Сварочная электрическая дуга

Явление электрического дугового разряда и возможность использования тепла дуги для расплавления металлов были открыты и исследованы в 1802 г. академиком Василием Владимировичем Петровым.

 

В 1882 г. русский инженер Николай Николаевич Бенардос предложил использовать электрическую дугу для сварки металлов. Сущность этого метода (рис. 1, а) заключается в следующем: электрическая дуга 7 возбуждается и горит между угольным электродом 3 и изделием 1. Угольный электрод укрепляется в держателе 4, а дуга питается током от генератора 5. Под действием тепла дуги металл плавится; угольный электрод при этом почти не расходуется. При остывании и кристаллизации сварочной ванны образуется сварной шов, соединяющий обе детали 1. Иногда, особенно при сварке толстого металла, в ванну добавляют так называемый присадочный металл, для чего в дугу непрерывно подается металлический пруток или проволока 2.

Рис. 1. Схемы сварки: а — по способу Бенардоса; б - по способу Славянова

 

 

В 1886 г. русский инженер Николай Гаврилович Славянов разработал новый способ — сварку металлическим электродом (рис. 1, б). Сущность этого способа состоит в том, что дуга горит между металлическим электродом 2 и изделием 1. В этом случае плавящийся металлический электрод является одновременно и присадочным металлом.

Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд в сильно ионизированной среде, состоящей из положительных и отрицательных ионов и свободных электронов. Дуговой разряд характеризуется выделением большого количества теплоты и света. Температура сварочной дуги достигает 6000°С. Дуга состоит из трех областей — катодной, анодной и столбадуги.

 

Для упорядочения движения свободных электронов в металле и электронов, которые освобождаются на нагретой поверхности катода, создается электрическое поле путем подведения к дуговому промежутку соответствующей разности потенциалов.

 

Движущиеся в дуговом промежутке электроны взаимодействуют с нейтральными молекулами паров и газов и разделяют их на ионы и электроны. Схема движения электронов представлена на рис.2. Сорвавшийся с конца нагретого катода 1 (электрода — металлического или угольного) электрон 2 проходит через катодное пространство с высокой напряженностью поля по направлению к аноду 3. На пути следования электрона может встретиться атом (молекула) газа или атом какого-либо другого вещества (например, паров металла) и вступить с ним во взаимодействие. В результате нейтральная частица ионизируется

Рис.2. Схема процесса ионизаци дугового промежутка.

 

 

Тепловая мощность дуги может быть рассчитана по формуле:

 

q = 0,24 Uд ּ Iд кал/сек,

 

где Uд — падение напряжения на дуге, в вольтах; Iд — ток, в амперах; 0,24 — тепловой эквивалент электрической мощности.

 

На нагрев изделия расходуется около 50% тепловой мощно дуги, на нагрев электрода около 30% и в окружающую теряется примерно 20%. Таким образом, 75—85% всей мощности дуги расходуются на полезный нагрев и расплавление металл. При этом на катоде выделяется 30 ÷ 38%, на аноде — 42 — 43% от общего количества теплоты. Выделение тепловой энергии на электродах неодинаково, в связи с этим температура анода выше температуры катода.

Высокая температура электрической дуги и большая концентрация теплоты, выделяемой ею, позволяют почти мгновенно расплавлять небольшие объемы металлов изделия и электрода.В настоящее время в промышленности распространены следующие способы электродуговой сварки: ручная металлическими электродами со специальными покрытиями, автоматическая под плавленными и керамическими флюсами и сварка в среде защитных газов. Нанесенные покрытия на электроды, а также использование флюсов и защитных газов предотвращает контакт и взаимодействие расплавленного металла с окружающей атмосферой.