Влияние магнитных полей на сварочную дугу
Сварочная дуга является гибкой газовой вставкой между электродом и изделием и, как всякий проводник с током, взаимодействует с магнитным полем. Отклонение столба дуги под действием магнитного поля, наблюдаемое в основном при сварке постоянным током, называется магнитным дутьем (рис. 2.4). Возникновение его объясняется тем, что в местах изменения направления тока создаются различные напряженности магнитного поля. Это приводит к отклонению дуги в сторону, противоположную большей напряженности.
При сварке переменным током, в связи с тем, что полярность меняется с частотой тока, это явление проявляется значительно слабее.
Рис. 2.4 - Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс на сварочную дугу:
а - нормальное положение дуги; б - отклонение дуги под влиянием неравномерной напряженности магнитного поля; в - отклонение дуги под влиянием ферромагнитных масс;
Н1 и Н2 - напряженности магнитного поля.
Устранить его можно :
• изменением места токоподвода и угла наклона электрода;
• временным размещением дополнительного ферромагнитного материала, создающего симметричное магнитное поле;
• заменой постоянного тока переменным.
Технологические свойствами сварочной дуги
Под технологическими свойствами сварочной дуги понимают совокупность ее теплового, механического и физико-химического воздействия на электроды, определяющие интенсивность плавления электрода, характер его переноса, проплавление основного металла, формирование и качество шва. Технологические свойства дуги взаимосвязаны и определяются параметрами режима сварки.
Важными технологическими характеристиками дуги являются зажигание и стабильность горения дуги. Условия зажигания и горения дуги зависят от рода тока, полярности, химического состава электродов, межэлектродного промежутка и его длины. Для надежного обеспечения процесса зажигания дуги необходимо подведение к электродам достаточного напряжения холостого хода источника питания дуги, но в то же время безопасного для работающего. Для сварочных источников напряжение холостого хода не превышает 80 В на переменном токе и 90 В на постоянном. Обычно напряжение зажигания дуги больше напряжения горения дуги на переменном токе в 1,2—2,5 раза, а на постоянном токе — в 1,2-1,4 раза. Дуга зажигается от нагрева электродов, возникающего при их соприкосновении. В момент отрыва электрода от изделия с нагретого катода происходит электронная эмиссия. Электронный ток ионизует газы и пары металла межэлектродного промежутка, и с этого момента в дуге появляются электронный и ионный токи. Время установления дугового разряда составляет 10 -5 -10 -4 с. Поддержание непрерывного горения дуги будет осуществляться, если приток энергии в дугу компенсирует ее потери. Таким образом, условием для зажигания и устойчивого горения дуги является наличие специального источника питания электрическим током.
Вторым условием является наличие ионизации в дуговом промежутке. Степень протекания этого процесса зависит от химического состава электродов и газовой среды в дуговом промежутке. Степень ионизации выше при наличии в дуговом промежутке легкоионизующихся элементов. Горящая дуга может быть растянута до определенной длины, после чего она гаснет. Чем выше степень ионизации в дуговом промежутке, тем длиннее может быть дуга. Максимальная длина горящей без обрыва дуги характеризует важнейшее технологическое свойство ее — стабильность. Стабильность дуги зависит от целого ряда факторов: температуры катода, его эмиссионной способности, степени ионизации среды, длины дуги и др.
К технологическим характеристикам дуги относятся также пространственная устойчивость и эластичность. Под этим понимают способность сохранения дугой неизменности пространственного положения относительно электродов в режиме устойчивого горения и возможность отклонения и перемещения без затухания под воздействием внешних факторов. Такими факторами могут быть магнитные поля и ферромагнитные массы, с которыми дуга может взаимодействовать.
Вольт-амперная характеристика дуги
Зависимость напряжения дуги от тока и сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.
Рис. 2.5 -
Вольт-амперная характеристика дуги (рис. 2.5 а) имеет три области: падающую 1, жесткую 2 и возрастающую 3. В области 1 (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. В области 2 (100… 1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока. В области 3 напряжение возрастает вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода. Дуга области 1 горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга области 2 горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.
Вольт-амперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали (рис. 2.5 б) представлена в виде кривых а (длина дуги 2 мм) и б (длина дуги 4 мм). Кривые в (длина дуги 2 мм) и г (длина дуги 4 мм) относятся к автоматической сварке под флюсом при высоких плотностях тока.
Внешней вольтамперной характеристикой источника питания дугиназывается зависимость напряжения источника питания (Uип) от величины сварочного тока (Iсв) (рис 2.6).
