в котором на­ходится смесь нейтральных атомов, электронов и ионов. Этот разряд ха­рактеризуется высокими плотностью тока и температурой. Электрод, соединенный с отрицатель­ным зажимом источника, называется катодом, а электрод, соединенный с положительным зажимом — анодом. Под действием напряжения, имею­щегося между электродами, электроны и отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду. В дуговом разряде наблюдается неравномерное распределение электриче­ского поля в межэлектродном пространстве, состоящем из трех областей: катодной, анодной и столба дуги. Такая структура связана с тем, что столб дуги не может граничить непосредственно с металлом электродов, так как в большинстве случаев точка кипения последних значительно ниже температуры столба. В приэлектродных областях, соединяющих столб дуги с электродами, происходит постепенное снижение температуры и степени термической ионизации газа. На поверхности электродов часто наблюдаются пятна — катодное и анодное, на границе которых с соответ­ствующими областями дуги наблюдаются скачки потенциалов. Поэтому процессы образования заряженных частиц и переноса тока в этих обла­стях существенно отличаются от соответствующих процессов в столбе, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и анодной областях.

Катодная область. Большую роль в обеспечении проводимости дуго­вого промежутка играет поток эмитированных катодом электронов. Этот процесс обеспечивается как за счет нагрева поверхности катода (термо­электронная эмиссия), так и за счет создания у его поверхности электри­ческого поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). При термоэлектронной эмиссии электроны за счет нагрева приобретают необ­ходимый запас кинетической энергии для преодоления потенциального барьера, ограждающего поверхность катода. Эту энергию характеризу­ют работой выхода электрона UBЫX, величина которой для разных ме­таллов составляет от 2 до 5 В. При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов из катода, сообщается внешним электрическим полем, которое вытягивает их за пределы воздействия электростатического поля металла. Определенный вклад вносит и бом­бардировка катода движущимися частицами. Электроны, прошедшие барьер, ускоряются в поле катодного потенциала в сторону столба дуги и, отдавая свою кинетическую энергию в столкновениях с нейтральными атомами, поддерживают ионизацию и нагрев газа на гра­нице между столбом дуги и катодной областью. Внешнее электрическое поле положительных ионов, скопившихся в катодной области, умень­шает работу выхода электронов UBЫX на 1-2 В. Данное явление называ­ется эффектом Шоттки. Поскольку реальная работа выхода электронов UBЫXР и катодное падение напряжения UKАТ имеют разные знаки, то в об­щем случае потенциальный барьер для выхода электронов уменьшается, что может быть выражено так; UKАТ - UBЫXР. При малых размерах катод­ной области экспериментально можно определить именно эту величину, которая и принимается за катодное падение напряжения. Протяжен­ность lKАТ катодной области электрической дуги очень мала и составляет 10-4-10-3 мм. Величина катодного падения напряжения UKАТ лежит в пределах 5-20 В. Тогда градиент падения напряжения (UKАТ/ lKАТ) равен 104-105 В/мм. Исследования показывают, что в катодной области доля электронного тока составляет около 60% от полного тока Iд, а плотность тока на стальном катоде близка к 25 А/мм2.

Анодная область. Анод не эмитирует положительно заряженных ио­нов, поэтому анодный ток обусловлен переносом к нему отрицательно заряженных частиц — электронов. В связи с этим вблизи анода образуется избыток отрицательных зарядов, в результате чего у поверх­ности анода возникает дополнительный потенциальный барьер, величина напряжения которого равна работе выхода электронов UBЫX. Электроны не могут выйти из анода и за счет энергии теплового движения, так как анодное падение напряжения Uан создает для них непреодолимый барьер. Общее значение потенциала в анодной области равно Uан + UBЫX. Электро­ны, выходящие из плазмы столба дуги и попадающие в анодную область, ускоряются в поле анодного падения потенциала и приобретают допол­нительную энергию, которой оказывается достаточно для ионизации ато­мов, сталкивающихся с электронами. Появившиеся ионы также ускоря­ются под действием анодного падения напряжения в сторону столба дуги и отдают плазме свою избыточную энергию посредством деионизации и соударений. Протяженность анодной области сопоставима с длиной сво­бодного пробега электрона и составляет около 10-3 мм. В зависимости от материала анода и типа ионизирующих присадок Uан ле­жит в пределах 2-10 В. Градиент напряжения имеет порядок 104 В/мм, т. е. ниже, чем в катодной области. Доля ионного тока в анодной области составляет около 20% от общего тока Iд , а плотность тока для стальных электродов в анодной области приблизительно равна 15 А/мм2.

Столб дуги. Эта часть дуги расположена между катодной и анодной областями и имеет длину, на несколько порядков превышающую размеры указанных областей, lст = 1-40 мм. Заряженные частицы поступают в столб дуги из катодной и анодной областей, а также возникают в нем за счет термической ионизации нейтральных частиц. Последний процесс играет подчиненную роль. Так, степень диссоциации в парах железа у сварочных дуг не превышает 4%, что свидетельствуете слабой ионизации плазмы столба дуги. В столбе электронная составляющая тока намного больше ионной. Падение напряжения в столбе UCT достигает 40 В, что обеспечивает градиент напряжения εст = 1-4 В/мм. При этом падение напряжения прямо пропорционально длине столба 1СТ. Плотность тока в столбе дуги со стальными электродами достигает 20 А/мм2.

Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравне­нию с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис. 2.1. Из приведенного графика следует, что падение напряжения на дуге для точных расчетов можно записать так:

При использовании экспериментальных данных зависи­мость упрощается:

Вся мощность, выделяемая в катодной области Ркат = Iд (UKАТ - UBЫXР), идет в катод на плавление, испарение и теплоотвод. Мощность тепловыделения на аноде вычисляется по соотношению Ран =1д(Uан + UBЫX). Знание соотношения мощностей, выделяемых на ка­тоде и аноде, необходимо для выбора полярности дуги при сварке на по­стоянном токе. Для большинства покрытых электродов Ран больше РкаТ в 1,3-1,5 раза. Поэтому при ручной дуговой сварке для увеличения ско­рости плавления электрода используют обратную полярность (+ на элек­троде). Такая же полярность используется при механизированной свар­ке плавящимся электродом. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом для уменьшения его перегрева и износа применяют прямую полярность (– на электроде).

6

studfiles.net

Электрическая дуга и её свойства

Наибольшее распространение в машиностроении получила электродуговая сварка. Рассмотрим подробнее особенности электродуговой сварки.

Электрической дугой называется продолжительный разряд электрического тока между двумя электродами, происходящий в газовой среде. Электрическая дуга, используемая для сварки металлов, называется сварочной дугой. Такая дуга в большинстве случаев горит между электродом и изделием, т.е. является дугой прямого действия.

Дуга прямого действия постоянного тока, горящая между металлическим электродом (катодом) и свариваемым металлом (анодом), имеет несколько ясно различимых областей (рис.2.3). Электропроводный газовый канал, соединяющий электроды, имеет форму усеченного конуса или цилиндра. Его свойства на различных расстояниях от электродов неодинаковы. Тонкие слои газа, примыкающие к электродам, имеют сравнительно низкую температуру. В зависимости от полярности электрода, к которому они примыкают, эти слои называются катодной 2 и анодной 4 областями дуги.

Протяженность катодной области lk определяется длиной свободного пробега нейтральных атомов и составляет

̃порядка 10-5 см. Протяженность анодной области la определяется длиной свободного пробега электрона и составляет примерно 10-3 см. Между приэлектродными областями располагается наиболее протяженная, высокотемпературная область разряда - столб дуги lc3.

На поверхности катода и анода образуются пятна, называемые, соответственно, катодное 1 и анодное 5 пятно, являющиеся основаниями столба дуги, через которые проходит весь сварочный ток. Электродные пятна выделяются яркостью свечения при сравнительно невысокой их температуре (2600... 3200 К). Температура в столбе дуги достигается 6000...8000 К.

Общая длина сварочной дуги lд равна сумме длин всех трех её областей (lд=la+lk) и для реальных условий составляет 2...6 мм.

Общее напряжение сварочной дуги, соответственно, слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги и находится в пределах от 20 до 40 В. Зависимость напряжения в сварочной дуге от её длины описывается уравнением , где а - сумма падений напряжений в катодной и анодной областях, В; lд - длина столба дуги, мм; b - удельное падение напряжения в дуге, т.е. отнесенное к 1 мм длины столба дуги, В/мм.

Одной из основных характеристик электрического дугового разряда является статическая вольт-амперная характеристика - зависимость напряжения дуги при постоянной ее длине от силы тока в ней (рис.2.4).

С увеличением длины дуги напряжение увеличивается и кривая статической вольтамперной характеристики дуги поднимается выше, примерно сохраняя при этом свою форму (кривые, а, б, в). На ней различают три области: падающую I, жесткую (почти горизонтальную) II и возрастающую III. В зависимости от условий горения дуги ей соответствует один из участков характеристики. При ручной дуговой сварке покрытыми электродами, сварке в защитных газах неплавящимся электродом и сварке под флюсом на сравнительно небольших плотностях тока характеристика дуги будет вначале падающей, а при увеличении тока полностью перейдет в жесткую. При этом с увеличением сварочного тока пропорционально увеличиваются поперечное сечение столба дуги и площади поперечного сечения анодного и катодного пятен. Плотность тока и напряжение дуги остаются постоянными.

При сварке под флюсом и в защитных газах тонкой электродной проволокой на больших плотностях тока характеристика дуги становится возрастающей. Это объясняется тем, что диаметры катодного и анодного пятен становятся равными диаметру электрода и больше увеличиваться не могут. В дуговом промежутке наступает полная ионизация газовых молекул и дальнейшее увеличение сварочного тока может происходить лишь за счет увеличения скорости движения электронов и ионов, т. е. за счет увеличения напряженности электрического поля. Поэтому для дальнейшего увеличения сварочного тока требуется увеличение напряжения дуги.

Сварочная дуга представляет собой мощный концентрированный источник теплоты. Почти вся электрическая энергия, потребляемая дугой, превращается в тепловую. Полная тепловая мощность дуги Q=IсвUд (Дж/с) зависит от силы сварочного тока Iсв (А) и напряжения дуги Uд (В).

Следует отметить, что не вся теплота дуги затрачивается на нагрев и плавление металла. Часть её бесполезно расходуется на нагрев окружающего воздуха или защитного газа, радиационное излучение и т.д. В связи с этим эффективная тепловая мощность дуги qэф(Дж/с) (та часть теплоты сварочной дуги, которая вводится непосредственно в изделие) определяется следующим соотношением: где η - коэффициент полезного действия (КПД) процесса нагрева изделия сварочной дугой, определяемый опытным путем.

