дуги. В них протекают процессы, резко отличающиеся от процессов в столбе дуги и трудно исследуемые не только теоретически, но и экспериментально.

Энергия, выделяющаяся в этих областях, расходуется на плавление металла изделия и плавящегося электрода или на плавление металла и нагрев вольфрамового электрода. В приэлектродных областях скапливаются заряженные ча-сгицы и возникают пространственные (объемные) заряды. В катодной области скапливаются положительные ионы, а в анодной - электроны. В связи с этим в приэлектродных областях создаются условия для резкого возрастания напряженности электрического поля Напряженность в приэлектродных областях порядка (l-f-2) 10 В/см.

Свободные электроны зарождаются также и в столбе дуги при происходящей гам термической ионизации газа. Причина.ми появления свободных электронов в катодной области являются термоэлектронная и автоэлектронная (электростатическая) эмиссии. Положительные ионы, пришедшие из плазмы столба, ударяясь о поверхность катода, нейтрализуются, отдавая катоду кинетическую энергию, приобретенную ими в электрическом поле столба дуги. Ввод этой энергии через активное пятно вызывает увеличение скорости теплового движения нейтральных и заряженных частиц вещества катода. Температура катода повышается, возрастает кинетическая энергия свободных электронов в металле катода. Энергия электрона становится больше энергии, требуемой для преодоления потенциального барьера, и электрон выходит из активного пятна иа катоде в катодную область. Такого рода эмиссия называется термоэлектронной.

При горении дуги в катодной области возникает положительный объемный заряд. Растет напряженность электрического поля у катода и создаются условия для автоэлектронной эмиссии. Электрическое поле высокой напряженности вырывает* свободные электроны из материала катода даже при невысокой температуре катода, которая недостаточна для протекания тер.моэлектронной эмиссии. Эмиссия электронов как термоэлектронного, так и автоэлектронного происхождения возникает в первую очередь с тех мест поверхности катода, где работа выхода электронов меньше. Эти места называют активными пятнами.

Активное пятно на катоде (катодное пятно) непрерывно перемещается (блуждает) по поверхности торца электродной проволоки и может возникнуть на ее боковой поверхности. Особенно беспокойно блуждает катодное пятно у плавящегося электрода (стальная проволока имеет Гплав = 1 39 С.

Перемещение катодного пятна вызывает пространственное изменение расположения столба дуги, так как катодное пятно является основанием дуги. Если неплавящийся электрод (вольфрамовая проволока) имеет Тплав ~

3377° С, то

при нормальном сварочном режиме проволока только нагревается, обеспечивая выход электронов в катодную область. У торца плавящегося электрода образуются капли жидкого металла. Считают, что при сварке с плавящимся электродом при прямой полярности решающее значение для возникновения и существования дугового разряда имеет автоэлектронная эмиссия. Если электрод плавится, кипит и испаряется, то возникают струи паров вещества катода (плазменные потоки), устремляющиеся в столб дуги и обогащающие его парами материала электрода.

Падение напряжения в катодной области зависит от потенциала ионизации газов и паров катодной области.

Падение напряжения в катодной области обычно преобладает в общем напряжении на дуге, а его величина зависит от конкретных физических условий для данной дуги. Мощность, выделяемая в катодной области, расходуется на нагрев и плавление электрода, т. е. непосредственно на процесс сварки. Частьеплоты, приобретенной катодом, уходит в его массу путем теплоотдачи В анодной области при горении дуги создается отрицательный объемный заряд.

Электроны, поступаюище из столба дуги в анодную область, нейтрализуются у поверхности анода, отдают энергию при воссоздании нейтральных атомов вещества анода и вызывают увеличение температуры анода. Кроме того, часть электронов за.терживается в пространственном заряде. Так как максимальная темпсра-

потен-

тура анода не может превышать температуру кипения материала анода, которая меньше температуры столба дуги, то из столба происходит интенсивный теплоот-вод в сторону анода. Энергия, отдаваемая аноду, состоит из энергии возврата электронов в металлравной энергии работы выхода электронов из вещества катода и кинетической энергии, которую приобрели электроны, двигаясь к аноду в ионизированном газе столба дуги. В анодной области ионизация практически не происходит. Как показывают экспериментальные данные, анодное падение напряжения зависит от физических условий в анодной области и от степени влияния пространственного отрицательного заряда. Величина анодного падения напряжения практически не зависит от сварочного тока. Для дуг с плавящимся электродом, горящих в атмосфере воздуха, анодное падение напряжения равно 2,5=t:l В. Мощность, выделяемая в анодной области при прямой полярности, расходуется на плавление металла анода.

