Моделіст-конструктор 1998 №4
Переваги зварювальних апаратів постійного струму перед їх переміннострумовими побратимами загальновідомі. Це і м'яке запалення дуги, і можливість з'єднувати тонкостінні деталі, і менше розбризкування металу, і відсутність ділянок, що не проварюються. Навіть набридливого (і, як з'ясувалося, шкідливого на людей) тріску немає. А все тому, що відсутня головна, властива зварювальним апаратам змінного струмуособливість - переривчасте горіння дуги при перетіканні синусоїди напруги через нуль (рис.1).
Рис. 1. Графіки, що пояснюють процес зварювання на змінному (а) та постійному (б) струмі.
Переходячи від графіків до реальних конструкцій, не можна також не відзначити: в апаратах змінного струму для поліпшення та полегшення зварювання застосовують потужні трансформатори (магнітопровід - із спеціального електротехнічного заліза з крутопадаючою характеристикою) і явно завищена напруга у вторинній обмотці, що сягає 80 В, хоча для підтримки горіння дуги та наплавлення металу в зоні зварювання достатньо 25-36 В. Доводиться миритися з непомірно великими масою та габаритами апарату, підвищеним витрачанням електроенергії. Зменшивши ж напругу, що трансформується в вторинний ланцюг, До 36 В, можна в 5-6 разів полегшити вагу «зварювальника», довести його розміри до розмірів переносного телевізора з одночасним поліпшенням інших експлуатаційних показників.
Але як при низьковольтній обмотці запалити дугу?
Рішенням стало введення у вторинний ланцюг діодного моста з конденсатором. В результаті напругу на виході модернізованого зварювальника вдалося збільшити майже в 1,5 рази. Думка фахівців підтверджена на практиці: при перевищенні 40-вольтного бар'єру постійного струму дуга легко запалюється і горить стійко, дозволяючи зварювати навіть тонкий кузовний метал.
Рис. 2. Принципова електрична схемазварювального апарату постійного струму.
Останнє, втім, легко зрозуміле. З введенням у схему великої ємності характеристика зварювального апарату також виходить крутопадаючою (рис. 3). Початкова підвищена напруга, що створюється конденсатором, полегшує запалення дуги. А коли потенціал на зварювальному електроді впаде до трансформатора U2 (робоча точка «А»), виникне процес стійкого горіння дуги з наплавленням металу в зоні зварювання.
Рис. 3. Вольт-амперна характеристика «зварювальника».
Рекомендований автором «зварювальник» можна зібрати навіть у домашніх умовах, взявши за основу промисловий силовий трансформатор 220-36/42 (такі зазвичай використовують у системах безпечного освітлення та живлення низьковольтного заводського обладнання). Переконавшись у цілості первинної обмотки, що містить, як правило, 250 витків ізольованого дроту перерізом 1,5 мм 2 перевіряють вторинні. Якщо їх стан неважливий, всі (за винятком справної обмотки) без жалю видаляють. А в просторі, що звільнився, намотують (до заповнення «вікна») нову вторинну обмотку. Для трансформатора, що рекомендується, потужністю 1,5 кВА це 46 витків мідної або алюмінієвої шини перетином 20 мм 2 з добротною ізоляцією. Причому як шина цілком підійде кабель(або кілька свитих у джгут ізольованих одножильних проводів) загальним перерізом 20 мм 2 .
ВИБІР ПЕРЕЧЕННЯ ЕЛЕКТРОДІВ В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ПОТУЖНОСТІ ТРАНСФОРМАТОРА
Випрямний міст можна зібрати з напівпровідникових діодів із робочим струмом 120-160 А, встановивши їх на тепловідведення-радіатори 100x100 мм. Розмістити такий міст найзручніше в одному корпусі з трансформатором і конденсатором, вивівши на передню текстолітову панель 16-амперний вимикач, вічко сигнальної лампочки «Увімк.», а також клеми «плюс» та «мінус» (рис.4). А для підключення до тримача електрода і землі використовувати по відрізку одножильного кабелю відповідної довжини перетином по міді 20-25 мм 2 . Що ж до самих зварювальних електродів, їх діаметр залежить від потужності використовуваного трансформатора.
