ТСП 11. I источники энергии для сварки глава физические основы и классификация сварочных процессов

• Название: I источники энергии для сварки глава физические основы и классификация сварочных процессов
• Анкор: ТСП 11.doc
• Дата: 16.12.2017
• Размер: 4.1 Mb.
• Имя файла: ТСП 11.doc
• Тип: Документы; #11651
• страница: 9 из 12

Поперечное внешнее магнитное поле. При воздействии по­перечного внешнего магнитного поля целесообразно рассматри­вать дугу как проводник с током. При наложении поперечного внешнего маг­нитного поля на собственное магнит­ное поле дуги в сварочном контуре может произойти отклонение дуги в ту или другую сторону (рис. 2.40). В той части сварочного контура, где силовые линии B¯_соб и B¯_поп совпадают, создает­ся избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля. Воздействуя поперечным внешним магнитным полем на дугу и сварочную ванну расплав­ленного металла при сварке под флюсом, можно, например, изме­нить формирование сварного шва (рис. 2.41).


На металл сварочной ванны действуют объемные силы F, пропорциональные согласно уравнению (2.88) векторному произведению плотности тока j и индукции магнитного поля В. Под действием этих сил металл стремится «подтечь» под дугу (рис. 2.41, б), чему также способст­вует отклонение дуги, и глубина проплавления уменьшается. Из­менив направление внешнего магнитного поле на противополож­ное, можно увеличить глубину проплавления.

Если использовать переменное поперечное внешнее магнитное поле, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой изменения напряженности внеш­него поля. Этот технологический прием получил название «ме­телка» и применяется, например, при сварке труб в трубную доску.
2.7.4. Вращающаяся дуга
Эффект перемещения дуги в поперечном внешнем магнитном поле используется для ее вращения с образованием конической или цилиндрической поверхностей.

Вращающаяся «конусная» дуга применяется для сварки коль­цевых швов малого диаметра, например соединения трубы с труб­ной доской (рис. 2.42), по оси которой располагается неплавящийся электрод. С помощью соленоида создается магнитное поле, па­раллельное оси электрода. При горении дуги «электрод - кромка» столб ее оказывается направленным поперек поля Н¯, что и вызывает вращение дуги. Частота вращения п прямо пропорциональна напряженно­сти поля Н и току дуги I и достигает обычно несколько тысяч оборотов в минуту. Сварка изделия происходит за несколько секунд, что соответствует 100-1000 оборотам дуги. Использова­ние вращающейся дуги весьма упроща­ет сварочную аппаратуру.

Применяют также не стержневой, а фигурный неплавящийся электрод, форма которого соответствует конфи­гурации свариваемой кромки. Сдвиг электрода относительно кромок изделия должен обеспечить взаимодействие столба дуги с поперечным внешним магнитным полем. Фигурным медным электродом удается свари­вать детали произвольной формы, что весьма перспективно при массовом производстве таких изделий, как конденсаторы, герме­тизированные изделия автоматики и т. д.

Способ сварки кольцевых швов труб вращающейся «бегущей» дугой заключается в том, что на концы труб надеваются два соле­ноида - катушки, включенные встречно (рис. 2.43). Благодаря этому в зазоре между трубами создается радиальное магнитное поле В (В = μ_aH). Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет дей­ствовать тангенциальная сила. Движение дуги вначале ограничива­ется той скоростью, с которой может перемещаться по поверхности холодной трубы катодное пятно. По мере разогрева торцов скорость движения дуги v_CB возрастает, достигая весьма больших значений. После выключения дуги осуществля­ется осадка труб.

Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну рас­плавленного металла можно исполь­зовать не только для регулирования глубины проплавления, но и для управления положением сварочной ванны в зазоре стыка (см. рис. 2.41). Для этого необходимо создать в ме­талле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Попереч­ное внешнее магнитное поле можно использовать также для управления формированием шва в разных пространственных положениях. При многодуговой сварке в одну сварочную ванну и при трехфазной сварке магнитогидродинамические эффекты даже в отсутствие внешнего магнитного поля по­зволяют существенно расширить технологические возможности процесса. Магнитное воздействие на сварочную ванну эффективно также при электрошлаковом и других методах сварки.
2.8. Перенос металла в сварочной дуге
2.8.1. Виды переноса металла
В зависимости от условий сварки - сварочного тока I и его плотности j, формы кривой тока и т. д. - можно выделить пять ос­новных видов переноса электродного металла в дуге с плавящимся электродом (табл. 2.4).



