Григорий Илларионович Лесков
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА
*** 1970 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
Явления прохождения электрического тока через газы получили название газовых разрядов. В физике известны многие виды таких разрядов, отличающихся друг от друга главным образом величиной разрядного тока, напряжением, температурой и давлением газа (плазмы) между электродами. В технике различают и используют темный, тлеющий, дуговой, искровой и коронный разряды. Строгих количественных границ между ними провести не удается, так как один вид разряда часто переходит в другой без заметного внешнего воздействия. Однако дуговой разряд существенно отличается от других сравнительно большим током — не ниже нескольких ампер, низким напряжением — порядка десятков вольт и высокой температурой газа в разрядной области. Впервые дуговой разряд наблюдался и описан В. В. Петровым в 1802 г. Название «дуга» он получил за форму ярко светящегося шнура (столба) разряда, который в первых опытах со слаботочными разрядами изгибался вверх серповидной дужкой под действием восходящих конвективных потоков нагретого разрядом воздуха. Хотя в большинстве других случаев, например между вертикальными электродами, в ограниченном замкнутом пространстве, аналогичный разряд не имеет дугообразной формы, первоначальное название его сохранилось. Дуговые разряды широко используются в технике. Они являются источниками света для прожекторов и кинопроекционной аппаратуры, в специальных лампах сверхвысокого давления СВД (до 100 am). Дуга используется в газотронах, тиратронах и ртутных выпрямителях для выпрямления тока и управления его силой и т. д. В других случаях, например между контактами многочисленных размыкателей электрического тока, дуговой разряд является весьма нежелательным явлением, так как он вызывает быстрый износ и разрушение контактов. Поэтому электрические дуги интенсивно исследуют как с целью их длительного и эффективного использования, так и возможно быстрого уничтожения. В книге рассмотрены только сварочные дуги. Они позволяют ввести в подлежащие обработке материалы удельную мощность до 10ъ втсм2 при пятне нагрева 1 — 10 мм2. Такая концентрация энергии обеспечивает эффективный местный нагрев и расплавление металлов в месте соединения деталей между собой, а также резку и другие виды локальной тепловой обработки изделий. 1. ВИДЫ СВАРОЧНЫХ ДУГ По наиболее важным техническим признакам различают следующие основные группы сварочных дуг: 1 2 3 4 5 6 7 Дуги прямого действия Дуги с плавящимися электродами Дуги в парах металлов Свобод- ные дуги Установившиеся дуги Открытые Дуги Дуги постоянного тока Дуги косвенного действия Дуги с неплавящимися электродами Дуги в газах Сжатые дуги Неустановившиеся дуги Закрытые дуги Дуги переменного тока Входящие в группы виды сварочных дуг характеризуются следующими основными особенностями. 1. В дугах прямого действия подлежащие нагреву или плавлению металлы являются электродами разряда и им передается кинетическая и потенциальная энергия заряженных частиц. Поэтому электроды весьма интенсивно нагреваются и плавятся. Дуги косвенного действия располагаются у поверхностей подлежащих нагреву или плавлению изделий. Электродами таких дуг служат стержни из графита или вольфрама, не соединенные электрически с изделиями. Нагрев и плавление изделий происходит лишь за счет кинетической энергии сталкивающихся с ними частиц газа. Обычно такой нагрев мало эффективен, поэтому дуги косвенного действия применяются в тех случаях, когда требуется сравнительно небольшая теплопередача от дуги к изделиям. 2. В дугах с плавящимися электродами оба электрода в процессе осуществления сварочного процесса расплавляются, поставляя металл в общую ванну. Если один из электродов, будучи тугоплавким — вольфрамовым или графитовым, не поставляет металл в общую ванну, то дуга называется дугой с неплавящимся электродом. При увеличении тока дуги тугоплавкий электрод также может расплавиться, поэтому разновидности дуг этой группы определяются не только материалом электродов, но и режимом их горения. 