Подробности Категория: Сварка

В книге рассмотрены технологические свойства электро сварочных дуг при сварке низкоуглеродистыми электрода ми с различными покрытиями. Показано влияние энергетически: процессов у катода, анода и в столбе дуги па производительность расплавления и проплавляющее действие электродов, а также на перенос металла в дуге и устойчивость ее горения. Установлен характер изменения энергетического состояния отдельных зон дуги при внесении в нее различных веществ.

На основе теории распространения тепла при сварке разработаны способы расчета некоторых технологических характеристик электродов.

Книга рассчитана на инженеров, научных работников и аспирантов, интересующихся вопросами применения дугового разряда и его энергетическими особенностями.

Свойства электрической дуги должны оказывать решающее влияние на особенности процесса сварки электродами. Это связано с тем, что дуга является основным источником тепловой энергии. Другие возможные источники энергии (подогрев электрода током и тепло химических реакций при плавлении покрытия) имеют второстепенное значение. Это подтверждается следующими данными. При нагреве сварочным током стержней диаметром 4-5 мм из низкоуглеродистой стали при плотности тока до 20 ajмм2 в них выделяется лишь около 20% тепла, необходимого для плавления, причем основное количество тепла выделяется в конце расплавления электрода, когда значительно возрастает его омическое сопротивление из-за разогрева . Термический эффект химических реакций для наиболее распространенных промышленных электродов, определенный в работе с помощью специальной методики калориметрирования, не превышает ±8-9% мощности дуги.

Энергетические характеристики сварочных дуг зависят от типа покрытия электрода. Эта зависимость может быть установлена при одинаковом токе I по разнице в напряжении горения дуги Да, так как мощность дуги составляет /Да* Целесообразно сравнивать между собой величины так называемого номинального напряжения горения дуги (напряжение дуги, характерное для данного электрода при оптимальном режиме сварки).

Ниже приведены значения номинального напряжения горения дуги, полученные А. А. Ерохиным для низкоуглеродистой проволоки с различными тонкими покрытиями на постоянном токе прямой полярности (в в):
Без покрытия............................................................18

Тонкий слой жидкого стекла......................................17

Мел и жидкое стекло............................................... 15

Кварцевый песок и жидкое стекло.............................24

Каолин и жидкое стекло...........................................28
Очевидно, что сварочные дуги с более высоким номинальным напряжением при прочих равных условиях будут более мощными. Причина изменения мощности сварочной дуги при нанесении тех или иных покрытий кроется в изменении физических условий существования дугового разряда, вызываемом покрытиями.

В настоящее время характеристики конкретных электрических дуг при сварке различными электродами изучены чрезвычайно слабо. В определенной степени известны лишь явления в столбе дуги. В то же время почти не исследованы процессы в приэлектродных областях, имеющие большое значение для понимания технологической роли электрической дуги в сварочном процессе. Результаты исследовании несварочных электрических дуг дают некоторое представление о явлениях в приэлектродных областях сварочных дуг. Так, в связи с разнообразием типов электрических дуг физиками делались попытки приблизительно классифицировать их по явлениям па катоде.

А. Энгель считает, что самоподдерживающие электрические дуги целесообразно разделить на две группы: дуги, у которых катоды заметно испаряются при температурах, когда термоэлектронная эмиссия еще отсутствует (дуги с «холодным» катодом), и дуги, в которых катоды имеют температуру, достаточную для значительной термоэлектронной эмиссии (дуги с термокатодом).

Основу низкоуглеродистых сварочных электродов составляет железо, температура кипения которого равна примерно 2740° С. Имеющиеся в стали примеси могут приводить к снижению температуры кипения электрода или к избирательному кипению при температуре ниже температуры кипения железа. Например, марганец испаряется уже при 1900° С, потери его при сварке за счет испарения могут быть значительными. Поверхность капель на конце электрода почти всегда покрыта шлаками и окислами, температура кипения которых также может быть ниже температуры кипения железа (А!203-2250е С, Si02- 2230° С и т. д.). Температура железных катодов, покрытых шлаками и окислами в связи с их испарением в дуге и значительными затратами энергии на такое испарение, может не достигать температуры кипения железа

При сравнительно низкой температуре кипения железа и возможных примесей и шлаков заметная термоэлектронная эмиссия с поверхности капель при атмосферном давлении теоретически невозможна и поэтому сварочные дуги с плавящимися электродами должны быть отнесены по классификации Энгеля к дугам с «холодным» катодом. Следует отметить, что разделение дуг, предложенное Энгелем, не является строгим. Исследования показали, что благодаря локальным повышениям давления и температуры в катодной области в дугах с «холодным» катодом, также возможна термоэлектронная эмиссия.

В последнее время появились более тонкие феноменологические градации дуг. Так, В. Финкельнбург и Г. Меккер считают, что существуют дуги без катодного пятна, дуги с весьма сжатым и неподвижным катодным пятном и нестационарные туги с катодным пятном, находящимся в быстром и хаотическом движении. В нестационарных дугах очень мало время существования катодного пятна, которое при своем исчезновении сменяется вновь образующимся подобным пятном (или несколькими пятнами). Эти дуги по своим параметрам (ток, давление, состояние поверхности катода) наиболее близко пот ходят к сварочным дугам с плавящимся электродом.