Источники питания дуги имеют следующие виды внешних характеристик: крутопадающую, пологопадающую, жесткую и возрастающую. Крутопадающая характеристика применяется для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, пологопадающая и особенно жесткая – для механизированной сварки плавящимся электродом с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки в зону дуги, возрастающая – для механизированной сварки под флюсом.
Рис. 2.6 - Внешние вольтамперные характеристики источника питания дуги
2.2. Сварочные материалы
Сварочными называют материалы,обеспечивающие возможностьпротекания сварочных процессов и получение качественных сварных соединений. К ним относят присадочные металлы, покрытые электроды, флюсы, защитные газы и некоторые другие.
Подавляющее большинство швов при сварке выполняют с применением присадочных материалов. Роль их заключается не только в получении необходимой геометрии шва, но и в обеспечении высоких эксплуатационных характеристик при минимальной склонности к образованию дефектов. В большинстве случаев состав присадочного металла мало отличается от химического состава свариваемого металла. Присадочные металлы разрабатывают применительно к конкретным группам свариваемых металлов и сплавов или даже к их отдельным маркам. При этом учитывают и методы сварки, определяющие потери отдельных элементов. Присадочный металл должен быть более чистым по примесям, содержать меньшие количества газов и шлаковых включений. Присадочные металлы используют в виде металлической проволоки сплошного сечения или порошковой проволоки (с порошковым сердечником). Применяют также прутки, пластины, ленты. К сварочной проволоке предъявляют высокие требования по состоянию поверхности, предельным отклонениям по диаметру, овальности и другим показателям.
Высокое качество сварочной проволоки и других присадочных металлов сохраняется при тщательной упаковке и консервации, а также правильном хранении и транспортировке. Наиболее часто сварочную проволоку поставляют в виде мотков, покрытых консервирующей смазкой. Поверхность мотка обертывают влагонепроницаемой бумагой, полимерной пленкой и т.п. Каждая партия проволоки должна снабжаться сертификатом завода-изготовителя, где указываются марка проволоки, химический состав, номер плавки и другие сведения. Присадочные материалы перед сваркой должны проходить тщательную очистку поверхности. Наличие следов смазки или других загрязнений не допускается. В большинстве случаев требуется и очистка от оксидов. Для удаления жировых загрязнений применяют обезжиривание. Оксидную пленку удаляют травлением, химическим и электрохимическим полированием. Для сварки необходимо применять преимущественно присадочные материалы, выпускаемые по специализированным стандартам или техническим условиям. Промышленность выпускает присадочные материалы для сварки сталей, чугуна, алюминия, меди, титана и их сплавов.
Основные размеры сварочной проволоки:
- Диаметр: 0.3 (мм), 0.8 (мм), 1.6(мм), 2 (мм), 2.5 (мм), 3 (мм), 5 (мм), 8 (мм), 10 (мм), 12 (мм).
- Наружный диаметр мотка: 175 (мм), 250 (мм), 320 (мм), 600 (мм).
- Внутренний диаметр мотка: 100 (мм), 175 (мм), 220 (мм), 260 (мм), 400 (мм).
- Высота мотка: 50 (мм) 85 (мм), 90 (мм).
Особенности маркировки:
В маркировке сварочной проволоки есть буквы и цифры, которые в свою очередь обозначают
содержание углерода в сотых долях процента, химические элементы, входящие в состав проволоки (Азот, ниобий, вольфрам, марганец, медь, молибден, никель, кремний, титан, хром), и их доля в сотых процента (если доля слишком мала - она не указывается).
Примером такой маркировки является проволока 3 Св-08А, где 3 – это диаметр проволоки (мм), Св – сварочная, 08 – процент углерода в металле 0.08, А – повышенная чистота металла по содержанию серы и фосфора.
Влияние магнитных полей на сварочную дугу
Столб сварочной дуги содержит свободные электроны, ионы и электрически нейтральные частицы. Благодаря наличию в дуге заряженных частиц (электронов и ионов), движущихся в определенных направлениях, столб дуги может рассматриваться как гибкий проводник, по которому проходит электрический ток. Поэтому магнитное поле, создаваемое током самой дуги, или постороннее магнитное поле оказывает весьма заметное воздействие на дугу, вызывая перемещение или изменение формы последней. Такое явление называют магнитным дутьем. Если рассматривать дугу в магнитном поле как гибкий проводник с током, то силы, движущие дугу, можно выразить в виде
F = α∙B∙I∙L, (1.16)
B – магнитная индукция;
I – ток дуги;
L – длина дуги;
α – коэффициент пропорциональности.
