Какую дугу называют сварочной

Все о сварочной дуге

В современной промышленности сварка имеет большое значение, она имеет очень широкую область применения во всех отраслях промышленности. Для осуществления сварочного процесса необходима сварочная дуга.

Что такое сварочная дуга, ее определение

Сварочной дугой считается очень большой по величине мощности и длительности электрический разряд, который существует между электродами, на которые подано напряжение, в смеси газов. Ее свойства отличаются высокой температурой и плотностью тока, благодаря которым она способна расплавлять металлы, имеющие температуру плавления выше 3000 градусов. Вообще можно сказать, что электрическая дуга – это проводник из газа, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Электрическим зарядом называется прохождение электрического тока через газовую среду.

Существует несколько видов электрического разряда:

  • Тлеющий разряд. Возникает в низком давлении, применяется в люминесцентных лампах и плазменных экранах;
  • Искровой разряд. Возникает, когда давление равно атмосферному, отличается прерывистой формой. Искровому разряду соответствует молния, также применяется для зажигания двигателей внутреннего сгорания;
  • Дуговой разряд. Применяет при сварке и для освещения. Отличается непрерывистой формой, возникает при атмосферном давлении;
  • Коронный. Возникает, когда тело электрода шероховато и неоднородно, второй электрод может отсутствовать, то есть возникает струя. Применяется для очистки газов от пыли;

Природа и строение

Природа сварочной дуги не так уж и сложна, как может показаться на первый взгляд. Электрический ток, проходя через катод, затем проникает в ионизированный газ, происходит разряд с ярким свечением и очень высокой температурой, поэтому температура электрической дуги может достигать 7000 – 10000 градусов. После этого ток перетекает на обрабатываемый свариваемый материал. Так как температура настолько высока дуга выделяет вредное для человеческого организма ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, оно может навредить глазам или оставить световые ожоги на коже, поэтому при проведении сварочного процесса необходима надлежащая защита.

Строение сварочной дуги представляет собой три главные области: анодная, катодная и столб дуги. Во время горения дуги на катоде и аноде образуются активные пятна – области, в которых температура достигает самых высоких значений, именно через данные области проходит весь электрический ток, анодные и катодные области представляют собой более большие падения напряжения. А сам столб располагается между этими областями падение напряжения в столбе очень незначительно. Таким образом, длина сварочной дуги представляет собой сумму вышеперечисленных областей, обычно длина равна нескольким миллиметрам, когда анодные и катодные области, соответственно, равны 10-4 и 10-5 см. Самая благоприятная длина примерно равна 4-6мм, при такой длине обеспечивается постоянная и благоприятная температура.

Разновидности

Виды сварочной дуги отличаются схемой подвода сварочного тока и средой, в которой они возникают, наиболее распространенными вариантами являются:

  • Прямое действие. При таком способе сварочный располагается параллельно свариваемой металлической конструкции и дуга возникает под углом девяносто градусов по отношению к электроду и металлу;
  • Сварочная дуга косвенного действия. Возникает, когда используется два электрода, которые располагаются под углом 40-60 градусов к поверхности свариваемой детали, дуга возникает между электродами и сваривает металл;

Также существует классификация в зависимости от атмосферы, в которой они возникают:

  • Открытый тип. Дуга данного типа горит на воздухе и вокруг нее образовывается газовая фаза, содержащая пары свариваемого материала, электродов и их покрытий;
  • Закрытый тип. Горение такой дуги происходит под слоем флюса, в газовую фазу, образовавшуюся вокруг дуги входят пары металла, электрода и флюса;
  • Дуга с подачей газов. В горящую дугу подаются сжатые газы – гелий, аргон, углекислый газ, водород и другие различные смеси газов, подаются они для того, чтобы не окислялся свариваемый металл, их подача способствует восстановительной или нейтральной среде. В газовую фазу вокруг дуги входят – подающийся газ, пары металла и электрода;

Также различают по длительности действия – стационарная (для долгого применения) и импульсная (для однократного), по материалу используемого электрода – угольные, вольфрамовые – неплавящиеся электроды и металлические – плавящиеся. Самый распространенный плавящийся электрод – стальной. На сегодняшний день наиболее часто применяется сварка с неплавящимся электродом. Таким образом, виды сварочных дуг разнообразны.

