РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

СВОЙСТВА СВАРОЧНОЙ ДУГИ И ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

ГЛ АВА 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЦЕССА И ВИДЫ ДУГОВОЙ СВАРКИ

При дуговой сварке сварочная дуга является основным потреби­ телем электрической энергии, преобразующим эту энергию в теп­ ловую. Тепловая энергия дуги используется для осуществления соединения металлов посредством дуговой сварки плавлением. Поэтому совокупность свойств сварочной дуги и в первую очередь ее электрические характеристики имеют важное значение для успеш­ ного осуществления процесса сварки, а также для изучения работы сварочного оборудования и определения требований к нему.

В зависимости от характера среды, в которой происходит дуго­ вой разряд, существуют следующие три вида сварочной дуги:

а) открытая дуга, горящая в воздухе с примесью паров мате­ риала электрода и свариваемого металла, а также вещества элек­ тродных покрытий; расплавленный металл при сварке открытой дугой находится под воздействием составных частей воздуха — азота и кислорода;

б) закрытая дуга, горящая под слоем защитного вещества — флюса в парах материала электрода, свариваемого металла и за­ щитного флюса. В этом случае расплавленный металл закрыт от непосредственного воздействия воздуха;

в) защищенная дуга, горящая в защитных газах (аргон, гелий, азот, углекислый газ, водород, светильный газ и различные смеси газов), ограждающих расплавленный металл от непосредственного воздействия воздуха.

Внекоторых случаях защитная атмосфера может создаваться из веществ, входящих в состав специальных покрытий, нанесенных на поверхность электрода или размещенных в его внутренней полости.

По роду тока различают дуги переменного и постоянного тока.

Взависимости от материала и физического состояния электрода

впроцессе горения дуги бывают дуги с плавящимся металлическим

инеплавящимся (угольные, вольфрамовые, керамические и др.) электродами.

По характеру воздействия дуги как источника теплоты на сва­ риваемый металл различают дуги прямого и косвенного действия.

При сварке дугой прямого действия, иногда называемой зави­ симой дугой, последняя горит между электродом и свариваемым изделием, которое включено в электрическую сварочную цепь. В этом случае энергетический или тепловой режим сварки непосред­ ственно зависит от тока и напряжения дуги, а также от скорости

сварки, т.	е. от погонной тепловой энергии, вводимой в изделие
на единицу	длины свариваемого шва.

При сварке дугой косвенного действия (независимой дугой) изделие не включено в сварочную цепь, а дуга горит между двумя чаще всего неплавящимися электродами. При этом виде сварки основной энергетический параметр режима — погонная энергия — не только зависит от тока и напряжения дуги, но главным образом определяется расположением дуги и скоростью ее перемещения относительно изделия.

В соответствии с указанными выше разновидностями электриче­ ской сварочной дуги можно выделить следующие основные виды

дуговой электрической	сварки:
1. Д у г о в а я э л е к т р и ч е с к а я с в а р к а о т к р ы ­
т о й д у г о й голым	или покрытым плавящимся металлическим^

или неплавящимся электродом.

2. Д у г о в а я э л е к т р и ч е с к а я с в а р к а з а к р ы ­ т о й д у г о й под флюсом плавящимся металлическим или непла­ вящимся электродом.

3. Д у г о в а я э л е к т р и ч е с к а я с в а р к а п л а в я ­ щ и м с я и л и н е п л а в я щ и м с я э л е к т р о д о м в среде защитных газов (инертных и активных).

Преобладающее применение в настоящее время получили ручная дуговая электрическая сварка открытой дугой переменного и постоян­ ного тока плавящимся электродом со специальными покрытиями и автоматическая и полуавтоматическая сварка плавящимся электро­ дом закрытой дугой под флюсом.

Сварка неплавящимся электродом открытой и закрытой дугой имеет второстепенное значение и применяется в значительно мень­ шем объеме.

Дуговая сварка в среде защитных газов (аргон, углекислота и др.) в последнее время получает все большее применение для специальных сталей и сплавов, но также не имеет еще в СССР широ­ кого распространения.

Поэтому основное внимание при изучении свойств сварочной дуги и источников ее питания необходимо уделить наиболее распро­ страненным видам сварки: ручной сварке открытой дугой и авто­ матической сварке закрытой дугой под флюсом прямого действия с металлическим плавящимся электродом.

Рассматривая процесс дуговой сварки изделия, можно выделить следующие основные элементы процесса, в значительной степени зависящие от свойств и характеристик дуги и применяемого свароч­ ного оборудования.

З а ж и г а н и е и л и в о з б у ж д е н и е д у г и — предва­ рительная операция, предшествующая процессу сварки. Зажигание дуги осуществляется обычно путем соприкосновения электрода

иизделия непосредственно или через токопроводящую прокладку*

врезультате чего сварочная цепь замыкается и протекает ток, кото­ рый вызывает повышенный местный разогрев конца электрода и изде­ лия. При последующем размыкании цепи путем отвода электрода от изделия или оплавления конца электрода в разогретом газовом промежутке между электродом и изделием возникает электрическая дуга. Условия зажигания или возбуж­

дения дуги, как будет показано ниже, во многом зависят от свойств газового промежутка, в котором происходит дуговой разряд, и свойств источника

питания,

а также от параметров ре­

жима сварки (ток и напряжение дуги).

Фиг. 2.

Геометрические

пара­

О с н о в н а я

о п е р а ц и я с в а р ­

метры сечения сварного шва (а)

к и и з д е л и я

состоит

в

образова­

и зависимость глубины проплав­

нии сварного шва. Сварной

шов обра­

ления Н от тока

и напряжения

зуется в результате расплавления при­

дуги под флюсом

(б):

садочного

(электродного)

и

проплав­

скорость

сварки

Vc =

20

м/час

ления

основного

(свариваемого)

ме­

диаметр

электрода

d3 = 5

мм.

