 |
2.1.1. Электрические свойства дуги
|
|
|
|
2. 1. 1. Электрические свойства дуги
Режим горения сварочной дуги определяют 2 параметра: напряжение и сила тока.
Поскольку Lк + Lа < < Lс, можно допустить, что Lд ≈ Lс, где Lд – условно длина всего дугового промежутка. Напряжение на дуге складывается из 3-х составляющих:
Uд = Uк + Uс + Uа = ƒ (Iд, Lд) = Uк + Uа + ЕсLс,
где: Uк, Uа, Uс – падения напряжения соответственно в катодной и анодной областях и в столбе дуги (В); Ес – напряжённость электрического поля в столбе дуги (В/мм)
Для покрытых электродов Uк + Uа = 16…18 В и Ес = 1, 5…2, 5 В/мм.
В результате интенсивной бомбардировки поверхностей электродов ионами и электронами происходит мгновенное разогревание металла. При этом до 43% общей подводимой мощности выделяется на аноде, 36…38% выделяется на катоде, 20…21% мощности уходит в окружающую среду через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные потери мощности – на разбрызгивание и угар свариваемого металла. При сварке, как правило, анодом служит свариваемая деталь.
2. 1. 2. Тепловые свойства дуги
Температура дуги является одним из важнейших факторов, влияющих на ход проходящих при сварке физико-металлургических процессов. От неё зависит степень диссоциации и ионизации находящихся в дуговом промежутке газов, растворимость газов в металле, характер протекания химических реакций и т. д. Температура дуги при ручной сварке зависит от состава покрытия и стержня электрода, силы сварочного тока, напряжения дуги и других факторов.
При сварке металлическим электродом средняя температура дуги, определяемая температурой её столба, составляет 5200…2600оС. Причём более высокую температуру имеет дуга на электродах с кислым покрытием, менее высокую – на электродах с основным покрытием. Температура катодной области составляет 2400оС, а анодной – 2600оС. При сварке угольным электродом температура катодной области достигает 3200оС, а анодной области 3900оС. Более низкая температура металла на катодном пятне обусловлена затратой катодом энергии на эмиссию электронов.
|
|
|
Различная температура анодной и катодной областей используется для решения технологических задач. Например, при сварке тонколистовых металлов катодом является сама деталь, а анодом – электрод. Аналогично происходит и при сварке основными электродами (обратная полярность, когда «+» на электроде) с целью улучшения расплавления электродов.
Основными тепловыми характеристиками сварочной дуги являются полная и эффективная тепловые мощности.
Полная тепловая мощность – это количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени. Её считают равной тепловому эквиваленту электрической мощности, получаемой от источника питания:
Q = kIсвUд,
где: Q – полная тепловая мощность сварочной дуги, Дж/с;
Iсв – сила сварочного тока, А;
Uд – напряжение дуги, В;
k – коэффициент, учитывающий влияние несинусоидальности кривых напряжения и тока на мощность дуги (при постоянном токе k = 1, при переменном k = 0, 7…0, 97)
Эффективная тепловая мощность дуги – это количество теплоты, введённое в свариваемый металл в единицу времени и затраченное на его нагрев и расплавление. Эффективная тепловая мощность меньше полной тепловой мощности в связи с расходом теплоты дуги на нагрев окружающего воздуха и газа, на плавление электродного покрытия, на нагрев капель при разбрызгивании. Эффективную тепловую мощность дуги, от которой зависит производительность процесса сварки, определяют по формуле:
q = η IсвUд,
где: q – эффективная тепловая мощность дуги постоянного тока, Дж/с;
|
|
|
η – эффективный коэффициент полезного действия (КПД) процесса нагрева метала дугой
Эффективный КПД процесса нагрева метала дугой при ручной сварке ориентировочно составляет 0, 75-0, 85 и зависит от состава покрытия электрода, его толщины, длины дуги и других технологических факторов. С увеличением длины дуги КПД процесса нагрева понижается.
2. 1. 3. Магнитные свойства дуги
Столб дуги фактически является гибким проводником электрического тока, вокруг которого образуется собственное осесимметричное электромагнитное поле. Поэтому положение столба дуги, как всякого электрического проводника, может легко изменяться под действием внешних магнитных сил. Такое явление отклонения дуги при сварке в результате действия магнитных полей или ферромагнитных масс называется магнитным дутьём.
Под воздействием магнитного дутья сварочная дуга перемещается и изменяет свою форму, резко повышается разбрызгивание расплавленного металла, ухудшается качество шва. Магнитное дутьё может быть столь сильным, что сварка становится вообще невозможной. Его воздействие особенно заметно ощущается при сварке дугой постоянного тока на больших значениях его силы, поскольку сила электромагнитного поля приблизительно пропорциональна квадрату силы тока. На магнитное дутьё большое влияние оказывает размещение ферромагнитных масс вблизи сварки, тип соединения и величина зазора между свариваемыми кромками, наличие остаточного магнетизма в свариваемых изделиях, угол наклона электрода к поверхности свариваемого металла, место подвода сварочного тока к изделию.
Рис. 2. 2. Схема отклонений дуги магнитным полем:
а – горение дуги при отсутствии магнитного дутья (стрелками показано собственное осесимметричное магнитное поле дуги); б, в – отклонение дуги в поперечном направлении; г – то же, в продольном направлении
Рис. 2. 3. Схема влияния места подвода сварочного тока к изделию и ферромагнитных масс на магнитное дутьё дуги:
а – нормальное положение дуги при симметричном токоподводе относительно оси электрода; б, в – отклонение дуги, вызванное несимметричным тоководом; г – отклонение дуги, вызванное несимметричным расположением ферромагнитной массы
|
|
|
Магнитное дутьё увеличивается:
- при сварке электродами с основным покрытием (по сравнению с электродами с рутиловым покрытием);
- при сварке швов в вертикальном и потолочном положениях;
- при сварке в глубокие и узкие разделки кромок на металле большой толщины.
Мероприятия для уменьшения магнитного дутья:
- размагничивание или ослабление и уравновешивание остаточного магнетизма в свариваемых изделиях путём установки на них постоянных магнитов;
- изменение места подключения сварочного провода к изделию. Имеется в виду, что дуга отклоняется в сторону, противоположную точке токоподвода;
- укладка на свариваемое изделие дополнительных массивных стальных плит со стороны, противоположной направлению отклонения дуги (при сварке на прямой полярности);
- переход со сварки постоянным током на сварку переменным током, при этом сварку рекомендуют вести по возможности более короткой дугой;
- изменение угла наклона электрода так, чтобы нижний конец электрода был обращён в сторону действия магнитного дутья.
|
|
|