Коэффициент η зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов. Например, при сварке открытой дугой угольным или вольфрамовых электродом он составляет в среднем 0,6; при сварке покрытыми (качественными) электродами - около 0,75; при сварке под флюсом - 0,8 и более.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

Сварочная дуга – природа, свойства, применение + Видео

Сварочная дуга: природа явления

Более легкому получению разряда способствует разогрев материалов, смыкание на короткое время и постепенное раздвигание электродов. Качественным методом получения разряда может считаться достижение в электрическом разрядном промежутке пробоя в результате короткого резкого повышения межэлектродного напряжения. Такой стабилизатор сварочной дуги возникает при условиях нормы атмосферного давления, благодаря искровому разряду.

Сварочная, или электрическая, дуга, образуется благодаря прохождению электротока через газовую среду в зоне сварки или резки. Разряд между электродами является наиболее развитой формой разряда в газах. Для него характерно невысокое напряжение и большая величина тока. Строение сварочной дуги таково, что в ее пространстве имеет место очень высокая ионизация газов.

При этом в роли катода выступает сварочный электрод, анода – обрабатываемый материал, между ними столбом проходит дуговой разряд, окруженный пламенем сварки.

Ионизируемый газ в столбе разряда имеет яркое свечение, вредное для глаз. В осевой части такого столба развивается температура сварочной дуги от шести до десяти тысяч градусов по Цельсию. Основным фактором ионизации является именно такая высокая температура, поддерживается она за счет притока энергии запитывающих цепей.

Сварочная дуга и ее свойства – почему следует быть осторожными?

Напряжение разряда – по сути, межэлектродное напряжение – напрямую зависит от межэлектродного расстояния, то есть от того, какие имеются показатели длины дуги, силы тока, размеров сварочных электродов, физических свойств и характера (состава) газа среды в зоне дуги.

Сварочная дуга и ее свойства управляются регулированием межэлектродного расстояния (от 0,01 до 10 мм), силой тока источника напряжения (от половины до трех тысяч ампер), давления газа (до одного кгс/см2), формой и размером электродов, защитой зоны горения инертными газами, сжиманием дуги и многими другими способами.

Тепловая мощность, которой обладает электрическая дуга, просто невероятна, она занимает диапазон от десяти до сотен тысяч ватт. И концентрация ее достигает от одной сотни до сотен тысяч ватт на кубический сантиметр. Мощности в таком широком диапазоне позволяют применять разряд для сварки и резки различных металлов при толщине от сотых долей миллиметров до десятков сантиметров за один или несколько проходов.

Формы и виды сварочных дуг чрезвычайно разнообразны. Разряд может возникать при любом давлении газов, напряжение может иметь значения от нескольких до нескольких тысяч вольт. Дуга возникает между электродами независимо от того, постоянное или переменное напряжение подается. И это понятно, поскольку время возникновения разряда чрезвычайно мало, в каждый положительный полупериод один из электродов работает как катод, а второй – анод. При смене полупериодов электроды «меняют» полярность.

Дуговой разряд может возникнуть при любом давлении газа, разности потенциалов электродов, постоянном или переменном межэлектродном напряжении. Особенностью, характерной для дуги, является очень высокая катодная плотность тока наряду с малым напряжением.

Вообще, зависимость, которую показывает напряжение сварочной дуги и ток в разряде, имеет удивительную особенность: с ростом тока падает напряжение. Говорят о падающей вольт-амперной характеристике, это значит, что с увеличением тока в разряде падает и сопротивление в дуговом промежутке, и напряжение, что объясняет необходимость применения балластных сопротивлений для стабилизации разряда.

Источники питания сварочной дуги – где мы увидим их применение?

И самое главное – практическое применение. Источники питания сварочной дуги, или аппараты для сварки, как уже понятно, могут работать на постоянном и переменном токе, поэтому и бывают соответствующего типа. При этом катодом (электродом с отрицательной полярностью) будет электрод, а вот рабочая поверхность выступит в роли анода.

При обратной полярности на электроде оказывается плюсовой потенциал. В технике сварки могут применяться плавящиеся и неплавящиеся (уголь, вольфрам) электроды. Защита сварочной зоны может осуществляться парами электродных флюсов, подаваемыми газами, порошковыми составами на проволоках.

И о способах: до сих пор широко применяется ручная сварка, полуавтоматическая механизированная сварка, полный автомат. По аббревиатуре это, соответственно: ММА (ручная), MIG/MAG (полуавтоматы), TIG (аргонно-дуговая). Но об этом можно написать еще пару-тройку статей, а о сварочной дуге, пожалуй, изложено все.

ogodom.ru

5 2 сварочная дуга и ее свойства

5.2. Сварочная дуга и ее свойства

Сварочной дугой называется мощный, устойчивый электрический разряд в газовой среде между электродом и свариваемым изделием.

Различные материалы по разному проводят электрический ток. Проводимость всякого материала зависит от количества находящихся в нем свободных, электрически заряженных частиц, переносящих электрические заряды - электронов и ионов, а также от того, с какой скоростью эти носители электрических зарядов перемещаются. Следовательно, чем больше в материале носителей зарядов и чем они подвижнее, тем меньше его сопротивление.

