СТРОЕНИЕ СВАРОЧНОЙ ДУГИ, НАПРЯЖЕНИЕ ДУГИ
СТРОЕНИЕ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
Установлено, что сварочная дуга имеет три области:
1) Катодную область, граничащую с катодным пятном, под которым понимается ярко святящееся белым цветом место на торце электрода во время горения дуги. Размер катодной области небольшой, порядка десятых – сотых долей миллиметра. Эта область характеризуется выходом с катода электронов, за счет термоэлектронной эмиссии.
2) Анодную область, граничащую с анодным пятном, под которым понимается так же ярко святящееся место в сварочной ванне. Размер анодной области на порядок меньше, чем катодной области и составляет сотые доли миллиметра. Эта область характеризуется входом электронов в анод.
3) Основное место в дуге занимает столб дуги, который находится между анодной и катодной областями. Эта область характеризуется тем, что здесь происходит ионизация газов воздушного промежутка.
Распределение температуры по областям следующее:
- в катодной области Т=2200-2400 град., т.е. выше температуры плавления железа (1539 град.), за счет чего металлический электрод плавится.
- В анодной области Т=2400-2600 град., выше на 200 град., т.к. ускоренные электроны в аноде тормозятся и кинетическая энергия их движения переходит в тепловую.
- В столбе дуги Т=5000-7000 град, наиболее высокая температура.
Это объясняется плазменным состоянием газов в столбе дуги, когда их частицы ионизированы и ускоренно направленно перемещаются.
Знание распределения температуры в дуге используются на практике. Например, сварку тонкого металла, во избежании прожогов, следует вести на постоянном токе обратной полярности. При сварке легированных сталей, когда используются более тугоплавкое основное покрытие электродов, так же ведут на обратной полярности.
НАПРЯЖЕНИЕ ДУГИ
Напряжение дуги складывается из суммы падений напряжений во всех трех областях: U d = U k + U c+ U a, которые можно представить в виде трех последовательно соединенных резисторов.
Причем, падение напряжения в катодной и анодной областях постоянны для данного процесса сварки и от длины дуги не зависит, а падение напряжения в столбе дуги во многом зависит от ее длины. Чем больше длина дуги, тем больше ее столб, а значит больше будет его сопротивление. Исходя из закона Ома U = I * R, чем больше R, тем больше будет U. И наоборот, чем меньше длина дуги, тем меньше будет ее напряжение.
Экспериментально установлено следующее соотношение между напряжением и длиной дуги
U d = a + b * L d
где, «а» и «b» - коэффициенты, для ручной дуговой сварки а = 10 В; b= 2 В\мм
Один из навыков сварщика ручной дуговой сварки, определяющий его квалификацию, умение поддерживать постоянную длину дуги, так как изменение ее длины сказывается на ширине шва и его внешнем виде.
Тепловой баланс дуги. Магнитное «Дутье»
Тепловой баланс дуги
Дуга в сварочной цепи является проводником электрической энергии и в ней, как и любом проводнике выделяется тепло, которое можно определить по закону Джоуля – Ленца
Q = 0,24•Uд• Iсв • t (кал)
Если принять это тепло за 100 % и рассмотреть, как оно распределяется, то установлено, что около 50 % тепла расходуется для расплавления свариваемого металла около 30 % (15%+15%) – на расплавление электродного стержня и обмазки, около 20 % уходит на тепловое рассеивание и около 5 % (из 50%), при сварке сталей, в окружающий металл за счёт теплопроводности. При сварке теплоёмких цветных металлов этот процент больший.
Поскольку ручная дуговая сварка относится к способам сварки плавлением, когда металл в зоне сварки необходимо иметь в расплавленном состоянии, 50% и 30% тепла необходимо, а 20% и 5 % - являются тепловыми потерями. Поэтому введён коэффициент полезного действия сварочной дуги (К.П.Д), зависящий от способа дуговой сварки:
- при сварке покрытый электродами, он составляет 0.75 – 0.8
-при сварке угольным электродом – 0.5-0,6
- при сварке в защитных газах – 0,5-0,6
- при сварке под флюсом – 0,9-0,93
Меньший К,П,Д, при сварке угольным электродом объясняется тем, что используется длинная дуга и неизбежно связанные с этим тепловые потери. При сварке угольным электродом объясняется тем, что используется длинная дуга и неизбежно связаны с этим тепловых способов. При сварке в защитном газе к.п.д. так небольшой, а самый большой, при сварке под флюсом, когда дуга является закрытой с меньшими тепловыми потерями.