Характер переноса металла оказывает значительное влияние на устойчивость сварочного процесса, разбрызгивание металла, фор­мирование шва и интенсивность металлургических процессов в дуге и сварочной ванне. В большинстве случаев, особенно при ме­ханизированной сварке, предпочтение отдают струйному перено­су, обеспечивающему лучшее качество шва. Перенос металла на­блюдают обычно при помощи скоростной киносъемки или съемки в рентгеновских лучах и синхронной индикации на экране осцил­лографа.

Изменение размеров капель и вида переноса металла зависит от соотношения сил, действующих на жидкую каплю на торце электрода. Основные из них: силы тяжести; силы поверхностного натяжения; электромагнитные силы в жидком проводнике; силы реактивного давления паров; электростатические силы; силы дав­ления плазменных струй и др.

Силы тяжести способствуют переносу металла при сварке в нижнем положении и препятствуют при сварке в потолочном по­ложении. Они оказывают наибольшее влияние на перенос элек­тродного металла при сварке на малых токах, когда электродина­мические силы еще сравнительно невелики.

Силы поверхностного (межфазного) натяжения придают кап­лям жидкости сфероидальную форму, удерживают капли на «по­толке», втягивают капли металла в жидкую сварочную ванну. Си­лы поверхностного натяжения создают внутри капли жидкости радиусом R избыточное давление

(2.97)

Здесь α - коэффициент поверхностного натяжения, который равен отношению силы ΔF, действующей на границу поверхностной пленки жидкости, к длине этой границы Δ l, т. е.

(2.98)

Значения коэффициента поверхностного натяжения α для различ­ных материалов приведены ниже:

Материал Mg Zn Al Cu Fe Ti Mo W Сталь 18-8 Сварочный

шлак
α, Н/м 0,65 0,77 0,9 1,15 1,22 1,51 2,25 2,68 l ,10*/2,50** 0,3-0,4

^*С содержанием азота 0,02 %. ^**С содержанием азота 0,23 %.

Чем меньше α, тем мельче капли жидкости и вероятнее переход к мелкокапельному и струйному переносу металла.

Соприкосновение жидкого металла с газами и шлаками может изменить его поверхностное натяжение. Например, кислород сни­жает поверхностное натяжение стали, поэтому при сварке в инерт­ных газах в смесь добавляют до 5 % кислорода. По данным И.К. Походни и A.M. Суптеля, при сварке на токе обратной поляр­ности анодное пятно стабильно на торце жидкой капли и с увели­чением тока его плотность остается постоянной, а размер пятна растет. Поэтому перегрев капли и ее кипение наступают при меньших токах, чем при сварке на постоянном токе прямой поляр­ности, когда катодное пятно беспорядочно перемещается. С увеличением плотности тока, например при j> 20 А/мм² , может наблюдаться так называемый электрокапиллярный эффект, со­провождающийся понижением а и способствующий струйному переносу металла.

Электромагнитные силы пинч-эффекта сильно влияют на пе­ренос металла, особенно при больших токах, когда они способ­ствуют появлению плазменных струй от мест сужения столба дуги. Поэтому, например в слаботочных дугах, где эти силы малы, преоб­ладает крупнокапельный перенос металла, а в сильноточных -струйный. Появлению струйного переноса металла способствует также перегрев капель, который достаточно велик при сварке (осо­бенно при сварке на постоянном токе обратной полярности).

Струйный перенос металла особенно характерен для газоэлек­трической сварки. Он сопровождается образованием конуса жид­кого металла на конце электрода. При этом средний размер капель монотонно уменьшается с увеличением тока примерно по гипер­болической кривой. При некотором значении силы тока, называе­мом критическим, которое при сварке на обратной полярности ниже, чем при сварке на прямой полярности, капельный перенос металла переходит практически в струйный (рис. 2.44).



Охват ду­гой конца электрода (анода) способствует струйному переносу ме­талла.

Реактивные силы давления паров обычно противодействуют начальному обрыву капли. Если реактивные силы имеют взрывной характер, то они могут сильно затруднить переход к струйному переносу. При сварке на постоянном токе обратной полярности давление паров меньше, чем при сварке на постоянном токе пря­мой полярности (так как U_a < U_k), и струйный перенос металла возникает при меньших токах. В.И. Дятлов определил реактивную силу истечения паров, действующую на каплю металла при сварке в среде СО₂ проволокой Св08. Оказалось, что так же, как и сила давления паров на сварочную ванну, она прямо пропорциональна квадрату сварочного тока

(2.99)

где коэффициент пропорциональности k ≈ (1...5)10^-7 Н/А² и

k < 3 • 10^-8 Н/А² - для сварки на постоянном токе соответственно прямой и обратной полярности.

