Sudarea arcului se caracterizează prin eliberarea unei cantități mari de energie termică și printr-un efect puternic de lumină. Este o sursă concentrată de căldură și este utilizată pentru topirea materialelor principale și a materialelor de umplutură.
În funcție de mediul în care are loc descărcarea cu arc, acestea disting:
- un arc deschis care arde în aer, unde compoziția mediului gazos al zonei arcului este aerul cu un amestec de vapori de metal sudat, material de electrod și acoperire cu electrozi;
- arc închis, ars sub un flux, în care compoziția mediului gazos al zonei arcului este o pereche de metal de bază, sârmă și un flux prin cablu;
- arc, arderea într-un mediu de gaz de protecție - un arc închis (atmosfera unui gaz protector, perechi de metal topit de sârmă și un metal de bază fac parte din mediul gazos al zonei arcului).
Arcul de sudare este clasificat în funcție de tipul de curent utilizat (constant, alternativ, trifazat) și de durata de ardere (staționară, pulsată). Cu ajutorul curentului direct, un arc se distinge cu o polaritate dreaptă și inversă. Cu polaritate directă, polul negativ al circuitului de putere - catodul - este pe electrod, iar polul pozitiv - anodul - pe metalul de bază. Cu polaritate inversă plus pe electrod și o minus pe produs.
În funcție de tipul de electrod utilizat, arcul poate fi excitat între electrozii de topire (metalici) și non-consumabili (carbon, tungsten etc.). Prin principiul arcului există efecte directe, indirecte și combinate (figura 1).
Fig. 1. Arcul electric. a - acțiune directă, b - acțiune indirectă, c - acțiune combinată
Fig. 2. Diagrama de aprindere a descărcării cu arc. a - o atingere directă, b - o mișcare
Fig. 3. Diagrama distribuției căderilor de tensiune în arcul electric. 1 - produs, coloană 2 - arc, 3 - electrod
Arc numit descărcare în arc directă care apar între electrod și piesa de prelucrat. arc indirect este o descărcare în arc între doi electrozi (sudarea hidrogenului atomic). Combinat Arc - o combinație a arcului de acțiune directă și indirectă. Un exemplu de combinat arc cu trei faze este arc, care arc electric conecta doi electrozi cu piesa de prelucrat, și un al treilea ardere între doi electrozi izolate unul față de celălalt.
Arcul este excitat în două moduri: prin atingere sau printr-o mișcare, a cărei esență este prezentată în Fig. 2.
În arcul de sudură, distanța arcului este împărțită în trei zone principale: coloana anodică, catodică și arc. În timpul arderii arcului, pe electrod și metalul de bază sunt prezente pete active, care sunt părțile încălzite ale electrodului și metalului de bază, prin care trece întregul curent de arc. Punctul activ pe catod se numește catod, iar pata de pe anod este anodică.
Lungimea totală a arcului de sudură (Figura 3) este egală cu suma lungimilor din toate cele trei regiuni:
unde Ld este lungimea totală a arcului de sudură, cm; Uk este lungimea regiunii catodice, aproximativ 10-5 cm; Uc este lungimea coloanei arcului, cm; Ua este lungimea regiunii anodice, aproximativ egală cu 10-3 ÷ 10-4 cm.
Tensiunea totală a arcului de sudură este alcătuită din suma căderilor de tensiune în anumite zone ale arcului:
unde Ug este căderea totală de tensiune pe arc, B; Uk - scădere de tensiune în regiunea catodică, V; Uc - căderea de tensiune în coloana arcului, V; Ua - căderea de tensiune în regiunea anodică, V.
Temperatura din coloana arcului de sudură variază de la 5000 la 12 000 K și depinde de compoziția mediului gazos al arcului, de materialul, de diametrul electrodului și de densitatea curentului. Temperatura poate fi determinată aproximativ prin formula propusă de K. K. Khrenov, Academician al Academiei de Științe a SSR ucrainean:
unde T este temperatura coloanei arcului K; Potențial de ionizare care acționează Udeystv.
