Шпаргалка по "Теория сварочных процессов"

В сильноточных сжатых дугах  ионизация газа в столбе может  достигать значений, близких к 100%, а термоэмиссионная способность катода исчерпана. В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным: R = const. Высокоионизированная сжатая плазма по своим свойствам близка к металлическому проводнику.

 

 

25. Изложите причины и механизм образования плазменных потоков в сварочных дугах.

 

Потоки в сварочных  дугах.

Плазменные струи существуют в дуге в виде потоков пара, газа и их смеси.

При  малых токах (I_д<30A) плазменные струи вызываются подъёмными силами, возникающими из-за меньшей плотности плазмы по сравнению с окружающей средой. То есть для слаботочных дуг действует конвективный механизм, что породило название «дуга».

При больших токах возникает  гидродинамическое течение от стержневого  катода к плоскому аноду (для W дуг), называемое катодной струей. Газовый поток входит в дугу в районе катода, нагревается, ионизируется, пересекает дугу в продольном направлении и при достижении анода растекается по нему.

Давление в дуге возникает под  действием электромагнитных сил (сил  Лоренца). Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно пропорционально сечению, по которому течет ток. Для дуги со стержневым катодом и плоским анодом давление постепенно убывает от катода к аноду.

 

а) Катодная струя (СНЭ-TIG)

,где  =4π·10^-7 Гн/м- магнитная проницаемость вакуума.

P₁>P₂ и возникает осевая составляющая.

Распределение анодного падения напряжения столба дуги в центре пятна  объясняется нейтрализующим действием катодной струи.

б) Анодная струя обуславливается тем, что R_a<R_ст, а также потоком паров металла анода. Для сварочной дуги доля испаряющегося металла анода может составлять ≤ 10% объёма расплавленного металла сварочной ванны. Скорость паров достигает десятков метров в секунду.

Всякое сжатие дуги может  послужить причиной возникновения плазменной струи из-за появления градиента давления.

 

26. Опишите способы возбуждения дуги. Почему свет видимого спектра не вызывает ионизации газов и возбуждение дуги.

 

           В начале сварки и после каждого короткого замыкания, а для дуг переменного тока и при переходе тока через нуль, дуга должна возбуждаться.

Применяются следующие способы  возбуждения дуги:

1. коротким замыканием (в основном для СПЭ);
2. бесконтактное (высокочастотная, высоковольтная осцилляция);
3. применение дежурной дуги.
1. При возбуждении коротким замыканием эффективная поверхность мала (от 0,1 до 1% кажущейся контактной поверхности), а плотность тока соответственно велика. Поэтому конец электрода быстро нагревается теплом, выделяющимся в контактном сопротивлении, и при его отведении образуются перемычки жидкого металла, которые стягиваются  в один общий мостик, испаряющийся при достижении температуры кипения. Пары ионизируются под действием высокого напряжения холостого хода источника питания, и напряжение на дуге становится меньше последнего, что создает условия для протекания тока и возбуждения дуги. Устанавливаются параметры дуги: U_a, U_k, U_ст, j, T.
2. При бесконтактном возбуждении на дуговой промежуток накладывают большое напряжение высокой частоты (1-10 кВ, 0,2-5 мГЦ). Вследствие этого увеличиваются эффективные соударения и зарядоносители, возникает маломощная высокочастотная дуга, которая, обладая проводимостью, способствует возбуждению собственно сварочной дуги при  относительно низком напряжении холостого хода источника питания. Для дуг переменного тока в момент перехода тока через нуль подают стабилизирующие импульсы, обеспечивающие возбуждение дуги в каждый полупериод.
3. Для плазмотронов, генерирующих мощные плазменные струи, применяют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом. Оно является источником и поставщиком зарядоносителей в основной дуговой промежуток, в котором возбуждается рабочая дуга при включении основного источника питания.

 

 

Λi=hc /(eUi)

               Чем больше потенциал ионизации элемента U_i тем меньше требуемая Λi. Для сварочной дуги, где U_i  лежит в пределах 4…25эВ, соответствующие длины волн находятся в ультрафиолетовой части спектра.

 

 

 

 

 

 

,h- постоянная Планка

Поскольку ē в дуге имеют непрерывный набор энергий, то излучение представляет сплошной спектр. Накладывается линейчатый спектр, возбужденных атомов.

 

 

где W₂-возбужденный уровень,

W₁-основной уровень ,

 

 

 

 

 

27. Опишите сварочную дугу с плавящимся электродом, виды переноса металла в дуге и типовые примеры сварки.

 

Энергетическая структура сварочной  дуги определяется:

1. составом плазмы, размерами и условиями существования столба;
2. материалом, размерами и формой электродов (особенно катода).

Сварочная дуга с плавящимся электродом существует в парах металлов электрода (Ме-дуги).

Защитные среды для металлических  дуг в большинстве случаев  являются активными, поскольку обеспечивают широкие возможности регулирования металлургических процессов при сварке.

Сварочная дуга с плавящимся электродом используется в следующих процессах сварки и наплавки:

1) Ручная дуговая сварка (сварка  штучными, покрытыми электродами);

2) СПЭ в газах: а) активных (СО₂, Н₂О, Н₂)- МАG;

                            б) инертных (Ar, He)- MIG;

3) сварка порошковой проволокой;

4) сварка под флюсом;

4. сварка под водой;
5. сварка в вакууме.

 

Виды переноса металла  при СПЭ.

 

Виды переноса Ме при СПЭ определяются условиями сварки: силой, плотностью и формой кривой тока, видами защиты, полярностью дуги, динамическими свойствами источника питания и т.д.