1 - U d =

30 -г- 32 в;

2 - U d= 40 -f- 42 a;

талла

тепловой энергией

дуги,

пере­

3 — Ud = 52 -f- 54 в.

мещающейся относительно

изделия.

металлов

При этом происходит перемешивание и сплавление этих

в сварном

шве.

Как показали многочисленные исследования, форма и площадь

сечения сварного шва, т. е. глубина проплавления Я, ширина

про­

плавления В и высота усиления А шва (фиг. 2,а), зависят не только от общей мощности дуги, но и от параметров режима ее горения — тока и напряжения дуги. На фиг. 2, б показана зависимость глу­ бины проплавления свариваемого металла от тока и напряжения дуги при автоматической сварке под флюсом.

Скорость расплавления электродного металла увеличивается с увеличением сварочного тока и повышением плотности тока в элек­ троде. При автоматической сварке под флюсом скорость расплав­ ления электродной проволоки несколько уменьшается с увеличе­ нием напряжения дуги.

Таким образом, производительность сварки и форма сварного шва, оказывающая существенное влияние на качество сварки, в значительной степени зависят от величины и постоянства энерге­ тических параметров режима сварочной дуги.

§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

Сварочная дуга и источник ее питания (сварочный генератор, трансформатор, выпрямитель и т. п.) образуют взаимосвязанную энергетическую систему.

Различают два состояния работы этой системы:

а) С о с т о я н и е у с т а н о в и в ш е г о с я р а в н о в е с и я и л и р а б о т а в с т а т и ч е с к о м р е ж и м е , когда напря­ жение и ток в системе в течение достаточно длительного времени не изменяют своей величины. Графическое изображение зависимости между напряжением и током дуги или источника ее питания в уста­ новившемся состоянии называются соответственно статической вольтлмперной характеристикой дуги и внешней характеристикой источ­

ника	питания.
б) С о с т о я н и е н е у с т а н о в и в ш е г о с я р а в н о в е с и я
и л и	р а б о т а в п е р е х о д н о м р е ж и м е , когда ток и напря­

жение в системе изменяют свою величину под влиянием внешних воздействий на систему или в результате изменения каких-либо ее параметров (изменение длины дуги, напряжения источника пита­ ния или сопротивления сварочной цепи и т. п.). Графическое изоб­ ражение зависимости между напряжением и током дуги или источ­ ника питания в неустановившемся режиме называется динамической характеристикой.

Свойства дуги и источника ее питания в значительной степени определяются этими характеристиками. От вида этих характеристик и их соответствия друг другу зависит главным образом работа всей энергетической системы как в статическом, так и в переходном (динамическом) режиме.

Статическая характеристика дуги Ud = f (1д) определяется свой­ ствами дуги как нелинейного элемента электрической цепи, сопро­ тивление которого зависит от тока. Это свойство дуги отличает ее ют некоторых других видов потребителей электрической энергии, являющихся линейными элементами, у которых сопротивление не зависит от тока, а напряжение нагрузки является линейной функцией тока.

Природа зависимости сопротивления дуги от тока и, следова­ тельно, вид статической характеристики дуги как потребителя электрической энергии могут быть выяснены в результате изучения физических основ дугового разряда.

Электрическая дуга есть мощный разряд электричества в сильно ионизированной смеси газов и паров различных материалов, к кото­ рым в первую очередь относятся материал электродов и вещество электродных покрытий или флюсов.

Дуговой разряд при сварке обычно происходит при высоком давлении, большей частью атмосферном.

Газы и пары различных материалов при низких температурах состоят из нейтральных молекул и атомов, т. е., в отличие от метал­ лических проводников, не содержат свободных электронов. Поэтому газовый промежуток, в котором происходит мощный дуговой* разряд, должен быть ионизирован, т. е. содержать электроны и ионы. Для ионизации газовой молекулы или атома необходимо сообщить им «соответствующую энергию. Энергия ионизации, т. е. энергия выде­

ления из нейтрального атома или молекулы одного электрона с обра­ зованием положительного иона, равна

A t = Ute вт-сек,

где Ul — потенциал ионизации смеси газов или паров вещества,

вкоторых горит дуга, в в;

е— заряд электрона в кулонах, равный 1,59-Ю-19 к. Среду, в которой происхо­

дит

мощный дуговой разряд,

можно

в

первом приближении

рассматривать

как

газовый

проводник,

имеющий в средней

части

круглоцилиндрическую

форму (фиг. 3).

газо­

Вблизи

электродов1

вый

проводник

несколько

су­

жается,

до размеров

активных

пятен на электроде. Активными

пятнами

называются локализо­

ванные

наиболее

нагретые

участки

на поверхности

элек­

тродов, через которые проходит

весь ток дуги. Активное пятно

на

отрицательном полюсе

ду­

ги —‘ катоде — называется

ка­

Фиг.

3.

Схема электрической

дуги как

тодным

пятном,

а на

положи­

газового

проводника:

тельном

полюсе — анодным

И — изделие; Э—электрод; dd — диаметр элект­

пятном.

Поперечные

размеры

рода;

^

— диаметр

катодного

пятна; dа ~

средней части газового провод­

диаметр анодного пятна; d —диаметр столба

ника несколько

больше

разме­

дуги; 1К и 1а — соответственно протяженность

ров

активных

пятен

и,

как

катодной и анодной области; 1г—длина столба

дуги; 1д ~

длина дуги.

показали

исследования,

зави­

размеров

катодного пятна.

сят от последних, в первую очередь от

Газовый

проводник по длине разделяется

на три области, отли­

чающиеся

процессами,

происходящими

в

них.