Условия горения

При стандартных условиях, то есть температуре в 25 градусов и давлении в 1 атмосферу газы не способны проводить электрический ток. Для того, чтобы образовалась дуга необходимо, чтобы газы между электродами были ионизированы, то есть имели в своем составе различные заряженные частицы – электроны или ионы (катионы или анионы). Процесс образования ионизированного газа будет называться ионизацией, а работа, которую необходимо затратить на отрыв электрона у атомной частицы для образования электрона и иона – работой ионизации, которая измеряется в электрон-вольтах и называется потенциалом ионизации. Какую именно энергию необходимо затратить для отрыва электрона от атома зависит от природы газовой фазы, значения могут быть от 3,5 до 25 эВ. Самый маленький потенциал ионизации имеют металлы щелочной и щелочно-земельной группы – калий, кальций и, соответственно, их химический соединения. Такими соединениями покрывают электроды, для того, чтобы они способствовали устойчивому существованию и горению сварочной дуги.

Также для возникновения и горения дуги необходима постоянная температура на катод, которая зависит от природы катода, его диаметра, размера и температуры окружающей среды. Температура электрической дуги поэтому должна быть постоянной и не колебаться, благодаря огромным значениям силы тока температура может достигать 7 тысяч градусов, таким образом, сваркой можно присоединять абсолютно все материалы. Постоянная температура обеспечивается с помощью исправного источника питания, поэтому его выбор при конструировании сварочного аппарата очень важен, он оказывает влияние на свойства дуги.

Возникновение

Она возникает при быстром замыкании, то есть когда электрод соприкасается с поверхность свариваемого материала, из-за колоссальной температуры поверхность материала расплавляется, а между электродом и поверхность образуется небольшая полоса из расплавившегося материала. К моменту расхождения электрода и свариваемого материала образуется шейка из материала, которая моментально разрывается и испаряется из-за высокого значений плотности тока. Газ ионизируется и возникает электрическая дуга. Возбудить ее можно с помощью касания или чирканья.

Особенности

Она имеет следующие особенности по сравнению с другими электрическими зарядами:

  • Высокая плотность тока, которая достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр, благодаря чему достигается очень высокая температура;
  • Неравномерность распределения электрического поля в пространстве между электродами. Вблизи электродов падение напряжения очень велико, когда в столбе – наоборот;
  • Огромная температура, которая достигает самых больших значений в столбе из-за высокой плотности тока. При увеличении длины столба температура уменьшается, а при сужении – наоборот увеличивается;
  • С помощью сварочных дуг можно получать самые различные вольт-амперные характеристики – зависимости падения напряжения от плотности тока при постоянной длине, то есть установившемся горении. На данный момент существует три вольтамперные характеристики.

Первая – падающая, когда при увеличении силы и ,соответственно, плотности тока, напряжение падает. Вторая- жесткая, когда изменение силы тока никак не влияет на значение величины напряжения итретья – возрастающая, когда при увеличении силы тока напряжение также увеличивается.

Таким образом, сварочную дугу можно назвать самым лучшим и надежным способом скрепления металлических конструкций. Сварочный процесс оказывает большое влияние на сегодняшнюю промышленность, потому что только высокая температура сварочной дуги способна скреплять большинство металлов. Для получения качественных и надежных швов необходимо правильно и верно учитывать все характеристики дуги, следить за всеми значениями, благодаря этому процедура пройдет быстро и наиболее эффективно. Также необходимо учитывать свойства дуги: плотность тока, температуру и напряжение.

Что называют сварочной дугой и какие её характеристики?

Современная промышленная сфера подразумевает под собой сварочные процессы, которые используются в разных направлениях.

Для того чтобы провести эту работу качественно, надежно, быстро и без затрат особых усилий, необходимо разобраться в понятии сварочная дуга – что это такое, каковы её особенности и другие моменты, пригодившиеся в работе.

  1. Что собой представляет сварочная дуга?
  2. Природа и строение
  3. Разновидности
  4. Условия горения
  5. Итог

Что собой представляет сварочная дуга?

Характеризуется рассматриваемый элемент для сварки повышенной температурой, плотностью тока, за счет чего механизм может расплавить любой металл с температурой плавления больше, чем 3000 градусов.

Кроме этого данная деталь в сварочном инструменте выступает газовым проводником, c помощью которого преобразовывается тепловая энергия из электрической. Электрический заряд, в свою очередь, – это прохождение тока под напряжением сквозь газы.