Газы (в том числе и воздух) при нормальных условиях не проводят электрического тока. Это объясняется тем, что в обычных условиях они состоят из нейтральных молекул и атомов, которые не являются носителями зарядов. Они станут электропроводными в том случае, если в своем составе будут иметь электроны, положительные и отрицательные ионы. Каким же образом воздух, находящийся в межэлектродном пространстве, во время сварки становится электропроводным?

Источником появления заряженных частиц является эмиссия электронов из металлических электродов. Повышение температуры металла сопровождается увеличением скорости тепловых колебаний частиц, в том числе и электронов, при этом повышается их кинетическая энергия. В том случае, если она превысит работу выхода электрона из металла, то электрон вырывается в межэлектродное пространство. Практически повышение температуры конца электрода достигается кратковременным касанием его со свариваемым изделием, во время которого ток короткого замыкания разогревает конец электрода до нескольких сот градусов, что приводит к термоэлектронной эмиссии с конца электрода. Под воздействием напряжения, приложенного к дуговому промежутку от источника питания, электроны устремляются к аноду (рис. 39).

47

дендриты основного металла после частичного оплавления, связанного с разогревом от энергии сварочной дуги, при охлаждении начинают расти в металле шва, т.е. эти пограничные дендриты или кристаллы принадлежат одновременно и металлу шва и свариваемому (основному) металлу. Эта особенность сварных швов обеспечивает им высокие механические свойства и прочность сварных соединений обычно не ниже прочности свариваемого металла. Обычно металл сварного шва имеет дендритное строение, характерное для литого металла. Различные примеси и загрязнения, находящиеся в металле шва и имеющие более низкую, чем металл, температуру плавления, располагаются по границам зерен и обычно их всегда больше в центре сварного шва (поз. 2 рис. 42). Это понижает прочность и пластичность металла. Чем чище наплавленный металл, тем выше механические свойства сварного шва.

Рис. 41. Схема ручной дуговой сварки 1 — сварочный электрод; 2 - стержень электрода; 3 - покрытие электрода;

4 - газовая зашита; 5 - шлаковая корка; 6 - сварной шов;

7 - основной металл; 8 - сварочная ванна; 9 - сварочная дуга;

10 - капля электродного металла

Электроды, предназначенные для дуговой сварки, имеют специальное покрытие, которое предназначено для повышения устойчивости горения дуги, защиты расплавленного металла от вредного воздействия воздуха и для улучшения качества наплавленного металла.

5.4. Строение сварного шва и зоны термического влияния

При сварке плавлением огромное влияние приобретают металлургические процессы, происходящие в сварном шве, когда находящийся в нем металл находится в расплавленном состоянии или начинает затвердевать. Процесс кристаллизации сварных швов отличается от кристаллизации слитков высокими скоростями кристаллизации, поскольку после интенсивного нагрева металла концентрированным источником тепла происходит быстрый отвод его в свариваемое изделие. Скорость охлаждения сварных швов исчисляется десятками и сотнями градусов в секунду. Разберем строение сварного шва с V -образной разделкой кромок после затвердевания.

Наплавленный металл (1) получается за счет поступления при сварке жидкого электродного металла и частичного оплавления и растворения в электродном основного металла (8* происходящего в зоне сплавления (3). Таким образом, химический состав металла шва может отличаться от химсоставов и электродного, и основного металлов и зависит от доли участия этих металлов в формировании шва. Находящиеся на линии сплавления (3)

Рис. 42. Строение сварного шва и зоны термического влияния

Во всяком сварном соединении образуется зона термического влияния (ЗТВ), которая располагается в основном металле, непосредственно примыкая к линии сплавления. В этой зоне под влиянием нагрева до высокой температуры и охлаждения изменяется структура металла, а химический состав его остается неизменным. Структура металла ЗТВ зависит от химического состава свариваемого металла и особенно от содержания углерода. При сварке строительных сталей, содержащих углерода не более 0,25%, зона термического влияния состоит обычно из следующих участков (рис. 42):

  1. Участок частичного оплавления зерен основного металла (поз.4), гдетемпература во время сварки поднимается до 1500-1400°С.

  2. Участок перегрева (поз.5), где температура достигала 1100-1200°С. Наэтих двух участках, ввиду высокой температуры, идет интенсивный рост зернастали, что приводит к снижению прочности и пластичности металла.

  3. Участок (поз.6) нормализации (t = 1200 - 850°С).

  4. Участок (поз.7) частичной перекристаллизации зерен (t = 850 - 700°С).На этих двух участках размер зерен металла уменьшается, что приводит даже кнекоторому повышению прочности и пластичности основного металла.

Таким образом, в сварных соединениях слабыми сечениями являются центр сварного шва (где располагаются примеси) и участки ЗТВ, где наблюдается рост зерен стали.

Размеры ЗТВ зависят от способа сварки: чем концентрированнее источник тепла, тем меньше ЗТВ. При ручной сварке ширина ЗТВ -4... 10 мм.

48

5.5. Понятие о свариваемости сталей

Свариваемость - технологическая характеристика металла, определяющая возможность его использования для сварных металлоконструкций. Чаще всего понятие свариваемости связывают с возможностью появления трещин во время сварки в металле шва и зоне термического влияния. Если трещины не образуются, свариваемость считается хорошей, если появляются трещины и для их предупреждения требуются специальные технологические приемы, то свариваемость считается неудовлетворительной.