Непосредственно

к электродам прилегают катодная и анодная области, а между ними расположена средняя часть — положительный столб дуги. По своей протяженности катодная область очень мала, ее длина приблизи­ тельно равна свободной длине пробега электрона, т. е. ^ 1 0 ~ 5 см. Анодная область имеет несколько большую протяженность, около 10_3—10~4 см. Следует указать, что для четкости чертежа протя­ женность приэлектродных областей на фиг. 3 изображена в увели­ ченном масштабе. Столб дуги можно рассматривать как однородный по всему объему проводник. Поперечные размеры этого проводника12

1 Здесь и далее под термином «электроды» подразумеваются как собственно сварочный электрод, так и изделие.

2 4Рабинович 22

по всей длине, его электропроводность, температура, плотность тока, как это будет показано ниже, могут быть приняты одинаковыми.

Общая длина дуги, как видно из схемы на фиг. 3, равна сумме длин всех трех областей. Так как протяженность приэлектродных областей чрезвычайно мала по сравнению с длиной столба дуги, то можно считать длину дуги равной длине положительного столба:

IQ lK-J- 1с Н- 1а 1с»

К а т о д и к а т о д н о е п р о с т р а н с т в о . Процессы, происходящие на катоде и в катодной области, имеют весьма важное значение для возникновения и устойчивости дугового разряда.

Твердые и жидкие тела, проводящие электричество при обычных низких температурах, в отличие от газов обладают некоторым коли­ чеством свободных электронов, не связанных с орбитами каких-либо атомов. Эти свободные электроны при отсутствии электрического поля находятся в хаотическом движении и свободно перемещаются во всем объеме тела. Однако они не могут вылетать за пределы тела, так как равнодействующая сил притяжения между положительными ионами и свободными электронами направлена внутрь тела. Для выхода или вырывания свободного электрона за пределы тела необ­ ходимо сообщить ему дополнительную энергию или совершить работу против сил, удерживающих электрон внутри тела. Эта работа выхода или энергия освобождения одного электрона из твердого или жидкого тела выражается обычно в электронвольтах Ue. Работа выхода, выраженная в вт-сек, определяется по уравнению

Ав = UeQ= Ь59- 1(Г19£/в вт-сек,

где Ue — потенциал выхода электрона в в.

Работа выхода электрона из твердого тела обычно в 2—4 раза меньше энергии ионизации для того же вещества в газообразном состоянии.

Для первичной ионизации смеси газов (паров) в дуговом про­ межутке необходимо сообщить его молекулам или атомам требуемую энергию ионизации.

Эта энергия передается атомам и молекулам газа в результате их соударения с электронами, эмитируемыми (испускаемыми) с по­ верхности катодного пятна. Следовательно, для возникновения дугового разряда и ионизации газа необходимо обеспечить эмиссию электронов с катода и сообщить им энергию, достаточную для иони­ зации газа. В условиях сварки энергия, необходимая для эмиссии электронов, получается за счет нагрева катода до высокой темпера­ туры, а также путем создания вблизи катода весьма сильного элек­ трического поля, напряженность которого достигает 10б — 106 в!см.

Как уже было указано, свободные электроны вблизи поверх­ ности твердого или жидкого тела испытывают силу электростати-

чггкого притяжения, удерживающую электрон внутри тела. Вели­ чина этой силы.

F =	е2	9
	4г2

I де е — заряд электрона;

г — расстояние между взаимодействующими зарядами. Электроны в металле находятся в хаотическом движении, под­

чиняющемся законам теплового движения газовых молекул. По­ лому средняя кинетическая энергия электронов определяется на

основании законов газовой	динамики:
	чеие	1 к т ,
где пге — масса электрона,	равная 9,11-10-28 г;

ve — средняя скорость теплового движения электрона в см/сек; К — постоянная Больцмана, равная 1,37-10-16 эрг/град; Т — абсолютная температура тела в °С.

Согласно закону теплового движения Максвелла, с повышением температуры увеличивается количество электронов, энергия которых превышает среднюю кинетическую энергию. Часть электронов может при этом иметь составляющие скорости vn, нормальные к поверхности, при которых их кинетическая энергия равна или больше работы выхода, т. е.

mev2n > eUe.

Такие электроны покидают металл и попадают в газовый проме­ жуток около катода, обладая некоторой остаточной кинетической энергией.

Явление испускания электронов раскаленными телами назы­ вается термоэлектронной эмиссией.

На основе законов термодинамики, в предположении, что термо­ электронная эмиссия подобна испарению одноатомного газа, было получено следующее уравнение для плотности тока^электронной эмиссии на катоде:

в-*и*

}е — АТ\е КТк а/см2,

( 1)

где А — постоянная, зависящая от материала катода, в см2-град2 г

Тк — абсолютная температура катодного пятна в °С; Остальные величины были указаны выше г.1

1 Следует напомнить, что во избежание ошибок при расчетах все величины должны быть выражены в одной системе единиц.

Предельная температура катодного пятна равна температуре кипения материала катода.

Для тугоплавких электродов (уголь, вольфрам), обладающих высокой температурой кипения (Тк > 3500° С), плотность тока эмиссии может быть достаточной для обеспечения мощного дугового разряда.

При легкоплавких металлических электродах температура ки­ пения материала катода сравнительно низкая (например, для стали Тк = 2500° С). При такой температуре катодного пятна одна лишь термоэлектронная эмиссия не может обеспечить высокую плотность

тока jef которая	при металлических электродах достигает тысяч
и десятков тысяч	а/см2.

Это объясняется тем, что приведенное выше уравнение термо­ электронной эмиссии было выведено без учета действия электри­ ческого поля вблизи катода. Между тем на границе катодного про­ странства дуги положительные ионы образуют объемный положи­ тельный заряд большой плотности, создающий разность потенциа­ лов UK9 называемую катодным падением напряжения. Учитывая, что протяженность катодного пространства очень мала (1К^ 10” 5сл*), напряженность Ек электрического поля в катодном пространстве при наблюдающихся в дуге значениях Uк = 8 ч- 20 в может достиг­ нуть величины 105 — 10е в!см. На электрон, находящийся вблизи поверхности металла, действует сила поля еЕКУ противоположная силе F, удерживающей электроны внутри тела. Таким образом, электрическое поле вблизи катода как бы уменьшает работу выхода электронов и тем самым усиливает термоэлектронную эмиссию.