Электростатические силы возникают вследствие большого градиента потенциала (напряженности электрического поля Е) в переходных областях дуги, особенно у катода, где Е_к может достигать 10⁴ ...10⁶ В/мм. В столбе дуги E_CT << Е_к, поэтому в нем соз­дается разность давлений и течение газа от катода (или анода) в столб дуги становится подобным «электрическому ветру» с за­ряженного острия. Разность давлений может быть оценена по формуле, аналогичной формуле (2.95) для магнитного давления:

(2.100)
где ε₀ ≈ 8,85 •10^-12 А • с/(В • м) - электрическая постоянная.

Давление Ар достигает значений 10... 100 Па. Например, элек­трическое поле высокой напряженности может деформировать металл сварочной ванны, вытягивая его в виде конуса от катода к аноду при сварке на токе обратной полярности.

При сварке в среде молекулярных газов (азота, углекислого газа) практически получить струйный перенос металла очень трудно. Это можно объяснить «стягиванием» пятна на поверх­ности капли (рис. 2.44, а) и увеличением степени сжатия свароч­ной дуги вследствие охлаждения ее при образовании «стержня» Диссоциации, который в этих газах появляется при сравнительно низких температурах.

Силы давления плазменных струй также могут сильно влиять на перенос металла в дуге. В некоторых случаях, например в Ме-дугах, мощная катодная струя к изделию вызывает отраженную анодную струю, которая, как отмечалось выше, может охватывать катодную струю. Такая анодная струя затрудняет перенос металла, вызывая сдвиг капли металла в сторону или даже подъем ее над уровнем торца катода. Это особенно заметно, если катодная струя не охватывает электрод (как на рис. 2.44, а), а стягивается в катод­ном пятне на его конце, как, например, при сварке в СО₂.
2.8.2. Импульсное управление переносом металла в дуге
Чтобы сделать перенос металла мелкокапельным или струй­ным, обычно требуются большие токи, особенно при сварке на токе прямой полярности. Электромагнитные силы пропорцио­нальны квадрату тока, поэтому, подавая периодически кратковре­менные импульсы увеличенного тока I_п » I _б(рис. 2.45), можно обеспечить мелкокапельный перенос металла порциями с частотой воздействия импульсов.



При этом в несколько раз уменьшается нижний допустимый предел I_б сварочного тока. Основными пара­метрами импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом по­мимо ранее упомянутых параметров сварки являются: амплитуда импульса I_п; длительности импульса (t_и), паузы (t_п) и цикла (t_ц = t_и +t_п); частота импульсов f = 1/ t_ц; ток в промежутках между импульсами - базовый ток I _б.

В свою очередь, импульсные параметры могут быть подобра­ны для каждой скорости подачи проволоки так, что с каждым им­пульсом будет переноситься только одна капля присадочного ме­талла. В результате можно получить хорошо управляемую дугу без брызг во всех диапазонах тока, обеспечивающую процесс формирования высококачественных швов в разных пространст­венных положениях. Такое управление сварочным процессом на­зывается синергетическим.

Синергетическая импульсная сварка плавящимся электродом достаточно полно реализуется при использовании инверторных источников питания, обеспечивающих управление длительностя­ми импульса и паузы в интервале от 1 мс до 5 с при частоте пуль­саций до 300 Гц и выше. Импульсное управление переносом ме­талла позволяет влиять также и на металлургию процесса, регули­руя выгорание (окисление) отдельных элементов.


2.9. Сварочные дуги переменного тока
2.9.1. Особенности дуги переменного тока
По сравнению с дугой постоянного тока дуга переменного тока имеет следующие главные особенности.

В конце каждого полупериода (т. е. через 0,01 с при частоте колебаний переменного тока f= 50 Гц) электрический ток в дуге меняет свое направление, а напряжение - полярность. Катод и анод «меняются местами», и дуга возбуждается вновь. Кривые то­ка и напряжения для дуги переменного тока не являются сину­соидальными.

Повторное возбуждение дуги облегчается остаточной термо­электронной эмиссией электродов или остаточной ионизацией ду­гового промежутка. В каждом полупериоде существует пик зажи­гания U₃ > U_д. Дуга повторно возбуждается, если соблюдается со­отношение U_msinψ ≥ U₃. Угол у сдвига фаз между напряжением U и током I источника питания зависит от сопротивления дуги, а также от индуктивного и активного сопротивлений цепи дуги.

Фазу у, при которой возбуждается дуга, можно найти из соот­ношения




Поскольку амплитуда напряжения источников питания U_m ог­раничена (по соображениям безопасности), уменьшать ψ можно только путем снижения пика зажигания U₃.