Можно выделить несколько основных типов электрического заряда, при помощи которого происходит процесс горения:

  1. Тлеющий.
    Можно возникнуть из-за низкого давления. Используется для процесса освещения в люминесцентной лампе и плазменного экрана.
  2. Искровой.
    Появляется, после того, как давление сравняется с атмосферным. Имеет прерывистую форму. Механизм действия можно сравнить с молнией. Эксплуатируется для розжига двигателя внутреннего сгорания.
  3. Дуговой.
    Используется во время сварочных работ либо для простого освещения. Имеет непрерывистую форму, появляется за счет атмосферного давления.
  4. Коронный.
    Появляется в случае, если электрод структурно шероховатый, неоднородный, дополнительного электрода нет, иными словами появляется струйка. Используются для очистки газовой смеси от грязи и других инородных предметов.

Природа и строение

По своим особенностям, характеристика сварочной дуги и её природа достаточно легкие в понимании. Максимальная температура в электрическом рассматриваемом элементе для сварки может быть до 10 тысяч градусов.

Это получается за счет прохождения электрического тока через катоды, куда он попадает в ионизированный газ, а затем, после разряда с яркой вспышкой, дает возможность разогреться до необходимой температуры.

После ток попадает на металл, который подвергается сварке и дальнейшей обработке.

Поскольку температура достаточно большая, то данный элемент для сварки излучает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, которые является опасными для организма человека. От этого может нарушиться зрение, либо возникнуть сильный ожог на кожном покрове.

Чтобы защитить себя от негативных последствий необходимо изучить ее свойства, характеристики, а также обеспечить себя или мастера надежной защитой.

Ещё одним немаловажным аспектом является строение сварочной дуги. Вопрос о том, из скольких частей состоит сварочный элемент, достаточно интересный и познавательный. В первую очередь стоит отметить, что она обладает тремя главными зонами: анодной, катодной и столбом.

Когда горит механизм на катоде или аноде, появляются небольшого размера пятна – места, где температура имеет максимальное значение. Сквозь эти области и протекает электрический ток, а анодное и катодное места на поверхности подразумевают под собой пониженное действие напряжения.

Читайте также  Итальянские сварочные аппараты инверторного типа

Столб зачастую находится посреди этих локаций, и напряжение может незначительно спадать в нем. За счет этого сварочный элемент имеет длину, которая включает в себя все перечисленные области.

Самым оптимальным размером длины детали является 5 миллиметров, благодаря чему температура горения становиться постоянной, благоприятной и стабильной.

Разновидности

Существует несколько классификаций рассматриваемого элемента, которые имеют различные схемы подвода тока и среды, где он появляется.

Сварка дугой делится на следующие виды:

  1. С прямым действием.
    В данном случае оборудование устанавливается в параллель изделию из металла, которое необходимо сварить. Дуга, в свою очередь, становится под прямым углом по направлению к электродам и металлической поверхности.
  2. С косвенным действием.
    Появляется при использовании двух электродов, которые находятся от свариваемого изделия под углом в 50 градусов. Дуга появляется между электродом и свариваемым материалом.

Возникновение сварочной дуги.

Помимо этого, можно поделить по принципу атмосферы, где появляется сварочная дуга:

  1. Открытая сфера.
    Дуга может гореть на открытом пространстве с образованием газовой фазы, где содержится пар металла, электрода и поверхностей после обработки сварочным инструментом.
  2. Закрытая сфера.
    Дуга горит под флюсом. В газовой фазе возле дуги попадает пар материала, электродов и самого флюсового слоя.
  3. С подачей газовой смеси.
    В дуге могут находиться сжатый газ, такой как гелий, углекислый газ, водород, аргон и иные примеси газовых веществ. Они необходимы, чтобы свариваемая поверхность изделия не подвергалась окислению. Благодаря их подаче среда восстанавливается либо становиться нейтральной к внешним факторам. В дугу попадает газ, который подается для работы, пар от свариваемого изделия и электродов.

Помимо перечисленных классификаций можно также выделить виды по длительности действия:

  • классический используется для постоянной эксплуатации;
  • импульсный – для одноразового использования.

Также можно выделить разновидности в зависимости от материала, применяемого электрода – уголь, вольфрам, плавящийся либо неплавящийся электрод соответственно.

Одним из самых востребованных деталей является стальной, т.е. плавящийся электрод. Однако на сегодняшний день большинство профессионалов отдают предпочтение неплавящемуся, из чего можно сделать вывод, что типы рассматриваемых элементов достаточно различны между собой.