Уравнение термоэлектронной эмиссии с учетом действия электри­

ческого поля вблизи катода примет следующий вид:
_ eUaeV^K
U = ATIB	кт«	’	(2)

Для стальных электродов при подстановке в уравнение (2) зна­

чений А н е получим выражение	4АУё~к
,
и = 120Т2ке кт«	тк	(3)

При весьма сильных электрических полях возможна эмиссия электронов при слабо нагретом, «холодном» катоде, называемая автоэлектронной эмиссией. В этом случае уравнение для опреде­ ления плотности тока электронной эмиссии, согласно выводам вол­ новой механики, подтвержденным опытом, примет следующий вид:

		'и*
U = A (T K+ cEK)*e		(Т« +сЕ^ К ’		(4)
где с — коэффициент, зависящий	от	среды	и материала	катода;
для стальных электродов	с	m 10-2	град-см/в.

Сравнивая уравнения (1) и (4), можно заметить их структурное сходство. В уравнении (4) принято, что с точки зрения электронной эмиссии действие сильного электрического поля аналогично дей­ ствию нагрева катода.

В случае, когда Тк > сЕк, преобладающей является термоэлек­

тронная эмиссия [уравнение (2)],	что следует полагать справедли­
вым для дуги с тугоплавким катодом. Когда тк< сЕк, преобладаю­
щей будет автоэлектронная эмиссия	или оба вида эмиссии существуют
совместно. Можно предположить,	что в мощных сварочных дугах

с металлическими стальными электродами имеет место именно такой смешанный вид электронной эмиссии.

Электроны, эмитированные катодом, проходят катодное про­ странство с большой скоростью под действием весьма сильного электрического поля (Ек ^ 105 -ь 10е в!см). Кинетическая энергия эмитированных электронов, прошедших катодное пространство, равна e U к.

На границе катодного пространства эти электроны при неупругих соударениях с молекулами или атомами газа могут передать послед­ ним всю или большую часть своей энергии, переходящей в потен­ циальную энергию атома или молекулы. Если эта энергия доста­ точна для ионизации, то атом или молекула ионизируется, т. е. образуются новые заряженные частицы — электрон и положитель­ ный ион.

Следовательно, для осуществления первичной ионизации газа вблизи катодного пространства необходимо, чтобы эмитированные электроны обладали кинетической энергией, достаточной для иони­ зации, т. е.

eUK> eUr

Отсюда следует вывод, что величина катодного падения напря­ жения зависит от потенциала ионизации газа или паров, заполняю­ щих дуговой промежуток. В некоторых случаях принимают UK^ Ut.

В случае упругого соударения электрона с ионом или атомом (молекулой) только часть кинетической энергии электрона пере­ дается иону или атому, что вызывает некоторое повышение темпера­ туры газа в дуговом промежутке. При сравнительно высокой плот­ ности газа число таких соударений очень велико. Поэтому, несмотря на небольшое количество энергии, передаваемой при каждом упру­ гом соударении, обмен энергией между электронами и другими частицами газа (ионы, атомы, молекулы) происходит весьма интен­ сивно. В результате большого количества соударений происходит уравнивание температур отдельных составляющих газа и общая тем­

пература	газа в столбе дуги Тс достигает весьма высоких значе­
ний: Тс ^	6000	8000° С.

Таким образом, кинетическая энергия эмитированных электро­ нов, приобретенная ими в электрическом поле вблизи катода, расхо­ дуется па ионизацию и подогревание газа в разрядном промежутке.

Электроны, образующиеся при эмиссии и ионизации газов и паров

на	границе катодной области,	увлекаются	электрическим полем
в столбе дуги к аноду, а положительные			ионы — к катоду. Так
как	масса ионов значительно	превосходит	массу электрона *, то

скорость движения ионов под действием электрического поля в столбе дуги во много раз меньше скорости движения электронов. Поэтому

вблизи катода ионы	образуют объемный	положительный	заряд
и тем самым создают сильное электрическое		поле в катодном	про­
странстве.	Благодаря высокой температуре газа в столбе
С т о л б д у г и .

дуги решающее значение приобретает термическая или тепловая ионизация. В этом случае ионизация происходит не только при не­ упругих соударениях электронов с атомами, но и вследствие соуда­ рений самих атомов между собой. Это объясняется тем, что в газе, заполняющем столб дуги, с повышением температуры резко возра­ стает число атомов, обладающих кинетической энергией, достаточной для ионизации частиц газа путем соударения. В результате интенсив­ ной термической ионизации столб дуги представляет собой сильно ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц (электронов, ионов) и нейтральных молекул, имеющих весьма высокую темпера­ туру.

Степень ионизации, следовательно, электропроводность столба дуги и ее устойчивость определяются наличием в столбе дуги газов или паров, обладающих низким потенциалом ионизации. На этом принципе основано применение ионизирующих электродных покры­ тий и некоторых флюсов, которые содержат элементы, в первую оче­ редь щелочные и щелочноземельные металлы (К, Na, Ва, Са и др.), имеющие потенциал ионизации меньший, чем пары железа.

Как показали исследования, столб дуги однороден в осевом напра­ влении: температура столба в осевом направлении одинакова, а электроны и ионы равномерно распределены по его длине. Поэтому поперечные размеры и свойства столба дуги по всей длине будут одинаковыми, т. е. столб дуги имеет круглоцилиндрическую форму (см. фиг. 3). Последнее подтверждается опытами, которые указывают на постоянство напряженности электрического поля и равного ей по

абсолютной	величине градиента потенциала в столбе дуги по всей
его длине,	т. е.
	Е с =	= c o n s t -	(5)
где Ес — напряженность электрического поля в столбе дуги			в в/см
или в/мм;
Uc — падение напряжения в столбе дуги в в;
1С— длина столба дуги в см или мм.1

1 Так, например, масса положительного иона (протона) наиболее легкого эле­ мента— водорода — в 1840 раз больше массы электрона.

