Классификация сварочных процессов показывает, что для эффективного выполнения сварного соединения применяемый источник энергии должен отвечать требованиям технологической и конструктивной целесообразности применения, экономичности, ограничения вредных побочных эффектов и т.п.
Рис. 3.4. Средние значения величин 
св Дж/мм2 при сварке стали
18-10 толщиной до 50 мм разными методами:
АД – аргонодуговая, ДФ – дуговая под флюсом, ПД – плазменно-дуговая,
ЭЛС – электронно-лучевая
Источник энергии для термических процессов сварки плавлением (дуга, пламя, луч и др.) должны обеспечивать концентрацию тепловой энергии и температуру в зоне сварки или пятне нагрева заданных размеров, достаточные для плавления материала и провара его на требуемую глубину, но без интенсивного испарения.
Источники энергии для термомеханических и механических процессов сварки давлением (контактная, термопрессовая, холодная и др.) должны обеспечивать концентрацию тепловой или механической энергии в зоне сварки, а также давление, достаточное для создания физического контакта, активации и химического взаимодействия атомов соединяемых поверхностей.
Должны также обеспечиваться физическая или физико-химическая защита зоны сварки от окружающего воздуха и другие технологические условия, специфичные для каждого метода сварки.
Важной характеристикой сварочных источников энергии является их технологическая гибкость и маневренность.
0.19. Электрическая дуга
Самостоятельный устойчивый электрический разряд в газе, характеризующийся высокой плотностью тока (1 – 100 А/мм2), низким напряжением (8 – 50 В) и высокой температурой (5…50)103 К
|
|
Рис. 3.5. Зоны дугового разряда:
1 – катод; 2 – анод; 3 – столб дуги; 4 – катодная область; 5 – анодная область
Протяженности приэлектродных областей:
к 
(2···3)λэ = (10-5 ···10-3) мм;
а 10 -3 мм.
Причина катодного и анодного падений напряжения есть объемные электрические заряды вблизи электродов дуги.
У катода – скопление положительных ионов Ze+.
У анода – скопление (облако) электронов, наступающих из столба.
Напряжение на дуге:
∂ = к + ст+ а = к + а + Е · ст (3.6)
0.19.1. Виды эмиссии электронов с катода в дугу
1. Термоэлектронная эмиссия 
тэ = АТ2 
, (3.7)
где Т – температура катода, К;
А = 120 А/ см2·К2 – коэффициент;
Ф – работа выхода электрона Ме;
k – постоянная Больцмана.
При высоких температурах энергии теплового движения некоторых электронов оказывается достаточно для преодоления потенциального барьера притяжения электростатического поля ядер атомов кристаллической решетки.
2. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия
Под действием напряженности Е электрического поля электроны вытягиваются из катода, преодолевая потенциальный барьер у поверхности.
Электростатическое поле изменяет работу выхода электрона ∆Φ, что при совместном действии термо- и автоэлектронной эмиссий увеличивает величину плотности тока термо- автоэлектронной эмиссии
= А Т 2 
(3.8)
3. Фотоэлектронная эмиссия
Под действием фотонов часть ē приобретают энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера. Энергия атомов зависит от длины волны. В видимой области спектра фотоэлектронная эмиссия присуща щелочным металлам, для остальных требуется ультрафиолет.
|
|
4. Вторичная электронная эмиссия
При бомбардировании катода положительно заряженными ионами и нейтральными атомами некоторым электронам сообщаются энергии, достаточные для преодоления потенциального поверхностного барьера и они покидают катод.
Возможна вторичная электронная эмиссия на аноде, а также отраженные электроны при бомбардировке анода потоками электронов.
В сварочных дугах имеют место все виды электронной эмиссии, но основную роль играют термоэлектронная и электростатическая эмиссии.
0.19.2. Физические процессы в катодной области дуги
Переходные области между электродами и столбом дуги – это участки резких изменений электрического и теплового полей.
В зависимости от материала катода сварочные дуги подразделяют на два (главных) основных типа.