Дуга переменного тока может гореть не весь полупериод, а только часть его. Время перерыва в горении дуги обычно тем больше, чем меньше время существования остаточной термо­эмиссии электронов, чем быстрее происходит распад плазмы стол­ба дуги, чем длиннее дуга и чем хуже динамические свойства ис­точника питания.
2.9.2. Вентильный эффект
В связи с изменяющимися условиями существования дуги пе­ременного тока на электродах (различие в работе выхода электро­нов φ₁ и φ₂, разные температуры T_пл и T_кип, разные формы элек­тродов и разный теплоотвод от них) возможна асимметрия токов и напряжений в разные полупериоды горения дуги - так называе­мый вентильный эффект (рис. 2.46). Например, при аргонодуговой сварке алюминия вольфрамовым электродом относительная асим­метрия токов ΔI = I_w – I_A1 может достигать 50 % и более.




В этом случае стационарная термоэлектронная эмиссия с W-катода и его остаточная эмиссия значительно больше, чем с «холод­ного» А1-катода по следующим основным причинам:

1. 
   температура плавления вольфрама (T^w_пл ≈ 4000 К) значи­тельно превышает температуру плавления алюминия (Т^Al _пл ≈ 950 К);
   

1. 
   катодное падение потенциала алюминия U^Al _k значительно
   

больше, чем катодное падение потенциала вольфрама U^w _k ;

3) теплоотвод в массивное алюминиевое изделие больше, чем в
W-стержень.

Вентильный эффект обычно ухудшает стабильность сварочно­го процесса, формирование шва, чистоту поверхности, прочност­ные свойства соединения. Кроме того, постоянная составляющая ΔI вредно сказывается на работе сварочных преобразователей энергии (трансформаторов) и уменьшает катодное распыление на алюминиевом изделии. Для уменьшения постоянной составляю­щей включают конденсаторы, аккумуляторы или другие устройст­ва, компенсирующие вентильный эффект.
2.10. Сварочные дуги с плавящимся электродом
Распределение энергии в сварочных дугах, их энергетическая структура определяются рядом факторов, главнейшие из которых следующие:

1. 
   состав плазмы, размеры и условия стабилизации столба дуги;
   
2. 
   материал, размеры и форма электродов (особенно катода).
   

Кроме того, большое влияние на распределение энергии в сва­рочных дугах оказывает режим сварки: плотность тока, сила тока, полярность, наличие импульсов, их амплитуда и частота, динами­ческие характеристики источника питания и т. п. Все эти факторы взаимосвязаны.

Основными технологическими применениями Ме-дуг явля­ются сварка и резка плавящимся электродом. Ме-дуги используют при сварке электродами без покрытия и с покрытием, при сварке порошковыми электродами и проволоками, при сварке под флю­сом и в защитных газах (СО₂, Аг, Не), а также при сварке в вакуу­ме. Защитные среды для металлических дуг в большинстве слу­чаев обеспечивают широкие возможности регулирования метал­лургических процессов при сварке.
2.10.1. Ручная дуговая сварка электродами с покрытиями
Ручная сварка Ме-дугой ведется обычно электродами диамет­ром 2...6 мм на постоянном и переменном токах 100...300 А при плотностях тока по сечению электрода j < 20 А/мм в любом про­странственном положении. Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытиями), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему, состоя­щую из расплавленного металла и шлаковых пленок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыка­ниями. КПД дуги составляет около 75 %. Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги со­ставляет примерно от 7 до 30 % общей мощности дуги (табл. 2.5).


Остальная мощность выделяется в приэлектродных областях. Значение U_k + U_a определяли из опытов экстраполированием пря­мой по уравнению Айртона U _д = а + bl_д (рис. 2.47).

Важным фактором при ручной сварке является устойчивость дуги. На нее оказывают влияние внутренние условия в самой дуге

(состав и свойства плазмы) и внешние условия - статические и динамические свойства источника питания и характе­ристики электрической цепи, опреде­ляющие в большой мере переходные процессы в дуге. Наиболее известна оценка устойчивости дуги по ее раз­рывной длине l_разр. Чем больше раз­рывная длина дуги, тем выше ее устойчивость (см. табл. 2.5).

Многие авторы указывают, что введение в дугу элементов с низким потенциалом ионизации U_i(в первую очередь щелочных металлов) повышает ее устойчи­вость. Введение таких элементов облегчает возбуждение дуги, го­рение ее на переменном токе, а также стабилизирует положе­ние катодного пятна и изменяет характер дуги на постоянном то­ке. При достаточной концентра­ции этих элементов можно полу­чать диффузионную привязку дуги на катоде, что существенно влияет на характер плавления и переноса электродного материала.