Распределение температуры по радиусу столба дуги весьма не­ равномерно: температура столба резко понижается по мере удаления от его оси. Вследствие этого плотрость газа при удалении от оси столба резко повышается, а степень ионизации, т. е. электропровод­ ность столба дуги и плотность тока, наоборот, резко снижаются. Поэтому разряд в столбе дуги можно представить как разряд в газо­ вом канале, имеющем наиболее высокие температуру и электропро­ водность по оси и ограниченном стенками из более холодного и слабопроводящего газа.

Как уже было указано выше, под влиянием продольного электри­ ческого поля в столбе дуги заряженные частицы получают направлен­ ную скорость: электроны — в направлении анода, а положительные ионы — в направлении катода. Так как подвижность ионов очень мала по сравнению с подвижностью электронов, то долей ионного тока в общем токе столба дуги можно пренебречь.

Таким образом, ток в столбе дуги подобен току в металлических проводниках и обусловлен главным образом движением электронов.

Так как число электронов в единице объема в столбе дуги значи­ тельно превосходит число эмитированных электронов в катодном пространстве, то электропроводность столба дуги во много раз пре­ восходит электропроводность катодной области. Вследствие этого напряженность электрического поля и градиент потенциала в столбе значительньо меньше, чем в катодном пространстве: Ес = 10 ч- ч- 40 в!см.

Учитывая постоянство ЕС) можно определить общее падение

напряжения в столбе дуги по уравнению
Uc = Eclc^ E J d.	(6)
А н о д н а я о б л а с т ь . Напряженность поля	в анодной

области должна быть больше, чем в столбе дуги. Это объясняется уменьшением степени ионизации газа вблизи анода из-за более низ­ кой температуры в анодной области по сравнению со столбом дуги. Поэтому электропроводность анодной области ниже, и для обеспе­ чения высокой плотности тока на аноде необходима большая напря­ женность поля, т. е. Еа > Ес.

Усиление напряженности nojta Еадостигается за счет образования на границе анодной области отрицательного объемного заряда, так как число электронов в этой части дуги преобладает над числом положительных ионов. Вследствие образования объемного заряда на границе анодной области в последней возникает разность потенциа­ лов — анодное падение напряжения Ua. Величина анодного падения напряжения обычно сравнительно невелика и для металлических электродов лежит в пределах 2—4 в. Как уже было указано, анодная область значительно шире катодной. Поэтому напряженность поля в анодной области меньше, чем в катодной, но существенно пре­ восходит напряженность поля в столбе дуги.

Изложенные выше физические основы дугового разряда спра­ ведливы для всех видов открытой, защищенной и закрытой дуг. Различие в режимах, материалах электродов и среды, в которой происходит дуговой разряд, обусловливает главным образом лишь некоторые количественные отличия в отдельных параметрах дуги, не изменяя основной физической сущности явлений.

Некоторые особые свойства отдельных видов сварочной дуги будут изложены ниже при анализе статических характеристик, рассмотрении особенностей дуги переменного тока и изложении основных требований к оборудованию для дуговой сварки.

§ 3. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Приведенное выше описание процессов, происходящих в различ­ ных областях электрической дуги, позволяет сделать вывод, что рас­ пределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на фиг. 4. Напряжение дуги складывается из падения напряжений в трех ее

основных областях:

					и д = и к + и с+ и а.					(7)
					Зависимость этих					трех
					составляющих			напряжения
					дуги от тока			обусловливает
					свойства дуги			как нелиней-
				у	ного элемента электрической
					цепи	и определяет вид ее
				/	статической		характеристики
					и 0 =	/ (/,).
					Рассмотрим подробнее за-
Фиг 4. Распределениепотенциала в элект-					ВИСИМОСТЬ составляющих на-
рической		дуге.			пряжения дуги от тока и
К а т о д н о е		п а д е н и е			длины дуги.			Как	показали
				н а п р я ж е н и я .
исследования	[3] и [6]— [9], площади катодного и анодного пятен
в большинстве	случаев		растут	пропорционально			току.		Следова­
тельно, плотность’ тока			на катоде в		широких пределах изменения

токов (от 100 а и выше) может быть принята постоянной. Вследствие этого напряженность электрического поля Ек и катод­

ное падение напряжения Uк в большом диапазоне изменения тока можно считать независящими от величины тока. Лишь при больших значениях тока, когда катодное пятно покрывает всю поверх­ ность торца электрода, общая плотность тока в катодном пятне начнет расти, а вместе с этим несколько возрастают напряжен­ ность поля Ек и падение нап( яжения Vк. Это объясняется тем, что температура катодного пятна в сварочной дуге уже при малых токах обычно достигает предельного значения температуры кипения ме­ талла Тк и при дальнейшем увеличении тока дугового разряда не

возрастает. Поэтому увеличение плотности тока электронной эмиссии может произойти лишь за счет повышения напряженности Ек и увеличения падения напряжения в катодном пространстве Uк.

Однако следует указать, что согласно уравнениям (3) и (4) для значительного увеличения плотности тока необходимо сравнительно небольшое увеличение напряженности поля Ек. Поэтому для боль­ шинства сварочных режимов, за исключением автоматической сварки под флюсом и в среде защитных газов при очень высокой плотности тока в электроде, можно принять UK постоянным и не зависящим от тока.

Величина UKзависит от материала электрода и среды, в которой происходит дуговой разряд: увеличение потенциала ионизации Ut смеси газов и паров в дуге и ухудшение условий для образования катодного пятна на электроде (усиленное охлаждение катода, увели­ чение теплоотдачи в массу металла, когда катодом является изделие и т. п.) приводят обычно к увеличению катодного падения напря­ жения.