1. Дуга с неплавящимся катодом (W, C, Zr, Hf)
Чаще применяют W, с добавками To, Y, La, уменьшающими работу выхода электронов.
2. Дуга с плавящимся катодом.
Как правило, используют проволоку, близкую по химсоставу с материалом свариваемого изделия.
1. Дуги с неплавящимся катодом.
Для W: Тпл = 3650 К, Ткип = 6170 К.
Основная цель катода – обеспечить электронную эмиссию, т.е. подать электроны (эмиттировать) в столб дуги, где они будут являться основными электро- и теплоносителями.
Основная часть катодного тока обеспечивается за счет термоэлектронной эмиссии (jтэ до 
А/см2). При этом катод разогревается попадающими из дуги ионами и атомами.
При неплавящихся катодах катодное падение напряжения, как правило, при условии достаточного разогрева катода, меньше потенциала ионизации газа, в котором горит дуга – Uk < Ui.
|
|
Длина катодной зоны составляет несколько длин свободного пробега электрона lk 
(2 ··· 3) 
10-5 – 10-3мм.
Дуги с неплавящимся катодом подразделяются:
а) Дуги с катодным пятном (при малом токе и сильном охлаждении катода). В катодном пятне, кроме термоэлектронной эмиссии, большую роль играет электростатическая, и напряжение на дуге (в катодной области) повышенное.
б) Дуги без катодного пятна (при больших токах и раскаленном катоде) – это собственно термоэлектронная дуга – вся поверхность катода, обращенная к дуге, эмиттирует электроны.
2. Дуги с плавящимся («холодным») катодом.
У Fe, Cu, Al, Ni и др. Ме, применяемых в качестве основы сплава стержня плавящегося электрода, термоэлектронная эмиссия мала даже при температуре их кипения. В таких дугах преобладает электростатическая (автоэлектронная) эмиссия.
Характерная особенность таких дуг – хаотическое движение дуги по поверхности катода. В месте посещения дуги наблюдается интенсивное испарение материала катода. Потоки паров катода нарушают симметричность магнитного поля дуги и возникают электромагнитные силы, перемещающие дугу по поверхности.
Катодное падение напряжения сравнимо с потенциалом ионизации газа и паров металлов, в которых горит дуга. Uk 
10 ··· 20 В.
Длина катодной области примерно равна длине свободного пробега иона lk 
10-4 мм.
0.19.3. Баланс энергии на катоде
Поскольку эмитированные электроны уносят энергию с катода в столб дуги, то:
Pk= 
- 
, (3.9)
где 
– работа выхода электрона из материала катода, эВ;
Uk – катодное падение напряжения, В.
0.19.4. Физические процессы в анодной области дуги
Образование анодной области с падением напряжения от 0 до 30 В (обычно 2,5 
0,5 В), протяженностью в направлении оси дуги около 10-2 – 10-3мм, обусловлено отрицательным объемным зарядом. Электроны, поступающие из столба, ускоряются в направлении к аноду, где их кинетическая (2kТ) и потенциальная (
) энергии преобразуются в теплоту.
Анод не является поставщиком ионов в столб дуги. Они образуются вследствие термической ионизации в прианодной области и затем ускоряются в направлении к катоду.
0.19.5. Баланс энергии на аноде
Pа = 
+ 
, (3.10)
где Т – температура электронов вблизи анода.
0.19.6. Физические процессы в столбе дуги
В столбе дуги находится смесь ионов, нейтральных атомов и молекул газов и паров металлов и электронов.
Положение столба определяется броуновским движением (диффузией) и дрейфом зарядоносителей в осевом направлении под действием электрического поля.
Газ, ионизированный хотя бы частично, т.е. содержащий свободно перемещающиеся зарядоносители, называется плазмой.
Если ионизация осуществляется в результате высокой температуры, то плазму называют термической.
Электропроводность такой термической плазмы может достигать электропроводности металла.
Сварочные дуги при атмосферном давлении имеют термическую плазму, в которой идут процессы диссоциации и ионизации.
0.19.7. Уравнение Саха
Рассмотрим процесс ионизации как обратимую реакцию:
А0 + (работа ионизации) 
А+ + 
-.