Эффективную тепловую мощность дуги, т.е. тепло в калориях, которое необходимо для расплавления металла, можно определить по формуле
q = n• 0,24• Uд• Iсв•t (кал),
где «n» это к.п.д. сварочной дуги, а поскольку он меньше единицы, то и эффективная тепловая мощность дуги, меньше полной мощности.
МАГНИТНОЕ «ДУТЬЕ»
Особенностью сварочной дуги является то, что она является гибким проводником, в отличии от жёстких металлических. А поскольку, вокруг проводника по которому проходит ток, возникает направленное магнитное поле, то оно может оказать отклоняющее действие на дугу.
Таким образом, отклонением дуги от оси под действием направленных магнитных полей, называется магнитным «дутьем». Причём проявляется магнитное «дутье» при сварке на постоянном токе и чем больше сила сварочного тока, тем больше дуга отклоняется от оси.
Причинами магнитного «дутья» являются:
А) несимметричный токоподвод, под которым понимается то, что обратный провод присоединён к свариваемому металлу далеко от места сварки и в металле возбуждается направленное магнитное поле, отклоняющее дугу от оси.
Б) Ферромагнитная масса, близко расположенная к месту сварки, приводит к тому, что дуга отклоняется в её сторону, она как бы притягивает ее. На практике, влияние ферромагнитной массы, чаще всего проявляется при сварке деталей разной толщины.
Влияние магнитного «дутья» показывает отрицательное воздействие на механические свойства шва и приводит к образованию дефектов, так как уменьшается глубина проплавления, ухудшается защита сварочной ванны, кроме того, дуга иногда блуждает и трудно управлять ею. Для того чтобы избежать магнитного «дутья» рекомендуется при сварке на постоянном токе:
1) Присоединять обратный провод близко к месту сварки.
2) Если это не удаётся, использовать дополнительную ферромагнитную массу.
3) Если сварку необходимо ввести вблизи феромагнитной массы, использовать несимметричный токопровод.
4) Вести сварку наклонным, в сторону отклонения дуги, электродом.
5) Использовать сварку на переменном токе, когда магнитного «дутья» практически не наблюдается.
КОЭФФИЦИЕНТЫХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ДУГИ
К ним относится:
1) Коэффициент расплавления, который определяется по формуле
Кр = Рр.м./ I св * t (r/А*ч)
Он показывает, какое количество электродного металла расплавится, при силе тока в 1А., в течении 1 часа. Значение этого коэффициента можно определить, для каждой марки электрода по справочникам.
2) На практике, все же желательно знать, сколько металла наплавится при тех же условиях, т. е. при силе тока в 1 А. в течении 1 часа.
Для этого введен коэффициент наплавки, который обязательно определен для каждой марки электрода и приводится в справочниках, а иногда и на ярлыках пачек электродов. Коэффициент наплавки определяется:
Кн = Рн.м./ Iсв * t (r/А*ч)
3) Масса расплавленного метала всегда больше массы наплавленного, так часть металла уходит на разбрызгивание и угар и Кр всегда больше Кн.
Для определения потерь метала, введен коэффициент потерь, который показывает в % сколько электродного металла теряется. Он определяется:
Кп = Кр - Кн/ Кр * 100% или Кп = Рр.м. – Рн.м./Рр.м.*100%
При сварке плавящимся металлическим электродом Кп = 5 – 10%
Из трех коэффициентов, наиболее употребим Кн. Значение которого расшифровывается следующим образом:
Например, у электрода марки МР – 3 Кн = 7,8 г/А*ч, а у электрода марки
АНО-1 Кн = 15 г/А*ч. Допустим, сварка ведется при сварочном токе 200А
У электрода МР – 3 за 1 ч. наплавится 7,8*200=1560 г металла, а у электрода АНО – 1 при тех же условиях 15*200=3000 г.
Отсюда электрод марки АНО -1 производительнее МР – 3.