Физическая сущность и процессы, протекающие в сварочной дуге. Зажигание дуги. Термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия. Работа выхода электрона. Потенциал ионизации элементов.

Электрический ток при некоторых условиях может проходить не только через твердые или жидкие проводники, но и через газы. Явление протекания электрического тока через газы называется электрическим газовым разрядом. Сварочная дуга представляет собой устойчивый и мощный электрический разряд, характеризуемый повышенной плотностью тока и высокой температурой. Дуга горит между электропроводными телами (электродом и свариваемой деталью), находящимися на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга.

В зависимости от способов включения электродов и свариваемой детали в цепь сварочного тока различают два вида сварочных дуг: прямого действия, когда дуга горит непосредственно между электродом и деталью, и косвенного действия, когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемая деталь не включена в электрическую цепь.

По роду используемого тока сварочные дуги могут быть переменного и постоянного тока. При этом дуга постоянного тока может питаться током прямой и обратной полярности. При прямой полярности электрод присоединяется к отрицательному полюсу источника питания дуги, а свариваемая деталь - к положительному; при обратной - электрод присоединяется к положительному полюсу, а деталь - к отрицательному.

В нормальном состоянии газы электрической проводимостью не обладают и электрический ток не пропускают, поскольку они почти полностью состоят из нейтральных частиц - атомов или молекул. Электрический дуговой разряд возможен лишь при условии ионизации газов, т.е. образования электрически заряженных частиц - электронов, отрицательно и положительно заряженных ионов. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения.

Зажигание дуги. Возбуждение дугового разряда возможно четырьмя основными способами:

1) при переходе из устойчивого маломощного разряда, например тлеющего;

2) в процессе создания высокоионизированного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство, в большинстве случаев с помощью третьего электрода;

3) при переходе из неустойчивого искрового разряда путем подачи импульса высокой частоты или высокого напряжения;

4) при замыкании и последующем размыкании токонесущих электродов.

При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом - высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с помощью конденсатора. Угольную дугу возбуждают чаще всего, используя третий электрод.

Своим появлением и развитием первоначальная ионизация обязана действию двух физических эффектов – термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий.Сущность термоэлектронной эмиссии заключается в том, что металл, нагретый до высокой температуры, приобретает способность излучать свободные электроны (электроны проводимости) в окружающую среду. Обычно находящиеся в металле свободные электроны, без препятствий перемещаясь по всему объему, не могут выйти за пределы металла из-за наличия на его поверхности действующего в узкой зоне электрического поля, называемого поверхностным потенциальным барьером. С повышением температуры кинетическая энергия электронов возрастает и с какой-то температуры для многих из них она становится достаточной для преодоления этого потенциального барьера твердого тела или жидкости. С повышением температуры число таких электронов возрастает, причем этот рост, определяемый так называемой работой выхода электрона, носит очень интенсивный характер:

Работа выхода электрона – это наименьшая энергия, которую нужно сообщить свободному электрону для того, чтобы он мог преодолеть поверхностный потенциальный барьер. Работа выхода электронов для разных металлов различна. Если на поверхности металла имеются его оксиды, то работа выхода уменьшается, т.е. при прочих равных условиях эмиссия электронов усиливается.

       Если при термоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для отрыва электрона, сообщается ему путем нагрева, то при автоэлектронной эмиссии необходимая энергия передается электрону внешним электрическим полем, которое как бы «отсасывает» электроны за пределы действия поверхностного потенциального барьера. Понятно, что под действием внешнего электрического поля работа выхода электрона уменьшается и, как следствие, повышается плотность эмиссионного потока электронов.

       При коротком замыкании электрической сварочной цепи электродом на деталь происходит соприкосновение микроскопических выступов, всегда существующих на поверхности электрода и детали. Очень высокая плотность тока, приходящаяся на эти выступы, измеряемая многими сотнями ампер на квадратный миллиметр, приводит к почти мгновенному их нагреву до температуры плавления и кипения. При быстром отрыве электрода от детали возникает мощная термоавтоэлектронная эмиссия электронов, которая под воздействием существующего электрического поля формируется в движущийся с большой скоростью электронный поток. Пройдя расстояние, равное длине свободного пробега, и встретив на своем пути электрически нейтральные малоподвижные атомы и молекулы газа, электроны ионизируют их, превращая в положительно или отрицательно заряженные ионы. Образование положительно заряженного иона газа, что особенно важно, обычно достигается «выбиванием» из газовых атомов и молекул электронов, находящихся на внешней оболочке (такая ионизация называется ионизацией соударением). Для этого должна быть затрачена определенная работа – работа ионизации, численно равная потенциалу ионизации.

       Нужно заметить, что не все движущиеся электроны обладают достаточной для ионизации частиц энергией. Такие электроны при сталкивании не изменяют заряд частиц, а переводят атомы и ионы в возбужденное состояние, связанное с переходом их электронов на орбиты с более высоким энергетическим уровнем. Однако возбужденные частицы являются неустойчивыми и легко возвращаются в исходное нейтральное состояние, выделяя энергию в виде потока электромагнитного инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучений.

