Сварочные
дуги с неплавящимся электродом
В качестве неплавящихся электродов при дуговой сварке
применяют главным образом вольфрамовые электроды, значительно реже – угольные
(графитовые) и охлаждаемые медные электроды. Наибольшее распространение
получила дуговая сварка вольфрамовым электродом (W-электродом) в среде аргона,
гелия и их смеси.
Вольфрам, нагреваясь от дуги до температур, близких к
температуре плавления, становится весьма восприимчивым к воздействию активных
газов. Поэтому в целях экономии электродов и для обеспечения стабилизации
процесса обычно при сварке W-электродом используют инертные газы с содержанием
кислорода не более 0,001 % объемной доли.
Аргонодуговая сварка w-электродом
Аргонодуговая сварка W-электродом широко применяется
для сварки ответственных конструкций из коррозионно-стойких сталей, цветных
металлов, алюминиевых и других сплавов. Сварку обычно ведут на постоянном токе
прямой полярности (исключая сварку алюминия) от источника с крутопадающей
внешней характеристикой.
W-дуги могут быть с катодным пятном и без катодного
пятна (так называемые нормальные дуги). Несмотря на различие
механизмов катодного процесса (заключающееся в значительной доле
электростатической эмиссии в дугах с катодным пятном), статические
характеристики и тепловые балансы обеих дуг сходны. Нормальная дуга всегда
может быть получена на полукруглом торце катода из чистого вольфрама. При
нагреве электрода дуга с катодным пятном может сама перейти в термоэмиссионную
нормальную дугу.
Образованию пятна на катоде способствуют введение
добавки тория, иттрия или лантана к вольфраму (обычно до 1 – 2 %), лучший
теплоотвод (меньший вылет) электрода и более острая заточка его рабочего
конца. Поверхность торированного, иттрированного или лантанированного
вольфрама, имеющего по сравнению с чистым вольфрамом пониженную рабочую
температуру, практически не оплавляется в широком диапазоне токов (100 – 400
А). Коническая вершина электрода сохраняет свою форму, что обеспечивает сжатие
дуги у катода.
Дуга с катодным пятном имеет несколько повышенное (примерно
на 10 %) напряжение (катодное и общее) и большую (на 10 – 20%) температуру
столба. Температура катода в дуге с катодным пятном ниже температуры
поверхности электрода нормальной W-дуги, где катодное пятно занимает всю сферическую
поверхность электродного стержня.
W-дуга в гелии
По теплофизическим свойствам гелий имеет более высокий
потенциал ионизации (24,6 вместо 15,7 эВ) и в 10-15 раз большую
теплопроводность. Кроме того, он легче аргона примерно в 10 раз. Достаточно высокая
для существования дуги ионизация аргона происходит примерно при температуре 16
000 К, для гелия – при 25 000 К. Все эти особенности существенно влияют на
свойства W-дуги в гелии. Например, добавление к аргону гелия постепенно
превращает конусную дугу в сферическую.
Высокая средняя электрическая напряженность Е в
плазме гелия, достигающая 2 В/мм против 0,8 – 1,2 В/мм в плазме аргона,
обусловливает высокое напряжение на дуге.
Уникальность
W-дуг среди газовых разрядов обусловлена тем, что они могут гореть при
напряжениях меньших, чем потенциал ионизации проводящего газа.
При малых
мощностях значительная доля энергии (до 40 %) может выделяться на катоде и лишь
от 20 до 30 % - на аноде. Это связано с тем, что температура катода низка и на
эмиссию требуется большая затрата мощности источника. С увеличением тока доля
катодной теплоты уменьшается обычно до 25 % и даже до 8 – 12 %, а доля анодной
теплоты достигает от 80 до 85 % общей мощности дуги.