Под воздействием магнитного поля сварочная дуга отклоняется в сторону наименьшего сгущения магнитных силовых линий. Кроме того, магнитное поле влияет на характер перемещения заряженных частиц в самой дуге.
На сварочную дугу могут воздействовать посторонние продольное или поперечное магнитные поля, а также собственное магнитное поле дуги.
Электрическая дуга под воздействием собственного магнитного поля будет отклоняться от места подключения к изделию токоподвода в сторону разряжения магнитных силовых линий в зависимости от места подключения (Рис. 1.6).
Рис. 1.6 – Влияние токоподвода на отклонение дуги (магнитное дутьё)
Угол наклона к поверхности свариваемого металла также влияет на величину отклонения столба дуги. Чем больше угол отклонения, тем сильнее дуга выдувается в сторону, противоположную наклону электрода (Рис. 1.7 а, б).
Рис. 1.7. Влияние угла наклона электрода на отклонение дуги
Поперечное магнитное поле направлено перпендикулярно оси дуги, что приводит к отклонению дуги, изменению ее формы и длины. Если магнитное поле будет достаточно сильным, то дуга может оборваться.
Направление отклонения дуги в поперечном поле можно определить правилом левой руки (Рис. 1.8).
Продольное магнитное поле совпадает с направлением электрического поля дуги и направлено параллельно оси дуги. Такое магнитное поле не оказывает воздействия на заряженные частицы, движущиеся в направлении электрического поля. При движении в радиальном направлении заряженные частицы пересекают магнитное поле, ко-
Рис. 1.8 – Поперечное магнитное поле и дуга
торое взаимодействует с ними, создает силу, перпендикулярную продольному магнитному полю дуги и направлению движения частицы. Под действием этой силы, диффундирующие к периферии заряженные частицы, придут во вращательное движение. При этом направление движения будет зависеть от знака заряда частицы (электроны и положительные ионы будут вращаться в противоположные стороны). Действие электрического поля вводит осевую составляющую, поэтому заряженные частицы при совместном действии продольного магнитного и электрического полей двигаются по спирали. Возникающая при этом центростремительная сила оттягивает столб дуги к вертикальной оси (Рис. 1.9).
Рис. 1.9 – Действие электромагнитных сил на элементарные заряженные
частицы плазмы – ион и электрон
Действие ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что магнитная проницаемость их в тысячи раз больше магнитной проницаемости воздуха. А магнитные силовые линии стремятся замкнуться по пути наименьшего сопротивления. Концентрическое магнитное поле вокруг дуги исказится и она, окажется прижатой к ферромагнитному телу (Рис. 5, а).
С явлением магнитного дутья сварщики сталкиваются при сварке угловых и стыковых швов, когда дуга под влиянием стальных стенок и кромок отклоняется в их сторону и затрудняет процесс сварки (Рис. 1.10 а, б, в, г).
Рис. 1.10 – Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги
Под действием внешнего магнитного поля дуга может перемещаться по поверхности свариваемого изделия. Этот эффект используется при сварке кольцевых швов труб. С этой целью на концы труб надеваются две катушки, включенные встречно (Рис. 1.11).
Рис. 1.11– Стыковая сварка труб вращающейся (бегущей) дугой
При этом в зазоре между трубами создается радиальное магнитное поле Н. Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет действовать тангенциальная сила, которая заставляет дугу перемещаться по поверхности трубы. После разогрева торцов труб процесс сварки завершается осадкой.
В случае сварки на переменном токе магнитное дутье будет значительно меньше или совсем незаметным. Это происходит по той причине, что изменяющийся по величине в направлении магнитный поток дуги, пронизывающий ферромагнитную массу, наводит в ней вихревые токи, создающие собственное магнитное поле, направленное против магнитного поля сварочного тока.
Меры, борьбы с магнитным дутьем:
а) выбор соответствующего места подключения токоподвода к изделию или применение подвижного токоподвода;
б) подвод тока в нескольких точках;
в) применение успокоительных соленоидов с продольным направлением магнитного поля;
г) наклон электрода в сторону "сдувания" дуги;
д) размещение ферромагнитного материала вблизи дуги;
е) применение для сварки переменного тока.
Магнитное дутье при сварке
Во время сварки массивных металлических изделий, таких, как трубопроводы большого диаметра или крупногабаритные емкости зачастую возникает явление магнитного дутья. Магнитное поле большой массы металла взаимодействует с электродугой, вызывая ее отклонение. Отклонение может достигать значительных величин, затрудняя электросварку или делая ее вовсе невозможной. Инженерами и учеными разработано несколько способов борьбы с этим негативным явлением.
