Сергей Кашин - Сварочные работы. Практический справочник
Процесс ионизации газа наглядно показан на рис. 45, на котором ясно видно, что в результате бомбардировки электрически нейтральных атомов газа (А, А') быстрыми электронами (Э1, Э2), испускаемыми катодом (это явление называется эмиссией электронов), первые теряют один или несколько электронов. При этом их скорость уменьшается, но они продолжают движение к аноду под воздействием его электрического поля. А атомы вместе с электронами, утратившими часть электричества, превращаются в положительно заряженные ионы (+И), которые начинают перемещаться к катоду. При столкновении с ним положительные ионы выбивают из него электроны и частично захватывают их, становясь нейтральными атомами, а остальные электроны движутся к аноду. Отрицательно заряженные ионы (—И) появляются тогда, когда атомы захватывают свободные электроны. Поскольку не все элементы способны на это, отрицательных ионов в ионизированном газе, как правило, меньше, чем положительных.
Рис. 45. Схема ионизации газа: 1 – катод; 2 – анод; 3 – катодное пятно; 4 – анодное пятно; 5 – столб сварочной дуги
Описанный процесс, в ходе которого в среде газа или пара образуются положительно и отрицательно заряженные частицы, называется объемной ионизацией. Кстати, она возможна не только от соударения частиц, ее причиной может быть энергия светового излучения. Кроме того, ионизация газа или пара происходит при их нагревании до температуры 2000 °C (термическая ионизация), когда повышается скорость движения частиц и возрастает число их столкновений.
В сварочной дуге тоже наблюдается процесс образования электрически нейтральных атомов из отрицательно или положительно заряженных частиц, что называется рекомбинацией, а отношение числа заряженных частиц в каком-либо объеме газа к общему их количеству до начала ионизации – степенью ионизации. Образование и распад заряженных частиц в газе при данной температуре сбалансированы, т. е. степень ионизации нагретого газа сохраняется постоянной. При степени ионизации, равной единице, каждая частица в данном объеме газа несет тот или иной заряд. Чем ниже температура, при которой это происходит, тем с большей легкостью в газовой среде образуется дуговой разряд (сварочная дуга).
Степень термической ионизации у различных элементов разная. Легче всего она достигается у калия, натрия и кальция, в связи с чем их наличие в столбе сварочной дуги способствует ее возбуждению и обеспечивает устойчивость ее горения. Поэтому данные вещества всегда добавляются в электродные покрытия.
Кроме того, все элементы обладают разным потенциалом ионизации, т. е. тем количеством энергии, которое требуется затратить, чтобы выбить один электрон из оболочки атома того или иного элемента. Например, потенциал калия, натрия и кальция ниже (приблизительно в 3,4, 2,8 и 2,4 раза соответственно), чем у азота или кислорода. Это дополнительно объясняет их положительное влияние на горение сварочной дуги.
Ионизация газа и образование в нем дугового разряда представляют собой сложные физические процессы, возникновение и протекание которых определяется различными факторами. В частности, для того чтобы катод стал испускать свободные электроны, должны осуществляться следующие процессы:
✓ термоэлектронная эмиссия, развившаяся под воздействием высокой температуры катода и позволившая электронам покидать его поверхность;
✓ автоэлектронная эмиссия, являющаяся следствием воздействия электрического поля, отрывающего свободные электроны от катода;
✓ эмиссия в результате ударов положительно заряженных ионов по поверхности катода;
✓ фотоэлектронная эмиссия как итог воздействия световых лучей дугового разряда на катод.
Источники пучков заряженных частиц, благодаря которым поддерживается устойчивое горение сварочной дуги, – это эмиссия электронов катодом и объемная ионизация газов.