Считается, что пары легкоионизируемых элементов попадают в столб дуги и повышают степень ионизации в нем. Объяснение действия элементов-ионизаторов можно связать с их воздействием на работу выхода электронов с катода, поскольку значение φ тесно связано с потенциалом ионизации. Пары элементов-ионизаторов попадают в катодную область, понижают работу выхода электро­нов с катода, что снижает катодное падение потенциала, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в це­лом. Анодное падение мало изменяется и, как уже отмечалось, со­ставляет в Ме-дугах 2,5 ±0,5 В. При уменьшении U_k + U_a увели­чивается градиент напряжения в дуге (рис. 2.48). Это, например, облегчает сварку на автоматах с регуляторами напряжения дуги. Введение элементов-ионизаторов приводит к уменьшению мощ­ности, выделяемой в приэлектродных областях, и к увеличению Доли энергии, затрачиваемой в столбе дуги. Производительность расплавления при этом обычно снижается.
2.10.2. Сварка под флюсом
Дуга под флюсом отличается от свободной (открытой) свароч­ной дуги в первую очередь тем, что газовый разряд происходит в пространстве, которое изолированно от окружающей среды рас­плавленным шлаком. Наличие газового пузыря обусловливает по­вышение давления в нем. Например, оно составляет около 3 кПа при токе ≈ 500 А.



Флюсовая защита позволяет значительно повысить по срав­нению со сваркой открытой дугой сварочные токи I_св (до 1000 А и более), а также мощность дуги и плотность тока j_св на электро­дах (до 200 А/мм и выше).

Высокая плотность тока, избыточное давление, некоторое шунтирование дуги флюсом и присутствие во флюсе ионизиру­ющих компонентов обеспечивают высокую устойчивость свароч­ного процесса. Практически отсутствует разбрызгивание металла, шов хорошо формируется.

Высокая плотность тока обусловливает возрастание вольтамперной характеристики дуги, что позволяет применять источники питания с жесткой или пологопадающей внешней характеристикой (рис. 2.49). Широко применяется по­дача электрода в дугу с постоянной скоростью, обеспечивающая саморе­гулирование процесса.

В отличие от ручной дуговой сварки (рис. 2.50) перенос металла в дуге под флюсом обычно мелкока­пельный - без коротких замыканий и пиков тока I_д и напряжения U_д. Размер капель тем мельче, чем больше плотность тока. Существен­ную роль играет перенос электрод­ного металла паром. Капли обычно пористые, их плотность равна 2.. .5 г/см³ вместо 7,8 г/см³ для стали.


Число мелких капель составляет 60...70 % общего числа капель. Температура дуги достигает 5000...7000 К. При сварке на пере­менном токе она колеблется в зависимости от изменения фазы ψ (рис. 2.51). Высокая устойчивость сварочного процесса позволяет в подавляющем большинстве случаев применять переменный ток, что связано с большей простотой и экономичностью сварочного оборудования. Различный теплоотвод с электрода и изделия обу­словливает некоторую асимметрию тока в дуге под флюсом. Од­нако вентильный эффект сравнительно мал и, как правило, специ­альных устройств для его устранения не требуется. Сварка под флюсом отличается высоким КПД (рис. 2.52), ее легко автомати­зировать, и поэтому она широко применяется в промышленности.
2.10.3. Металлические дуги в защитных газах и вакууме
Ме-дуга в защитных газах используется в основном для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей (в СО₂, в смесях СО₂ + Аr, СО₂ + О₂), а также алюминиевых сплавов и коррозион­но-стойких сталей (в Аr и в смеси Аr + Не) главным образом на постоянном токе обратной полярности при жесткой или полого-падающей внешней характеристике источников питания. Наи­большее применение ввиду своей экономичности получила меха­низированная сварка тонкой проволокой в среде углекислого газа. Оснащение установок для механизированной сварки импульсными приставками, используемыми для управляемого переноса металла, существенно расширяет область их применения.




Ме-дуга в вакууме (вакуумная дуга) горит обычно в парах ме­талла электрода и применяется главным образом для сварки на постоянном токе обратной полярности. Давление среды - от 1 Па и ниже. Безусловно, дуга в вакууме отличается по своим свойст­вам от дуги при атмосферном давлении. Плазму столба дуги уже нельзя рассматривать как термически равновесную, так как элек­тронная температура больше температуры газа Т_е > T_д. Термиче­ская ионизация в столбе дуги снижается, и ее роль в определенной степени компенсируется неупругими столкновениями.