       Следует отметить, что имеющиеся в дуге разноименно заряженные частицы, в том числе и появившиеся при ионизации, при некоторых условиях воссоединяются, образуя нейтральную частицу. Этот процесс называется рекомбинацией; он сопровождается, как и возвращение в исходное состояние возбужденных атомов, выделением электромагнитного излучения в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах частот.

Потенциал ионизации.

Возникновение заряженных частиц в объеме нейтрального газа возможно лишь при переходе нейтральных атомов и молекул в заряженные ионы и электроны.

Электрон - отрицательно заряженная частица, масса которой меньше массы наиболее легкого атома водорода в 1840 раз. Заряд электрона е = 1,59∙10^-19 кулона.

Обладание большим зарядом при малой массе, делает электрон чрезвычайно подвижной заряженной частицей и газах, весьма чувствительной ко всякого рода электромагнитным воздействиям. В результате отмеченных особенностей электрон играет наиболее важную роль в процессе дугового разряда.

Ион представляет собой атом или молекулу, у которых отняты или к которым присоединены один или несколько электронов. В первом случае ион будет иметь положительный электрический заряд, во втором - отрицательный. Величина заряда иона численно будет равна величине заряда электрона, если отнят или присоединен один электрон. Масса иона отличается от массы нейтрального атома или молекулы па величину массы электрона, который в несколько тысяч раз легче атома. Поэтому можно считать, что масса иона практически равна массе атома или молекулы, из ко­торых ион получен. Ионы гораздо менее подвижны, чем электроны, так как заряд их равен заряду отнятого электрона, в то время как масса на несколько порядков превышает массу электронов.

Согласно существующим представлениям атом изображается в виде положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него но орбитам с определенными радиусами электронов. Распределению электронов по орбитам соответствует вполне определенная внутренняя энергия атома.

Состояние атома, отвечающее наименьшему запасу энергии называют основным (нормальным) состоянием. В этом состоянии атом представляет собой некоторую устойчивую систему, способную, однако, поглощая иод влиянием внешнего воздействия определенные порции энергии, переходить в неустойчивое возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атом пребывает недолго (миллиардные доли секунды): он возвращается в свое нормальное состояние, излучая при этом квант энергии. Возбужденное состояние определяется переходом электрона на орбиту с более высоким уровнем энергии, связанным с удалением от ядра, а следовательно, и с ослаблением связи с ним. Если же электрон под влиянием внешнего воздействия удаляется от ядра настолько, что он вовсе теряет с ним связь, атом фактически распадается на положительно заряженный ион и отрицательный электрон.

Процесс образования противоположно заряженных частиц путем разрушения нейтральных атомов и молекул называют ионизацией.

Таблица 1 - Значения первых потенциалов ионизации различных элементов

Значения потенциала ионизации элементов зависят от строения атома, то есть от его места в периодической системе элементов. Они представляют собой периодическую функцию атомного номера элемента Z и снижаются с уменьшением номера группы и увеличением номера периода

2. Механизированная сварка в углекислом газе низкоуглеродистых сталей. Сварочные материалы. Параметры режима сварки. Выбор рациональных режимов сварки.

При сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей для защиты расплавленного электродного металла и металла сварочной ванны используют углекислый газ. В качестве защитных находят применение и смеси углекислого газа с аргоном или кислородом до 30%. Аргон и гелий в качестве защитных газов применяют только при сварке конструкций ответственного назначения. Сварку в углекислом газе выполняют плавящимся электродом. В некоторых случаях для сварки используют неплавящийся угольный или графитовый электрод.

Этот способ применяют при сварке бортовых соединений из низкоуглеродистых сталей толщиной 0,3-2,0 мм (например, канистр, корпусов конденсаторов и т. д.). Так как сварку выполняют без присадки, содержание кремния и марганца в металле шва невелико. В результате прочность соединения составляет 50-70% прочности основного металла.

При автоматической и полуавтоматической сварке плавящимся электродом швов, расположенных в различных пространственных положениях, используют электродную проволоку диаметром до 1,2 мм, а при сварке швов, расположенных в нижнем положении - проволоку диаметром 1,2-3,0 мм.

Таблица 5. Проволока для сварки в углекислом газе низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Структура и свойства металла швов и околошовной зоны на низкоуглеродистых и низколегированных сталях зависят от использованной электродной проволоки, состава и свойств основного металла и режима сварки (термического цикла сварки, доли участия основного металла в формировании шва и формы шва). Влияние этих условий и технологические рекомендации примерно такие же, как и при ручной дуговой сварке и сварке под флюсом.

На свойства металла шва влияет качество углекислого газа. При повышенном содержании азота и водорода, а также влаги в газе в швах могут образовываться поры. При сварке в углекислом газе влияние ржавчины незначительно. Увеличение напряжения дуги, повышая, угар легирующих элементов, ухудшает механические свойства шва.

3. Характеристика способов стыковой сварки оплавлением.

Стыковая сварка - способ контактной сварки, когда детали соединяются по всей площади касания (по всему сечению). Детали 1 (рис.) закрепляют в токоподводящих зажимах 9, 10, один из которых, например зажим 10, подвижный и соединен с приводом усилия сжатия машины.