График распределения потенциалов по длине дуги. На рис. 1 приведено распределение потенциалов по длине дуги, горящей в атмосфере воздуха при ручной дуговой сварке. Каждой дуге, горящей при определенных физических условиях, соответствует определенный график, строящийся по данным опыта. В приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов. Напряжение на дуге есть сумма падений напряжений в анодной Ыа, катодной Ык областях, а также в столбе дуги Ыст- Для дуг с плавящимся электродом при нормальных режимах Ык>Иа а + Ик > ст-

Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) дуги. Проводимость разрядного промежутка зависит от длины дуги и от физических условий, в которых существует дуга. Ввиду малости длин приэлектродных областей обычно за длину дуги принимают длину столба дуги. ВАХ дуги строится по данным, полученным из опыта. Статическая вольт-амперная характеристика дуги есть зависимость напряжения t/д на дуге от сварочного тока / при постоянной длине ?д дуги и при постоянстве всех прочих физических факторов, влияющих на условия горения дуги. В сварочной технике известны три формы статических ВАХ дуг, снятых на постоянном токе: падающая ВАХ-с ростом тока напряжение уменьшается (рис. 2, а; дифференциальное сопротивление /?диф<3 О, угол Рд > 90 ); Жесткая ВАХ - рост тока не вызывает изменения напряжения (рис. 2, б; дифференциальное сопротивление /?диф= О, угол Рд = 180 ) и возрастающая ВАХ - рост тока вызывает увеличение напряжения (рис. 2, в; дифференциальное сопротивление /?диф > О, угол Рд < 90°). Вольт-амперные характеристики падающей формы имеют малоамперные свободногорящие в воздухе дуги при токе от нескольких ампер до токов порядка 70 А. Причиной снижения напряжения на дуге является уменьшение напряжения на столбе дуги. С ростом тока более интенсивно протекает ионизация, проводимость столба дуги увеличивается и возрастает площадь поперечного сечения. Падающую по форме ВАХ имеет также свободногоря-Щая малоамперная дуга в среде аргона. В этом случае увеличение тока не сопровождается ростом сечения столба дуги из-за защитного газа, оказывамщего действие в радиальном направлении на пространственное положение дуги. Рост проводимости объясняется интенсивно протекающей ионизацией газа столба дуги вследствие повышения температуры газа.

ВАХ жесткой формы имеют сварочные дуги при токах от 70-80 А и более при ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом (рис. 2, б). С ростом тока увеличивается поперечное сечение столба дуги, а проводшлэсть столба дуги

Рис. 1. Распределение циалов по длине дуги

в этих условиях остается практически без изменения. При сварке под флюсом при небольших диаметрах электродной проволоки и больших значениях тока наблюдается некоторое возрастание напряжения на дуге. На практике пользуются эмпирической формулой для вычисления напряжения на дуге, связывающей его с величиной тока. Так, для токов 300-500 А напряжение на дуге t/д = 20 + + 0,04/.

При сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа и сварке сжатой дугой ВАХ дуги имеет возрастающую форму. С ростом тока напряжение на дуге увеличивается (рис. 2, в). При этом катодное пятно занимает всю площадь то()ца электродной проволоки и высокая напряженность электрического поля в катодной области обеспечивает условия для автоэлектронной эмиссий. С ростом тока площадь катодного пятна остается неизменной.

1,А О

а) 5)

Рис. 2. Статические вольт-амперные характеристики дуги

1,А О

Особенности горения дуги переменного тока. При питании дуги от источника переменного тока, например от трансформатора с синусоидальным напряжением (частоты 50 Гц), активное пятно на катоде 100 раз в секунду изменяет свое расположение. К концу каждого полупериода синусоидальное напряжение уменьшается до нуля; при этом уменьшается напряженность электрического поля в пространстве между изделием и торцом электродной проволоки. Это влечет за собой уменьшение степени ионизации плазмы столба дуги, рассасывание простран-С1венного заряда в катодной области, что ухудшает условия существования дугового разряда. Последние зависят как от физико-химических свойств пространства между катодом и анодом, которые определяют величину Ццв повторного возбуж-де1шя дуги, так и от статических и динамических свойств источника питания. Если источник питания не обладает значительной индуктивностью, величина которой зависит от конкретных физических условий, то устойчивое горение дуги невозможно.