3. Большинство плавящихся электродов дуги интенсивно испаряется. Пары, двигаясь от электродов в виде струи, почти полностью оттесняют из области разряда другие газы. Поэтому мары электродов определяют основные свойства таких дуг, что и обусловило их название. Когда же используются слабо испаряющиеся вольфрамовые, графитовые или искусственно охлаждаемые водой медные электроды, состав газа разрядной области с достаточной точностью определяется ее атмосферой. Последнюю образуют либо защитные газы — аргон, гелий, водород, С02 и др., подаваемые в зону дуги для ограждения металла от воздействия воздуха, либо воздух при отсутствии такой защиты. Однако по мере увеличения тока слабо испаряющиеся электроды могут испаряться интенсивно, а «дуга в газах» может стать «дугой в парах», поэтому и в этой группе разновидности дуг также определяются их режимом. 4. Дуга считается свободной, если ее развитие в пространстве не ограничено до пределов, определяемых естественными свойствами дуги. При наличии таких ограничений дуга называется сжатой. Дугу сжимают, помещая ее в узких каналах и щелях, ограничивая размеры электродов, обдувая дугу струями газов или жидкостей и т. д. 5. Дуга считается установившейся, если длительность ее существования при заданных условиях заметно превышает время протекания в ней переходных процессов и параметры дуги уже не меняются во времени. Изменения силы тока, состава атмосферы, расстояния между электродами, положения в пространстве и т. д. характеризуют неустановившиеся дуги. Однако при сравнительно медленном изменении перечисленных факторов, когда каждому их мгновенному значению соответствуют параметры дуги, близкие к установившимся при этих мгновенных значениях, такими изменениями можно пренебречь и дуги считать установившимися. Таким образом разделение дуг анализируемой группы на два вида требует их тщательного изучения. 6. Дуга считается открытой, если вокруг нее отсутствуют преграды, кроме самих электродов, исключающие или затрудняющие циркуляцию газа в околодуговом пространстве, или задерживающие излучение дуги. В случае полного ограждения дуги от окружающего пространства она становится закрытой. Примером такой дуги является дуга под флюсом. Ее атмосфера состоит только из паров электродов и ограждения — флюса. Циркуляция газовых потоков в такой дуге ограничена, излучение дуги в пространство не проникает. Возможны полузакрытые дуги и т. д. 7. Для дуг постоянного тока характерны неизменность направления тока и, как правило, небольшие колебания его силы, обусловливаемые процессами в дуге. В дугах переменного тока происходят непрерывные изменения направления и силы тока в соответствии с изменениями э. д. с. источника и процессами в дуге. Такие дуги угасают каждый раз при переходе тока через нуль и возобновляются снова в начале каждого полупериода питающего их переменного тока. Реальные сварочные дуги характеризуются одновременно несколькими перечисленными особенностями. Для примера на рис. 1 приведены фотографии дуг с плавящимися электродами в аргоне (я) и углекислом газе (б) и типичная осциллограмма (в). На концах электродов видны капли, меняющиеся, как показывают наблюдения, в объеме и по положению Рис. 1. Сварочные дуги с плавящимися электродами и типичная осциллограмма тока и напряжения дуги в пространстве. Периодически они перекрывают весь разрядный промежуток, вызывая короткое замыкание электродов и устранение разряда. При этом напряжение падает почти до нуля, а ток растет по законам, определяемым свойствами электрической цепи. Частота коротких замыканий и их длительность не постоянны После замыканий снова возбуждается дуга и т. д. Рисунок показывает, что, строго говоря, сварочная дуга с плавящимися электродами является неустановившейся дугой как по длине разрядного промежутка, так по режиму питания и положению в пространстве. В рассматриваемом случае она, возможно, несколько сжата струями защитных газов и содержит в своем составе некоторую часть паров электродов и т. д." Естественно, что изучение таких дуг весьма затруднительно. При их описании и, тем более, изложении теории неизбежна некоторая схематизация и идеализация процессов и условий существования разряда. |