В работе указывается, что на интенсивность движения шипа существенно влияет материал катода. Найдена связь между интенсивностью испарения катода и перемещением пятна. При плохо испаряющихся катодах пятно перемещается интенсивнее.

Дуга с катодным пятном при некоторых условиях может переходить в дугу без пятна. По мнению В. Вейцеля, в дуге без катодного пятна существенную роль играет термическая эмиссия электронов с катода. В дуге же с катодным пятном в контрагированной плазме у катода образуется облако положительных ионов, вырывающее из него электроны.

Дуга без пятна на переменном токе должна гореть без пиков напряжения в каждый полупериод из-за большой тепловой инерции электродов. В дуге с катодным пятном всегда наблюдается пик напряжения в начале каждого из полупериодов. Энергия, затрачиваемая на этот пик, расходуется на пере ориентацию облака положительных ионов и создание необходимых эмиссионных условий у катода.

Изучение явлений в катодной области, несомненно, имело бы важное значение и для сварочных дуг, однако для дуг с плавящимся электродом это затруднено, так как малая длина душ наличие втулочки из покрытия и перенос капель металла метают прямым наблюдениям в катодной области.

Несмотря на это, могут быть получены некоторые данные, убеждающие в существенном отличии процессов па катоде у сварочных дуг различных электродов. Например, анализируя сварку на переменном токе по осциллограммам напряжения, можно установить, что дуги различных электродов по характеру возбуждения в каждый полупериод и, следовательно, по характеристикам катодов отличаются друг от друга. В случае электродов ЦМ7, ОММ5 и ЦЦ1 пики напряжения при возбуждениях дуги существуют в каждом полупериоде, и по В. Вейнелю такие дуги могут быть отнесены к дугам с катодным пятом. Наибольшие пики напряжения наблюдаются у электродов ЦЦ1. Электроды с основным покрытием (УОНИ13, СМИ, > 112) при таких же режимах образуют дугу с пиком напряжения только в одном полупериоде (рис. 1).

Отличия имеются и в интенсивности блуждания пятна. Например, как показывает скоростная киносъемка, на электродах с меловым покрытием катодное пятно перемещается медленно, в то время как на электродах с покрытием из плавикового шпата оно быстро передвигается по поверхности капли.

Перемещение пятна непостоянно. Некоторое время оно может находиться в относительном покое и затем внезапно начать двигаться. Пятно может совершать быстрые вращательные движения вокруг капли. По кинокадрам, снятым со скоростью 5000 кадров в 1 сек, трудно судить, является ли перемещение пятен непрерывным или скачкообразным. В случае очень быстрого движения пятна создается впечатление, что оно гаснет и мгновенно вновь возникает в новом более благоприятном месте, которое может находиться даже с другой стороны капли Анодное пятно, подобно катодному, также может интенсивно блуждать. Таким образом, поведение активных пятен сварочной дуги соответствует по классификации В. Финкельнбурга и Г. Меккера третьему типу дуг с нестационарным катодным пятном.

Весьма вероятно, что природа перемещения пятна на жидком катоде при сварке близка к природе блуждания пятна на ртутном катоде, который также относится к катодам «холодного» типа. Катодное пятно на ртути состоит из отдельных ячеек. Перестройка этих ячеек (появление новых и исчезновение старых) приводит к быстрому хаотическому перемещению всего пятна. Размеры ячеек весьма малы. Плотность тока в одной ячейке составляет около 106 а/см2. Дуги с ртутных катодов благодаря ячеистому строению катода могут гореть одновременно с нескольких катодных пятен. Аналогичное явление в ряде случаев наблюдается при скоростной киносъемке сварки низкоуглеродистой проволокой при плотности тока более 18 а/мм2 па прямой полярности.

Таким образом, даже чисто феноменологическое рассмотрение показывает, что электрические дуги при сварке различными электродами имеют существенные отличия в протекающих в них физических процессах. Эти отличия и являются причинами изменения как мощности дуги, так и ее устойчивости при нанесении различных покрытий.

Отличия в физических и энергетических характеристиках луг неизбежно должны приводить к разным технологическим характеристикам электродов. Наблюдения показывают, что сварочные дуги, потребляющие большую мощность, характеризуйются более интенсивным блужданием активных пятен. Впервые па связь между номинальным напряжением дуги и ее устойчивостью обратил внимание Г. М. Тиходеев. Номинальное напряжение связано также со скоростью плавления электрода. Это было установлено И. Д. Давыденко и А. А. Ерохиным.

Несмотря на практическую важность этих фактов, взаимосвязи технологических характеристик электродов с особенностями электрических сварочных дуг посвящено сравнительно мало работ. Можно указать лишь на несколько работ в этом направлении.

Так, К- К- Хренов показал, что вещества с низким потенциалом ионизации, вводимые в дугу даже в небольших количествах, способствуют повышению ее устойчивости и позволяют производить сварку на переменном токе. В этой работе повышение устойчивости дуги связывалось с увеличением степени ионизации плазмы.

А. А. Ерохин установил, что коэффициент расплавления при прямой полярности увеличивается с ростом номинального напряжения дуги. При обратной полярности коэффициент расплавления в меньшей степени зависит от номинального напряжения. Этот результат исследовании А. Л. Ерохина, как будет показано ниже, имеет принципиальное значение.

В ряде работ было показано, что свойства сварочных дуг с плавящимся электродом и технологические характеристики процесса зависят от полярности при сварке, материала электродов, состояния их поверхности и атмосферы дуги. Однако в этих работах в большинстве случаев не делается попыток связать энергию дуги и технологические характеристики электродов.