Трещины, образующиеся при сварке, можно разделить на два типа: холодные и горячие.

Образование горячих трещин или кристаллизационных происходит при температуре около 1000°С и обычно связано с повышенным содержанием серы, которая придает стали красноломкость. Процесс сварки сопровождается неравномерным нагревом металла, его плавлением и кристаллизацией. Эти процессы вызывают появление внутренних напряжений, и ослабленный красноломкостью металл разрушается с образованием трещин. С целью уменьшения вероятности образования горячих трещин материалом стержней электродов, как правило, берется качественная или высококачественная сталь с содержанием серы менее 0,03%.

Появление холодных трещин связано с образованием в сварном соединении закалочной структуры мартенсита, что сопровождается увеличением объема металла и появлению растягивающих напряжений в участках металла, не претерпевших структурных изменений. Наибольшее влияние на закаливаемость сталей, а следовательно, и способность к образованию холодных трещин оказывает углерод. По склонности к образованию холодных трещин в зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяются на:

  • хорошо свариваемые с содержанием Судовлетворительно свариваемые, с содержанием 0,25%

плохо свариваемые, с содержанием С>0,45%.

Все строительные углеродистые стали содержат углерода менее 0,25% и при сварке в любых условиях, в том числе и при отрицательных температурах, не склонны к образованию трещин. При большем содержании углерода с целью предупреждения образования трещин наиболее часто применяют предварительный нагрев свариваемых соединений, что обеспечивает меньшую скорость охлаждения и предупреждает образование мартенсита.

В низколегированных строительных сталях кроме углерода содержатся легирующие элементы, влияющие на склонность к образованию трещин в той или иной степени. Поэтому для оценки свариваемости низколегированных конструкционных сталей введено понятие эквивалентного содержания углерода, учитывающего суммарное влияние всех элементов, включая и углерод. Оно подсчитывается по формуле:

49

Сэкв= С + Мп / 6 + (Сг + Мо + V) / 5 + (Ni + Си) /15 + Si / 24 Содержание легирующего элемента берется как среднее значение данных сертификата на сталь или при их отсутствии как среднее значение данных ГОСТ на данную марку стали.

Стали, у которых Сэкв меньше 0,45%, считаются не склонными к образованию холодных трещин, т.е. хорошо свариваемыми. При Сэкв более 0,45% стали становятся склонными к образованию трещин и при сварке требуют специальных приемов, предотвращающих образование трещин.

6. ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СВАРКИ

Процесс дуговой сварки характеризуется химическими реакциями, которые протекают между расплавленным металлом и окружающей его средой. При переносе металла с электрода в сварочную ванну его капли и пары, нагретые до высокой температуры, взаимодействуют с окружающей газовой средой и жидким шлаком. Расплавленный металл сварочной ванны также взаимодействует с газовой атмосферой, жидким шлаком и окружающим ее основным металлом. Это все приводит к тому, что химический состав наплавленного металла может существенно отличаться от химического состава металла стержня электрода.

6.1. Влияние кислорода, азота и водорода на металл шва

Для лучшего понимания процессов влияния кислорода, азота и водорода рассмотрим это на примере сварки голой проволокой или тонкопокрытыми электродами (с меловым покрытием). В данном случае расплавленный металл на конце электрода, в виде капель и паров при переходе через дуговой промежуток, в сварочной ванночке находится в прямом контакте с атмосферным воздухом, состоящим, в основном, из кислорода и азота.

Кислород при температуре дуги (6000-7000°С) диссоциирует на атомы, в результате чего окисление металла идет более интенсивно вследствие большей активности атомарного кислорода. С железом кислород образует три вида окислов: FeO - закись железа, Fe2O3 - окись железа, Fe3O4 - закись-окись железа. В железе растворима только закись железа FeO, причем ее растворимость зависит от температуры:

  • при 1520°С растворяется 0,83% FeO или 0,18% О2;

  • при 2300°С растворяется 8,5% FeO или 1,8% О2.

Фактически при сварке голыми электродами содержание кислорода в наплавленном металле достигает 0,7%, что заметно меньше верхнего предела растворимости. Это объясняется восстановлением части закиси железа в сварочной ванне марганцем и кремнием, находящимися в расплавленном металле.

FeO + Mn = MnO + Fe; 2 FeO + Si = SiO2 + 2Fe

Это приводит к уменьшению Мп и Si в металле сварного шва.

51

gigabaza.ru

Электрическая сварочная дуга и ее свойства

Электрическая сварочная дуга и ее свойства

Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд, протекающий в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется двумя основными особенностями: выделением значительного количества тепла и сильным световым эффектом. Температура обычной сварочной дуги около 6000°С. Свет дуги ослепительно яркий и используется в различных осветительных устройствах. Дуга излучает большое количество видимых и невидимых тепловых (инфракрасных) и химических (ультрафиолетовых) лучей. Невидимые лучи вызывают воспаление глаз и обжигают кожу человека, поэтому для защиты от них сварщики применяют специальные щитки и спецодежду. В зависимости от среды, в которой происходит дуговой разряд, различают следующие сварочные дуги: 1. Открытая дуга. Горит в воздухе. Состав газовой среды зоны дуги— воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электродов и электродных покрытий. 2. Закрытая дуга. Горит под слоем флюса. Состав газовой среды зоны дуги — пары основного металла, материала электрода и защитного флюса. 3. Дуга с подачей защитных газов. В дугу подаются.под давлением различные газы — гелий, аргон, углекислый газ, водород, светильный газ и различные смеси газов. Состав газовой среды в зоне дуги — атмосфера защитного газа, пары материала электрода и основного металла.