Условия горения

Со стандартными условиями температура в столбе сварочной дуги достигает 7000 градусов, в максимальном своем значении. Используя катод, необходимо добиться постоянной температуры, при которой будет возникать и горечь дуга. В этом случае также учитываются такие факторы, как диаметр, размер и температура окружающей среды.

Классификация сварочной дуги.

Важно следить за тем, чтобы значение не колебалось, благодаря чему можно сваривать абсолютно любой материал. Исправный источник питания – залог постоянного показателя температуры элемента, именно это дает влияние на свойство работы элемента.

Основные области сварочной дуги – это работа ионизированного газа, а также применение щелочной либо щелочно-земельной группы в виде калия или кальция, чтобы способствовать надежному и хорошему горению сварочной дуги. Вопрос, в какой среде может гореть сварочная дуга достаточно актуальный.

Необходимо учитывать много физических и химических факторов, уметь рассчитывать, сколько энергии затрачивается для отрыва электрона от атома, в зависимости от природы газового новообразования и т.д.

Исходя из всего сказанного, можно сделать вывод, что при сварке дуговой металлические конструкции скрепляются надежнее всего. Сварочные работы сильно влияют на промышленную сферу сегодняшнего дня, из-за возможности под высокой температурой сварочной дуги припаивать различные материалы друг к другу.

Чтобы получить качественный и надежный шов нужно задействовать силы, действующие в сварочной дуге, изучить всю её характеристику, понимать каждое значение плотности тока, температуры, напряжения, что даст возможность провести процедуру быстро и без трудностей.

Что такое электрическая дуга

Метод сварки используется людьми для герметичного соединения металлов уже больше века. Изучал его еще физик Вольт. Его работы были использованы в процессе создания первого сварочного аппарата. Генерируется электрический разряд в момент, когда между электродом и рабочей поверхностью образуется короткое замыкание. Подаваемая на сварочный аппарат электрическая энергия преобразуется в тепловую, в результате чего появляется ванна расплава. В таких условиях формируется на месте стыка образуется однородный металлический шов.

Со временем, детально проанализировав вольтамперные характеристики, ученые сделали сварку более совершенной. Были созданы современные устройства, которые отлично поддерживали стабильность сварочной дуги.

  • Что такое сварочная дуга
  • Строение и температура сварочной дуги
  • Виды сварочной дуги
  • Условия горения
  • Как образуется электрическая дуга и причины ее возникновения
  • Чем определяется мощность сварочной дуги
  • Вольт-амперная характеристика сварочной дуги
  • Особенности электрической дуги

Что такое сварочная дуга

Генерируемая сварочным аппаратом электрическая дуга представляет собой ни что иное, как состоящий из ионизированных частиц проводник. Он существует в определенном временном промежутке благодаря тому, что поддерживается электрическим полем. Такой разряд образуется в способной к ионизации газовой среде, характеризуется непрерывной формой и высокой температурой.

В учебных пособиях по сварочному делу данное явление определяется как электрический разряд в плазме длительного характера. Плазма является смесью защитных, ионизированных атмосферных газов в сочетании с испарениями от металлов, которые образуются под воздействием высокой температуры.

Строение и температура сварочной дуги

Разогреть металл до температуры плавления за очень короткое время можно, но для этого потребуется мощная электрическая дуга. Основные ее характеристики – вольтаж, ампераж и плотность потока заряженных частиц. Как электротехническое явление дуговой столб представляет собой проводник между полярными полюсами, состоящий из газовой среды. При этом он обладает большим сопротивлением и способен светиться.

Детальный анализ построения дуги помогает разобраться с течением температурного воздействия на металл. Сравнительно небольшая длина электрической дуг – 5 см, которые состоят из трех зон:

  • собственно, столб – это видимая светящаяся часть;
  • катодная – 1 микрон;
  • анодная – 10 микрон.

Поток свободных электронов определяет температуру сварочной дуги. Они формируются на катоде, который нагревается до 38% от температуры плазмы. В газовой среде отрицательные частички – электроны двигаются по направлению к аноду, в то время как положительные элементы направляются к катоду. Столб лишен какого-либо заряда и все время остается нейтральным.

Температура частиц внутри достигает 10 000 градусов Цельсия. Воздействуя на металл, они разогревают его до 2350 градусов. Точка входа электронов среди специалистов называется анодным пятном. По сравнению с катодным оно имеет температуру на 6% выше. Поскольку плазма генерирует ультрафиолетовые, световые и инфракрасные волны, то она находится в видимом для человека спектре. Но важно учесть, что данные волны вредны для человека: и для кожи, и для глаз. Поэтому для сварщиков были разработаны специальные средства защиты.

