Тема уроку №26: 

"Умови горіння зварювальної дуги, її будова та особливості"

Фізична суть дуги.

Зварювальна дуга - це потужний електричний розряд у газах, який супроводжується виділенням значної кількості теплоти і світла. З фізичного погляду - це складний іонний і електронний процес перенесення електричних зарядів крізь іонізований повітряний проміжок. Іонізація газового проміжку при дуговому зварюванні в основному зумовлена електронною емісією з гарячого катода.

Електричні заряди у зварювальній дузі переносяться зарядженими частинами – електронами, а також позитивними і негативно зарядженими іонами. 

Процес утворення таких частинок називається іонізацією, а газ іонізованим. Енергія, витрачена на утворення іонів і відривання електронів від атомів, називається потенціалом іонізації. 

Запалювання дуги постійного струму проходить таким чином. При короткому замиканні електрода (катод) на виріб (анод) виділяється велика кількість тепла, яка прискорює рух вільних електронів по замкненому зварювальному полі. Після відриву електрода від виробу під впливом електричного поля вільні електрони починають вилітати у міжелектронний простір. 

Виникає електронна емісія – самовільний вихід вільних електронів з катода у газове середовище, що приводить до збудження електричної дуги. Електрони, які вилітають з кінця електрода, поповнюються з джерела живлення зварювальним струмом і дуга буде горіти постійно. 

Дуга, яка горить між електродом і виробом, називається вільною. Вільна дуга складається з трьох зон: катодної з катодною плямою; анодної з анодною плямою і стовпа дуги. 

Катодна пляма є джерелом електронів і має температуру 2400– 2600 С, ( для сталевих електродів). 

Стовп дуги є провідником електричного струму, де утворюються вторинні електрони та іони. Стовп дуги нейтральний. У ньому одночасно знаходяться однакова кількість заряджених частинок протилежних знаків. Процес з’єднання позитивних іонів з електронами й утворення нейтральних атомів називається рекомбінацією. У стовпі дуги виділяється близько 20% її загального тепла, а спад напруги зростає при збільшенні довжини дуги і становить 2-12В. Температура стовпа дуги залежить від сили зварювального струму і досягає 6000-8000 С. 

Анодна пляма є місцем входу електронів і має температуру 2400-2600С, але в результаті бомбардування електронами на ній виділяється більше тепла (42% ), ніж на катодній плямі. 

Класифікація зварювальної дуги

 Зварювальні дуги класифікуються залежно від роду струму та інших ознак:

 - за електродами, які використовуються: 

а) дуга з електродом, який плавиться; 

б) дуга з електродом, який не плавиться

 - за ступінню стискання дуги: 

а) вільна дуга; 

б) стиснена дуга 

- за схемою підведення зварювального струму:

 а) дуга прямої дії; 

б) дуга непрямої дії

 - за родом струму: 

а) дуга змінного струму (однофазна і трифазна); 

б) дуга постійного струму

 - за полярністю постійного струму:

 а) дуга прямої полярності; 

б) дуга зворотної полярності 

- за видом статичної вольт-амперної характеристики 

а) дуга зі спадаючою характеристикою; 

б) дуга з жорсткою характеристикою; 

в) дуга зі зростаючою характеристикою 

Вольт-амперна характеристика дуги 

Статичною вольт-амперною характеристикою дуги називається зв'язок, який існує між струмом і напругою зварювальної дуги заданої (постійної) довжини. Для газового розряду опір не є постійним (R ≠ const), оскільки число заряджених часток в нім залежить від інтенсивності іонізації і, зокрема, від сили струму. Тому електричний струм в газах і вольт-амперна характеристика газового розряду дуги показують, що дуга як вид газового розряду є нелінійним опором і не підкоряється закону Ома. Для досліджень і практичного використання дуже важлива вольт-амперна характеристика дуги Uд = f (Iзв). 

У характеристиці дуги можна умовно розрізняти три області: 

1) малі струми і падаюча характеристика; 

2) середні струми і полога характеристика; 

3) великі струми і зростаюча характеристика. 

Залежно від густини струму вольт-амперна характеристика дуги може бути падаючою, пологою і зростаючою (рис. 1.). 

В області I при малих струмах (приблизно до 100 А) зі збільшенням струму дуги Ід інтенсивно зростає число заряджених часток головним чином внаслідок розігрівання і зростання емісії катода, а отже, і відповідного від неї зростання об'ємної іонізації в стовпі дуги. Опір стовпа дуги зменшується і падає потрібна для підтримки розряду напруга Uд; вольт-амперна характеристика дуги є падаючою. В області ІІ при подальшому зростанні струму і обмеженому перерезі електродів стовп дуги декілька стискується і об'єм газу, який бере участь в перенесенні зарядів, зменшується. Це приводить до меншої швидкості росту числа заряджених часток. Напруга дуги в цій області слабо залежить від струму, а вольтамперна характеристика є пологою. Перші дві області на рис. 1. описують зварювальні дуги з так званим негативним електричним опором. 

Падаюча і полога вольт-амперні характеристики зварювальних дуг типові для ручного дугового зварювання штучними електродами з покриттям (ММА) і газоелектричного (МІG/MAG) зварювання, а також взагалі для зварювання при малій густині струму, у тому числі і дугою під флюсом (SAW). 

Зварювання при високій густині струму і плазмено-дугові процеси відповідають області III на рис 1. Вони характеризуються сильним стискуванням стовпа дуги і зростаючою вольтамперною характеристикою, що указує на збільшення енергії, дуги, що витрачається усередині. 

У сильнострумних стислих дугах ступінь іонізації газів в стовпі дуги може досягати значень близьких до 100 %, а термоемісійна здатність катода виявляється вичерпаною. В цьому випадку збільшення струму практично вже не може змінити числа заряджених часток в дузі. Її опір стає позитивним і майже постійним (R=const). Високоіонізована стисла плазма за електропровідністю близька до металевого провідника і для неї справедливий закон Ома. 

Зварювальні дуги класифікують за: 

- матеріалами електродів (Fe, W, Cu і т.д.); 

- складу плазмоутворюючих газів (у потоці інертних і активних газів; парах металів); 

- плавкими або неплавкими електродами і т.п.; 

- фізичними характеристиками — вільні і стислі, відкрити і закрити; 

- характеристиками джерел живлення – дуги постійного і змінного струму. 

Спільний опис статичної вольт-амперної характеристики дуги, виходячи з викладеного може бути виконано таким чином:

 1. Вільна дуга (що вільно розширюється). Радіус стовпа дуги Rст збільшується з зростанням струму. Температура дуги залишається постійною Т = const, ступінь іонізації α — дуже мала. Падаючу характеристику мають стовп дуги і катодна область.

 2. Стисла слабоіонізована дуга. Радіус стовпа дуги Rст — не збільшується зі зростанням струму, починає помітно збільшуватися ступінь іонізації α і температура стовпа дуги Тст. Стовп дуги має ще падаючу характеристику, а катодна область — зростаючу. 

3. Стисла високоіонізована дуга. Ступінь іонізації α→1, вольт-амперна характеристики стовпа дуги і катодної області — зростаюча. Процеси в дузі перестають залежати від полярності, матеріалів електродів і властивостей газів стовпа дуги. Дуга стає звичайним провідником на рівні металів (при 10000 К питомий опір ρ = 1,5—10–4 Ом·см), перетворюючись на висококонцентроване вельми стійке джерело зварювального нагріву 

ТЕСТИ