В вакуумной дуге увеличивается катодное падение потенциала до 18...20 В и уменьшается градиент напряжения в столбе дуги по сравнению с атмосферными дугами с 2...4 до 0,2...0,4 В/мм, т. е. примерно в 10 раз (в воздухе Е = 1,5...2,0 В/мм; в среде СО2 Е = 3...4 В/мм). Столб вакуумных дуг обычно длиннее, что позво­ляет применять более узкую разделку кромок стыка. Анодное па­дение потенциала меняется мало.

Баланс энергии в вакуумной дуге (рис. 2.53) показывает, что часть энергии на анод переносится непосредственно с катода. Вследствие интенсивного выделения теплоты на аноде коэффици­ент наплавки растет до 35.. .40 г/(А • ч). Это почти в 2 раза больше, чем при сварке под флюсом. Стоимость сварки в вакууме оказыва­ется в ряде случаев ниже, чем в контролируемой атмосфере инерт­ного газа, а качество шва - достаточно высоким.



2.11. 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.
2.11.1. 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.

Как уже отмечалось, 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 весьма 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 (рис. 2.54). Температура катода в дуге с катодным пятном ниже температуры поверхности электрода нормальной W-дуги, где катодное пятно занимает всю сфериче­скую поверхность электродного стержня.





2.11.2. W-дуга в гелии
По теплофизическим свойствам гелий существенно отличается от аргона. Он имеет более высокий потенциал ионизации (24,6 вместо 15,7 эВ у аргона) и в 10-15 раз большую теплопроводность при температурах плазмы. Кроме того, он легче аргона примерно в 10 раз. Достаточно высокая для существования дуги ионизация аргона при (n_i =10¹⁷ см^-3 ) происходит примерно при температуре 16 000 К, в то время как 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 (рис. 2.55, а). Пинч-эффект в гелиевой плазме практически не имеет места до весьма больших плотностей тока, так как значительная теплопроводность гелия дает низкий темпе­ратурный градиент по радиусу сечения столба дуги и весьма высо­кое внутреннее давление р = пкТ.

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 (рис. 2.55, б). Вольт-амперные характеристики W-дуги в гелии и других инертных газах (аргоне, неоне, криптоне, ксеноне) приведены на рис. 2.56. Скачок вольт-амперной характе­ристики для гелия при 150 А свя­зан, видимо, с переходом от дуги в парах титанового анода к дуге в ионизированном гелии.


2.11.3. Баланс энергии W-дуги
Уникальность W-дуг среди газовых разрядов обусловлена тем, что они могут гореть при напряжениях меньших, чем потенциал ионизации проводящего газа. Низкое напряжение ни в коем случае не обусловлено наличием в столбе металлических паров от элек­тродов. W-дуга может гореть при U_д ≈ 9...11 В, например в пото­ке аргона, имеющем потенциал ионизации 15,7 В и минимальный потенциал возбуждения 11,5 В. В столбе дуги спектроскопиче­скими исследованиями не обнаруживается каких-либо металличе­ских паров. Очевидно, в этом случае благодаря высокой темпера­туре происходит интенсивная термоионизация.

Выше было показано, что 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, так как температура гелиевой плазмы выше, чем плазмы аргона, и теплопередача на катод больше. С увеличением диаметра W-элект­родов допустимая плотность тока уменьшается обратно пропор­ционально.
2.11.4. 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 (2...4 л/ч). Со­гласно классификации дуговых режимов работы ДРПК, исполь­зуемый для сварочных процессов (рис 2.57), относится к так назы­ваемому нормальному режиму (I ≥ 10 А, подача аргона через по­лость катода G ≥ 0,05 мг/с, давле­ние в камере р_к ≤ 10 Па).

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 (рис. 2.58). 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 1,0 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, т. е. на аноде. С увеличением тока дуги доля выделяющейся на аноде мощности, как правило, увеличивается и примерно равна 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 %. Так, мощность потерь в по­лом катоде, выполненном из иттрированного вольфрама ЭВИ-2, длиной 35 мм с диаметром полости 3 мм и толщиной стенки 0,8... 1 мм на токах 250...350 А практически остается неизменной и равна примерно 700...780 Вт. В этом случае потери в полом ка­тоде составляют 7.. .8 % полной мощности дугового разряда.