На рис. 3 приведены осциллограммы вторичного синусоидального напряжения 2 трансформатора, сварочного тока и напряжения на дуге Ыд в функции времени. При проведении опыта для получения падающей внешней характеристики источника в сварочный контур был включен резистор. Осциллограммы записаны электронным осциллографом в отрицательный и положительный полупериоды Т. Ток {г и напряжение Ыд несинусоидальны, так как нагрузкой для источника является нелинейная проводящая среда между изделием и электродом. Максимумы и нулевые значения Ug и ig во времени совпадают при отсутствий в сварочном контуре индуктивности. В отрицательный полупериод синусоидального на пряжения, когда Ыг уменьшается по абсолютной величине и достигает значения (/у, дуговой разряд практически угасает. Напряжение 2 становится недостаточным для создания между изделием и электродом напряженности электрического поля, необходимой для существования дугового разряда. Дуга угасает на время tn-

В течение времени tn осциллограмма фиксирует наличие тока, что указывает, что проводимость участка между изделием и электродом не равна нулю. В течение времени от ty до электрический разряд носит недуговой характер. В следующий полупериод U2, когда синусоидальное напряжение возрастает и достигает значения UjiB (при /в), вновь создаются условия для существования дугового разряда и дуга повторно возбуждается.

Напряжение (Упв повторного возбуждения дуги зависит от многих факторов и прежде всего от физико-химических свойств среды между изделием и электродом.

При <5 - UuB в дуговом промежутке обеспечивается напряженность электрического поля такой величины, при которой возможно интенсивное зарожде-

Рис. 3. Осциллограммы вторичного синусоидального напряжения трансформатора, сварочного тока и напряжения на дуге при включении в сварочный контур резистора для получения падающей внешней характеристики источники питания

ние свободных электронов и восстановление условий для существования электрического дугового разряда. В течение времени tn сварочный контур практически разомкнут. На рис. 3 для большей наглядности величины в района t = О сильно преувеличены. Ток при / = составляет около 2% от действующего значения i. После повторного возбуждения дуги, начиная о = в. ток и скорость его изменения резко возрастают. Время перерыва в горении дуги уменьшают двумя способами: либо снижают напряжение Uub повторного возбуждения дуги, либо изменяют свойства источника питания. Величину t/na можно снизить, вводя в парогазовую среду между изделием и электродом химические элементы с низкими потенциалами ионизации, уменьшая величину давления ниже атмосферного, увеличивая амплитудное значение щ и увеличивая частоту f напряжения 2- Повторное возбуждение дуги облегчается применением специальныя устройств - возбудителя дуги (осцилляторов) и импульсных стабилизаторов го-рения дуги переменного тока.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Осцилляторы. При сварке неплавящимся электродом в среде защитных газов первоначальное возбуждение дуги производится бесконтактным способом. Напря-4TYrff o-ioCToro хода источника питания порядка 60-80 В недостаточно для того,; чтооы вызвать электрический разряд или даже искру в промежутке между изделием и электродом, хотя промежуток может составлять лишь доли миллиметра.

Для возникновения в промежутке свободных электронов и возбуждения дуги необходим кратковременный импульс напряжения, который обеспечил бы пробой и последовательное развитие искрового разряда вплоть до дугового. На практике сварочную дугу возбуждают специальным устройством, называемым осциллятором.

Осциллятор представляет собой генератор затухающих по амплитуде знакопеременных высокой частоты (порядка 100-300 кГц) импульсов высокого напряжения (около 3 кВ). При подаче импульсов на промежуток между изделием и электродом происходит пробой промежутка искрой и появление свободных электронов. Кратковременный искровой разряд развивается в дуговой, создавая условия для горения сварочной дуги, питаемой от основного источника питания ИП

Применяют две схемы включения осциллятора в цепь дуги; параллельную и последовательную. В схеме осциллятора параллельного включения (рис, 4)

Сеть

Рис. 4. Схема осциллятора параллельного включения

трансформатор Т1 промышленной частоты (50 Гц) повышает напряжение сети до 3000-6000 В. Напряжение вторичной обмотки Т1 подведено к разряднику F, входящему в колебательный контур, в котором возникают высокочастотные колебания частотой /= 150 000-300 000 Гц, При возрастании синусоидального напряжения на выходе трансформатора Т1 заряжается конденсатор Ск- В его элек-

CuU г-г

трическом поле накапливается энергия--. По достижении определенного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т1 происходит пробой искрой воздушного промежутка разрядника F. Конденсатор Ск разряжается на индуктивность Lk, являющуюся первичной обмоткой высокочастотного трансформатора Т2, осуществляющего магнитную связь осциллятора со сварочным контуром. В колебательном контуре С - Ьц - F возникает ток i. Энергия поля конденсатора Ск при его разряде за вычетом потерь на резистивные сопротивления

преобразуется в энергию магнитного поля индуктивности Lk, равную -.