Caracteristică statică a tensiunii de curent a arcului de sudură
Dependența tensiunii în arcul de sudură pe lungimea sa și mărimea curentului de sudare, numită caracteristica tensiunii de curent a arcului de sudură, poate fi descrisă de ecuația
unde a este suma căderilor de tensiune la catod și anod (a = Uk + Ua); b este căderea specifică de tensiune în coloana de gaze, menționată la lungimea arcului de 1 mm (valoarea b depinde de compoziția gazului din coloana arcului); Ld este lungimea arcului, mm.
La valori de curent mici și foarte mari, Ud depinde de valoarea curentului de sudură.
Statică caracteristică volt-amper a arcului prezentat în Fig. 4. În curent 1 a crescut până la 80 A duce la o scădere bruscă a tensiunii arcului, care se datorează faptului că arcele subțiri crește în curent determină o creștere aria secțiunii transversale a coloanei arcului și conductivitatea electrică.
Forma caracteristica statică a arcului de la incidentul site-ului. Arcul are o caracteristică curent-tensiune de cădere are o rezistență scăzută. In regiunea II (80-800 A) a tensiunii arcului este aproape neschimbat, ca urmare a creșterii în secțiunea transversală a coloanei de arc și spoturi active în mod proporțional cu intensitatea curentului de sudare, astfel încât densitatea curentului și căderea de tensiune în toate părțile arcului sunt menținute constante. În acest caz, arcul statică caracteristic dur. Acest arc este utilizat pe scară largă în tehnologia de sudare. Prin creșterea curentului de sudare 800 A (regiunea III) cu arc tensiunea crește din nou. Acest lucru se datorează creșterii densității curentului fără pată catodic de creștere deoarece suprafața electrodului este deja suficientă pentru a se adapta la fața locului catod, cu o densitate de curent normal. O caracteristica arc cu o crestere utilizat pe scară largă în sudare cu arc imersat și gaz protector.
Fig. 4. Volt-ampera statică caracteristică arcului de sudură
Fig. 5. Contactul capătului electrodului cu produsul în momentul scurtcircuitului
Procesele care apar în momentul excitării arcului de sudură
În cazul unui scurtcircuit, capătul electrodului intră în contact cu produsul. Deoarece fața frontală a electrodului are o suprafață neuniformă, contactul nu are loc pe întregul plan al feței de capăt a electrodului (Figura 5). În punctele de contact, densitatea curentului atinge valori foarte mari și sub acțiunea căldurii eliberate în aceste puncte, metalul se topește instantaneu.
La momentul atingerii electrozilor din produs, zona metalului topit - puntea de lichid se întinde, secțiunea transversală scade și crește temperatura metalului. Când electrodul este scos din produs, podul metalic lichid se sparge, se produce evaporarea rapidă ("explozia" metalului). În acest moment, spațiul de evacuare este umplut cu particule ionizate încălzite de vapori de metal, acoperire cu electrozi și aer - apare un arc de sudură. Procesul arcului durează doar o fracțiune de secundă. Ionizarea gazului în arc la intervalul de timp inițial are loc ca urmare a emisiei thermionic de la suprafața catodului din cauza perturbarea structurii ca urmare a supraîncălzirii și topirea bruscă și acoperirea cu electrod metalic.
Creșterea densității fasciculului de electroni, de asemenea, se produce datorită oxizilor formați și straturile de suprafață ale fluxului de topitură sau acoperiri de electrozi care reduc funcția de lucru de electroni. La momentul ruperii capacității podului de metal topit scade brusc, ceea ce favorizează formarea de emisie în câmp. Potențiala scădere poate crește densitatea curentului de emisie, electronii acumulează energia cinetică a coliziunii inelastice cu atomii de metal, și le traduce în starea ionizat, crescând astfel numărul de electroni și, prin urmare, conductivitatea a diferenței de arc. Ca urmare, creșterile curente și scăderea tensiunii. Acest lucru se întâmplă într-o anumită limită, și apoi începe o descărcare în arc starea de echilibru - formarea unui arc electric.