Исследования в основном посвящены рассмотрению явлений с столбе дуги. Можно указать, например, на характерные в этом отношении монографии К. К. Хренова, A. Я. Броуна и Г. И. Погодина-Алексеева, Г. М. Тиходеева. Однако столб сварочной дуги обычно потребляет незначитечьную долю энергии и не может оказать существенного влияния на взаимен действие дуги и электродов. Значительно большее влияние на это взаимодействие должны оказать малоизученные приэлектродные области дуги.

На большое значение энергии, выделяемой в приэлектродных областях, при оценке теплового действия дуги па электрод обратил внимание Б. Е. Патон, который пишет: Лаши исследования и исследование, проведенное в последнее время в Институте электросварки Д. М. Бабкиным, показали, что основная тепловая энергия, идущая на нагрев и плавление электрода, выделяется в приэлектродной области».

Из работ, посвященных сварочной дуге, можно назвать лишь несколько, в которых плавление электрода исследуется в связи с характеристиками приэлектродных областей. Д. М. Бабкин рассмотрел действие приэлектродных областей мощной сварочной дуги под флюсом па плавление электродной проволоки. Хотя некоторые положения работы Д. М. Бабкина (равное значение электронного и ионного тока на катоде) встречают возражения, им впервые высказана важная идея о необходимости раздельного рассмотрения действия приэлектродных областей на плавление электрода и выполнены соответствующие расчеты. Японский исследователь С. Одзава сделал аналогичную попытку рассмотреть плавление различных электродов в связи с энергией в приэлектродных областях дуги.

Определенное отрицательное влияние на развитие исследований приэлектродных зон сварочной дуги оказало неверное положение К. Комптона о том, что для дуг высокого давления катодное падение напряжения численно равно потенциалу ионизации дугового газа. Это создавало иллюзию возможности расчета падения напряжения в катодной области сварочной дуги по величине потенциала ионизации паров металла электрода без проведения специальных измерений. На основе такой точки зрения, например, была сделана попытка создать модель сварочной дуги, в которой катодное падение напряжения различных дуг с плавящимся электродом из низкоуглеродпстой стали во всех случаях равнялось 8 в, что примерно соответствовало потенциалу ионизации паров железа В действительности катодное падение напряжения сварочном дуги может сильно отличаться в зависимости и от состояния поверхности электрода, типа покрытия или флюса, режима сварки, и такая модель не является обоснованном.

Очевидная связь между явлениями в дуге и технологическими характеристиками сварочных электродов создает определенные возможности по регулированию технологических свойств сварочных щектродов, которое можно осуществлять несколькими путями. Можно в определенных пределах стабилизировать процессы в дуге (улучшить устойчивость горения и уменьшить разбрызгивание) за счет соответствующего выбора электрических параметров источников тока и сварочной цепи. Принцип такого регулирования заключается в подборе правильных обратных связен в системе дуга - сварочная цепь - источник тока, что связано главным образом с установлением определенной формы вольт-амперной характеристики источника тока и его шнамических свойств.

Эти явления подробно исследованы Б. Е. Патоном. В. П. Никитиным, И. Я- Рабиновичем, В. К. Лебедевым и М. Н. Сидоренко, Д Б. Кейта и др. Этот способ можно назвать внешним способом регулирования синологических свойств.

Другой, значительно менее изученный способ регулирования технологических свойств электродов заключается в активном воздействии на энергетические процессы в самой дуге за счет введения в дугу различных веществ, иногда в весьма малых количествах.

Результатам исследования возможности такого регулирования технологических свойств электродов посвящена данная книга.

5.1 Цель работы

Изучение влияния параметров режима сварки на процесс плавления элек­тродов, ознакомление с методикой экспериментального определения характе­ристик расплавления электродов.

Теоретическое введение

Тепло, вводимое сварочной дугой в электрод, затрачивается на нагрев и расплавление электродного стержня и электродного покрытия. Процесс плав­ления электродного стержня и переход расплавленного металла в сварочную ванну зависит от ряда факторов: величины, рода и полярности тока, состава электродного покрытия и стержня, положения сварного шва в пространстве и т.п. Свойства электрода, характеризующие производительность его расплавле­ния, оценивают коэффициентом расплавления α р, определяемым по формуле

где g p – масса расплавленного металла, г;

I – ток сварки, А;

t – время плавления электрода.

При сварке наблюдаются потери жидкого металла вследствие его окисле­ния воздухом и через шлак, а также в результате испарения и разбрызгивания за пределы сварочной ванны. Потери на угар и разбрызгивание оцениваются коэффициентом потерь

Потери на угар и разбрызгивание колеблются в довольно широких пределах в зависимости от различных факторов. Для ручной дуговой сварки коэф­фициент расплавления в зависимости от конкретной марки электрода составляет 8-15 г/А·ч, коэффициент потерь – 5-30 %; для автоматической сварки под слоем флюса – α р = 13-23 г/А·ч, ψ = 2-4 % .

Увеличение сварочного тока приводит к повышению температуры столба дуги и интенсивности расплавления электрода и, как следствие, к увеличению α р. При больших плотностях тока переход капель металла с электрода в шов может носить струйный характер, что уменьшает потери на разбрызгивание.