Виды сварочной дуги

Классифицируется сварочная дуга по нескольким параметрам. В зависимости от пространственного положения электрода и типу тока она бывает:

  • прямого действия. Разряд располагается перпендикулярно по отношению к рабочей поверхности и параллельно относительно электрода;
  • косвенного действия. Разряд образуется между электродом, который располагается относительно рабочей поверхности под углом 40-60 градусов и самим металлом.

По составу плазменный столб делится на:

  • открытый. Образуется в атмосферных газах. Питающей средой являются компоненты, испаряемые из обмазки и заготовки;
  • закрытый. Генерируется под флюсом при условии присутствия газообразной фазы, которая получается из частиц, испаряемых от металла, электрода и компонентов флюса;
  • с подачей инертного газа или другой защитной смеси.

Сварочная дуга отличается и в зависимости от применяемого расходного материала. В работах используются электроды:

  • тугоплавкие из вольфрама;
  • графитовые или угольные;
  • стальные с обмазкой, содержащей ионизирующие включения.

В зависимости от времени воздействия принято различать дугу постоянную и импульсную.

Условия горения

Сварочный процесс основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. Сварочный столб может удерживаться как угодно долго при условии быстрой ионизации газа. Свариваемые заготовки прогреваются, воздух вокруг них теплый и насыщен испаряемыми компонентами. Альтернативный метод – в рабочую зону специально подается газ, который может ионизироваться. Лучше всего ионизации поддаются частицы щелочноземельных и щелочных металлов. Они становятся активными сразу, как только начинает проходить ток.

Другое обязательное условие для поддержания сварочного столба – постоянная высокая температура на катоде. Ее значение зависит от химического состава и площади катода. Для этого требуется источник электричества. В условиях производства показатель температуры катодной области может доходить до 7 000 градусов.

Как образуется электрическая дуга

Сварочная дуга является ничем иным, как электрическим разрядом. Возникает она в случае замыкания цепи. В тот момент, когда электрод прикасается к поверхности свариваемого металла, начинает вырабатываться тепловая энергия в большом количестве. В точке соприкосновения металл начинает плавиться. Расплав притягивается к окончанию расходника, образуя тонкую шейку. Она почти что мгновенно распыляется под влиянием сильного электрического поля. В это время молекулы газа ионизируются, образуется защитное облако и обеспечивается свободное перемещение электродов.

Вид тока определяет направленность потока. Поджечь дугу можно на токе прямой и обратной полярности, переменном или постоянном. Частота, с какой дуга гаснет и разжигается напрямую зависит от выбранных сварщиком параметров тока.

Чем определяется мощность сварочной дуги

Основные факторы, оказывающие влияние на параметры мощности:

  • напряжение. Увеличение мощности сварки достигается за счет увеличения питающего напряжения. Но в сравнительно небольшом диапазоне значений. Есть определенные ограничения и по размеру расходных материалов;
  • сила тока. Прямая зависимость: чем больше показатель – тем стабильнее горит дуга;
  • величина напряжения плазмы находится в прямой зависимости от мощности.

Длиной дуги принято называть расстояние от электрода доя рабочей поверхности в момент выполнения сварочных работ. От данного показателя зависит величина продуцированного тепла.

Мощность дуги определяет скорость плавления металла. Данная характеристика имеет большое значение, поскольку от нее зависит скорость выполнения операций по соединению металлов. Силой тока меняется рабочая температура в зоне плавления. Даже длинная электрическая дуга не будет затухать при большой силе тока. Во время сварочных работ изменение настроек ампеража требуется очень редко.

Вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Выражают параметры питания. Данные позволяют определить:

  • время горения;
  • мощность дуги;
  • условия гашения.

Динамика вольтамперных показателей показывает изменение длины электрической дуги в период ее нестабильности. Статическая вольт-амперная характеристика дуги, наоборот, указывают на зависимость между напряжением и силой тока в период стабильности длины электродуги. Ее свойства выражены графиком, разделенным на три сектора:

  • падающий. В случае увеличения силы тока резко уменьшается напряжение. Связано это с образованием столба: возрастает площадь потока плазмы и изменяется показатель ее электропроводимости;
  • жесткий. Характерные особенности сектора – понижение напряжения при неизменной плотности тока. Наблюдается рост показателей силы тока в диапазоне значений 100-1000А. Прямо пропорционально увеличивается дуговой столб в диаметре. Помимо этого, изменяются анодное и катодное пятна;
  • растущий. Размер катодного пятна стабилен и зависит от диаметра электрода. При увеличении силы тока в большую сторону меняются показатели дугового столба.
Читайте также  Шлифовальный круг для дрели по дереву

Вольтамперные характеристики (ВАХ) ручной дуговой сварки с неплавящимися или плавящимися электродами не доходят до третьего сектора графика, а варьируются только в первых двух. Механизированная сварка, подразумевающая использование флюсов, описывается показателями графика второго и третьего сектора. Третий сегмент в полной степени соответствует сварке плавящимся электродом в защитной среде.