Обозначим через æ степень ионизации
æ = 
– отношение числа заряженных частиц одного знака к суммарной концентрации.
Степень ионизации термической плазмы определяется уравнением Саха:
, (3.11)
где ρ – давление среды, в которой горит дуга;
а – квантовый коэффициент (для аргона а 2 = 4);
Т – температура плазмы, К;
Ui – потенциал ионизации газа, в котором горит дуга, В;
(
) – энергия ионизации, эВ;
A – масштабный коэффициент давления.
На рис. 3.6 приведены кривые степени ионизации некоторых элементов.
Рис. 3.6. S-образные кривые степени ионизации различных элементов
в зависимости от температуры при атмосферном давлении
0.19.8. Эффективный потенциал ионизации
Очень часто дуговой разряд происходит в смеси газов и паров металлов электродов. При этом, в большей степени ионизируются элементы с наименьшим потенциалом ионизации.
Для учета этого вводят понятие эффективного потенциала ионизации, под которым понимается потенциал ионизации однородного газа, число заряженных частиц в котором равно числу заряженных частиц в газовой смеси:
, (3.12)
где 
– концентрация i -ого компонента в смеси;
– число компонентов в смеси.
0.19.9. Излучение плазмы дуги
В плазме наряду с процессами ионизации идет рекомбинация – захват электрона полем иона и образование атома. При этом освобождается энергия, равная сумме кинетической энергии свободного электрона и энергии связи с ядром.
Освобожденная энергия 
выделяется в виде кванта электромагнитного излучения с частотой 
, где h – постоянная Планка.
Поскольку электроны в дуге имеют непрерывный набор энергий, а их число весьма велико, то излучение представляет собой сплошной спектр. На него накладывается линейчатый спектр возбужденных атомов:
, (3.13)
где W1 – основной уровень;
W2 – возбужденный уровень;
h – постоянная Планка.
Рис. 3.7. Сплошной спектр излучения столба дуги в сравнении с солнечным спектром (Ролассон Е., Ван-Соммерн Е.)
0.19.10. Потоки плазмы в сварочных дугах
Экспериментом в дуге обнаружены мощные потоки ионизированного газа с преимущественным направлением вдоль её оси. Как правило, потоки появляются лишь при сравнительно больших токах Iд 
50 А по истечении не более 10-6 сек. после зажигания дуги. Их скорость в сварочной дуге со стальными электродами достигает 75 – 150 м/сек.
Потоки обладают значительной тепловой мощностью и влияют на баланс энергии всех областей дуги. Потоки оказывают силовое воздействие на электроды, определяя при сварке глубину проплавления и высоту валика.
Пространственная устойчивость сварочной дуги есть свойство дуги сохранять пространственное положение столба дуги и приэлектродных областей при действии внешних возмущающих факторов (скорость сварки, состав атмосферы горения дуги, состав материала и форма электродов и т.д.).
Потоки в сварочной дуге, имеющие высокую скорость и температуру, значительно повышают пространственную устойчивость, поддерживая направление столба дуги перпендикулярно поверхности активных пятен.
Плазменные струи существуют в дуге в виде потоков пара, газа и их смеси.
При малых токах (Iд < 30 A) плазменные струи вызываются подъёмными силами, возникающими из-за меньшей плотности плазмы по сравнению с окружающей средой. То есть, для слаботочных дуг действует конвективный механизм, что породило название «дуга».
При больших токах возникает гидродинамическое течение от стержневого катода к плоскому аноду (для W-дуг), называемое катодной струей. Газовый поток входит в дугу в районе катода, нагревается, ионизируется, пересекает дугу в продольном направлении и при достижении анода растекается по нему (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Гидродинамика течения в сильноточной дуге
Давление в дуге возникает под действием электромагнитных сил (сил Лоренца). Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно пропорционально сечению, по которому течет ток. Для дуги со стержневым катодом и плоским анодом давление постепенно убывает от катода к аноду (рис. 3.9).