При сварке на обратной полярности производительность расплавления существенно выше, чем при сварке на переменном токе и при прямой полярно­сти. Это объясняется тем, что на аноде выделяется в 2-3 раза больше теплоты, чем на катоде, за счет бомбардировки анода быстрыми электронами, в то время, как на катоде затрачивается энергия на их эмиссию.

На величины α р и ψ оказывают влияние тип электрода и состав стержня, что определяет состав атмосферы столба дуги и, как следствие, эффективный потенциал ионизации. В свою очередь, изменение эффективного потенциала ионизации ведет к изменению температуры столба дуги в соответствии с эмпи­рической формулой, применимой для ручной дуговой сварки

T = 800U эф (5.3)

Увеличение температуры столба дуги ведет к увеличению количества обра­зующихся газов, повышает их давление в капле электродного металла и, в конечном итоге, может привести к усилению разбрызгивания.

Коэффициент α р существенно зависит от температуры нагрева электрод­ного стержня. Нагрев электродного стержня джоулевым теплом ускоряет его плавление в дуговом разряде и α р увеличивается, при этом величина ψ практи­чески не меняется. При автоматической и полуавтоматической сварке для уве­личения α р широко применяется сварка с увеличенным вылетом проволоки (расстоянием между токоподводящим мундштуком н изделием). Увеличение вылета ведет к увеличению сопротивления проволоки и, как следствие, повы­шению температуры ее нагрева. При ручной дуговой сварке непостоянство α р в процессе горения электродного стержня может привести к нарушению режима формирования шва, поэтому максимальная сила тока для каждого диаметра электрода конкретной марки строго ограничена. Равномерности плавления электрода способствует увеличение толщины электродного покрытия, т.к. оно не проводит тока, не нагревается джоулевым теплом и охлаждает стержень электрода.

Оборудование и материалы

1. Посты ручной дуговой сварки на постоянном и переменном токах, укомплектованные приборами для измерения тока сварки.

2. Технические весы с разновесом.

3. Секундомер.

4. Штангенциркуль и линейка.

5. Сварочные электроды МР-3 Æ4 мм.

6. Пластины из малоуглеродистой стали.

Порядок проведения работы

1. Очистить, замаркировать и взвесить пластины, предназначенные для наплавки.

2. Подготовить электроды, замаркировать, определить диаметр и началь­ную длину электродного стержня.

3. Для каждой марки электрода определить массу l погонного сантиметра электродного стержня, которая равна массе очищенного от обмазки электрод­ного стержня, деленной на его длину.

4. Произвести наплавку валика на пластину электродом по­стоянным током обратной полярности. В процессе наплавки фиксировать вре­мя горения дуги и силу тока (рекомендуемая сила тока для всех вариантов опы­тов – 120-200 А) с последующим занесением в таблицу 5.1.

5. После наплавки охладить, высушить, зачистить от шлака и взвесить пластину. Определить массу наплавленного металла и результат занести в таблицу 5.1.

6. Замерить длину оставшейся после наплавки части электрода и рассчи­тать массу расплавленного металла с последующим занесением в таблицу 5.1.

7. Вычислить характеристики расплавления электрода с последующим занесением в таблицу 5.1.

8. Опыт по п.4 повторить при измененных значениях силы тока 2 раза.

9. Опыт по п.4 повторить для прямой полярности и переменного тока.

УДК 621.791.754"293

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА НА ПРОСТРАНСТВЕННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ДУГИ ПРИ СВАРКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В СРЕДЕ АРГОНА

А.С. Киселев, А.С. Гордынец Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Приведены результаты исследований по влиянию амплитудной модуляции переменного прямоугольного тока на пространственную устойчивость дуги при сварке алюминиевых сплавов неплавящимся электродом в среде аргона. Показано, что увеличение тока обратной полярности до 10 А и более способствует расширению зоны перемещения катодных пятен и, следовательно, большему отклонению дуги от оси вольфрамового электрода. Экспериментально установлено, что при сварке алюминиевых сплавов в широком диапазоне действующих значений переменного прямоугольного тока пространственное положение дуги в период протекания тока прямой полярности занимает практически соосное вольфрамовому электроду положение в случае кратковременного ограничения тока дуги обратной полярности до уровня 5 А на завершающем этапе её горения.

Ключевые слова:

Дуговая сварка, алюминиевые сплавы, неплавящийся электрод, переменный прямоугольный ток, амплитудная модуляция.

Тепловая энергия электрической дуги передается электроду и свариваемому изделию в основном активными пятнами и газовыми потоками. Блуждание активных пятен по поверхности электрода и изделия, а также отклонение столба дуги от оси электрода приводит к рассредоточению тепловых потоков, что является причиной нарушения стабильности плавления свариваемого металла . В большей степени это проявляется при высокой скорости сварки и малой величине тока дуги. Таким образом, одним из факторов, определяющих эффективность процесса сварки, является пространственная устойчивость дуги.

Пространственная устойчивость дуги с неплавящимся электродом определяется скоростью потока плазмы в аксиальном направлении . При увеличении скорости этого потока смещение дуги в поперечном направлении под воздействием внешних сил ограничивается, т. е. пространственная устойчивость дуги возрастает. Одним из способов управления пространственной устойчивостью является воздействие на ее электрические параметры, т. к. с ними взаимосвязаны скорость потока плазмы и давление дуги .