Сущность и основные причины появления
Сильный электроток, протекающий по электродуге, создает собственное магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным полем массивной металлической конструкции. В результате этого взаимодействия возникает сила, направленная к центру поля. Если массовый провод подключен близко к месту работы, то эта сила действует вдоль столба и не вызывает ее смещения от вертикали. Однако чем дальше подключена масса, тем более проявляется поперечная составляющая этой силы. Под ее действием электродуга отклоняется в сторону подключения. Степень отклонения пропорциональна расстоянию от места подключения, намагниченности металлической конструкции и квадрату рабочего тока.
Эффект проявляется особенно сильно при высоких значениях сварочного тока и при сварке постоянным напряжением. При работе переменным током эффект дуться ослабляется изменением направления отклонения с частотой сварочного напряжения. Кроме того, возникающая электродвижущая сила наводит вихревые токи в поверхностных слоях металла, также стабилизирующие положение электродуги. Даже при больших значениях рабочего электротока, достигающих тысяч ампер, магнитное дутье проявляется незначительно.
Причины отклонения дуги
Особую трудность создает эффект при работе с угловыми и стыковыми швами. Для определения степени намагниченности конструкции применяют — индикатор магнитного дутья
Влияние полей на сварочную дугу
На эффект дутья оказывают влияние несколько факторов
- Положение подключения массового провода. При присоединении кабеля в непосредственной близости к месту сварки возникает только вертикальная составляющая усилия, не отклоняющая, а, наоборот, стабилизирующая положение электродуги. По мере увеличения расстояния места сварки до места подключения горизонтальная составляющая силы проявляет себя все больше. Она действует на гибкий проводник, которым является столб электродуги, и отклоняет его по направлению, противоположному месту подключения.
- Угол наклона сварочного электрода. При наклоне в сторону подключения отклонение возрастает. При наклоне в противоположную сторону смещение ослабевает.
- Ферромагнитные массы. Массивные металлические конструкции обладают сильным собственным постоянным полем. Столб смещается к этим массам. Особенно сильно это проявляется при выполнении угловых и стыковых швов
- Сила тока. Отклонение увеличивается пропорционально квадрату электротока.
Магнитное дутье сварного шва
В некоторых случаях эффект магнитного дутья в сварке удается компенсировать, комбинируя воздействие этих факторов так, что их влияние взаимно компенсируется.
Методы борьбы
Для снижения негативного воздействия эффекта магнитного дутья применяют следующие меры борьбы с ним:
- Ведут сварку переменным напряжением (если это допустимо по техническим условиям).
- Массовый провод присоединяют по возможности ближе к месту сварных работ.
- Тщательно заземляют заготовки.
- Место работ ограждают антимагнитными металлическими экранами. Это помогает снизить влияние ферромагнитных масс и излучаемых ими полей.
В некоторых случаях эти меры не дают желаемого результата. Тогда для устранения явления дутья применяют более сложный метод размагничивания, связанный с использованием дополнительного оборудования. На заготовки наматывают по 5-7 витков сварного кабеля сечением от 25 кв. мм. По нему несколько минут пропускают ток 200-300 ампер от сварочного выпрямителя.
Дополнительный материал Магнитное поле дуги и сварочного контура
Сварочная цепь электрод-дуга-изделие вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону.
Столб сварочной дуги можно рассматривать как гибкий проводник, по которому проходит электрический ток. Собственное магнитное поле дуги и поле сварочного контура (ферромагнитных масс) вызывает явление, известное под названием «магнитного дутья». Боковой распор магнитных линий, сконцентрированных внутри угла, образованного электродом и токопроводящей частью пластины, будет «выжимать» дугу наружу.
На магнитное дутье влияют следующие факторы:
- место подвода тока и изделия;
- толщина свариваемого металла;
- конфигурация изделия и пр.
Под влиянием магнитных полей сварочная дуга может перемещаться и изменять форму.
Магнитное дутье может затруднять сварку дугой постоянного тока, особенно при повышении его значения, т.к. сила воздействия магнитного поля приблизительно пропорциональна квадрату тока. Продольное магнитное поле улучшает технологические свойства дуги; под действием поперечного магнитного поля сварочная дуга отклоняется.
Меняя место подвода тока, можно регулировать отклонение дуги.