В случае использования сварочного аппарата в режиме переменного тока. В каждом полупериоде на пике розжига случается возбуждение сварочной дуги. При переходах через нулевую отметку электрическая дуга затухает. Прекращается нагрев активных пятен. Ионизация газов удерживается стабильной за счет испарений активных щелочных металлов, которые присутствуют в покрытии электродов. При работе на переменном токе труднее разжечь дугу в защитной среде, нежели в случае постоянного тока.

При выборе оборудования для выполнения конкретного вида работ важно учесть, что ВАХ электрической дуги напрямую зависят от внешних вольтамперных показателей. К примеру, для ручной дуговой сварки требуется питание с падающими характеристиками вольт-ампер (повышенное напряжение на холостом ходу). При этом специалист будет иметь возможность с помощью регулятора ампеража менять длину дуги.

Сила тока при коротком замыкании во время плавления электрода на 20-50% выше показателя силы тока дуги. Выполнение работ плавящимися электродами оптимально в случае использования дуги размыкания. Для того, чтобы разжечь электродугу угольным или вольфрамовым электродом, не помешает вспомогательный разряд.

Высокие показатели силы тока при коротком замыкании могут спровоцировать прожиг заготовки. Короткое замыкание имеет место в момент, когда падает капля расплава электрода. После этого показатели резко возвращаются к исходным значениям. Возрастает ампераж до уровня тока короткого замыкания, мостик, образовавшийся между металлом и электродом быстро перегорает, и электрическая дуга снова возбуждается. Все эти изменения в столбе происходят моментально. Установка должна успеть за этот период отреагировать на изменения с тем, чтобы стабилизировать рабочие показатели.

Особенности электрической дуги

Благодаря широкому диапазону значений, электродуга совместима как с тугоплавкими, так и с привычными плавящимися электродами. Под ее воздействием металл быстро разогревается, после чего образуется ванна расплава. Преобразование электроэнергии в тепловую происходит с минимальными потерями.

По своей природе электрическая дуга сопоставима с другими видами зарядов. Ее отличительные особенности:

  • созданная плотным током высокая температура;
  • небольшое снижение катодного и анодного напряжения, которое в малой степени зависит от изначально заданного вольтажа;
  • электрическое поле между полюсами распределяется неравномерно;
  • устойчивость электрической дуги в пространстве;
  • мощность и вольтамперные характеристики саморегулируются;
  • границы электродуги четко очерчены.

Зажечь дугу можно одним из двух способом: чирканьем или коротким прикасанием.

Электрическая дуга

Структура и характеристики электрической дуги

Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла.

Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги.

С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров.

Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е. их атомы или молекулы могут освобождать или, для электроотрицательных элементов наоборот, захватывать электроны, превращаясь соответственно в положительные или отрицательные ионы. Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной.

Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов. Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей. Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается.

В момент разрыва перемычки происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется ионами и электронами возникающими при этом. Благодаря тому, что к электроду и изделию приложено напряжение электроны и ионы начинают двигаться: электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду, и таким образом возбуждается сварочная дуга. После возбуждения дуги концентрация свободных электронов и положительных ионов в дуговом промежутке продолжает увеличиваться, так как электроны на своем пути сталкиваются с атомами и молекулами и «выбивают» из них еще больше электронов (при этом атомы, потерявшие один и более электронов, становятся положительно заряженными ионами). Происходит интенсивная ионизация газа дугового промежутка и дуга приобретает характер устойчивого дугового разряда.

Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла. И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну. Он может осуществляться либо каплями, свободно перелетающими дуговой промежуток, либо каплями, которые сначала образуют короткое замыкание, а затем перетекают в сварочную ванну.

Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой.

Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт. Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм. Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона). Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной).

Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно. Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной. Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду). Прямую полярность используют иногда при выполнении наплавок (когда проплавление основного металла, напротив, желательно чтобы было минимальным).