Повышению пространственной устойчивости дуги при сварке алюминиевых сплавов не-плавящимся электродом в среде аргона способствует применение переменного прямоугольного тока . Об этом косвенно свидетельствуют результаты многочисленных исследований. В работах показано влияние регулируемых параметров режима сварки на характер проплавления изделия из алюминиевого сплава и ширину зоны катодного распыления. В частности, отмечено, что уменьшение тока и длительности горения дуги обратной полярности и соответствующее увеличение аналогичных параметров дуги прямой полярности позволяют увеличить глубину проплавления и уменьшить ширину шва и зоны катодного распыления. При этом давление дуги приобретает явно выраженный пульсирующий характер.

Таким образом, для обеспечения пространственной устойчивости дуги переменного прямоугольного тока необходимо задавать максимальную асимметрию параметров режима горения дуги

Киселев Алексей Сергеевич,

канд. техн. наук, доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Института нераз-рушающего контроля ТПУ. E-mail: [email protected] Область научных интересов: управление параметрами режима дуговой и контактной сварки.

Гордынец Антон Сергеевич,

инженер, ассистент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Института неразру-шающего контроля ТПУ. E-mail: [email protected] Область научных интересов: оборудование и процессы дуговой сварки.

прямой и обратной полярностей. Однако при этом возможно снижение качества сварного соединения за счет недостаточного удаления поверхностной оксидной пленки.

Цель работы - определить возможность повышения пространственной устойчивости дуги при сварке алюминиевых сплавов неплавящимся электродом в среде аргона посредством амплитудной модуляции переменного прямоугольного тока.

Методики проведения исследований, их результаты и обсуждение

Влияние величины тока в период горения дуги обратной полярности на ее пространственную устойчивость изучали при помощи скоростной киносъемки (3000 кадров в секунду). В первом случае ток дуги обратной полярности задавали равным 5 А, во втором - 32 А, в третьем ток модулировали таким образом, что в начале периода он был равен 5 А, а затем дискретно увеличивали до 32 А. Остальные параметры режима приведены в табл. 1. Электродами служили вольфрамовый пруток марки ЭВЧ диаметром 1,0 мм и пластина из сплава АМг6 размером 100*30*3 мм. Скорость перемещения пластины после возбуждения дуги задавали с учетом образования на её поверхности ванны расплавленного металла.

Таблица 1. Параметры режима горения дуги

Ток дуги прямой полярности, А 36

Частота смены полярности, Гц 50

Соотношение периодов горения дуги прямой и обратной полярности 2

Расход защитного газа (аргона), л/мин 5

Анализ результатов эксперимента показал, что в период горения дуги обратной полярности при величине тока 5 А катодные пятна интенсивно перемещаются по окисленной поверхности металла, непосредственно прилегающей к расплаву сварочной ванны. При этом ширина зоны катодного распыления поверхностной оксидной пленки впереди и по бокам ванны не превышает 0,3 мм. Увеличение тока дуги обратной полярности до уровня 32 А как в начале периода её горения, так и по истечении некоторого времени способствует расширению зоны интенсивного перемещения катодных пятен по окисленной поверхности. В этом случае ширина зоны катодного распыления и, следовательно, максимальное удаление катодных пятен от расплава сварочной ванны составляет 1,6...1,8 мм. Аналогичный характер изменения ширины зоны перемещения катодных пятен при увеличении тока дуги обратной полярности наблюдается при плавлении торцовой поверхности пластины из алюминиевого сплава. При этом с увеличением тока дуга обратной полярности в большей степени отклоняется от оси вольфрамового электрода, т. к. ее направленность определяется взаимным расположением активных пятен.

Пространственную устойчивость дуги в период протекания тока прямой полярности исследовали при увеличенном расстоянии между электродами с целью визуального определения направления столба дуги по отношению к оси вольфрамового электрода.

Анализ кинограмм показал, что в начальный период горения дуги прямой полярности (после смены полярности тока с обратной на прямую) её расположение в пространстве совпадает с предыдущим расположением дуги обратной полярности (рис. 1). Это свидетельствует о том, что анодное пятно формируется в месте предыдущего сосредоточения катодных пятен. По истечении некоторого времени, зависящего от степени сосредоточения катодных пятен и их отдаленности от расплава ванны в завершающий период горения дуги обратной полярности, столб дуги прямой полярности занимает практически соосное с вольфрамовым электродом положение.

С целью подтверждения взаимосвязи места формирования анодного пятна на поверхности свариваемого изделия с предыдущим сосредоточением катодных пятен был проведен следующий эксперимент. Суть его заключалась в регистрации тока прямой и обратной полярностей в цепи секционированного изделия, состоящего из трех пластин толщиной 2 мм из сплава АМг6, изолированных друг от друга. При этом центральная пластина располагалась симметрично по отношению к вольфрамовому электроду. Подключение пластин секционированного изделия к сварочной цепи осуществляли через коаксиальные шунты (рис. 2). Зазор между пластинами в процессе оплавления

торцовой поверхности составлял 0,2...0,3 мм. Параметры режима горения дуги переменного прямоугольного тока соответствовали указанным в таблице, а ток дуги обратной полярности задавали равным 32 А.