Расход
W-электрода при сварке на постоянном токе прямой полярности может значительно
увеличиться при слишком большом токе или при подключении его на обратную
полярность, а также при недостаточной защите электрода инертным газом или
возбуждении дуги касанием. Допускаемые плотности тока для W-электродов самые
высокие на постоянном токе прямой полярности (от 20 до 30 А/мм2),
примерно в 2 раза ниже на переменном токе и еще ниже (в 3-8 раз) – при сварке
на постоянном токе обратной полярности.
Для
электродов в гелии допустима меньшая плотность тока, т.к. температура гелиевой
плазмы выше, чем плазмы аргона, и теплопередача на катод больше. С увеличением
диаметра W-электродов допустимая плотность тока уменьшается обратно пропорционально.
Дуга с полым неплавящимся катодом в вакууме
Дуговой
разряд с полым катодом (ДРПК) в вакууме применяется для сварки ответственных изделий
из химически активных металлов и сплавов. Сварку ведут на постоянном токе
прямой полярности, от источника с крутопадающей внешней характеристикой.
Процесс сварки осуществляется стабильно в диапазоне давлений в камере от 1 до
10-2 Па при подаче (через полость катода) аргона 1 – 2 мг/с.
Характерной
особенностью нормального режима является значительное проникание плазмы разряда
в полость катода и немонотонное распределение температуры по длине катода с
максимумом, расположенным на некотором расстоянии r от
выходного торца катода. Участок вблизи максимума температуры нагрева полого
катода принято называть активной зоной (A3).
Наблюдения
за положением A3 показали, что в случае изменения какого-либо из параметров
режима ДРПК происходит увеличение статического давления р∞ перед
входом в полый катод (например, увеличение подачи плазмообразующего газа или
тока) и A3 смещается в сторону его выходного сечения. Вместе с тем статическое
давление р∞ в A3 практически не зависит от этих
параметров и изменяется в диапазоне р∞ = 900 –
1100 Па. При этом плазма как бы вытесняется из катодной полости, а напряжение
ДРПК несколько снижается. Положение A3 существенно зависит от тока ДРПК.
При I = 10 – 20 А центр A3 уходит в глубь катода на 1,5 – 2 см
и более, а в случае тока свыше 50 А он смещается ближе к выходному торцу на
расстояние 0,4 – 0,8 см от него.
С
увеличением длины дугового промежутка (расстояние от выходного торца катода до
анода) от 0,5 до 1 см центр A3 смещается ближе к выходному сечению катода.
Особенно это заметно при токах ДРПК свыше 50 А, когда столб дуги имеет
цилиндрическую форму. При дальнейшем увеличении длины дугового промежутка
смещение положения центра A3 практически не наблюдается.
Основная
доля полной мощности ДРПК (от 70 до 90 %) выделяется на положительном
электроде (аноде). С увеличением тока дуги доля выделяющейся на аноде мощности,
как правило, увеличивается примерно до 90 %. По сравнению со сварочными дугами
при атмосферном давлении ДРПК в вакууме является по доле выделяющейся на аноде
мощности одним из самых эффективных источников энергии.
Энергетический
баланс полого катода показал, что потери мощности в нем происходят за счет
излучения, эмиссии электронов, теплопроводности и испарения материала катода.
Наиболее существенны потери на излучение, составляющие 45 – 75 % полной
мощности, выделяющейся на катоде за счет бомбардировки ионами и выделения
джоулевой теплоты. Потери на теплопроводность не превышают 8 – 14 %; потери на
эмиссию электронов составляют 17 – 40 % мощности, выделяющейся на катоде.
Суммарная мощность потерь в полом катоде с увеличением тока как бы достигает
своего насыщения и составляет по отношению к полной мощности дугового разряда 7
– 13 %.
Потери
в столбе ДРПК в основном определяются давлением в камере и характером процессов
в межэлектродном промежутке. ДРПК в вакууме на токах свыше 200 А отличается
весьма высокой концентрацией энергии, что приближает его к электроннолучевому
источнику энергии для сварки.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.