Рис. 4. Саморобний апарат для зварювання на постійному струмі.
І ще. При випробуваннях рекомендується, відключивши апарат (хвилину через 10 після зварювання) від мережі, перевірити теплові режими трансформатора, діодного моста та конденсатора. Лише переконавшись, що все гаразд, можна продовжити роботу. Адже перегрітий «зварювальник» - джерело підвищеної небезпеки!
З інших вимог не зайве, думається, відзначити, що зварювальний апарат має бути укомплектований іскросвітлозахисною маскою, рукавицями та гумовим килимком. Місце, де виконуються зварювальні роботи, обладнується з урахуванням вимог протипожежної безпеки. До того ж треба простежити, щоб поряд не було ганчір'я, інших горючих матеріалів, а підключення «зварювальника» до мережі виконувати з дотриманням правил електробезпеки через потужний штепсельний роз'єм електрощитка на введенні в будівлю.
В.КОНОВАЛОВ, м.Іркутськ
Зварювання та зварювальне обладнання
Переваги зварювальних апаратів постійного струмуперед їх «переміннострумовими побратимами» загальновідомі. Це і м'яке запалення дуги, і можливість з'єднувати тонкостінні деталі, і менше розбризкування металу, і відсутність ділянок, що не проварюються. Навіть набридливого (і, як з'ясувалося, шкідливого на людей) тріску немає. А все тому, що відсутня головна, властива зварювальним апаратам змінного струму особливість - переривчасте горіння дуги при перетіканні напруги синусоїди через нуль (рис.1).
Переходячи від графіків до реальних конструкцій, не можна також не відзначити: в апаратах змінного струму для поліпшення та полегшення зварювання застосовують потужні трансформатори (магнітопровід - із спеціального електротехнічного заліза з крутопадаючою характеристикою) і явно завищена напруга у вторинній обмотці, що сягає 80 В, хоча для підтримки горіння дуги та наплавлення металу в зоні зварювання достатньо 25-36 В. Доводиться миритися з непомірно великими масою та габаритами апарату, підвищеним витрачанням електроенергії. Знизивши ж напруга, що трансформується у вторинний ланцюг, до 36 В, можна в 5-6 разів полегшити вагу «зварювальника», довести його розміри до розмірів переносного телевізора з одночасним поліпшенням інших експлуатаційних показників.
Але як при низьковольтній обмотці запалити дугу?
Рішенням стало введення у вторинний ланцюг діодного моста з конденсатором. В результаті напругу на виході модернізованого зварювальника вдалося збільшити майже в 1,5 рази. Думка фахівців підтверджена на практиці: при перевищенні 40-вольтного бар'єру постійного струму дуга легко запалюється і горить стійко, дозволяючи зварювати навіть тонкий кузовний метал.
Останнє, втім, легко зрозуміле. З введенням у схему великої ємності характеристика зварювального апарату також виходить крутопадаючою (рис. 3). Початкова підвищена напруга, що створюється конденсатором, полегшує запалення дуги. А коли потенціал на зварювальному електроді впаде до трансформатора U2 (робоча точка «А»), виникне процес стійкого горіння дуги з наплавленням металу в зоні зварювання.
Рекомендований автором «зварювальник» можна зібрати навіть у домашніх умовах, взявши за основу промисловий силовий трансформатор 220-36/42 В (такі зазвичай використовують у системах безпечного освітлення та живлення низьковольтного заводського обладнання). Переконавшись у цілості первинної обмотки, що містить, як правило, 250 витків ізольованого дроту перерізом 1,5 мм 2 перевіряють вторинні. Якщо їх стан неважливий, всі (за винятком справної обмотки) без жалю видаляють. А в просторі, що звільнився, намотують (до заповнення «вікна») нову вторинну обмотку. Для трансформатора, що рекомендується, потужністю 1,5 кВА це 46 витків мідної або алюмінієвої шини перетином 20 мм 2 з добротною ізоляцією. Причому як шина цілком підійде кабель (або кілька свитих у джгут ізольованих одножильних проводів) загальним перерізом 20 мм 2 .