а) Катодная струя (СНЭ - TIG)
Рис. 3.9. Схема возникновения плазменных потоков
Давление в сечениях столба дуги определяется, соответственно:
, (3.14)
где 
= 4π·10-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума.
(3.15)
P1 > P2 и возникает осевая составляющая давления и катодная струя.
б) Анодная струя обуславливается тем, что R a < Rст, а также потоком паров металла анода. Для сварочной дуги доля испаряющегося металла анода может составлять ≤ 10 % объёма расплавленного металла сварочной ванны. Скорость паров достигает десятков метров в секунду.
Распределение анодного падения напряжения Ua столба дуги в центре пятна объясняется нейтрализующим действием катодной струи.
0.19.11. Возбуждение дуги
В начале сварки и после каждого короткого замыкания, а для дуг переменного тока и при переходе тока через нуль, дуга должна возбуждаться. Применяются следующие способы возбуждения дуги:
1) коротким замыканием (в основном для СПЭ);
2) бесконтактные (высокочастотная высоковольтная осцилляция);
3) применение дежурной дуги.
1) При возбуждении дуги коротким замыканием эффективная контактная поверхность мала (от 0,1 до 1% кажущейся контактной поверхности), а плотность тока соответственно велика. Поэтому конец электрода быстро нагревается теплом, выделяющимся в контактном сопротивлении, и при его отведении образуются перемычки жидкого металла, которые стягиваются в один общий мостик, испаряющийся при достижении температуры кипения. Пары ионизируются под действием высокого напряжения холостого хода источника питания и напряжение на дуге становится меньше последнего, что создает условия для протекания тока и возбуждения дуги. Устанавливаются параметры дуги: Ua, Uк, Uст, j, T.
2) При бесконтактном возбуждении на дуговой промежуток накладывают большое напряжение высокой частоты (1-10 кВ, 0,2-5 МГц). Вследствие этого увеличиваются эффективные соударения и зарядоносители, возникает маломощная высокочастотная дуга, которая, обладая проводимостью, способствует возбуждению собственно сварочной дуги при относительно низком напряжении холостого хода источника питания.
Для дуг переменного тока в момент перехода тока через нуль подают стабилизирующие импульсы, обеспечивающие возбуждение дуги в каждый полупериод.
3) Для плазмотронов, генерирующих мощные плазменные струи, применяют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом. Она является источником и поставщиком зарядоносителей в основной дуговой промежуток, в котором возбуждается рабочая дуга при включении основного источника питания.
0.19.12. Статическая вольтамперная характеристика дуги
Рассмотрим дугу с неплавящимся электродом в среде инертного газа (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Статическая ВАХ дуги с неплавящимся электродом в аргоне
Существует три характерных области ВАХ дуги.
I. В первой области дуги при малых токах очень мало заряженных частиц, поэтому падение напряжения на дуге велико. С ростом тока происходит рост количества заряженных частиц по экспоненциальной зависимости, что обуславливает отрицательную величину динамического сопротивления дуги (напряжение падает при росте тока), rд < 0.
II. С ростом тока напряжение существенно не меняется. Во II области формируется устойчивое катодное пятно и устойчивый столб дуги. Рост количества заряженных частиц происходит в меньшей степени, чем в I области. С ростом тока наблюдается увеличение площади катодного пятна, следовательно и увеличение площади поперечного сечения столба дуги, что приводит к уменьшению сопротивления дуги и к приблизительному постоянству напряжения на дуге с ростом тока, rд = 0.
III. Область ВАХ определяется тем, что катодное пятно занимает всю площадь торца электрода и проводимость его с ростом тока остается практически постоянной. В этом случае рост тока дуги ведет к росту напряжения на дуге, rд > 0.
0.19.13. Сварочная дуга с плавящимся электродом
Энергетическая структура сварочной дуги определяется:
1) составом плазмы, размерами и условиями существования столба;
2) материалом, размерами и формой электродов (особенно катода).
Сварочная дуга с плавящимся электродом существует в парах металлов электрода (Ме-дуги).