Regiunea catodică. Procesele care au loc în tensiunea catod toamna joacă un rol important în procesul de sudare. Regiunea catodului, o cădere de tensiune sursă de electroni primari, care susțin gazele decalaj arc în ionizate excitat și transferate în sine în virtutea mobilității ridicate a masei de încărcare de bază. Separarea electronilor de pe suprafața catodului este cauzată în primul rând de emisie termoionic și câmp. Energia utilizată pentru săpat electroni de la suprafața catodului și fuzionarea metalului, într-o anumită măsură, compensată de energie a coloanei de arc cu un flux de ioni pozitivi pe catod care favorizează suprafața de energie de ionizare. Procedeele care au loc în căderea de tensiune catodică poate fi reprezentată prin următoarea schemă.
1. Electronii, emise de pe suprafața catodului, primesc accelerațiile necesare pentru ionizarea moleculelor și a atomilor de gaz. În unele cazuri, căderea de tensiune a catodului este egală cu potențialul de ionizare al gazului. Valoarea căderii de tensiune a catodului depinde de potențialul de ionizare al gazului și este de 10-16 V.
2. Din cauza grosimii mici a zonei catodice (aproximativ 10-5 cm), electronii și ionii din acesta se mișcă fără coliziuni și sunt aproximativ egali cu calea liberă a electronului. Grosimea zonei catodice, găsită experimental, este mai mică de 10-4 cm.
3. Cu creșterea densității de curent, temperatura zonei catodice crește.
Pilonul arcului. În coloana arcului există trei tipuri de particule încărcate - electroni, ioni pozitivi și ioni negativi, care se deplasează la polul opus.
Coloana arcului poate fi considerată neutră, deoarece suma sarcinilor particulelor negative este egală cu suma sarcinilor particulelor pozitive. Coloana de arc este caracterizată prin formarea de particule încărcate și reunirea particulelor încărcate în atomi neutri (recombinare). Fluxul de electroni prin stratul de gaz al decalajului de evacuare determină în principal coliziuni elastice cu molecule și atomi de gaz, ca urmare a creării unei temperaturi extrem de ridicate. Ionizarea este, de asemenea, posibilă ca rezultat al coliziunilor inelastice.
Temperatura coloanei arcului depinde de compoziția gazelor, de magnitudinea curentului de sudare (cu creșterea curentului, creșterea temperaturii), cum ar fi acoperirea electrodului și polaritatea. Cu polaritatea inversă, temperatura coloanei arcului este mai mare.
Regiunea anodică. Regiunea anodică are o extensie lungă și un gradient de tensiune mai scăzut decât regiunea catodică. Căderea de tensiune în regiunea anodică este creată ca urmare a extragerii electronilor din coloana de descărcare a arcului și a accelerației atunci când acestea intră în anod. În regiunea anodică, există practic doar un curent de electroni, datorită numărului mic de ioni încărcați negativ având viteze mai mici decât electronul. Electronic prins pe suprafața anodului, nu numai că redă stocul metalic de energie cinetică, ci și energia funcției de lucru, însă anod primește energie din coloana de arc nu numai ca flux de electroni, ci sub formă de radiație termică. Din acest motiv, temperatura anodului este întotdeauna mai mare și se produce mai multă căldură.
Caracteristicile arcului de sudare, alimentat de un curent de supratensiune. La sudarea cu un curent de curent alternativ (o frecvență industrială de 50 de cicluri pe secundă), petele de catozi și anoduri schimbă locurile de 100 de ori pe secundă. Când se schimbă polaritatea, se formează așa-numitul "efect de poartă", constând în rectificarea parțială a curentului. Rectificarea curentului are loc ca urmare a schimbării continue a emisiei de electroni, deoarece atunci când se schimbă direcția curentului, condițiile de ieșire a curenților de emisie de la electrod și de la articol nu sunt identice.
