При звичайній дугового електрозварювання запалювання дуги відбувається в результаті дотику вироби електродом, виділення тепла в місцях контакту і теплової іонізації дугового проміжку при відриві електрода від виробу. Моменту запалювання в цих умовах відповідає напруга запалювання Uз. Останнє залежить від великого числа змінних, до найважливіших з яких відносяться іонізаційний потенціал газового середовища, в якій відбувається запалення, фізичні властивості електродів, сила струму і параметри джерела живлення.
Напруга запалювання може дорівнювати або значно відрізнятися від напруги дуги Ud.
У порівнянні з газами, що становлять повітря, гелій і аргон мають найвищими іонізаційними потенціалами, що має привести до високих напруг запалювання дуг в цих газах. Але при зварюванні напруга запалювання, очевидно, визначається, певною мірою, парами, що зварюється і матеріалу електрода. При цьому все ж найбільший вплив на напругу запалювання надає іонізаційний потенціал газу, що заповнює дугового проміжок; тому для запалювання дуги в гелії або аргоні необхідно застосовувати або сторонні іонізатори (таким є високочастотний струм осцилятора), або високі відносини U хx / Ud (див. нижче).
Застосування вугілля або вольфраму в якості електродів веде до зниження напруги запалювання, тому що в порівнянні з іншими матеріалами вугілля і вольфрам мають найбільш високою температурою плавлення.
У позитивному стовпі дуги напруженість поля залежить від тиску, процесів теплопровідності і конвекції. Падіння напруги в позитивному стовпі збільшується зі зростанням теплових втрат. У зв'язку з цим при горінні дуги в різних газах змінюється напруга дуги.
У порівнянні з газами, що становлять повітря, аргон володіє найменшими питомою теплоємністю і теплопровідністю; тому і напруга дуги мінімально при горінні в аргоні. При цьому напруга дуги збільшується з додаванням в аргон домішок двоатомних газів. Так, наприклад, лінія Uд = f (ld) вольфрамової дуги в середовищі чистого аргону (1,95% N2; 0,9% O2 і 0,1% СO2) розташовується на 1-2 в нижче відповідної лінії в середовищі технічного аргону ( 12,7% N2. 0,6% O2 і 0,15% СO2). Причиною більш високої напруги дуги в середовищі технічного аргону є, очевидно, додаткова витрата енергії на дисоціацію домішок в технічному аргоні, головним чином, на дисоціацію азоту.
Так як іонізація газового проміжку відбувається внаслідок виділення тепла при короткому замиканні електрода на виріб, то, чим більше струм короткого замикання 1КЗ. тим легше відбувається запалювання дуги. Отже, струм короткого замикання повинен бути достатнім для досягнення стійкого запалювання дуги.
Струм короткого замикання
де U2 - напруга вторинної ланцюга зварювального трансформатора;
z - повний опір зварювального кола.
Для надійного запалювання дуги джерело живлення повинен володіти певним напруженням у вторинній обмотці - напругою холостого ходу (Uxx = U2).
Розрізняють дуги змінного струму «легко» і «важко» підтримувані. Чим ближче напруга запалювання U3 до напруги дуги Uд. тим дуга легше запалюється, стійкіше горить і швидше відновлюється при випадкових обривах. На фіг. 14 схематично представлено кілька типів дуг. Дуга а найбільш легко підтримується, так як потенціал запалювання цієї дуги ледь перевищує робочу напругу дуги і для її підтримки потрібно відносно невисока напруга джерела живлення. У такій дузі дугового проміжок залишається добре іонізованим і в моменти переходу кривої струму через нульові значення.
Дуга б характеризується порівняно великою напругою U3 - піком запалювання на анод і катод при переході кривої струму через нуль. Дугового зазор продовжує проводити струм через підвищення напруги майже до повного значення Uхх. Потім при переході до дуговим умов відбувається зниження Uхх до Uд в зв'язку з ростом струму. В цьому випадку для підтримки дуги потрібно джерело живлення з більш високим Uxx. Дуга в відрізняється тим, що протягом певного інтервалу часу, коли катод на виробі, по дугового проміжку не протікає струм. Напруга запалювання протягом цього полупериода дуже велике, і якщо напруга холостого ходу джерела живлення Uхх недостатньо, то не відбувається пробою дугового проміжку і дуга не запалює.
Коли катод на електроді, дуга запалюється легко. До дуг останнього типу належить дуга в аргоні з вольфрамовим електродом.
Найменше значення відносини Uхх / Uд. що забезпечує стійке безперервне горіння, може мати джерело живлення для дуги, що горить під флюсом. В цьому випадку Uхх U д> 1,6. Для звичайної дугової ручного електрозварювання відкритої дугою Uxx / Uд = 3. З огляду на високої напруги запалювання при аргоно-дугового зварювання це відношення при відсутності осцилятора має становити більше 20.
Так, наприклад, для повторного запалювання дуги W - АМг5 потрібно
Uxx = 150 в: для дуги W - А1 потрібно
Uxx = 200 в; для дуги W - Сu потрібно
З причин економічної доцільності і за умовами техніки безпеки напруга холостого ходу Uхх має бути обмежена і бути менше, ніж це потрібно для повторного запалювання дуги при аргоно-дугового зварювання. Тому для забезпечення стабільності дуги при аргоно-дугового зварювання застосовуються додаткові пристрої. Одним з таких пристроїв є осцилятор.