В колебательном контуре Ск - - возникает знакопеременный, затухающий по амплитуде колебательный процесс с угловой частотой, зависящей от величин Ск и Lk-

Трансформатор Т2 через вторичную обмотку Lc осуществляет ввод высоковольтного высокочастотного напряжения на дуговой промежуток (зажимы с и d). Защита источника от воздействия этого напряжения осуществляется с помощью Г-образного фильтра, состоящего из индуктивности и емкости Сф, Если трансформатор источника питания имеет повышенное магнитное рассеяние, то наличие индуктивного фильтра не обязательно. Блокировочные конденсаторы Cq создают условия безопасной работы сварщика и предотвращают повреждение источника питания при пробое конденсатора Ск- В осцилляторе есть помехозащитный фильтр ПЗФ сети от высокочастотных колебаний. Колебания, возникшие в колебательном контуре, затухают примерно за 2 мс, так как энергия поля коиденса-гора Ск расходуется на покрытие потерь в трансформаторе Т2, а также в элеюрм-ческих разрядниках F и дуге. Импульсы колебаний, генерируемых осциллятором, периодически повторяются после восстановления электрической прочности разрядника F. В источниках питания дуги переменным током осциллятор облег-

Сеть

Рис. 5. Схема осциллятора последовательного включения

чает повторное возбуждение дуги после смены полярности. Импульсы должны подаваться с небольшим опережением во времени к моменту перехода сварочного тока через нуль.

Принципиальная электрическая ехема осциллятора последовательного включения приведена на рис. 5. Катушка с индуктивностью Lk колебательного контура включена последовательно с дугой. Сечение обмотки рассчитывается на сварочный ток. Защита источника от воздействия высокочастогного высокого напряжения, возникающего на индуктивности Lk при разряде конденсатора Ск, осуществляется путем шунтирования источника конденсатором Сф. Осцилляторы последовательного включения компактнее и проще, чем параллельного. Работают осцилляторы обычно только в начале процесса сварки. В схемах источников предусмотрено автоматическое отключение осциллятора после возбуждения дуги.

Импульсный стабилизатор горения дуги переменного тока (ИСГД) применяют при сварке переменным током неплавящимся электродом изделий из легких сплавов в среде защитного газа. При этом виде сварки возникают трудности повторного возбуждения дуги при переходе на обратную полярность. На рис. 6 приведена принципиальная схема ИСГД. Форма сварочного тока источника во времени может быть синусоидальной, трапецеидальной и прямоугольной. Конденсатор Сн заряжается от трансформатора Т через вентиль VI.

Наличие вентиля VI пред- отвращает разряд конденсатора Си при уменьшении напряжения Uab- В цепи разряда конденсатора Сн включены тиристор V2 и ограничительный балластный резистор /?балл- Разряд конденсатора Сн на дуговой промежуток происходит при подаче сигнала положительного потенциала на управляющий электрод УЭ тиристора V2 от системы управления (на рис. 6 схема системы управления не приведена). Сигнал, подаваемый на электрод УЭ, открывает тиристор лишь тогда, когда на анод вентиля V2подан положительный потенциал относительно катода. Запирается тиристор V2 после полного разряда конденсатора Сн. Импульс обеспечивает повторное возбуждение дуги на обрат-Ной полярности сварочного тока. Параметры импульса - амплитуда порядка 600 В, длительность 60-80 мкс - устанавливаются в соответствии с требованиями Технологии, Мгновенная амплитуда тока импульса 60-80 А.

Устройство для плавного снижения сварочного тока в конце сварки. При быстром прекращении сварочного тока в шве образуется кратер. Для исключения данного технологического дефекта шва необходимо плавно снижать сварочный ток в конце сварки до нуля 1фимерно за 5-6 с. В установках для автоматизированной сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов это осуществляется автоматически с использованием специального узла РОСТ - регулятора спада сварочного тока, воздействующего на цепь управления регулятора сварочного тока Обычно на практике это осуществляется путем разряда предвари-

исгд

Рис. 6. Принципиальная схема импульсного стабилизатора горения дуги переменного тока