Питание дуги может осуществляться от источников постоянного или переменного тока. В случае питания постоянным током различают дугу прямой полярности (минус источника питания на электроде, плюс — на основном металле) и обратной полярности (минус на основном металле, плюс на электроде). В зависимости от материала электродов дуги различают с плавким (металлическим) и неплавким (угольным, вольфрамовым, керамическим и др.) электродами.

При сварке дуга может быть прямого действия (основной металл участвует в электрической цепи дуги) и косвенного действия (основной металл не участвует в электрической цепи дуги). Дуга косвенного действия применяется сравнительно мало. Плотность тока в сварочной дуге может быть различна. Применяются дуги с нормальной плотностью тока — 10—20 а/мм2 (обычная ручная сварка, сварка в некоторых защитных газах) и с большой плотностью тока — 80—120 а/мм2 и больше (автоматическая, полуавтоматическая сварка под флюсом, в среде защитных газов). Возникновение дугового разряда возможно только в случае, когда газовый столб между электродом и основным металлом будет ионизирован, т. е. будет содержать ионы и электроны. Это достигается тем, что газовой молекуле или атому сообщается соответствующая энергия, называемая энергией ионизации, в результате чего из атомов и молекул выделяются электроны. Среду дугового разряда можно представить газовым проводником электрического тока,имеющим круглоцилиндрическую форму. Состоит дуга из трех областей — катодная область, столб дуги, анодная область.

Во время горения дуги на электроде и основном металле наблюдаются активные пятна, которые представляют собой нагретые участки на поверхности электрода и основного металла; через эти пятна проходит весь ток дуги. На катоде пятно именуется катодным, на аноде — анодным. Сечение средней части столба дуги несколько больше размеров катодного и анодного пятен. Его размер соответственно зависит от размеров активных пятен.

Напряжение дуги изменяется в зависимости от плотности тока. Эта зависимость, изображенная графически, называется статической характеристикой дуги. При малых значениях плотности тока статическая характеристика имеет падающий характер, т. е. напряжение дуги уменьшается по мере увеличения тока. Это обусловлено тем, что с увеличением тока площадь сечения столба дуги и электропроводность увеличиваются, а плотность тока и градиент потенциала в столбе дуги уменьшаются. Величина катодного и анодного падений напряжений дуги не изменяется от величины тока и зависит только от материала электрода, основного металла, газовой среды и давления газа в зоне дуги.

При плотностях тока сварочной дуги обычных режимов, применяемых при ручной сварке, напряжение дуги не зависит от величины тока, так как площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току, а электропроводность изменяется весьма мало, и плотность тока в столбе дуги практически остается постоянной. При этом величина катодного и анодного падений напряжений остается неизменной. В дуге большой плотности тока при увеличении силы тока катодное пятно и сечение столба дуги не могут увеличиваться, хотя плотность тока возрастает пропорционально силе тока. При этом температура и электропроводность столба дуги несколько повышаются.

Напряжение электрического поля и градиент потенциала столба дуги будут возрастать с увеличением силы тока. Катодное падение напряжения увеличивается, вследствие чего статическая характеристика будет носить возрастающий характер, т. е. напряжение дуги с увеличением тока дуги будет возрастать. Возрастающая статическая характеристика является особенностью дуги высокой плотности тока в различных газовых средах. Статические характеристики относятся к установившемуся стационарному состоянию дуги при неизменной ее длине.

Устойчивый процесс горения дуги при сварке может происходить при соблюдении определенных условий. На устойчивость процесса горения дуги влияет ряд факторов; напряжение холостого хода источника питания дуги, род тока, величина тока, полярность, наличие индуктивности в цепи дуги, наличие емкости, частота тока и др.

Способствуют улучшению устойчивости дуги увеличение тока, напряжения холостого хода источника питания дуги, включение индуктивности в цепь дуги, увеличение частоты тока (при питании переменным током) и ряд других условий. Устойчивость может быть также существенно улучшена за счет применения специальных электродных обмазок, флюсов, защитных газов и ряда других технологических факторов.

Поделитесь с Вашими друзьями:

genew.ru

СВАРОЧНАЯ ДУГА И ЕЕ СВОЙСТВА

§ 31. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДУГИ

Различные материалы по-разному проводят электри­ческий ток. Проводимость всякого материала зависит от количества находящихся в нем свободных, электрически заряженных частиц, переносящих электрические заря­ды,— электронов и ионов, а также от того, с какой ско­ростью эти носители электрических зарядов перемеща­ем

ются. Следовательно, чем больше в материале имеется носителей зарядов и чем они подвижнее, тем меньше его сопротивление. Газы (в том числе и воздух) при нор­мальных условиях не проводят электрического тока. Это объясняется тем, что в обычных условиях они состоят из нейтральных молекул и атомов, которые не являются носителями зарядов. Они станут электропроводными в том случае, если в своем составе будут иметь электро­ны, положительные и отрицательные ионы.

Электроны, положительные и отрицательные ионы в газах возникают при воздействии на них электрическо­го поля, тепла, при прохождении через газ ультрафиоле­товых, рентгеновских и космических лучей, а также лу* чей, испускаемых радиоактивными веществами.