Зовнішні особливості дуги між вольфрамовими електродами в аргоні, гелії і їх сумішах
При горінні дуги постійного струму між вольфрамовими електродами діаметром 6,5 мм, кінці яких очищені від окисних плівок, в аргоні і гелії чистотою 99,8%, а також в їх сумішах при атмосферному тиску в закритій камері виявлено наступне.
При відносно малій довжині дугового проміжку (8 мм) на фотографіях, знятих з червоним фільтром, видно лише катодного полум'я 1 (фіг. 15, а). При великих довжинах дугового проміжку з'являється два полум'я: катод 1 і анодное 2 (рис. 15,6). З ростом струму катодного полум'я злегка подовжується і розширюється. Його світіння посилюється.
Зі збільшенням довжини дугового проміжку при постійному струмі катодного полум'я залишається постійним, а анодное подовжується.
При горінні дуги в аргоні катодного полум'я має голубувато-білий колір. При малих токах анодное полум'я більш широке (фіг. 15, в) і менш яскраве, ніж катод. Темний проміжок близько 1 мм відокремлює анодное полум'я від електрода.
З розгляду кольорових знімків вдалося встановити, що катодне полум'я складається з двох частин: дуже яскравою внутрішньої частини і зовнішньої частини більшого діаметра. Невелике яскрава пляма видно на аноді. Грунтуючись на розмірах яскравих плям на катоді і аноді, підрахували щільність анодного і катодного струму при струмі дуги, що дорівнює 35 а, і отримали відповідно 10 4 і 450 а / см2.
При горінні дуги в гелії і струмі менше 30 а видно лише катодного полум'я (фіг. 16, а) яркокрасного кольору, розміри якого залежать від струму і зазвичай приблизно знаходяться в межах: довжина 8 мм, а ширина 5 мм.
При збільшенні струму до 40-50 а міжелектродний ділянку стає блакитним і має симетричну форму (фіг. 16, б). При великих токах катодного полум'я не видно (фіг. 16, в) і весь міжелектродний ділянку набуває блакитного забарвлення.
Зникнення катодного полум'я відбувається або поступово, або раптово і супроводжується зменшенням падіння напруги на дузі на кілька вольт.
При горінні вольфрамової дуги в суміші аргону і гелію зовнішній вигляд дуги залежить від їх відносних концентрацій. Для сумішей зі змінною концентрацією аргону від 100 до 15%, при вмісті гелію від 0 до 85%, вид і особливості дуги в основному такі ж, як і дуги в аргоні.
Однак у присутності гелію внутрішня частина катодного плями скрашена замість яркобелого в яркокрасний колір. Довжина цієї яркокрасной внутрішньої частини збільшується зі зростанням концентрації гелію. Взагалі ж зовнішній вигляд дуги в сумішах аргону і гелію залежить більшою мірою від невеликих кількостей газу з меншим іонізаційним потенціалом, т. Е. Від аргону, ніж від малих кількостей гелію.
Зовнішні особливості дуги вольфрам - малоуглеродистая або нержавіюча сталь в середовищі аргону або гелію
Дуга, що горить між вольфрамовим електродом і маловуглецевої сталлю, має прозорий стовп з ніжно-блакитним відтінком в атмосфері гелію і майже білий - в аргоні. В результаті дії дуги в основному матеріалі утворюється увігнута ванночка розплавленого металу із дзеркальною поверхнею.
Безпосередньо під електродом знаходиться характерне яскраве анодное полум'я дуги на розплавленому металі ванночки. Це яскраве анодное пляма, кілька відстаючи, супроводжує електрод при найвищій швидкості його переміщення. При дуже короткій дузі анодное пляма рухається іноді безпосередньо під електродом, що викликає падіння напруги приблизно на 2-3 в. Такий стан дуги нестійкий.
Внаслідок мінливості величини відставання анодного плями відбуваються коливання довжини дуги і, отже, напруги її горіння. Тому, досліджуючи залежність напруги дуги від її довжини, за довжину дуги умовно приймають відстань між кінчиком електрода і виробом.
Зовнішній вигляд дуги між вольфрамом і нержавіючої сталлю 18-8 в середовищі аргону чистотою 97% змінюється в залежності від полярності. У цьому випадку, коли вольфрамовий електрод є катодом, стовп дуги має різке обрис і форму усіченого конуса, що лежить більшою підставою на аноді. Чим більше довжина дуги і вище струм (звичайно, до певної межі), тим правильніше форма конуса і різкіше кордону стовпа. Коли вольфрам стає анодом, то форма стовпа не має певних обрисів. Лише дуже довга дуга має стовп з досить помітними межами його обриси.
Дуга з позитивним вольфрамовим електродом менш стійка, а граничне значення струму обмежується 100 а при діаметрі електрода 3 мм. При негативної полярності на вольфрамовому електроді краплі з нього не стікають при збільшенні струму до 190 а і стійкість дуги підвищується.