По степени нагрева металла торцов деталей различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением.

При стыковой сварке оплавлением вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают. При соприкосновении деталей в отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразно разрушается. Нагрев торцов деталей происходит за счёт непрерывного образования и разрушения жидких контактов - перемычек, т.е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивают скорость сближения и усилие осадки деталей; торцы смыкаются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными плёнками и частью твердого металла, находящегося в вязкотекучем состоянии, выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение - грат 11 (рис. показан штриховой линией). Сварочный ток выключается автоматически во время осадки деталей. Для более равномерного нагрева деталей по сечению и получения однородных свойств соединений в ряде случаев до начала оплавления торец подогревают током способом сварки сопротивлением.

Стыковую сварку, как сопротивлением, так и оплавлением, относят по состоянию металла в зоне сварки к сварке в твердом состоянии, хотя в отдельных случаях, особенно при стыковой сварке оплавлением деталей больших сечений, стыковое соединение формируется в твердо-жидкой фазе. Для соединения деталей больших сечений с целью снижения электрической и механической мощности оборудования используют так называемую сварку оплавлением с подогревом, при которой концы деталей вначале нагревают аналогично сварке сопротивлением. Детали при подогреве периодически сжимают небольшим усилием, нагревают током, затем размыкают. После подогрева до определенной температуры торцы оплавляются и детали осаживаются.

Нагрев деталей при контактной сварке проводят импульсами переменного тока промышленной частоты 50 Гц, повышенной (1000 Гц) и пониженной частоты (3-5 Гц), а также импульсами постоянного или униполярного тока. Величина, число и форма импульсов сварочного тока существенно влияют на характер нагрева.

4. Инвенторные источники тока. Электрическая схема.

Основой источников питания сварочной дуги этого типа является инвертор. В общем случае инвертор представляет собой устройство, служащее для превращения постоянного тока в пере­менный. Применяемые в современных сварочных источниках питания транзисторные инверторы, созданные на базе последних достижений в области энергетической электроники, позволяют не только получать переменный ток очень высокой частоты (20 - 70 кГц), что, как следствие, влечет за собой возможность значительного снижения массы источника, но и активно участвовать в контроле и быстродействующем регулировании силы сварочного тока в зависимости от условий протекания процесса сварки. Инверторные источники питания обеспечивают:

- легкое возбуждение дуги за счет временного повышения силы сварочного тока в момент ее зажигания (в некоторых источниках активизирована также функция, предупреждающая залипание электрода путем мгновенного резкого снижения тока короткого замыкания);

- устойчивость горения и стабильность параметров дуги, в том числе при колебании напряжения питающей сети;

- плавное регулирование силы сварочного тока с возможностью дистанционного управления. Все это способствует значительному улучшению хода сварочного процесса, повышению качества сварных швов и снижению расхода электроэнергии.

Структурная схема источников питания инверторного типа показана на рис. 54. Переменный ток промышленной частоты (50 Гц) поступает на низкочастотный выпрямитель и после выпрямления превращается в переменный ток высокой частоты (до 70 кГц). Затем с помощью понижающего силового трансформатора входное напряжение уменьшается до значения, требуемого для нормального и безопасного ведения сварки. Высокочастотный выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Формирование необходимой для ручной дуговой сварки внешней характеристики, контроль и регулирование параметров сварочного процесса осуществляют с помощью блоков обратной связи и управления. В источниках питания, предназначенных для сварки не только постоянным, но и переменным током, добавляется вторичный инвертор для превращения постоянного тока снова в переменный.

Сварочные инверторы являются наиболее современными источниками сварочного тока. В отличие от трансформаторов и выпрямителей, у инверторов отсутствует силовой трансформатор. Работа сварочного инвертора построена на принципе фазового сдвига (инверсии) напряжения, осуществляемого электронной микропроцессорной схемой с покаскадным усилением тока (обычно микропроцессором типа IGBT). За счёт применения такого принципа удаётся получить широкий спектр вольт-амперных характеристик - от крутопадающей до возрастающей - с очень гладкой кривой тока, отклонения которого снижены до уровня десятых долей процента, что позволяет добиваться высокого качества сварки. Включение в схему высокочастотного генератора расширяет сферу применения инверторных источников питания и позволяет использовать их практически для любого метода дуговой сварки и для плазменной резки. За счёт небольшой массы, инверторы малой мощности очень перспективны для использования при монтаже ответственных металлоконструкций и трубопроводов, к которым предъявляются повышенные требования, а условия работы не позволяют применять громоздкое промышленное оборудование, предназначенное для работы в цеховых условиях. Мощные инверторы промышленного типа позволяют создавать сварочные комплексы для любого вида дуговой сварки, построенные по модульному принципу - на основе одного источника тока. Все инверторы имеют плавную регулировку сварочного тока, а цифровая схема микропроцессора и введение ячеек памяти позволяет организовать запоминание нескольких наиболее часто применяемых режимов сварки.

Экзаменационный билет 6.