ВИБІР ПЕРЕЧЕННЯ ЕЛЕКТРОДІВ В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ПОТУЖНОСТІ ТРАНСФОРМАТОРА
Випрямний міст можна зібрати з напівпровідникових діодів із робочим струмом 120-160 А, встановивши їх на тепловідведення-радіатори 100x100 мм. Розмістити такий міст найзручніше в одному корпусі з трансформатором і конденсатором, вивівши на передню текстолітову панель 16-амперний вимикач, вічко сигнальної лампочки «Увімк.», а також клеми «плюс» та «мінус» (рис.4). А для підключення до тримача електрода і землі використовувати по відрізку одножильного кабелю відповідної довжини перетином по міді 20-25 мм 2 . Що ж до самих зварювальних електродів, їх діаметр залежить від потужності використовуваного трансформатора.
І ще. При випробуваннях рекомендується, відключивши апарат (хвилину через 10 після зварювання) від мережі, перевірити теплові режими трансформатора, діодного моста та конденсатора. Лише переконавшись, що все гаразд, можна продовжити роботу. Адже перегрітий «зварювальник» - джерело підвищеної небезпеки!
З інших вимог не зайве, думається, відзначити, що зварювальний апарат має бути укомплектований іскросвітлозахисною маскою, рукавицями та гумовим килимком. Місце, де виконуються зварювальні роботи, обладнується з урахуванням вимог протипожежної безпеки. До того ж треба простежити, щоб поряд не було ганчір'я, інших горючих матеріалів, а підключення «зварювальника» до мережі виконувати з дотриманням правил електробезпеки через потужний штепсельний роз'єм електрощитка на введенні в будівлю.
В.КОНОВАЛОВ, м.Іркутськ
Моделіст-конструктор 1998 №4
Джерела ПОСТОЯ1ПЮГО струму. Для дугового зварювання на постійному струмі застосовують генератори чи випрямлячі. Генератор постійного струму перетворює механічну енергіюв електричну. Під час роботи генератор хіба що відсмоктує електрони від позитивного полюса (анода «+») і переміщає до негативному полюсу (катоду «-»). Недолік електронів на аноді та їх надлишок на катоді створюють напругу чи різницю потенціалів. Для отримання постійного струму широко застосовують і зварювальні випрямлячі, дія яких заснована на здатності деяких напівпровідників пропускати змінний струм тільки
одному напрямку. Для зварювання один із полюсів джерела постійного струму гнучким кабелем з'єднують через електродотримач з вільною від покриття ділянкою електрода. Другий полюс джерела струму з'єднують з виробом, що зварюється. Схема з'єднання виріб-генератор-електрод наведена на рис. 15.
При працюючому генераторі та розімкнутому ланцюгу струм не тече, а напруга між виробом та електродом (напруга холостого ходу) максимально і обмежується лише нормами техніки безпеки. Якщо електричний ланцюгзамкнути, щільно притиснувши електрод до виробу, напруга знизиться до нуля, а сила струму буде максимальна.
Напруженість електричного поля. При наближенні електрода до виробу, що зварюється, між протилежно зарядженими виробом і електродом встановлюється певна взаємодія, яка характеризується напруженістю електричного поля Е. Напруженість Е буде тим вище, чим більша різниця потенціалів між електродом і виробом і чим менша відстань між ними. Але практика показує, що при наближенні електрода до виробу без контакту навіть мінімальна відстань струм не потече. Це доводить, що між електродом і виробом заряджені частинки відсутні, а електрони, що перебувають у надлишку на катоді, не в змозі безперешкодно вийти з металу, незважаючи на порівняно високу напруженість електричного поля.
Вихід електронів. Силами, які утримують електрони у металі, є колективна дія позитивних зарядів, що у ядрах атомів металу. Для подолання цих сил та вилучення електронів з металів необхідно витратити певну роботу - роботу виходу електрона (р. Для різних металів вона різна:
Метал Робота виходу електрона, еВ
К................................................. .................................................. ............ 2,02
Na................................................. .................................................. .......... 2,12
Са................................................. .................................................. .......... 3,34
АІ................................................. .................................................. ........... 3,74
Сі................................................. .................................................. .......... 4,47
Сг................................................. .................................................. .......... 4,51
Fe................................................. .................................................. .......... 4,79
Ni................................................. .................................................. ........... 4,84
Як правило, наявність оксидних плівок на металах суттєво знижує роботу виходу.