Când materiale identice, aproape nici un curent este rectificată în sudare cu arc electric curent rectificare se numește o componentă de curent continuu, care, atunci când sudare argon arcuri de aluminiu afectează în mod negativ procesul. Stabilitatea sudării cu arc de sudură, alimentată de curent alternativ, este mai mică decât arcul alimentat de curentul direct. Acest lucru se explică prin faptul că în timpul tranziției curentului prin zero și schimbarea polarității la începutul și la sfârșitul fiecărui semicerc, arcul dispare. În momentul extincției arcului, temperatura gaurii arcului scade, provocând deionizarea gazelor de arc din coloană. În același timp, temperatura punctelor active scade. Temperatura scade în special pe locul activ care se află pe suprafața piscinei de sudură, datorită transferului de căldură către produs. În legătură cu inerția termică a procesului, scăderea temperaturii se situează într-o anumită măsură în spatele fazei, de la curentul care trece prin zero. Aprinderea arcului datorită ionizării reduse a spațiului arc la începutul fiecărei jumătăți de perioadă este posibilă numai la o tensiune mărită între electrod și produs, numită vârful de aprindere. Dacă pata catodică este pe metalul de bază, atunci magnitudinea vârfului de aprindere este puțin mai mare. Mărimea vârfului de aprindere este influențată de potențialul de ionizare eficient: cu cât este mai mare potențialul de ionizare eficient, cu atât este mai mare vârful de aprindere. În cazul arcului de sudură sunt ușor ionizat elemente de aprindere scăderi de vârf și invers, crește în prezența unui arc în atmosferă de ioni de fluor, care atunci când sunt combinate cu ionii pozitivi formează ușor molecule neutre.
Principalele avantaje ale arcului de curent alternativ includ: simplitatea relativă și costul scăzut al echipamentului, absența exploziilor magnetice și prezența pulverizării catodice a filmului de oxid în sudarea cu argon a aluminiului. Sputteringul catodic este procesul de bombardare a unei baze de sudare cu ioni pozitivi într-un moment în care articolul este un catod, distrugând astfel filmul de oxid.
Influența câmpului magnetic și a maselor feromagnetice asupra arcului de sudură
În arcul de sudură, coloana arcului poate fi considerată ca un conductor flexibil, prin care trece un curent electric și care, sub acțiunea unui câmp electromagnetic, își poate schimba forma. În cazul în care condițiile sunt create pentru interacțiunea câmpului electromagnetic din jurul arcului, cu câmpuri magnetice străine, cu propriul circuit de sudare de câmp și cu un material feromagnetic, în acest caz, există o deviere a descărcării arcului inițial propriei axe. În acest caz, procesul de sudare este uneori perturbat. Acest fenomen a fost numit explozie magnetică.
Să luăm în considerare mai multe exemple care arată efectul unui câmp magnetic extern pe un arc de sudură:
1. Dacă în jurul arcului creat un câmp magnetic simetric, arcul nu este respins, deoarece creează un câmp are un efect simetric pe coloana de arc (fig. 6a).
2. Un câmp magnetic nesimetric acționează asupra coloanei arcului de sudură, care este creat de curentul care curge în produs; Coloana arcului se va abate apoi în direcția opusă liniei curente (Figura 6, b).
Unghiul de înclinare al electrodului, care provoacă de asemenea abaterea arcului, are, de asemenea, o importanță considerabilă (figura 7). factor puternic care acționează pe o deviere a arcului sunt în masă feromagnetic: articol sudat masiv (masa feromagnetic) au o permeabilitate mai mare magnetice decât aerul, iar liniile de câmp magnetic sunt mereu eforturi pentru a trece asupra mediului înconjurător, care are o rezistență minimă, astfel încât descărcarea cu arc situat mai aproape de masa ferma magnetică, se abate întotdeauna de partea sa (figura 8). Influența câmpurilor magnetice și a maselor feromagnetice pot fi eliminate prin schimbarea locațiilor de aprovizionare curente, unghiul de înclinare a electrodului, prin plasarea temporară a unui material feromagnetic pentru a crea un câmp simetric și înlocuire variabilă DC.