Рис. 1. Кинограммы дуги при смене полярности: 1пп - ток дуги прямой полярности (36 А); 1оп -ток дуги обратной полярности (32 А); 4п - период горения дуги обратной полярности; 4п - период горения дуги прямой полярности; скорость съемки 3000 кадров/с

Рис. 2. Схема подключения секционированного изделия к сварочной цепи: 1, 3 - боковые пластины; 2 - центральная пластина; 4, 5 - осциллографы; 6 - источник переменного прямоугольного тока; RS1, RS2 - коаксиальные шунты

Результаты эксперимента показали, что в процессе относительного движения электродов со скоростью, обеспечивающей плавление торцовой поверхности центральной пластины секционированного изделия и частичное оплавление поверхностей боковых пластин, катодные пятна в период горения дуги обратной полярности периодически формируются как на центральной, так и на боковых пластинах (рис. 3).

Рис. 3. Осциллограмма тока в цепи боковых пластин секционированного изделия = 17,8 А/дел; ц, = 0,1 с/дел)

Кроме того, регистрировались случаи одновременного существования катодных пятен на соседних пластинах. Из этого следует, что в момент повторного возбуждения дуги прямой полярности место формирования анодного пятна, имеющего конечные размеры и плотность тока, определяется предысторией существования дуги обратной полярности.

В частности, если в момент, предшествующий смене полярности, дуга обратной полярности горела между вольфрамовым электродом и боковой пластиной, то анодное пятно при повторном возбуждении дуги прямой полярности стремится также занять положение на этой пластине. Причем площадь охвата поверхности боковой пластины анодным пятном и, следовательно, величина тока прямой полярности, регистрируемая в цепи этой пластины, увеличивается в большей степени в случае преимущественного возбуждения и горения на ней дуги обратной полярности. При последующем изменении характера горения дуги обратной полярности, а именно преимущественном ее горении на центральной пластине, анодное пятно в периоды горения дуги прямой полярности перемещается на центральную пластину.

Таким образом, результаты эксперимента с использованием секционированного изделия согласуются с данными скоростной киносъемки. Отмеченную закономерность поведения дуги в период протекания тока прямой и обратной полярности можно объяснить следующим образом. Известно, что горение дуги обратной полярностей на холодном катоде, поверхность которого покрыта оксидной пленкой, сопровождается интенсивным перемещением катодных пятен в пределах границы газового ореола . При этом взаимное расположение катодных пятен периодически изменяется от сосредоточенного до рассеянного даже при минимальном токе.

Как только начинается плавление поверхности катода на локальном участке, катодные пятна располагаются преимущественно у границы раздела твердой и жидкой фаз металла . Изменение характера расположения и перемещения пятен в этом случае обусловлено уменьшением толщины поверхностной оксидной пленки у границы раздела фаз и, следовательно, уменьшением энергии связи ее с металлом подложки, что является причиной снижения порогового тока дуги. С увеличением тока дуги обратной полярности происходит вытеснение части катодных пятен с границы раздела фаз на поверхность с более толстой оксидной пленкой. В результате увеличивается зона катодного распыления и, следовательно, дуга обратной полярности в большей степени подвергается отклонениям от оси вольфрамового электрода.

Отклонение при повторном возбуждении дуги прямой полярности в сторону предыдущего сосредоточения катодных пятен связано с остаточными явлениями в межэлектродном промежутке и на поверхности электродов при нулевом значении тока. Известно, что после по-

гасания дуги на исчезновение испарений с электродов в местах бывшего расположения активных пятен, а также заряженных частиц в межэлектродном промежутке требуется конечное время . Учитывая, что экспериментальная установка обеспечивает очень малую длительность бестоковой паузы при смене полярности с обратной на прямую, эти явления проявляются в большей степени. Кроме того, на отклонение дуги прямой полярности оказывает влияние характер распределения температуры газовой среды, в которой дуга возбуждается и горит в течение соответствующего периода.

В частности, О.Я. Новиков показал, что при дополнительном нагреве зона проводимости электрической дуги перемещается в направлении источника нагрева. Из этого следует, что зона проводимости дуги обратной полярности, имеющая максимальную температуру по отношению к окружающей среде, в случае характерного отклонения дуги от оси вольфрамового электрода и мгновенной смены полярности тока может рассматриваться как дополнительный внешний источник нагрева для дуги прямой полярности. Дополнительный подогрев способствует асимметрии проводимости дуги и соответствующему перераспределению линий тока . Плавный характер изменения пространственного положения дуги прямой полярности и анодного пятна связан с тепловой инерцией пятна и газа в межэлектродном промежутке.

Представленные выше результаты эксперимента подтверждают ранее выдвинутое предположение о том, что основным параметром режима сварки алюминиевых сплавов вольфрамовым электродом, определяющим пространственную устойчивость дуги переменного прямоугольного тока, является величина тока в сварочной цепи на завершающем этапе горения дуги обратной полярности. С учетом этой зависимости можно разрешить противоречие между требованиями, предъявляемыми к режиму сварки с точки зрения качественной очистки поверхности изделия от оксидной пленки и повышения пространственной устойчивости дуги. Для этого необходимо принудительно ограничивать величину тока в сварочной цепи до минимального значения непосредственно перед сменой полярности с обратной на прямую.

Такой вывод подтверждается результатами дополнительного эксперимента с использованием секционированного изделия. Из осциллограмм на рис. 4 следует, что, несмотря на относительно большое действующее значение тока в период горения дуги обратной полярности (30...32 А) и интенсивное блуждание катодных пятен (рис. 4, б), принудительное ограничение тока перед сменой полярности до уровня 5 А уменьшает отклонение дуги прямой полярности от оси вольфрамового электрода.