Запалювання електричної дуги. Дугу запалюють короткочасним торканням виробу, що зварюється електродом або цвірканням його торцем об поверхню металу (рис. 16). У момент зіткнення через місця контакту піде струм великої сили. Оскільки пло-
Гцадь контакту мала, то через неї потече струм високої щільності. Це призведе до виділення теплоти, достатньої для розплавлення та часткового випаровування металу у місці контакту.
Наступний відрив електрода від виробу станеться миттєво. У процесі відриву відстань від виробу до електрода поступово збільшуватиметься. В якусь мить відстань станста достатня для досягнення напруженості електричного поля, що забезпечує вихід електронів (емісію) з катода, тим більше, що робота їх виходу з розплавленого або нагрітого металу менше, ніж з холодного. Електрони, що звільнилися, спрямуються до анода, отримуючи енергію від електричного поля (анод притягує, катод відштовхує). Кількість цієї енергії залежить від різниці потенціалів виробу та електрода. Частина енергії електрони будуть передавати молекулам повітря або парам металу, розігріваючи їх до високої температури, а частина - на безперервне відтворення заряджених частинок, без чого електрична дуга не може існувати.
Іонізація елементів. Відомо, що у периферії позитивно заряджених ядер атомів перебувають електрони. Електрони, розташовані на зовнішній орбіті, пов'язані з атомом слабше, ніж на внутрішніх орбітах. Якщо ці електрони видалити, електронейтральність атома порушиться, він перетвориться на позитивно заряджений іон. Для іонізації атомів необхідно витратити певну роботу:
Елемент Робота іонізації, еВ
Цезій (Cs).............................................. ................................................. 3 ,88
Калій (К).............................................. .................................................. 4,30
Натрій (Na).............................................. ............................................ 5,11
Алюміній (А1).............................................. ........................................ 5,98
Кальцій (Са).............................................. ........................................... 6,11
Хром (Сг).............................................. .................................................. 6,76
Марганець (Мп).............................................. ........................................ 7,43
Нікель (Ni).............................................. ............................................... 7,63
Мідь (Сі).............................................. ................................................. 7 ,72
Залізо (Fe).............................................. .............................................. 7,83
Кремній (Si).............................................. ............................................ 8,15
Водень (Н).............................................. ........................................... 13,60
Кисень (О).............................................. ......................................... 13,60
Азот (N).............................................. .................................................. 14,52
Фтор (F).............................................. .................................................. 18,6
Маса іона металу, практично рівна масі нейтрального атома, у тисячі разів більша за масу електрона, наприклад для заліза - приблизно в сто тисяч разів. Тому при рівних значеннях кінетичної енергії mV2/2 електрона та іона швидкість електрона більш ніж у 300 разів перевищує швидкість іона заліза. У зв'язку з малою масою електрони при ударі будь-якої частинці можуть передати їй майже всю запасену енергію. У той самий час при ударі нейтрального атома таким самим атомом чи іоном може бути передано трохи більше половини запасеної енергії.
Прикатодна область зварювальної дуги. Область, що включає позитивний просторовий заряд і тягнеться до катода, називається областю прикатодної електричної дуги. Незважаючи на дуже малу довжину цієї області, в основному саме в ній утворюються елементарні електричні заряди, без яких електричний струму газах та парах неможливий.
У початковий момент відриву електрода від металу, на короткому шляху, електрон набуває великого запасу кінетичної енергії і лише частково витрачає на нагрівання газів і парів. Налітаючи на нейтральний атом, електрон здатний іонізувати його, тобто вибити з нього новий електрон. В результаті замість нейтрального атома та електрона з'являться позитивно заряджений іон та два електрони.
Численні випадки іонізації призводить до створення поблизу катода просторового позитивного заряду. В результаті між катодом і просторовим зарядом виникає різниця потенціалів, яка називається катодним падінням потенціалу UK.
Відстань від катода до просторового заряду вбирається у тисячної частки міліметра. Тому напруженість електричного поля між катодом та цим зарядом зможе забезпечити вихід нових електронів із катода.
Позитивні іони під впливом електричного поля безперервно рухаються до катода, досягнувши який передають йому свою кінетичну енергію і, захоплюючи електрони, перетворюються на нейтральні атоми. У цьому робота, витрачена на іонізацію, повертається як теплоти. Більша частинаенергії, що отримується катодом, витрачається на розплавлення металу.
Стовп зварювальної дуги. Частина електричної дуги, що безпосередньо примикає до прикатодної області, називається стовпом дуги.
У цій частині дуги, що має протяжність у кілька міліметрів, відбувається, в основному, перенесення електронів, що утворюються у катода. Витрата енергії на перенесення готових зарядів значно менше, ніж на їх освіту, тому напруженість електричного поля в стовпі дуги буде набагато менше, ніж у прикатодній області. Електрична енергіяу стовпі дуги витрачається, головним чином, на нагрівання газів та парів, через які рухаються електрони. При цьому на нейтральні частинки електричне поле не впливає, такі частинки безперервно йдуть зі стовпа дуги в навколишній простір, забираючи з собою отриману енергію. Частина енергії втрачається також на випромінювання та іонізацію дуже невеликої кількості атомів.
Температуру стовпа зварювальної дуги оцінюють 5000-6500 °С. За такої температури можлива термічна іонізація нейтральних атомів. Електрони, що утворюються, направляються до анода, як і електрони з прикатодної області, а позитивно заряджені іони рухаються до катода. Однак кількість елементарних зарядів, що утворюються у стовпі дуги, становить не більше одного відсотка від їх загальної кількості. Тому вони не істотно впливають на характеристики розплавлення металу електрода і виробу, що зварюється.
Пріанодна область. Ця область знаходиться між анодом та стовпом дуги. Її протяжність дещо більша за протяжну™ прикатодної області. У поверхні анода струм переносять лише електрони, що надходять, головним чином, зі стовпа дуги.
Утворення електронів та позитивних іонів у цій галузі відбувається у порівняно малій кількості поблизу анода внаслідок іонізації нейтральних атомів електронами з підвищеною енергією, що розганяються електричним полем. Позитивні іони, що виникають на межі прианодної області зі стовпом дуги, формують просторовий позитивний заряд, що перешкоджає руху електронів до анода. Тому між анодом і просторовим зарядом виникає різниця потенціалів, яка називається анодним падінням потенціалу U. d.
Напруженість електричного поля поблизу анода буде дуже значною, але менше напруженості поля у катода.
Електрони, розігнані електричним полем, передають аноду свою кінетичну енергію, а також повертають у вигляді теплоти роботу виходу електронів, що витрачається на їх вилучення з катода. Основна частина одержуваної енергії витрачається на нагрівання та розплавлення анода, а деяка - на випромінювання та на розігрів атмосфери, що оточує анод.
Рис. 17. Схема зміни напруги у зварювальній дузі: / д - Довжина дуги; 1К - довжина прикатодної області; 1С – довжина стовпа дуги; / а - Довжина прианодної області; UR – напруга на дузі; UK – катодне падіння потенціалу; UR – анодне падіння потенціалу; Uc - падіння потенціалу у стовпі дуги
Зі зіставлення явищ на катоді та аноді видно, що кількість електронів, що витрачаються катодом в одиницю часу на емісію та нейтралізацію позитивних іонів, дорівнює кількості електронів, що надходять на анод. Генератор струму ці електрони знову поставляються на катод.
З графіка зміни напруги в зварювальній дузі по всій її довжині (рис. 17) видно, що в області прикатодної напруга UK стрімко зростає. У зв'язку з малою протяжністю області та високим значенням UK напруженість має дуже велике значення Ек = UK/eK, що забезпечує вихід електронів з катода та їх подальший розгін до високої енергії, необхідної для іонізації атомів нейтральних. Протилежна ситуація у стовпі дуги, тому його напруженість Ес = Uc/ec матиме невелике значення.
У прианодной області струм переносять електрони, що надходять, головним чином, зі стовпа дуга. Лише невелика частина їх утворюється поблизу анода при іонізації нейтральних атомів. На це витрачається менша кількість енергії, ніж у прикатодній області. Тому падіння напруги визначають масою металу, наплавленого в процесі зварювання за 1 год, що припадає на силу струму в 1 А, характеризуючи таким чином питому продуктивність зварювання. Коефіцієнт наплавлення істотно залежить від складу покриття та полярності, на якій виконують зварювання. Інший нормованої характеристикою електродів є їх витрата - маса (кг), необхідна отримання 1 кг наплавленого металу. Наведені дві характеристики необхідні при виборі марки та необхідної кількості електродів для виконання зварювальних та навантажувальних робіт.
Ще однією характеристикою електродів є коефіцієнт розплавлення ар. Його значення визначають масою розплавленого електрода в грамах за 1 год при проходженні струму в 1 А. Для визначення впливу різних факторів на швидкість плавлення електродів коефіцієнт розплавлення більш придатний, ніж коефіцієнт наплавлення, так як при його розрахунку не враховують втрати металу на чад і бризки.
У табл. 14 наведені дослідні дані про вплив тонкого покриття з різних речовин, нанесених на стрижні з низьковуг - леродистої сталі, значення коефіцієнта розплавлення при зварюванні на прямій і зворотній полярності. З таблиці видно, що при зварюванні на прямій полярності (на електроді (-)) коефіцієнт розплавлення істотно залежить від виду компонента, що становить покриття електрода. При зварюванні на обрат-
ної полярності (на електроді (+)) цей коефіцієнт змінюється значно менше.
У зв'язку зі складністю та неповною вивченістю питання зупинимося лише на основних, найімовірніших причинах виявленої закономірності. Зазначимо, що низка речовин, нанесених на катод, суттєво знижує роботу виходу електронів. До таких речовин відносять плівки оксидів металів, насамперед - лужноземельних металів. Наближено оцінимо баланс (прихід та витрата) теплоти на катоді та аноді з урахуванням впливу речовин, нанесених на стрижень.
Катод отримує теплоту за рахунок кінетичної енергії позитивних іонів, розігнаних електричним полем, роботи, витраченої на іонізацію, яка частково повертається катоду при захопленні іонами електронів з катода. Катод віддає теплоту «гарячим» електронам, що виходять з нього, мають великий запас енергії. Вихід таких електронів охолоджує катод.
За наявності на катоді плівок, що знижують роботу виходу електрона, для вилучення електронів з катода необхідно менше катодне падіння потенціалу. Отже, знадобиться менший просторовий позитивний заряд, складений меншою кількістю позитивних іонів. Число позитивних іонів, що надходять на катод, і енергія кожного з них зменшуватимуться, що призведе до зниження коефіцієнта розплавлення електрода.
Припустимо, що на електрод нанесено покриття, що містить атоми елементів, на іонізацію яких потрібно витратити малу кількість роботи. Вочевидь, що менша робота потрібно на іонізацію атомів, то менше її кількість отримає катод під час переходу іонів в нейтральні атоми. Важливо відзначити, що чим більша маса кожного з позитивних іонів, тим повільніше вони рухатимуться до катода і тим менша їх кількість буде потрібно для формування необхідного просторового заряду. Тому наявність у покритті електродів речовин, атоми яких мають велику масу, вимагають малих витрат роботи на іонізацію і знижують роботу виходу електронів, що призводить до різкого зменшення коефіцієнта розплавлення електродів при зварюванні на прямій полярності. Як очевидно з табл. 14 такими речовинами є вуглекислий барій і особливо вуглекислий цезій, атоми якого майже в 2,5 рази масивніше атомів заліза, а робота на іонізацію складає всього 3,88 еВ.
Якщо атоми металу стрижня вимагають для іонізації менше енергії, ніж атоми покриття, то вони іонізуватимуться в першу чергу, що визначає значення СХр. Тут проявляється принцип мінімуму: електрична дуга горить за мінімально можливої витрати енергії.
Анод отримує теплоту за рахунок кінетичної енергії електронів, розігнаних електричним полем, та роботи виходу електронів, що повертається аноду. Якщо теплота, що витрачається електродом, коли він є катодом, залежить від співвідношення енергій, що отримується і віддається, то при зварюванні на зворотній полярності електрод енергію тільки отримує. Тому можливостей для варіації кількості теплоти буде менше.
Наявність в атмосфері дуги атомів із низьким значенням роботи їхньої іонізації знизить анодне падіння потенціалу. Тому електрони прийдуть на анод із меншим запасом енергії, що зменшить швидкість плавлення електрода. Однак у зв'язку з порівняно малим значенням просторового заряду перед анодом коефіцієнт розплавлення знизиться меншою мірою, ніж при зварюванні на прямій полярності.
Зварювання на змінному струмі. Більшість електродів, що випускаються, призначена для зварювання на змінному струмі, що пов'язано з низькою вартістю та економічністю застосовуваного для цієї мети обладнання. Розглянемо особливості зварювальної дуги змінного струму та деякі заходи підвищення стабільності її горіння.
При зварюванні на змінному струмі дуга згасає в кінці кожного ітолуперіоду, а на початку наступного напівперіоду має збуджуватися знову. У зв'язку з періодичною зміною напряму течії струму електрод поперемінно стає то анодом, то катодом. При промисловій частоті (50 Гц) проміжок часу між двома послідовними згасаннями дуги дорівнює тривалості одного напівперіоду та становить 0,01 с. За цей час дуга має виникнути, розвинутися та згаснути знову. Безпосередньо після згасання дуги у міжговому проміжку залишаються ще позитивні іони та електрони. Крім цього, з розплавленого торця електрода та з поверхні зварювальної ванни, нагрітих до високої температури, вилітає мала кількість електронів, енергія яких усередині металу перевищує роботу виходу (термоелектронна емісія).
Одночасна присутність у міжговому проміжку електричних зарядів протилежних знаків знижує швидкість їхнього розсіювання у зв'язку з наявністю взаємного тяжіння.
Якщо до моменту виникнення та наростання напруги заряджені частинки (особливо позитивні іони) збережуться у дуговому проміжку у достатній кількості, то електрична дуга легко виникне та розвинеться. Це відбувається так: електрони прямують до новоствореного анода, нагріваючи при цьому атмосферу дуги, а позитивно заряджені іони прямують до катода і, формуючи просторовий позитивний заряд, забезпечують вихід електронів з катода. Далі все відбуватиметься так, як це спостерігається в процесі початкового збудження дуги при зварюванні на постійному струмі. Подібний механізм повторного збудження та горіння дуги має місце при зварюванні на змінному струмі електродами з рутиловим покриттям, до складу якого входять оксиди калію та інші елементи, що легко іонізуються.
Якщо на момент наростання напруги після переходу струму через нуль концентрація заряджених частинок (особливо позитивних іонів) буде недостатня, то дуга зможе збудитися знову. Це відбувається, наприклад, при спробі зварювання голими електродами (стрижнями).
Виходячи з викладеного, видно, що стабільність зварювальної дуги буде підвищуватися при введенні в покриття елементів, що легко іонізуються, а також при збільшенні діаметра електродів або сили зварювального струму. Останнє пов'язано з тим, що підвищення потужності дуги призводить до зростання її температури, а отже, до часу існування позитивних іонів.
Протилежно вплив атомів елементів-деіонізаторів, що мають спорідненість до електронів і здатні утворювати досить стійкі негативні іони. Спорідненістю до електрона називають кількість енергії, що виражається зазвичай в електрон-вольтах, що виділяється при приєднанні електрона до нейтрального атома. Зворотне розкладання негативного іона на нейтральний атом і електрон потребує витрати такої кількості роботи (енергії).
Нижче наведено спорідненість ряду елементів до електрона:
Елемент Спорідненість до електрона, ев
З 1................................................. .................................................. .........."..3,7
F................................................. .................................................. ............... 3,6
Вг................................................. .................................................. .............. 3,5
Si................................................. .................................................. .............. 1,8
О................................................. .................................................. ............... 1,5
Механізм виникнення атомів елементів-деіонізаторів наступний: під час переходу струму через нуль дію електричного поля припиняється. Електрони, що перебувають у міжміжньому проміжку, в результаті численних зіткнень з різними частинками швидко втрачають енергію і, зустрічаючись з атомами елементів-деіонізаторів, приєднуються до них з виділенням енергії зв'язку. В результаті замість легких та рухомих електронів утворюються масивні негативно заряджені іони.
Чим більша спорідненість атома до електрона, тим більша можливість утворення негативного іона. Зазначимо, що з високих швидкостях електронів ймовірність утворення негативних іонів дуже мала. Тому при дуговому розряді, що встановився (зварювання на постійному струмі), вони практично відсутні.
Розглянемо механізм зниження стабільності зварювальної дуги негативними іонами. Негативні іони утворюються в будь-якій ділянці міжміжного простору, зокрема, у катода, що знову виникає. Маючи в багато тисяч разів більшу масу, ніж електрон, вони почнуть повільно відходити від катода, на який на початку півперіоду буде подаватися напруга. При цьому дія просторового позитивного заряду, що формується з позитивних іонів, що залишилися, буде ще більше послаблюватися нейтралізуючим впливом негативних іонів. Тому напруженість поля в катода зможе забезпечити вихід необхідної кількості електронів, і дуга згасне.
Для виготовлення електродів з основним покриттям з металургійних міркувань широко використовують плавиковий шпат (CaF2) як плавиковошпатового концентрату. При високій температурі зварювальної дуги він частково дисоціює з виділенням фтору. При зварюванні на постійному струмі це не впливає на стабільність дуги. Однак при зварюванні на змінному струмі достатньо ввести в покриття 2-4% плавикового шпату, щоб стабільність горіння дуги суттєво знизилася. Вказану обставину необхідно враховувати практично.
Для полегшення початкового збудження зварювальної дуги у сучасному електродному виробництві часто використовують іонізуючі покриття, що наносяться на оголений торець електрода.
Електроди постійного та змінного струму зовні не відрізняються. Але з заводу вже вказано для яких струмів вони розроблені, а саме це стрижень електрода та покриття, полярності та положення при яких можна виконувати зварювання, рекомендований струм при зварюванні тих чи інших металів. У чому основні відмінності змінного та постійного струму. У тому що на електрод при зварюванні подається струм або змінно з якоюсь частотою, саме це 50 герц або завжди. Візьмемо, наприклад, електроди уоні. Вони призначені для постійного струму. Якщо взяти і спробувати варити змінним, то вони будуть прилипати або дуга буде гуляти або зовсім не буде стабільної дуги.
Давайте розглянемо постійний і змінний струм.. Починатиму зі змінного так як це буде найпростіше зрозуміти.
І тому що у нас працює змінний струм і постійний при зварюванні електродом. Я намалюю наочно.
А тепер подивимося як надходить до нас змінний струм у будинки. Всі знають, що є фаза і є нуль. Нуль це як мінус, але не зовсім так. Ну та гаразд розглянемо фазу змінного струму і як вона працює. Змінний струм то він є то його немає то він знову є.
Як бачимо змінний струм то в один бік зростає то в іншу (червона лінія показано як зростає то в одну то в іншу) тобто змінюється струм. Ось чому при зварюванні електродами змінним струмом розбризкування більше . Ну а постійний струм теж як і змінний тільки пропустивши через випрямляч ( тому його так називають тому що він випрямляє струм, який на графіку) ми отримуємо кілька змінних струмів які працюють синхронно та утворюю постійний струм.
З цього можна зробити висновок, що якісне зварювання вийде при зварюванні постійним струмом. Напевно не всім зрозуміло, що це на графіці зображено. Відповідаю на запитання, чим відрізняються електроди постійного струму від змінного. Наприклад електродами МР-3С можна варити як змінним так і постійним струмом будь-якої полярності. А ось вони наприклад тільки постійним і тільки допускається зворотною полярністю. Скажу від себе беремо електроди для змінного струму і варимо постійним і нічого не боїмося.Багатьма марками електродів можна варити постійним струмом, а змінним потрібно дивитися. Тепер