Теперь необходимо понять, как именно образуется дуга. Весь процесс выглядит следующим образом (рис. 46):
Рис. 46. Схема образования дугового разряда: а – стадия короткого замыкания; б – стадия появления прослойки расплавленного металла; в – стадия формирования шейки; г – стадия возникновения сварочной дуги; 1 – электрод; 2 – основной металл; 3 – дуга
1) при прикосновении концом электрода к основному металлу в сварочной цепи возникает короткое замыкание;
2) электрический ток, отличающийся высокой плотностью в зонах контакта основного металла с электродом (из-за неровности поверхности электрода контакт происходит одновременно в нескольких точках), расплавляет последний, в результате чего появляется тонкая пленка жидкого металла;
3) при некотором отведении электрода из жидкой прослойки металла вытягивается шейка, в которой плотность и температура металла еще более увеличиваются;
4) вследствие испарения металла шейка рвется, а в создавшемся ионизированном облаке газов и паров, образовавшемся между электродом и металлом, загорается сварочная дуга.
В дальнейшем авто– и термоэлектронная эмиссия поддерживают устойчивое горение сварочной дуги при соответствующем токе и напряжении в сварочной цепи.
Напряжение сварочной дуги – это напряжение между электродом и металлом. Его величина определяется длиной дуги. При этом прослеживается такая закономерность: чем короче дуга, тем ниже напряжение, несмотря на то что ток может не меняться. Устойчивое горение сварочной дуги при использовании металлического электрода обеспечивается напряжением 18–28 В, а при применении угольного или графитового электрода необходимое напряжение возрастает до 30–35 В. Напряжение, при котором возникает дуговой разряд, должно быть выше чем то, при котором сварочная дуга поддерживается на соответствующем уровне. Это обусловлено тем, что на первой стадии температура воздушного промежутка недостаточна для того, чтобы сообщить электронам такую скорость, при которой может начаться ионизация атомов газа.
Сварочная дуга бывает:
✓ устойчивой. Это означает, что она горит равномерно, а произвольные обрывы дуги, для устранения которых необходимо повторное зажигание, отсутствуют;
✓ неустойчивой. Наличие того, чего нет при устойчивой дуге, изменяет ее характер с точностью до наоборот.
Устойчивость дуги в основном определяется следующими факторами:
✓ род электрического тока. Он может быть постоянным и переменным;
✓ состав электродного покрытия. Повысить устойчивость горения сварочной дуги можно с помощью введения в покрытие и флюсы элементов с низким потенциалом ионизации, о которых говорилось ранее;
✓ полярность. При постоянном токе она бывает прямой и обратной. В первом случае минус источника тока подсоединяется к электроду, а во втором – к изделию. При работе угольным электродом предпочтительнее ток прямой полярности, поскольку при нем дуга легко загорается и
отличается устойчивостью. Ток обратной полярности востребован при сварке тонких металлических листов и в других случаях, когда требуется уменьшить выделение тепла;
✓ длина дуги. Она равна расстоянию от торца электрода до поверхности сварочной ванны. Для стального электрода длина дуги составляет не более 2–4 мм. В этом случае она называется короткой. Для нее характерны такие качества, как устойчивое горение и оптимальное протекание сварочного процесса.
Дуга длиной 4–6 мм считается нормальной, более 6 мм – длинной. В последнем случае отмечается ряд негативных явлений: во-первых, плавление происходит неравномерно, дуга неустойчивая; во-вторых, капли металла, капающие с электрода, могут подвергаться окислению кислородом и насыщению азотом из атмосферного воздуха; в-третьих, наплавленный металл приобретает пористость, а шов – неровную поверхность; в-четвертых, падает производительность, возрастает разбрызгивание жидкого металла, возникают непроваренные участки.
Сварочную дугу можно классифицировать не только по принципу действия (прямого, косвенного и комбинированного), длине, роду тока, полярности постоянного тока или виду электрода, но и по таким признакам, как:
✓ длительность горения. Различаются стационарная и импульсная дуга;
✓ степень сжатия. Дуга может быть свободной и сжатой;
✓ характер среды, в которой происходит сварка. Дуга бывает открытой (горение происходит в атмосферном воздухе) или закрытой (если она возникает под флюсом либо в среде защитных газов);
✓ тип статической вольт-амперной характеристики (так называется зависимость падения напряжения в сварочной дуге от силы тока в условиях постоянной длины дуги).
По этому параметру выделяются дуги с жесткой (падение напряжение не зависит от силы тока), падающей (увеличение силы тока приводит к уменьшению падения напряжения) и возрастающей (напряжение возрастает при увеличении тока) характеристикой.