Рис. 4. Осциллограммы тока в сварочной цепи и в цепи боковых пластин секционированного изделия: а) ток в сварочной цепи (д- = 17,8 А/дел); б) ток в цепи боковых пластин (д = 8,9 А/дел); д = 0,02 с/дел

1. Увеличение тока обратной полярности до 10 А и более способствует расширению зоны перемещения катодных пятен и, следовательно, большему отклонению дуги от оси вольфрамового электрода.

2. В начальный период горения дуги прямой полярности расположение её в пространстве совпадает с предыдущим расположением дуги обратной полярности и связано с остаточными явлениями в межэлектродном промежутке и на поверхности электродов при нулевом значении тока.

3. Экспериментально установлено, что при сварке алюминиевых сплавов в широком диапазоне действующих значений переменного прямоугольного тока пространственное положение дуги в период протекания тока прямой полярности занимает практически соосное вольфрамовому электроду положение в случае кратковременного ограничения тока дуги обратной полярности до уровня 5 А на завершающем этапе её горения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / под ред. Б.Е. Патона. -М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

2. Ковалев И.М., Акулов А.И., Мартинсон Л.К. О некоторых закономерностях в течениях дуговых плазменных потоков // Физика и химия обработки материалов. - 1972. -№ 2. - С. 9-14.

3. Электрическая дуга при сварке / ВЦП. - 1986. - № М-04340. - 91 с. - Пер. ст.: The electric arc in welding // The Physics of Welding. Oxford: International Institute of Welding, 1984. - P. 134-203.

4. Киселев А.С. Исследование пространственной устойчивости дуги переменного тока с прямоугольной формой волны: тез. докл. I Научно-практической конференции сварщиков Средней Азии и Казахстана. - Караганда, 1991. - С. 12-13.

5. Короткова Г.М., Славин Г.А., Филиппов М.А. Исследование процесса сварки дугой переменного тока прямоугольной формы // Сварочное производство. - 1971. -№ 10. - С. 4-6.

6. Дуговая сварка на переменном токе алюминиевых сплавов вольфрамовым электродом в среде инертного газа // Информэлектро. - 1986. - № 51102. - С. 16. - Пер. ст.: Maruo H., Hirata Y. Rectanqular ware AC TIG welding of aluminium alloy // International Institute of Welding. Document. - 1986. - № 212-647-86. - P. 1-10.

7. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. - М.: Наука, 1968. - 244 с.

8. Гвоздецкий В.С., Рублевский И.Н., Яринич Л.М. Преддуговые процессы на холодных катодах со слабоионизированным разрядным промежутком // Автоматическая сварка. - 1977.

- № 10. - С. 17-22.

9. Столбов В.И. Исследование формы сварочной дуги // Автоматическая сварка. - 1979. - № 2.

С. 15-17, 22.

10. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. - М.: Машиностроение, 1970. - 335 с.

11. Новиков О.Я. Устойчивость электрической дуги. - Л.: Энергия, 1978. - 156 с.

12. Тиходеев Г.М. Энергетические свойства электрической сварочной дуги. - М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1961. - 254 с.

13. Ковалев И.М. Пространственная устойчивость движущейся дуги с неплавящимся катодом // Сварочное производство. - 1972. - № 8. - С. 1-3.

Большинство современных сварочных аппаратов имеют в своей конструкции блок выпрямительных диодов, что, в свою очередь, обеспечивает постоянный сварочный ток. Для аппаратов, использующих в качестве сварочного материала проволоку (сварочных полуавтоматов) это является обязательным условием. Для аппаратов же, использующих для работы электроды это уже является опцией, позволяющей использовать практически любые марки электродов для проведения сварочных работ.

Классификация сварочной дуги по полярности постоянного тока:
а - прямая полярность; б - обратная полярность

При работе полуавтоматом необходимо обязательно соблюдать полярность подключения. Так, сварка обычной обмедненной проволокой в среде защитного газа производится током прямой полярности. То есть на изделие подается плюс, а на держак минус (прямая полярность при сварке). При таком подключении ток протекает от проволоки на изделие, в связи с чем нагрев изделия получается выше, нежели сварочной проволоки. И это закономерно. Свариваемые части имеют значительно большую площадь, соответственно, требуют большего нагрева для образования сварочной ванны. Проволока же, имеющая меньшую площадь достаточно легко плавится и в место сварки попадает уже в виде расплавленной капли. Протекающий ток, а он протекает именно от плюса к минусу, захватывает расплавившийся материал, опять же способствуя формированию качественной сварочной ванны.

Судя по комментариям посетителей нашего сайта, возникла небольшая путаница с тем, в каком все таки направлении течет ток в цепи. Давайте попытаемся внести ясность в этот вопрос!
Необходимо понимать, что "направление тока" в электротехнике - это больше условность, принятая для рисования схем. Традиционно, на схемах, принято рисовать от плюса к минусу, как будто движение тока происходит от плюса к минусу, хотя реальное движение носителей заряда в большинстве случаев происходит в обратном направлении! В случае, если проводником выступает металл (провод, электрод и т.п.), реальные носители заряда - электроны, летят от минуса к плюсу (т.к. электроны - отрицательно заряженные частицы). Если проводником выступает ионизированый газ или жидкость с ионами, в таком случае ионы летят в обе стороны.