В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде. Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева).

При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга.

Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном). Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности катода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 3000 °С.

Строение дуги
Lк — катодная область; Lа — анодная область (Lа = Lк = 10 -5 -10 -3 см); Lст — столб дуги; Lд — длина дуги; Lд = Lк + Lа + Lст

К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).

Влияние на дугу магнитных полей

При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками:

— столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения;
— дуга горит неустойчиво, часто обрывается;
— изменяется звук горения дуги — появляются хлопки.

Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами.

Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.

В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода.

Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела.

Читайте также  Горизонтальный сверлильный станок по дереву

Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах.

Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:

— выполнением сварки короткой дугой;
— наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
— подведением токоподвода ближе к дуге.

Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше. Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду. Для того, чтобы дуга переменного тока горела стабильно необходимо использовать стабилизаторы дуги (легкоионизируемые элементы), которые вводят, например, в покрытие электродов или во флюс.

Что называется сварочной дугой: строение, температура, длина и виды

Без сварочных работ невозможно представить себе возведение мостовых сооружений, решение производственных задач во многих отраслях промышленности. Чтобы ответить на вопрос, что такое сварочная дуга надо углубиться в описание физических процессов, происходящих в газовой среде между разноименно заряженными полюсами.

Электрическая дуга преобразует энергию вырабатываемого тока в тепло, мгновенно создается температурный режим, при котором плавятся все известные науки металлы.

Краткое описание и история изобретения

Какая дуга называется сварочной? Это субстанция, несущая в себе мощь электрического разряда, протекающего среди паров плавящегося металла и присадок. Она обладает индивидуальными особенностями:

  • образование характеризуется большими выделениями тепла — температура достигает 6 тыс. градусов;
  • при этом выделяется мощный световой поток, поэтому сварщику необходимо специальное снаряжение для защиты лица и органов зрения, плотная одежда и рукавицы;
  • это отличный проводник тока высокой силы, поэтому представляет опасность для человека;
  • лучший способ надежного соединения металлических конструкций разной сложности.

О первенстве в том кто ее изобрел и в первичном описании физического явления до сих пор идут споры среди ученых мужей — официально первооткрывателем считается британский химик, физик и геолог сэр Гемфри Дэви, описавший в 1808 году дугу электрического разряда. Русский ученый-изобретатель, профессор физики из медико-хирургической академии Санкт-Петербурга В. В. Петров открыл аналогичное явление и подробно его описал на 6 лет раньше англичанина.

Типы разрядов

Существуют несколько видов аналогичных разрядов:

  1. Тлеющий. Образуется при низком давлении, используется в люминесцентных источниках света.
  2. Искрового типа. Характеризуется прерывистой формой, возникает при нормальном давлении: например, разряды молнии или искрение свечи зажигания в двигателях.
  3. Не прерывистой формы электрическая дуга, возникающая при атмосферном давлении. Применяется для освещения или электродуговойсваркиметаллов.
  4. Коронный — самый интересный из всех видов, появляется в неоднородном поле, когда один из электродов во много раз больше другого. Применяется в промышленности для очистки используемых газов от посторонних вкраплений пыли.

Все разряды крайне опасны для живых организмов — при работе с ними надо строго выполнять правила безопасности.

Природа явления

Сварочной дугой называют электрический разряд, имеющий большую мощность и время воздействия, он возникает между разноименными полюсами, расположенными в смеси газов, при подаче на них напряжения. Она характеризуется ярким световым потоком, большой температурой, способной расплавлять металлы для их надежного соединения.

[stextbox Электрод играет роль катода, а металлические заготовки — имеют противоположный заряд, поэтому между ними возникает электрический разряд.[/stextbox]

Чтобы световой поток не обжигал кожу и сетчатку глаз, применяется спецснаряжение для защиты исполнителя.

Строение

Какие зоны называются катодным и анодным пятнами? Катодное пятно — это источник электронов, разогревающийся до высокой температуры, чем обеспечивается плавление металлов. Здесь сосредоточено до 38% общей тепловой энергии, а также теряется 12—18 V напряжения.

Анодное пятно — характеризуется температурой до 2600 0 C и выделением до 42% тепловой энергии. Потери напряжения до 11 V, из-за постоянной атаки электронов оно имеет форму кратера.

Столб дуги — это нейтральный участок, в нем содержится около 20% от общего тепла и максимальная температура, потери напряжения не более 12 V.