Потери в столбе ДРПК в основном определяются давлением в камере и характером процессов в межэлектродном промежутке. При давлении в камере (2...9)•10^-2 Па, которое обычно применя­ют в технологических процессах, потери во внешнем столбе ДРПК не превышают 2...3 % полной мощности дугового разряда. Мощ­ность, выделяющаяся во внешнем столбе, передается в основном излучением в окружающую среду и на анод. Таким образом, отно­сительная суммарная мощность потерь в ДРПК сравнительно не­высока и на токах свыше 150 А, как правило, составляет 10... 15 %.

ДРПК в вакууме на токах свыше 200 А отличается весьма вы­сокой концентрацией энергии, что приближает его к электронно­лучевому источнику энергии для сварки.
2.12. Плазменные сварочные дуги
2.12.1. Виды и особенности плазменных дуг
Плазменной дугой принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. В зависимости от вида положи­тельного электрода (анода) плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом служит изделие (рис. 2.59, а). Сварку плазменной дугой прямого действия принято назы­вать плазменно-дуговой. Если анодом служит сопло, которое конст­руктивно может совпадать с каналом плазменной горелки, то ис­точник теплоты становится независимым от изделия со струей плазмы, выделенной из столба дуги в виде факела (рис. 2.59, б).


Такую дугу называют дугой косвенного действия или просто плазменной струей. В этом случае передача теплоты к изделию осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением плазмы. При плазменно-дуговом нагреве (сжатой дугой) к перечис­ленным механизмам теплопередачи добавляется передача энергии заряженными частицами, движущимися в электрическом поле.

Плазменная дуга благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком на длине l в отличие от обычной дуги характеризуется высокими температурами столба в диапазоне 15 000...25 000 К (рис. 2.60). Увеличение при нагреве объема газа в 50-100 раз в канале сопла приводит к ис­течению плазмы с высокими околозвуковыми скоростями. Это значительно расширяет ее технологические возмож­ности при резке, сварке и на­пылении материалов.

Для получения плазмен­ной дуги используют спе­циальные плазменные горел­ки или так называемые плаз­мотроны, в которых обычно имеется неплавящийся вольф­рамовый или медный катод, изолированный от канала и сопла горелки, а анодом может слу­жить сопло или изделие. В начале процесса для образования дос­таточного количества заряженных частиц дежурная слаботочная дуга возбуждается непосредственно между катодом и медным ох­лаждаемым соплом, например с помощью осциллятора. Плазмен­ная дуга образуется в канале горелки и стабилизируется стенками канала и холодным газом, отделяющим столб дуги от этих стенок. Сравнительно малый диаметр и достаточная длина канала обеспе­чивают необходимую для стабилизации столба плазменной дуги скорость газового потока. Стабилизирующий канал и является ос­новной отличительной особенностью плазмотрона по сравнению с обычной горелкой для сварки в защитных газах. В качестве плазмообразующего газа обычно применяют аргон, азот, гелий, водо­род, воздух и их смеси и др., а также воду (в плазмотронах с водя­ной стабилизацией), что обеспечивает температуру плазмы до 50000 К (дуга Гердиена).
2.12.2. Газовые среды
Газовая среда в горелке для плазменной обработки материалов должна обеспечивать:

-защиту от окисления и охлаждать вольфрамовый электрод и
сопло;

-получение стабилизированной плазменной струи с необходимыми температурой и скоростью;

• 
  наилучшую теплопередачу к изделию;
  
• 
  транспортировку материала при напылении.
  

Иногда газы разделяют на плазмообразующие и защитные (транспортирующие). При раз­дельной подаче плазмообразующий газ подается в зону катода, а защитные, или транспортирую­щие, газы - в зону столба дуги или факела плазмы.

Газ может поступать в горел­ку как вдоль оси катода, так и по касательной (вихревая стабили­зация). Для защиты катода и со­пла от разрушения и перегре­ва наилучшим газом считается аргон, так как он химически инертен и имеет малую тепло­проводность (рис. 2.61). Однако аргон малоэффективен для преоб­разования электрической энергии в тепловую.

Во-первых, напряженность поля столба дуги в аргоне меньше, чем в водороде, азоте: E _Аг ≈ 0,8 В/мм; E _Н2 ≈ 10,0 В/мм; E _N2 ≈ 2,0 В/мм (при I = 10 А). Следовательно, при одинаковом токе в аргоновой дуге выделяется на 1 мм ее длины меньше энергии IE, чем в дугах с другими защитными газами.