При работе полуавтоматом без защитной среды газа, используется специальная порошковая (флюсовая) проволока. В этом случае обязательно меняется полярность подключения держака и «массы». То есть на массе «минус», а на держаке плюс (обратная полярность при сварке). Обусловлено это тем, что температура плавления флюса примерно одинакова с температурой плавления металла, однако для получения качественного шва необходимо чтобы флюс сгорел и образовал небольшое газообразное облако в среде которого и будет происходить сварочный процесс. Как уже отмечалось выше, ток течет от минуса к плюсу, поэтому и падение расплавленной капли металла будет несколько более низким, что обеспечит меньший прогрев свариваемого металла, поскольку охлаждение последнего не осуществляется средой защитного газа и формирование сварочной ванны будет примерно таким же, как и при сварке в среде газа.
Сварка цветных металлов, в частности алюминия, производится, как правило, специальным вольфрамовым электродом. В этом случае обычно используют прямую полярность при сварке - минус на электроде. Такой тип подключения позволяет получить большую температуру в зоне нагрева, что особенно критично для того же алюминия, поскольку первоначально необходимо «пробить» оксидную пленку, тем более, что температура плавления у последней гораздо выше, нежели самого металла.
Прямая полярность помимо всего прочего позволяет получить более концентрированную и узкую электрическую дугу, более глубокое проплавление металла, а, соответственно, более качественный шов и, что немаловажно, использовать меньший диаметр дорогостоящего вольфрамового электрода, а также снизить расход не менее дешевого газа.
При подключении вольфрамового электрода в обратной полярности при сварке - с плюсом на держаке - шов получается менее глубоким. Такой способ хорош при сваривании тонких пластин - в этом случае отсутствует опасность прожечь свариваемый материал. Однако ещё одним минусом является эффект «магнитного дутья». В этом случае образующаяся дуга получается блуждающей и шов получается менее красивым и герметичным.

Сварка электрической дугой, по сравнению с газовой сваркой, имеет некоторые особенности. Это и более высокая, до 5000°С, температура самой дуги, что превосходит температуры плавления всех существующих металлов, и большое разнообразие видов и типов сварки, а, соответственно, методов и целей её применения. Электродуговая сварка различается по степени механизации, по роду тока, по типу дуги и свойствам сварочного электрода, а также другим параметрам. В данной статье хотелось бы рассмотреть некоторые нюансы электродуговой сварки в зависимости от полярности сварочных электродов.

Виды сварки.

По роду используемого тока различают два вида дуговой сварки:

• сварка электрической дугой, питаемой переменным током;

• сварка электрической дугой, питаемой постоянным током.

В свою очередь, сварка с использованием постоянного тока бывает двух типов:

• сварка током прямой полярности;

• сварка током обратной полярности.

Рассмотрим особенности каждого типа сварки постоянным током подробнее.

Сварка током прямой полярности.

Под сваркой прямой полярности принято понимать сварку, при проведении которой на свариваемую деталь (изделие) подаётся положительный заряд от сварочного выпрямителя, то есть сварочный кабель соединяет свариваемую конструкцию с клеммой "плюс" сварочного аппарата. На электрод же подаётся отрицательный заряд через электрододержатель, соединённый кабелем с минусовой клеммой.

Поскольку на положительном полюсе (аноде) температура всегда значительно более высокая, чем на отрицательном (катоде), ток прямой полярности рекомендуется применять при необходимости резки металлоконструкций и сварке толстостенных деталей, а также в иных случаях, когда требуется добиться большого выделения тепла, что как раз и является характерной особенностью такого типа подключения.

Сварка током обратной полярности.

Для проведения сварки током обратной полярности подключение следует провести противоположным образом: на свариваемую деталь подать отрицательный заряд с клеммы "минус", а на электрод - положительный заряд с клеммы "плюс".

Такая полярность сварочных электродов обеспечивает обратную прямому подключению ситуацию - больше тепла выделяется на электроде, а нагрев детали сравнительно уменьшается. Это позволяет производить более "деликатную" сварку и уменьшает вероятность прожига детали. Соответственно, сварку током обратной полярности рекомендуется применять при необходимости сваривания тонких листов металла, нержавеющей, легированной стали, иных сталей и сплавов, чувствительных к перегреву.

Также, электродуговая сварка под флюсом и сварка с газовой защитой, как правило, производится с использованием подключения обратной полярности.

Общие аспекты.

Вне зависимости от того, какая конкретно полярность сварочных электродов используется, есть несколько общих моментов:

• в отличие от сварки переменным током, при использовании постоянного тока получается более "аккуратный" с меньшим количеством брызг металла, сварочный шов, так как отсутствует частая смена полярности подаваемого тока;
• поскольку анод и катод нагреваются по-разному, кроме всего прочего, если используется плавящийся электрод, то от метода подключения зависит количество металла, переносимого с плавящегося электрода на деталь;
• во избежание повреждения свариваемой детали в месте подсоединения кабеля с положительным либо отрицательным зарядом вследствие возникновения микроразрядов - рекомендуется для более надёжного соединения использовать прижимную струбцину.

В заключение хотелось бы отметить, что в данной статье раскрыты лишь некоторые моменты, касающиеся сварки с применением электрической дуги. На практике эта тема значительно шире, и многообразие видов электросварки позволяет использовать её практически в любых, подчас уникальных условиях и технических ситуациях.