На величину катодного падения напряжения и электропровод­ ность дугового промежутка существенное влияние оказывает наличие в газовой смеси элементов, молекулы и атомы которых обладают свойством сравнительно легко присоединять к себе электроны и образовывать отрицательные ионы.

К числу таких электроотрицательных элементов относятся в первую очередь галоиды (F2, С12, Вг2, 12), а также кислород, азот и т. п.

Из электроотрицательных элементов наибольшим сродством к электрону обладает фтор F2. Широко распространенные в настоящее время флюсы для автоматической сварки (ОСЦ-45, АН-348 и др.) содержат сравнительно большой процент фтористых соединений CaF2 (плавиковый шпат —6—9%). Вследствие этого при сварке под флюсами, содержащими фтористые соединения, образуется большое количество отрицательных ионов, в первую очередь вблизи активных пятен дуги.

Отрицательные ионы фтора вблизи катода в значительной степени замещают свободные электроны и тем самым уменьшают их коли­ чество в катодном пространстве. В столбе дуги на границе катодной области ионы фтора интенсивно' рекомбинируют с положительными ионами, образуя нейтральные молекулы. Ионы фтора деионизируют газовый промежуток и уменьшают количество свободных электронов в катодной области. Антистабилизирующее действие ионов фтора аналогично повышению потенциала ионизации и, следовательно, приводит к повышению катодного падения напряжения Uк и сниже­ нию электропроводности столба дуги, т. е. к повышению напряжен­ ности поля Ес.

Так, по опытным данным [11 ], при сварке под флюсом АШ, не со­ держащим фтористых соединений, Uк = 10 -г- 13 в, а при сварке под флюсом ОСЦ-45 (6,0—8,0% CaF2) UK= 18 ч - 20 в.

А н о д н о е п а д е н и е н а п р я ж е н и я Ua в сварочной дуге практически не зависит от тока. Оно также мало зависит от материала электродов и среды, в которой горит дуга. Для сварочной дуги с металлическими электродами среднее значение анодного паде­ ния напряжения может быть принято равным 2,5 в [11 ].

П а д е н и е н а п р я ж е н и я в с т о л б е д у г и (/с можно выразить через ток 1д и нелинейное сопротивление столба дуги R cd:

U с = Id ^ c d -

Выражая сопротивление столба дуги через удельную проводи­ мость и геометрические размеры столба, получим

<8 >

где 1д % 1С— длина столба дуги в см\

Sc — площадь поперечного сечения столба в см2;

—удельная проводимость или электропроводность столба дуги в 1/омсм.

Уравнение (8) можно легко преобразовать к уравнению вида (6), если учесть, что плотность тока в столбе дуги

а напряженность электрического поля, равная по абсолютной вели­ чине градиенту потенциала,

С учетом этих соотношений получим

V . - W a - j k - b —t b - B А-

Сопротивление и градиент потенциала в столбе дуги зависят от тока (при 1д = const), так как площадь сечения столба дуги, плот­ ность тока и электропроводность изменяются при изменении тока. Как уже указывалось выше, диаметр столба дуги зависит от размеров активных пятен и ограничивается более холодным и плотным газом, окружающим столб, подобно стенкам канала. С увеличением свароч­ ного тока диаметр и площадь сечения столба дуги увеличиваются так же, как и размеры активных пятен. В первом приближении можно положить, что

5, = kll,

где k — коэффициент пропорциональности, а ос ^ 1 для обычных режимов сварки.

В качестве примера на фиг. 5 показаны кривые зависимости пло­ щади поперечного сечения столба дуги Sc, плотности тока jc в столбе

п напряжения дуги Uд под флюсом АН-348 при стальных электродах <19 = 2,4 мм (Fe —Fe), построенные на основе расчетов по опытным данным [81. Как видно из этих кривых, плотность тока в столбе дуги

вначале	уменьшается с увеличением тока (а > 1 )	до 1д > 400 а,
а затем,	когда Sc увеличивается пропорционально	току (а ^ 1),

плотность тока изменяется мало, оставаясь практически неизменной. Соответственно изменению плотности тока в столбе дуги изменяется

и напряжение дуги					Ud: при	малых токах Uд уменьшается с увели­
чением		сварочного			тока,
а затем напряжение					дуги
практически не				зависит
от тока, так как /c^const,
а электропроводность чС9
как будет показано ниже,
также	изменяется			мало.
При большой плотности
тока	в	электроде,			когда
катодное пятно занимает
всю	поверхность				торца
электрода,			интенсивность
роста размеров столба при
изменении			тока	умень­
шается .			Существенное			Фиг. 5. Зависимость площади		поперечного сече
влияние на изменение раз­						ния столба дуги S Ct	плотности	тока jc и напря
меров	столба дуги оказы­					жения дуги Ud под флюсом		АН-348 (Fe—Fe
вают		ограничивающие				от тока [8]. d? =	2,4 мм; /а = 0,4 мм, обрат­
						ная	полярность.
стенки из холодного					газа,

окружающие столб. Ограничивающее действие стенок, окружающих столб дуги, может заметным образом проявиться в дуге под флю­ сом, где газовая полость, в которой горит дуга, окружена жидким флюсом. В защищенной дуге столб дуги охлаждается потоками более холодного защитного газа, например аргона, что также ока­ зывает ограничивающее действие на изменение размеров столба.

При определенных условиях размеры столба дуги не изменяются

сувеличением тока дуги, что приводит к повышению плотности тока

встолбе дуги /с.

Как следует из выражения Ес = 4?-, на напряженность электри-

ческого поля и величину градиента потенциала в столбе дуги оказы­ вает влияние не только плотность тока j c, но и электропроводность столба дуги 7С. Электропроводность чс зависит главным образом от степени ионизации смеси газов в столбе дуги. Как было указано ранее, степень ионизации увеличивается с уменьшением потенциала иони­ зации и повышением температуры газов в столбе дуги.