Во-вторых, энтальпия (объемное теплосодержание) аргоновой плазмы при температуре этой плазмы также значительно меньше (рис. 2.62), чем энтальпия плазмы азота или водорода (для Аг, N₂, Н₂ - соответственно 3, 16, 12 кВт/м³ при Т = 10 000 К). Однако температура плазмы существенно зависит от свойств плазмообразующего газа: для Аг и Не она составляет 15000...25000 К, что в 3-4 раза выше, чем для N₂ и H₂ (5000...7000 К). Подходящим газом для стабилизации дуги может быть азот (или воздух, содер­жащий до 78 % азота), так как его энтальпия при Т = 10000 К в 5 раз больше энтальпии аргона и, кроме того, азот значительно дешевле. Однако в воздухе и азоте вольфрамовый катод интен­сивно разрушается. В этом случае применяют катоды на основе циркония или гафния (термохимические катоды).

Гелий и водород (см. рис. 2.61) при Т = 10 000 К обладают большой теплопроводностью (которая всего в 2 раза меньше, чем у меди) и лучше других газов преобразуют энергию дуги в теплоту.





В случае применения их в чистом виде происходит быстрый нагрев и разрушение сопла, поэтому указанные газы применяют в смеси с аргоном. Например, добавки к аргону водорода в пропорции по объему 2:1 позволяют повысить тепловую мощность струи почти в 2 раза по сравнению со смесью аргон - азот в той же пропорции. Напряжение плазменной водородной дуги составляет 100... 120 В, что в 2-3 раза выше, чем у ду­ги в аргоне (рис. 2.63).

Имеется различие в про­цессах образования плазмы двух- и одноатомного газов. Ионизация двухатомного газа происходит после диссоциа­ции его молекул, например, водород диссоциирует на 90 % при 4700 К, а азот - при 9000 К (см. рис. 2.62). Их эн­тальпии при указанных тем­пературах примерно соответ­ствуют энтальпии аргона при 14 000 К и энтальпии гелия -при 20 000 К. Таким образом, крутой подъем кривой ΔH = f(T) в области диссоциации указы­вает на содержание большого количества теплоты в плазме при сравнительно низких температурах.

Следует отметить, что часто проводимое в литературе срав­нение удельного массового теплосодержания (энтальпии) плазмы разного состава не позволяет делать количественных выводов. Сравнение нужно проводить по мольному или объемному тепло­содержанию, так как расход плазмообразующих газов измеряется, как правило, в единицах объема. Следует также учитывать измене­ние молекулярной массы при диссоциации двухатомных газов и ионизации.

При охлаждении, когда газ вновь проходит через область тем­ператур диссоциации, большое количество теплоты может выде­литься на изделии и повысить эффективность процесса теплооб­мена. Следовательно, теплообмен газа зависит от его температуры и энтальпии; с увеличением температуры достигается некоторое состояние «насыщения», при котором скорость возрастания теп­лообмена значительно уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом температуры в энтальпии молекулярного газа наряду с энергией поступательного движения все большее значение приоб­ретает энергия колебательного и вращательного движения моле­кул, которая легко расходуется на излучение.

Конвективный теплообмен, наиболее существенный при плаз­менной обработке материалов, определяется в основном энергией поступательного движения молекул и атомов газа, поэтому высо­котемпературные формы энтальпии здесь менее эффективны. Из рис. 2.63 следует, что водородная плазма - наилучший преобразо­ватель энергии дуги в теплоту.
2.12.3. Применение плазменной дуги
Плазменную дугу применяют для резки, сварки, наплавки и напыления. Плазменная резка занимает ведущее место среди дру­гих способов плазменной обработки материалов по объему приме­нения в промышленности. В отличие от газокислородной резки при плазменной резке происходит в основном не выгорание (окис­ление) металла в кислороде, а его выплавление и «выдувание» струей плазмы.

Проникающей плазменной дугой можно резать без каких-либо дополнительных флюсов практически любые материалы, в том числе чугун и коррозионно-стойкую сталь, вольфрам и молибден, медь и алюминий. Плазменной струей можно резать неметаллы.

Большой интерес представляет применение так называемой микроплазмы, например для прецизионной резки и сварки высоко­температурной тонкой струей - «пучком» плазмы. При микро­плазменной сварке применяют токи 0,2... 15 А. Устойчивое и ста­бильное горение микроплазменной дуги на малых токах достига­ется благодаря высокой степени сжатия столба дуги каналом сопла малого диаметра (0,8... 1,2 мм). При резке плазма вытекает из соп­ла со сверхзвуковой скоростью (3...4 М). Это достигается малым объемом камеры и высоким давлением в ней (до 5 МПа), а также расширяющейся формой сопла. Микроплазма отличается весьма высокой концентрацией энергии и малым пятном нагрева, что приближает ее к лучевым источникам энергии для сварки.