Прохождение электрического тока через газы называ­ется электрическим газовым разрядом.

Электрические газовые разряды подразделяются на две основные группы: несамостоятельные и самостоятель­ные. При несамостоятельном электрическом газовом раз­ряде электроны и ионы образуются от постороннего ис­точника (например, газовый или воздушный промежуток подогревается пламенем, через него проходят лучи, на этот промежуток действует мощный поток световой энер­гии или сильное электрическое поле). При самостоятель­ном электрическом газовом разряде образование элект­ронов и ионов происходит без постороннего источника (таким разрядом является сварочная дуга).

Процесс образования электронов и ионов называется ионизацией, а газ, содержащий электроны и ионы, иони­зированным. При прохождении электрического тока че­рез газовый промежуток положительные ионы стремятся к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные — к положительному (аноду). При движении некоторые ионы и электроны, сталкиваясь между собой, нейтрали­зуются и образуют нейтральные атомы и молекулы. Про­цесс образования нейтральных атомов и молекул назы­вается рекомбинацией. При рекомбинации образуется энергия в форме электромагнитных излучений. В элект­рическом газовом разряде при бомбардировке поверхно­сти отрицательного полюса электрода (катода) ионами, воздействии на эту поверхность электромагнитных излу­чений, влиянии высокой температуры и приложении электрического поля с поверхности отрицательного по­люса (катода) во внешнюю среду выходят электроны.

Излучение с поверхности отрицательного полюса элект­ронов во внешнюю среду называется электронной эмис­сией. Таким образом, при дуговом разряде происходит образование ионов — ионизация газов с обратимым про­цессом— рекомбинацией и имеет место электронная эмиссия.

Виды электрически заряженных частиц в газах. Заря­женными частицами в газах могут быть электроны, по­ложительные и отрицательные ионы. Материальная ча­стица с наименьшей массой, несущая один элементарный отрицательный электрический заряд, называется элект­роном. Масса электрона в состоянии покоя равна 9,10721 • 10-28 г, или в 1840 раз меньше массы атома во­дорода. Заряд электрона равен 1,59* 10-19 Кл. Ион — атом, несущий на себе заряд. Ион может быть отрица­тельным и положительным. Отрицательным ионом счи­тают тот атом, к которому присоединились один или несколько электронов, а положительным — от которого отняли один или несколько электронов. Масса иона практически равна массе отдельного атома. Наименьшей массой обладает ион водорода (1,66* 10-24 г). Положи­тельные ионы могут образовывать все атомы и молеку­лы, а отрицательные ионы легче всего образуют электро­отрицательные элементы, обладающие значительным сродством к электрону. Такими элементами являются фтор, хлор, азот, кислород и др.

Количество энергии, выделенное при присоединении электрона к нейтральному атому или отрицательно заря­женному иону и выраженное в электрон-вольтах, назы­вается сродством к электрону. Электрон-вольтом назы­вается единица энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенци­алов в 1 В.

Потенциалы ионизации и возбуждения. На освобож­дение электрона от связи с атомным ядром, вследствие чего и происходит образование положительного иона, не­обходимо затратить определенное количество энергии. Энергия, израсходованная на отрыв электрона, называ­ется работой ионизации. Работа ионизации, выраженная в электрон-вольтах, называется потенциалом ионизации. Если сообщить связанному электрону газовой молекулы или атома некоторое количество дополнительной энер­гии, то электрон перейдет на новую орбиту с более высо­ким энергетическим уровнем, а молекула или атом бу­

дут находиться в возбужденном состоянии. Количество энергии, выраженное в электрон-вольтах, которое необ­ходимо затратить для возбуждения атома или молекулы газа, называется потенциалом возбуждения. Возбужден­ное состояние атома или молекулы газа является не­устойчивым, и электрон может снова возвратиться на стационарную орбиту, а атом или молекула перейдет в нормальное невозбужденное состояние. Энергия воз­буждения при этом передается в окружающее прост­ранство в форме светового электромагнитного излу­чения.

Величина потенциала ионизации и возбуждения за­висит от природы атома. Наименьший потенциал иониза­ции (3,9 эВ) имеют пары цезия, а наибольший (24,5 эВ) наблюдается у газа гелия. У щелочноземель­ных металлов (цезия, калия, натрия, бария, кальция) связь между электронами и ядром невелика, поэтому они имеют наименьшие потенциалы ионизации, следова­тельно, на возбуждение и работу выхода электрона по­требуется затратить меньше энергии, чему железа, мар­ганца, меди и никеля. Элементы, имеющие меньшие по­тенциалы ионизации и возбуждения, чем свариваемый металл, вводят в состав электродных покрытий, чтобы повысить стабилизацию дугового разряда в газах. Ко­личество энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла или жидкого тела, называется ра­ботой выхода электрона и выражается в электрон-воль­тах.

hssco.ru

Электрическая дуга и ее свойства Билет5 Сварочная

Электрическая дуга и ее свойства Билет5

Сварочная дуга представляет собой концентрированный электрический разряд, который протекает только в среде специального газа, предназначенного для ведения работ.

При этом сварочная дуга характеризуется двумя основными свойствами, а именно: при работе с дугой выделяется большое количество тепла, а также, сварка производится с выделением световой энергии. При выполнении работы температура дуги может достигать 6000 градусов.