При заданном составе газового промежутка электропроводность зависит лишь от температуры столба Тс, которая может изменяться с изменением тока.

Как показал спектральный анализ столба открытой дуги [9] и дуги под флюсом [10 ], температура столба несколько увеличивается с увеличением сварочного тока, причем рост температуры столба дуги Тс происходит более интенсивно при сравнительно малых сва­ рочных токах, а при больших токах температура изменяется незна­ чительно.

Расчеты [10] показывают, что при увеличении тока более чем в 3 раза температура столба дуги возрастает всего на 20%.

На основании приведенных выше опытных данных об изменении температуры столба дуги Тс можно дать следующую характеристику зависимости электропроводности столба дуги от сварочного тока. При малых токах (до 100—150 а) чс увеличивается с увеличением тока. В мощной сварочной дуге (1д > 100 — 150 а) чс изменяется мало, так как Тс ^ const. При весьма больших плотностях тока в столбе электропроводность вновь несколько возрастает с увеличе­ нием тока, так как температура Тс увеличивается.

Описанные выше закономерности изменения поперечного сече­ ния SCf плотности тока jc и электропроводности столба дуги чс ПРИ изменении сварочного тока позволяют определить характер изме­ нения падения напряжения в столбе дуги Uс, а также полного напря­ жения дуги

Ud = U K+ U c+ U a = f(Id)

в функции тока при 1д = const:

а) При малых значениях плотности тока в электроде, т. е. в маломощной сварочной дуге, сумма анодного и катодного падения напряжения не зависит от тока. Падение напряжения в столбе дуги уменьшается с увеличением тока, так как площадь сечения и элек­ тропроводность увеличиваются, а плотность тока и градиент по­ тенциала в столбе дуги уменьшаются.

Статическая характеристика дуги Ud = / (/а) будет падающей, так как напряжение дуги при таких режимах уменьшается с увели­ чением сварочного тока.

б) В обычных условиях сварки, т. е. при нормальных сварочных режимах, сумма анодного и катодного падения напряжения также может быть принята постоянной. Площадь сечения столба дуги уве­ личивается пропорционально току (Sc ^ Ыд), а электропроводность изменяется мало. Плотность тока в столбе практически постоянна, а

Ec = -jf- = const. Сопротивление столба дуги R cd (при 1д = const)

изменяется обратно пропорционально току, а падение напряжения в столбе дуги Uс не зависит от тока. При таких режимах

Ud = V Ka+ Е с1д = f Vo) = const>

(9>

где UKa = U K+ Uа.

Напряжение дуги не зависит от тока, причем Ud и Ес достигают своего минимального значения для данной длины дуги, среды и материала электрода.

в) При большой плотности тока в электроде, когда катодное пятно и площадь сечения столба дуги не могут увеличиваться с возраста­ нием сварочного тока, плотность тока в столбе дуги возрастает пропор­ ционально току, а температура и электропроводность столба также несколько повышаются. Следовательно, сопротивление столба дуги будет изменяться незначительно, а напряженность электрического поля и градиент потенциала в столбе дуги будут расти с увеличе­ нием тока. Кроме того, как было указано выше, при больших плот-

Фиг. 6.	Общий вид U -образной	Фиг. 7.	Статическая характеристика
статической характеристики дуги		открытой	дуги Fe—Fe: l ^ ~ 5 мм\
Uд— f (/,)	при IQ— const; йэ= const.		d9 — 4 мм.

ностях тока в электроде увеличивается также катодное падение напря­ жения. Статическая характеристика дуги станет при таком режиме возрастающей, т. е. напряжение дуги будет возрастать с увеличе­ нием тока.

Следовательно, форма статической характеристики дуги Ud = = / (1д) изменяется с изменением тока, переходя из падающей в не­ зависимую от тока — жесткую, и, наконец, при больших токах ста­ новится возрастающей. Общий вид U-образной статической характе­ ристики дуги для широкого диапазона изменения сварочного тока изображен на фиг. 6.

Как показали многочисленные исследования сварочной дуги, для большинства применяемых режимов сварки (при 1д > 100 а и плот­ ности тока в электроде /5< 200 а/мм2) напряжение дуги практически не зависит от тока. Для таких, режимов сварки напряжение дуги можно определять по уравнению (9)

Ud = U Ka + EJd.

Падающая характеристика наблюдается лишь при относительно малых токах, т. е. при таких режимах, которые редко применяются из-за недостаточной устойчивости дуги.

Статическая характеристика дуги может быть возрастающей в случае высокой плотности тока в электроде, например, при сварке под флюсом или в среде защитных газов плавящимися электродами малого диаметра (d9 < 2 мм).

На фиг. 7 показана статическая характеристика открытой свароч­ ной дуги со стальными электродами, построенная по опытным дан­ ным [4 ]. Как видно из фиг. 7, при токах более 60 а напряжение дуги практически не зависит от тока.

Интересные результаты были получены при исследовании [7 ], [81 дуги уголь — сталь С“ —Fe+* (фиг. 8) и дуги под флюсом со стальными электродами (фиг. 9). Как видно из фиг. 8, статическая характери­ стика дуги уголь — сталь может иметь при одних и тех же токах или форму (кривая /), соответствующую уравнению (9), или U-образную форму (кривая 2). Такое различие объясняется тем, что во втором случае конец электрода затачивался на конус, т. е. размеры торца электрода были уменьшены. Вследствие этого катодное пятно покрыло всю поверхность электрода при меньших токах, что и явилось при­ чиной возрастания статической характеристики.