На рис. б) сварочный провод присоединен слева от дуги. Магнитные поля, сконцентрированные внутри угла, образованного электродом и токоподводящей частью металла, будут отклонять дугу вправо, и, наоборот, - если переместить токопровод вправо от дуги, то магнитное поле будет отклонять дугу влево (в).
Угол наклона электрода к поверхности свариваемого металла также влияет на величину отклонения столба дуги. Чем больше угол наклона, тем сильнее дуга выдувается в сторону, противоположную наклону электроду (рис. г) и д). Изменением угла наклона электрода можно регулировать величину отклонения дуги под влиянием магнитного дутья.
Наличие вблизи дуги значительных ферромагнитных масс (массивных стальных деталей) оказывает влияние на отклонение дуги.
Можно считать, что в ферромагнитной массе благодаря ее высокой магнитной проницаемости «стремятся» сконцентрироваться магнитные силовые линии контура. Вследствие этого магнитное давление со стороны ферромагнитной массы снижается и дуга отклоняется. Поэтому дуга может часто отклоняться в сторону заваренного шва или от кромки в сторону основной массы изделия.
При рассмотрении магнитного дутья следует учитывать, что металл в ванне и вблизи нее нагрет выше точки Кюри и практически немагнитен.
С явлением магнитного дутья сталкиваются при сварке угловых и стыковых швов, когда дуга отклоняется на одну из кромок и затрудняет сварку.
При сварке на переменном токе магнитное дутье влияет на дугу значительно слабее. Магнитный поток, создаваемый в сварочном контуре переменным током, индуктирует в массе основного металла токи Фуко (замкнутые вихревые токи), которые порождают переменное поле, сдвинутое почти на 180 0 по отношению к сварочному току. Результирующий магнитный поток контура оказывается значительно меньшим, чем при постоянном токе. Кроме того, он сдвинут по фазе относительно сварочного тока, что ослабляет электромагнитную силу взаимодействия магнитного поля с током.
При сварке под флюсом магнитное дутье обычно мало.
Однако при сварке продольных швов труб из-за значительной ферромагнитной массы и замкнутого контура трубы возникает поперечное магнитное поле, сдувающее дугу вдоль трубы. Изменяя токоподвод или наклон электрода, можно ликвидировать отрицательное влияние дутья.
Для ослабления нежелательного действия магнитного дутья при сварке рекомендуется применять следующие меры:
Электрическая дуга
Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла.
Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги.
С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров.
Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е. их атомы или молекулы могут освобождать или, для электроотрицательных элементов наоборот, захватывать электроны, превращаясь соответственно в положительные или отрицательные ионы. Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной.
Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов. Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей. Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается.
В момент разрыва перемычки происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется ионами и электронами возникающими при этом. Благодаря тому, что к электроду и изделию приложено напряжение электроны и ионы начинают двигаться: электроны и отрицательно заряженные ионы - к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду, и таким образом возбуждается сварочная дуга. После возбуждения дуги концентрация свободных электронов и положительных ионов в дуговом промежутке продолжает увеличиваться, так как электроны на своем пути сталкиваются с атомами и молекулами и "выбивают" из них еще больше электронов (при этом атомы, потерявшие один и более электронов, становятся положительно заряженными ионами). Происходит интенсивная ионизация газа дугового промежутка и дуга приобретает характер устойчивого дугового разряда.
Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла. И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну. Он может осуществляться либо каплями, свободно перелетающими дуговой промежуток, либо каплями, которые сначала образуют короткое замыкание, а затем перетекают в сварочную ванну.
Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой.
Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт. Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм. Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона). Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной).
Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно. Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной. Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду). Прямую полярность используют иногда при выполнении наплавок (когда проплавление основного металла, напротив, желательно чтобы было минимальным).
В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде. Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева).
При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга.
Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном). Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности катода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 3000 °С.
Строение дуги
Lк - катодная область; Lа - анодная область (Lа = Lк = 10 -5 -10 -3 см); Lст - столб дуги; Lд - длина дуги; Lд = Lк + Lа + Lст
К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).
Влияние на дугу магнитных полей
При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками:
- столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения;
- дуга горит неустойчиво, часто обрывается;
- изменяется звук горения дуги - появляются хлопки.
Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами.
Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.
В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода.
Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела.
Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах.
Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:
- выполнением сварки короткой дугой;
- наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
- подведением токоподвода ближе к дуге.
Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше. Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду. Для того, чтобы дуга переменного тока горела стабильно необходимо использовать стабилизаторы дуги (легкоионизируемые элементы), которые вводят, например, в покрытие электродов или во флюс.
Читайте также: