Баланс энергии и выделение теплоты в дуговом промежутке

 

Источник: Чернышов Г.Г. Технология электрической сварки плавлением: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Г. Г. Чернышов. — 2-е изд., перераб. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — 496 с.

 

Обычные дуги с металлическими электродами имеют низкую (менее 3 000...4 000 К) температуру катода T_к, близкую к температуре кипения металла электродов, и высокую плотность тока в катодном пятне дуги (j = 10²А/мм²). Наблюдается блуждание и неустойчивость катодного пятна на оплавленном торце электрода.

Катодное падение напряжения U_K соизмеримо с U_i паров металла (10...20 В). Анодное падение напряжения U_a (2...3 В), мало зависит от свойств металла электродов. Температура столба дуги составляет около 5 000 К.

Для дуги с вольфрамовым катодом характерна сравнительно высокая его температура (T_к ≥ 4000...5000 К) при плотности тока на катоде j < 10³ А/мм², величина U_K меньше U_i газовой среды, анодное падение напряжения U_a составляет 3...4 В, а температура столба дуги достигает 15000 К.

Энергетическая структура дуги может быть представлена следующим образом. Дугу условно рассматривают как равновесную систему, состоящую из трех источников теплоты: катодного, анодного и столба дуги. Ток во всех зонах разряда условно считается электронным. Баланс энергии определяют для каждой зоны дуги.

Для анода основные составляющие баланса таковы. Поступление энергии связано с потенциальной и кинетической энергией электронов, а также конвективной и лучистой теплопередачей от столба плазмы, расход — с плавлением, излучением и теплоотводом в материал анода. Для катода поступление энергии обусловлено кинетической и потенциальной энергией ионов и теплопередачей от столба плазмы, расход — теплоотводом в материал катода и затратами энергии на работу выхода электронов, которые уносят в столб потенциальную энергию, соответствующую высоте ф энергетического барьера, и кинетическую энергию 2кТ, соответствующую температуре Т плазмы столба.

Теплота W_K и W_a, выделяющаяся в катодной и анодной областях, затрачивается на нагрев, плавление и испарение соответствующих электродов. На катоде не вся поступающая энергия U_K переходит в теплоту. Часть её, равная φ + 2кТ, уносится электронами в плазму. На аноде, наоборот, потенциальная φ и кинетическая 2кТ энергия электронов прибавляется к энергии, определяемой анодным падением напряжения.

Иногда теплоту, выделяющуюся на катоде (W_к) и аноде (W_a), оценивают через эффективное падение напряжения U^э:

 

W_K =  =U_K-(  + 2кТ), W_a =  = U_a(φ + 2кТ).

 

Следовательно, в анодной области дуги выделяется больше энергии, чем в катодной. Это необходимо учитывать при выборе полярности электрода и изделия при сварке на постоянном токе.

На выделение теплоты в столбе дуги влияет длина дугового промежутка и напряженность электрического поля Е. Величина Е, зависящая от теплофизических свойств среды и силы тока в дуге, максимальна в среде водяного пара (Е = 6,0...8,0 В/мм) и минимальна в вакууме (Е = 0,2...0,4 В/мм).

Выделение теплоты в дуговом промежутке при различных способах сварки подвержено влиянию многих физических параметров. Рассмотрим выделение теплоты в дуге для некоторых основных методов сварки.

Ручная дуговая сварка обычно осуществляется электродами диаметром 2...6 мм на постоянном или переменном токе силой 100...300 А при плотностях тока по сечению электрода до 20 А/мм². Поверхность катода является сложной системой из расплавленного металла и шлаковых плёнок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыканиями. КПД дуги, определяющий её эффективную тепловую мощность, приблизительно равен 75% (рис. 2.6, а). Мощность в столбе дуги составляет 7...30% общей мощности дуги. Остальная мощность выделяется в при- электродных областях.

Пары веществ-ионизаторов из обмазки электрода попадают в зону катода, понижают работу выхода электронов, что уменьшает катодное падение напряжения, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в целом. Анодное падение напряжения изменяется незначительно и составляет в дугах с металлическими электродами (2,5 ± 0,5) В. Ионизаторы уменьшают мощность, выделяющуюся в приэлектродных областях. Производительность расплавления металла при этом обычно снижается.

Дуга под флюсом отличается от открытой сварочной дуги в первую очередь тем, что газовый разряд происходит в изолированном расплавленным шлаком пространстве с повышенным давлением (около 3 кПа при токе 500 А). Флюсовая защита позволяет значительно повысить силу тока по сравнению со сваркой открытой дугой (до 1 кА и более), мощность дуги и плотность тока на электродах (до 200 А/мм² и выше).

Перенос металла в дуге под флюсом мелкокапельный без коротких замыканий и пиков тока и напряжения. Существенная доля приходится на перенос электродного металла паром. Капли обычно пористые (плотность 2...5 г/см³ вместо 7,8 г/см³ для стали). Число мелких капель достигает 60...70% их общего числа. Температура дуги составляет 5000...7000 К. Высокая устойчивость процесса позволяет применять переменный ток. Неодинако-

 

Рис. 2.6 – Примерная диаграмма баланса энергии:

а — ручная дуговая сварка: I = 200 A; U = 26 В; б — дуга под флюсом:  = 1000 A; U = 36 В, V_CB = 26 м/ч

 

вый теплоотвод от электрода и изделия обусловливает некоторую асимметрию тока в дуге под флюсом, однако вентильный эффект мал, и специальных устройств для его устранения не требуется. Процесс сварки под флюсом отличается высоким КПД, достигающим 80% (рис. 2.6, б).

Металлическая дуга в защитных газах используется при сварке на постоянном токе обратной полярности при пологой или пологопадающей характеристике источника питания.

Дуговая сварка вольфрамовым электродом обычно ведется на постоянном токе прямой полярности (исключая сварку алюминия) от источника с круто падающей характеристикой. Дуги с вольфрамовым электродом могут иметь катодное пятно, но оно может и отсутствовать. Образованию пятна на катоде способствуют введение в вольфрам добавки тория, иттрия или лантана (обычно до1-2 %), лучший теплоотвод (меньший вылет) электрода и более острая заточка его рабочего конца.

Вольфрамовый электрод с ионизирующими добавками имеет по сравнению с электродом из чистого W пониженную температуру (рис. 2.7, а) и практически не оплавляется в широком диапазоне значений силы тока (100...400 А). Коническая вершина электрода сохраняет свою форму, что обеспечивает сжатие дуги у катода. Дуга с пятном имеет повышенное (примерно на 10%) напряжение и большую (на 10...20%) температуру столба.

Состав защитного газа также влияет на количество теплоты, выделяемой в дуге. По теплофизическим свойствам гелий существенно отличается от аргона: имеет высокую энергию ионизации (24,5 эВ вместо 15,7 эВ) и в 10—15 раз большую теплопроводность при температурах плазмы. Достаточная для существования дуги ионизация аргона наступает при температуре 16 000 К, в то время как ионизация гелия — при 25 000 К. Значительный средний градиент напряженности электрического поля Е в плазме гелия, достигающий 2 В/мм (в отличие от 0,8... 1,2 В/мм в аргоне), обусловливает высокое напряжение на дуге.

Вольт-амперные характеристики дуги с вольфрамовым электродом в аргоне, гелии и других инертных газах возрастающие (см. рис. 2.3, в). При малых мощностях значительная доля энергии (до 40 %) может выделяться на катоде и лишь 20... 30 % — на ано-

 

Рис. 2.7. Распределение температур относительно оси

вольфрамового катода в обычной (I) и плазменной (II) дугах (а) и вольт-амперные характеристики плазменной струи в различных газах (б):

1 — катод; 2 — сопло плазмотрона

 

де. Это связано с тем, что температура катода низка и на возбуждение эмиссии требуются большие затраты мощности источника. С увеличением силы тока доля катодной теплоты обычно уменьшается до 25 % и даже до 12%, а доля анодной теплоты достигает 80...85% общей мощности дуги.

Допустимые плотности тока для вольфрамовых электродов выше на постоянном токе прямой полярности (плотностью 20-30 А/мм²), примерно в 2 раза ниже на переменном токе и еще ниже (в 3 — 8 раз) при сварке на постоянном токе обратной полярности. Для электродов в гелии допустима меньшая плотность тока, так как температура гелиевой плазмы выше, чем аргоновой, и теплопередача на катод больше. С увеличением диаметра электрода допустимая плотность тока уменьшается примерно в обратной пропорции.

Плазменным принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. Дуга благодаря обжатию в канале сопла газовым потоком имеет большую скорость потока плазмы и температуру столба до 24 000 К и выше (см. рис. 2.7, а).

Плазменная струя образуется в канале горелки и стабилизируется стенками канала и холодным газом, отделяющим столб дуги от этих стенок. В качестве плазмообразующего материала обычно применяют газы (аргон, азот, гелий, водород, воздух, их смеси и др.), а также воду (в плазмотронах с водяной стабилизацией), что обеспечивает температуру плазмы до 50 000 К.

Иногда газы разделяют на плазмообразующие и защитные или транспортирующие. При раздельной подаче плазмообразующий газ поступает в зону катода, а защитный или транспортирующий газ — в зону столба или факела плазмы.

Для защиты катода и сопла от разрушения и перегрева наилучшим газом считается аргон, так как он химически инертен и имеет малую теплопроводность. Однако температура плазмы существенно зависит от свойств плазмообразующего газа: для Аr и Не Т = 15000...25000 К, что в 3 — 4 раза выше, чем для N₂ и Н₂ с T = 5000...7 000 К.

Гелий и водород при температуре 10 000 К обладают большой теплопроводностью и лучше других газов преобразуют энергию дуги в теплоту. Например, добавление к аргону водорода в объемном соотношении 2:1 позволяет повысить тепловую мощность струи почти в 2 раза по сравнению со смесью аргона с азотом в той же пропорции. Напряжение плазменной водородной дуги составляет 100... 120 В, что в 3 — 4 раза выше, чем у дуги в аргоне (рис. 2.7, б).

При охлаждении газа до температур диссоциации, большое количество теплоты может выделяться на изделии, повышая эффективность нагрева.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Каковы основные составляющие баланса для анода?

2. На что затрачивается теплота выделяющаяся в катодной W_K и анодной W_a областях?

3.