Свет электрической дуги невероятно яркий, поэтому нашел свое применение в различных осветительных приборах, в том числе во всем известной лампе накаливания. Кроме световой энергии, сварочная дуга выделяет инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, оно особенно опасно для глаз и кожи человека. Это опасное излучение может вызвать воспаление глаз, а также ожог роговицы, вследствие чего может произойти полная или частичная потеря зрения. На коже ультрафиолетовые лучи могут оставить серьезные ожоги: именно для того, чтобы избежать столь серьезных последствий, сварщиками применяются специальные щитки и маски, которые защищают глаза, а также одежду, защищающую от негативного воздействия сварочной дуги.

Среда дугового разряда. Итак, электрическая сварочная дуга различается по среде, в которой происходит ее горение, а именно: Дуга может гореть в обычном воздухе. Ее принято называть открытой. Газовую среду в зоне сварки составляет воздух с небольшой примесью испарений металлов, которые участвуют в процессе сварки. Кроме этого, в примесях присутствуют материалы самих электродов для сварки. Другой тип дуги принято называть закрытым, так как горит она под специальным слоем флюса. При этом зону сварки составляют пары материала, который сваривается при помощи дуги, а также флюса и электрода.

И последний вид - это дуга, которая горит с применением специальных газов, защищающих ее от попадания воздуха. В зону сварки подается углекислый газ, аргон и другие.

Питание дуги. Питание сварочной дуги происходит от специальных источников, которые создают переменный или постоянный ток. Для нормальной работы со сварочной дугой необходимо дополнительное оборудование, например, трансформатор, выпрямитель тока. Эти приборы довольно габаритные и тяжелые, правда сейчас появилась возможность заменить все громоздкие и неудобные аппараты на один сварочный инвертор, вес которого составляет всего несколько килограмм. Однако питание дуги от инвертора имеет и свои минусы, например, длина проводов не должна превышать 2, 5 метров, что не очень удобно, но вполне можно привыкнуть.

Напряжение сварочной дуги. Напряжение сварочной дуги может изменяться и оно напрямую зависит от такого важного показателя, как плотность тока. Как показывает практика, напряжение дуги имеет обратно пропорциональное отношение к силе тока. Современный инвертор как раз основан на этом принципе. После прохождения всех преобразований, ток попадает в трансформатор, там его напряжение понижается, за счет чего и увеличивается сила тока. Обычно напряжение на выходе составляет около 70 Вольт, а сила тока - примерно 200 ампер, что вполне достаточно для выполнения процесса сварки.

Возникновение сварочной дуги. Дуга сварки обычно возникает при касании поверхности свариваемого материала концом электрода. При этом происходит быстрое замыкание, и ток в точке своего соприкосновения имеет невероятно большую плотность. В результате чего почти мгновенно металл расплавляется, а между электродом и свариваемым материалом возникает небольшая полоска из расплавившегося металла.

Далее сварщик просто отводит электрод, в результате чего возникает шейка в жидком металле, которая быстро разрушается под действием тока высокой плотности. Испарившиеся при разрушении газы ионизируются и именно в результате этого процесса возникает сварочная дуга.

Выбор параметров сварки билет4(2)

1. Род и полярность тока 2. Диаметр электродной проволоки 3. Сварочный ток 4. Напряжение на дуге 5. Скорость подачи электродной проволоки 6. Скорость сварки 7. Расход защитного газа 8. Вылет электрода

Род и полярность тока Сварку обычно выполняют на постоянном токе обратной полярности. Иногда возможна сварка на переменном токе. При прямой полярности скорость расплавления в 1, 4 -1, 6 раз выше, чем при обратной, однако дуга горит менее стабильно, с интенсивным разбрызгиванием. Прямая полярность «–» на электрод.

Диаметр электродной проволоки Выбирают в пределах 0, 5 -3, 0 мм при полуавтоматической сварке. в зависимости от толщины свариваемого материала и положения шва в пространстве при ручной Больший диаметр проволоки требует увеличения сварочного тока.

Сварочный ток Устанавливают в зависимости от диаметра электрода и толщины свариваемого металла. Сила тока определяет глубину проплавления и производительность процесса в целом. Сила сварочного тока при ручной сварке находится по формуле академика Хренова I = K X d

Напряжение на дуге С ростом напряжения на дуге глубина проплавления уменьшается, а ширина шва и разбрызгивание увеличиваются. Ухудшается газовая защита, образуются поры. Напряжение на дуге устанавливают в зависимости от выбранного сварочного тока и регулируют положением вольт-амперной характеристики. При сварке электродами 2 мм и менше нужно применять оциляторы.

Скорость сварки Устанавливают в зависимости от толщины свариваемого металла с учетом качественного формирования шва. Металл большой толщины лучше сваривать узкими швами на высокой скорости. Медленная сварка способствует разрастанию сварочной ванны и повышает вероятность образования пор в металле

1. Что представляет собой электрическая дуга. 2. Строение электрической дуги 3. Виды дуг. 4. Свойства электрической дуги. 5. Среда дугового разряда. 6. Питание дуги. 7. Возникновение дуги. 8. Перечислить параметры сварки. 9. Выбор диаметра электрода. 10. Выбор сварочного тока. 11. Выбор ширины валика. 12. Выбор разделки кромок металла. 13. Скорость сварки

present5.com