Статическая характеристика дуги под флюсом, изображенная на фиг. 9, показывает, что даже при сравнительно больших плотно­ стях тока в электроде (d9 =2, 4 мм) не наблюдается еще возрастания напряжения дуги с увеличением тока. Расчетным путем по опытным данным в работе [8] были определены минимальные напряжения дуги и значение сварочного тока, при котором статическая характе­ ристика дуги под флюсом начинает возрастать при дальнейшем уве­

личении тока.	На фиг. 10 изображена U-образная	статическая
характеристика дуги Fe—Fe под флюсом, построенная		по опытным
и расчетным данным. Расчетная часть кривой на фиг.		10 показана
пунктиром.	показаны возрастающие статические характеристики
На фиг. 11

дуги постоянного тока с плавящимся электродом в среде аргона. Вследствие весьма высокой плотности тока в электроде (j9 ^ 125-ь- -f-200 а/см2) катодное пятно покрывает, по-видимому, всю поверх­ ность торца электрода, что ограничивает рост поперечного сечения столба дуги с увеличением тока. Помимо этого, более холодный за­ щитный газ, как было указано выше, также ограничивает рост попе­ речных размеров столба дуги. По этим причинам статические харак­ теристики дуги возрастающие. Возрастающая форма приведенных на фиг. 11 статических характеристик частично объясняется также и тем, что при опытах измерялось суммарное напряжение — напря­ жение дуги и падение напряжения на участке электродной проволоки, выступающем из мундштука автоматической головки. Последняя величина пропорциональна току.

Согласно уравнению (9), напряжение дуги возрастает при ее

удлинении по линейному закону при 1д =		const, что хорошо согла­
суется	с данными опыта для различных	видов сварочной дуги
(фиг.	12).

* Буквы обозначают материал электродов, а значки вверху букв указывают полярность.

2

1

	200	400 600	800	WOO 1200 WO I? а		Фиг.	9. Статическая	характерис­
Фиг.	8.	Статические		характеристики
открытой дуги			С——Fe+		[8]:	тика	дуги Fe — Fe	под	флюсом
/ — 1^ —1’3,4 —4 мм;			йэ=	15 мм; 2 — 1^ =		[8].	Постоянный ток,		обратная
							полярность, d9 — 2,4		мм:
=3,4 -	4 мм, конец		электрода		заточен на
		конус.				1 — 1$ — 5.5 мм; 2 — 1у — 3,5 мм.

щв

Фиг.	10. U -образная ста­	30
тическая характеристика
дуги	Fe — Fe под флю­
сом	[8]. Постоянный ток,	20
обратная полярность;
d9 — 2,4 мм; l(j= 4 мм.

10

0 400 800 1200 WOO f j а

Фиг. 11.	Возрастающие		статические		Фиг. 12. Зависимость		напряжения
характеристики дуги постоянного тока					от длины дуги:
с плавящимся		электродом в среде			1 —дуга Fe — Fe под флюсом АН-348,
	аргона:				IQ =450а; dQ= 2,4 мм; обратная поляр­
1 — IQ — 3 мм; 2 — IQ — 6 мм. Электродная					ность [8]; 2 — открытая		дуга Fe — Fe,
проволока	— малоуглеродистая			сталь;	d9 — 4 мм,	= 300 а,	прямая поляр­
d9 — 1,6 мм; 3 —1^ = 6 мм.			Электродная		ность [12]; 3 —открытая дуга С"~—Fe+,
проволока — сталь		0Х18Н9,	s	1,6 лслс.	Id =	400 т-900 а [8].

Материал Материал электрода изделия

Сталь Сталь

Уголь Сталь

•

Вольфрам Cr—N1

Значения UKQ) и Е с для различных видов сварочной дуги

Uка в в	Е с в в/м м	Род тока и
		полярность
17—19	2,3—2,5	Постоянный
		ток, прямая
		полярность
18—20	3,0-3,5	То же
16—18	3,2—3,8	Постоянный
		ток, обратная
		полярность
20—22	3,8—4,2	Постоянный
		ток, прямая
		полярность
23 -25	4,1—4,3	То же
20—22	3,3—3,7	Переменный
		ток

Вид дуги

Открытая

Под флюсом АН-348

То же

»

Под флюсом ОСЦ-45

То же

Режим

d3= 4 мм)

/ й= 100+600 а

d3= 2,5 мм\

/<5=200+700 а

d3—2,5 мм)

/а =300+540 а

йэ=4 мм; /д=400 а

CiT<0** 1! II

R *

d9= 2 мм;

/ д=350ч-700 а; йэ=Ъ мм;

/д=500-т-1200 а

18 1,8 Постоянный Открытая Id до 700 а ток, прямая полярность

Таблица 1

Источник данных (литература)

[12]

Лаборатория элек­ трических сварочных машин АН СССР

То же

[12]

[12]

Лаборатория элек­ трических сварочных машин АН СССР

[6]

14—	16	2,2	|	То же		То же	| /0=200-7-800 а		[7],[8]
8—	10	I 1.0-1,2	1		|	В аргоне	| /а= 50+200 а	I	[8]

дуги сварочной характеристики и разряда дугового основы Физические 32

Анализ формы статической характеристики показывает, что сва­ рочную дугу следует рассматривать как нелинейный элемент элек­ трической цепи. Напряжение дуги не зависит в большинстве случаев от тока. Поэтому при расчете электрических цепей, содержащих дугу, можно падение напряжения в дуге уподобить действию противоэлектродвижущей силы, не зависящей от тока.

Значения UKn и ЕС1 необходимые для расчетов по уравнению (9), приведены в табл. 1, составленной на основании многочисленных опытных данных различных исследователей.

Приведенный выше анализ статических характеристик дуги под­ тверждался в основном опытными данными для дуги постоянного тока. Однако все выводы, сделанные на основе этого анализа, спра­ ведливы и для дуги переменного тока. В этом случае статическая характеристика выражает зависимость между действующими зна­ чениями напряжения и тока дуги.

3 Рабинович 22