 

Вид переноса	Типовые примеры
1.Крупнокапельный с замыканиями  дугового промежутка	Ручная сварка при j≤102 А/мм2
2. Мелкокапельный с замыканиями                  дугового промежутка	Механизированная сварка в СО2
3. Мелкокапельный без замыканий дугового промежутка	Сварка под Флюсом при j≥103 А/мм2
4. Струйный	Сварка в инертных газах тонкой проволокой при j>103 А/мм2
5. Парами металла	При всех видах сварки плавящимся электродами  - как дополнение к  другим видам переноса.

 

28. Перечислите и опишите силы, действующие на каплю, в дуге при сварке плавящимся электродом.

 

1. Силы тяжести – способствует переносу металла в нижнем положении, и препятствуют в потолочном. Наиболее сильно проявляются при малых токах, когда электродинамические силы малы.

 

2.  Силы поверхностного натяжения:

а) придают каплям сферическую форму;

б) удерживают капли на «потолке»;

в) всасывают капли в жидкую сварочную  ванну.

Чем коэффициент поверхностного натяжения, тем мельче капли и вероятнее  переход к мелкокапельному и струйному переносу металла.

 

3. Электродинамические силы (пинч-эффекта) сильно влияют на перенос металла, особенно при больших токах. В слаботочных дугах, где эти силы малы, преобладает крупнокапельный перенос, а в сильноточных – струйный. Пинч-эффект – сжатие жидкого или газообразного проводника с током силами – является причиной давления дуги и плазменных потоков от электродов и участков сжатия дуги.

 

4. Реактивные силы, вызываемые давлением паров, обычно противодействуют начальному обрыву капли. 

   Сила давления паров F=R∙I^{2, где}

R≈(1-5)∙10^-7 Н/А² – для прямой полярности;

R<3·10^-8 Н/А² – для обратной полярности.

Струйный перенос на обратной полярности возникает при меньших токах.

 

5. Электростатические силы порождаются градиентом потенциала в переходных областях дуги, особенно у катода, где Е=10⁴-10⁶ В/мм. Поскольку в столбе дуги Е_с<<E_k (в тысячи и более раз), то  создается разность давлений и течение газа от катода (или анода) в столб дуги подобно «электрическому ветру» с острия.

   Р= Р_кат-Р_ст= , мм.рт.ст. и может составлять несколько мм.рт.ст.

 

6. Плазменные потоки также сильно влияют на перенос металла. Это особенно заметно, если катодное пятно и катодный поток не охватывают конец электрода, а мощный анодный поток охватывает катодный, затрудняет перенос металла, вызывая сдвиг капли в сторону или даже её подъём над уровнем торца электрода.

 

29. Изложите цель и способы сжатия сварочной дуги. Опишите виды и физические возможности сжатых дуг.

           Целью сжатия дуги является повышение её мощности, концентрации энергии и температуры столба дуги. С ростом тока при принудительном ограничении (сжатии) поперечного сечения столба происходит значительный рост температуры столба дуги (до 50000 К) и напряженности электрического поля по длине столба. Образуется плазменная струя с тепловой мощностью и удельным тепловым потоком, многократно превышающими параметры открытых дуг (U≈50-300 B, L_ст=10-100 мм.).

Способы сжатия дуг:

1) водоохлаждаемыми соплами;

2) струей газа: осевой или вихревой (тангенциальной);

3. струей жидкости (вода);
4. электромагнитным полем (внешним).

Сжатая дуга прямого действия.

Дуговой разряд существует между W катодом и обрабатываемым анодом. Его радиальные размеры определяются сечением отверстия водоохлаждаемого сопла. Для защиты катода от разрушения, а сопла от интенсивного нагрева и оплавления через него продувается газ (чаще всего аргон). Мощность, выделяемая на аноде, увеличивается за счет доли струи Р_с весьма значительно.

Р_а=I_д∙U_a+I_д∙( )+Р_с

Струя истекающего из сопла газа повышает давление на жидкий металл и увеличивает глубину проплавления. При больших скоростях струи возможна высокоэффективная резка.

     Сжатая дуга косвенного действия.

Возбуждается между W катодом и соплом – анодом. Под действием струи аргона, вытекающей из сопла, часть плазмы сопла выносится за его пределы. Энергия этой плазмы используется для нагрева и плавления обрабатываемых изделий. Как правило, она невелика и используется чаще всего для сварки, резки или пайки тонких изделий из металлов, пластмасс; применяется в медицине.

 

30. Опишите влияние на дугу магнитного поля сварочного контура и внешних магнитных полей.

Магнитное поле сварочного контура.

Электрод, дуга, изделие вместе с  подводящими ток проводами  образуют сварочный контур.

Взаимодействие собственно магнитного поля тока дуги и магнитных полей  близлежащих участков контура может  вызвать отклонение дуги.

Общее правило: если близлежащие к дуге участки контура не расположены на одной прямой, то в месте отклонения от прямой происходит увеличение напряжённости магнитного поля и дуга отклоняется (вытесняется) в противоположную сторону.

Отклонение электрической дуги из-за нарушения симметрии магнитного поля называется магнитным дутьем. Дутьё ограничивает сварку постоянным током на форсированных ритмах. Сила, действующая на дугу:

F=  B∙I∙l_д ≈

С изменением токоподвода к изделию  меняется направление магнитного дутья. Лишь при полной симметрии, что возможно лишь при скользящем контакте токопровода, магнитное дутье исключается.

Если вблизи дуги присутствует масса  вещества, имеющего высокую магнитную проницаемость (стальные детали сварочного приспособления, детали), то большая часть магнитного потока проходит через вещество и напряженность магнитного поля вблизи этого вещества уменьшается, что приводит к отклонению дуги в сторону этого вещества.