Защитные среды для металлических дуг в большинстве случаев являются активными, поскольку обеспечивают широкие возможности регулирования металлургических процессов при сварке.
Сварочная дуга с плавящимся электродом используется в следующих процессах сварки и наплавки:
1) ручная дуговая сварка (штучными, электродами) – ММА;
2) СПЭ в газах: а) активных (СО2, Н2О, Н2) – МАG;
б) инертных (Ar, He) – MIG;
3) сварка порошковой проволокой;
4) сварка под флюсом;
5) сварка под водой;
6) сварка в вакууме.
0.19.14. Виды переноса металла при СПЭ
Виды переноса Ме при СПЭ определяются условиями сварки: силой, плотностью и формой кривой тока, видами защиты, полярностью дуги, динамическими свойствами источника питания и т.д.
| Вид переноса | Типовые примеры |
| 1.Крупнокапельный с замыканиями дугового промежутка | Ручная сварка при j ≤ 102 А/мм2 |
| 2. Мелкокапельный с замыканиями дугового промежутка | Механизированная сварка в СО2 |
| 3. Мелкокапельный без замыканий дугового промежутка | Сварка под флюсом при j ≥ 102 А/мм2 |
| 4. Струйный | Сварка в инертных газах тонкой проволокой при j>103 А/мм2 |
| 5. Парами металла | При всех видах сварки плавящимся электродами – как дополнение к другим видам переноса. |
0.19.15. Силы в дуге при СПЭ
1. Силы тяжести – способствуют переносу металла в нижнем положении и препятствуют в потолочном. Наиболее сильно проявляются при малых токах, когда электродинамические силы малы.
2. Силы поверхностного натяжения:
а) придают каплям сферическую форму;
б) удерживают капли на «потолке»;
в) всасывают капли в жидкую сварочную ванну.
Чем меньше коэффициент поверхностного натяжения, тем мельче капли и вероятнее переход к мелкокапельному и струйному переносу металла.
3. Электродинамические силы (пинч-эффект) сильно влияют на перенос металла, особенно при больших токах. В слаботочных дугах, где эти силы малы, преобладает крупнокапельный перенос, а в сильноточных – струйный. Пинч-эффект – сжатие жидкого или газообразного проводника с током электродинамическими с силами – является причиной давления дуги и плазменных потоков от электродов и участков сжатия дуги (3.14, 3.15).
4. Реактивные силы, вызываемые давлением паров, обычно противодействуют начальному обрыву капли.
Сила давления паров F=k∙I2,
где: k ≈ (1-5)∙10-7 Н/А2 – для прямой полярности;
k < 3·10-8 Н/А2 – для обратной полярности.
Струйный перенос на обратной полярности возникает при меньших токах.
5. Электростатические силы порождаются градиентом потенциала в переходных областях дуги, особенно у катода, где Е = 104…106 В/мм. Поскольку в столбе дуги Ес << Ek (в тысячи и более раз), то создается разность давлений и течение газа от катода (или анода) в столб дуги подобно «электрическому ветру» с острия и может составлять несколько мм.рт.ст.
6. Плазменные потоки также сильно влияют на перенос металла. Это особенно заметно, если катодное пятно и катодный поток не охватывают конец электрода, а мощный анодный поток охватывает катодный, затрудняет перенос металла, вызывая сдвиг капли в сторону или даже её подъём над уровнем торца электрода.
0.19.16. Виды и физические возможности сжатых дуг. Плазмотроны
Целью сжатия дуги является повышение её мощности, концентрации энергии и температуры столба дуги. С ростом тока при принудительном ограничении (сжатии) поперечного сечения столба происходит значительный рост температуры столба дуги (до 50000 К) и напряженности электрического поля по длине столба. Образуется плазменная струя с тепловой мощностью и удельным тепловым потоком, многократно превышающими параметры открытых дуг (U ≈ 50···300 B, Lст = 10 – 100 мм).
Способы сжатия дуг:
1) водоохлаждаемыми соплами;
2) струей газа: осевой или вихревой (тангенциальной);
1) струей жидкости (вода);
2) электромагнитным полем (внешним).