Благоприятная длина столба до 6 мм, при этом размере температура дуги устойчивая, что благотворно сказывается на прочности шва.

При ручной сварке или в механизированной среде плавящимися электродами в защитном газе и использовании источника постоянного тока, пользуются методом обратной и прямой полярности, например, при соединении толстостенных деталей, анод подключают к ним, чтобы обеспечить максимум тепла, а также достаточную глубину проварки.

  • прямого воздействия, устойчиво горит между соединяемыми деталями и электродом;
  • непрямого действия — ее создают два электрода, а конструкция, предназначенная к соединению воедино, не задействована в общей цепи;
  • трехфазный вариант — к каждому участнику процесса подключается одна фаза;
  • плазменная — столб сжимается защитными газами.

Для создания дуги при использовании трансформатора, надо прикоснуться электродом к соединяемым заготовкам, но современное оборудование для сварочных работ позволяет активировать дугу бесконтактным методом, для этого применяется осциллятор.

Классификация

Электрическая дуга имеет различные виды, что напрямую зависит от типа производимой сварки и среды, где она выполняется.

  1. Открытого типа. Сварка выполняется на открытом пространстве без применения газа, участвуют только пары плавящегося металла, обмазки электрода, а также молекулы воздуха.
  2. Закрытый вид. Для этого используется флюс, который защищает место сварки от воздействия окружающей среды.
  3. Дуговая сварка плавящимся электродом в защитном газе. Сварочные работы производятся при использовании инертного газа, подающегося под большим давлением.

Кроме этого, используется классификация по параметрам:

  1. ток;
  2. длительность горения;
  3. какие используются электроды;
  4. принцип работы.

Момент возникновения

Образование электрической дуги при сварке — это результат короткого замыкания между разноименными полюсами: от большой температуры металл начинает плавиться, появляется его полоска между соединяемыми деталями.

Затем вытягивается шейка длиною около 5 мм, нагрев поднимается до максимума, происходит ионизация молекул столба воздуха, которая необходима для стабилизации горения дуги, а сварная дуга прочно соединяет конструкции. Опытные сварщики постоянно удерживают электрод на одном расстоянии от поверхности заготовок. поэтому в результате шов получается ровный, без наплывов.

Условия горения

Газообразные субстанции отличаются одной особенностью — при обычных условиях они не могут проводить ток, потому что их молекулы в этот момент нейтральны. Требуется ионизация, чтобы в зоне соединения появился электрический импульс.Второе условие — нужно постоянно поддерживать температуру катода на одном уровне, важную роль играет и аналогичное состояние окружающего воздуха.

Возникшая дуга должна устойчиво гореть, на это влияет сила тока — чем она мощнее, тем выше температура создается в зоне сварки, вплоть до максимума. Когда исполнитель соблюдает оговоренные условия, то с помощью сварки можно расплавить любой металл. Немаловажное значение имеет источник питания, ведь от устойчивой работы аппарата зависит качество сварного соединения.

[stextbox А. Савченко, образование: Институт профессионального обучения промышленной безопасности, электрогазосварщик 5 разряда, опыт работы с 1999 года: «Опытный сварщик чувствует малейшее увеличение столба дуги, но это возможно только после многолетней профессиональной деятельности».[/stextbox]

Особенности

Это физическое явление имеет индивидуальные отличия:

  1. В столбе плотность достигает 10—20 А/мм 2 .
  2. Электрическое поле распределено неравномерно — малые величины в середине столба и огромные ближе к периферии.
  3. Из-за ее свойств в виде большой плотности газов в дуге концентрируется высокая температура, чем меньше длина столба, тем быстрее она достигает максимума.
  4. С помощью регулировки длины дуги получают и различия вольт-амперных характеристик.

Сварка заслуженно признается надежным способом соединения различных конструкций, не имеющей альтернативы. Она используется во всех сферах промышленности, но для получения высокого качества соединений нужно учитывать все параметры, влияющие на прочность и пластичность шва.

Чем определяется мощность?

Этот параметр зависит от множества причин: основа — длина столба, затем идет мощность и высокой силы ток, подающийся на электрод. При удлинении дуга не затухает, на мощность влияет только толщина столба, а также его плотность.

Продолжительность

На практике чаще всего используется непрерывный режим, а импульсный — во время выполнения контактной сварки, когда соединение происходит не сплошным швом, а только в специально рассчитанных точках. Герметичность в таком режиме не обеспечивается, но соединение тонкостенных корпусов выполняется прочно.

Чтобы получить герметическое соединение, электродом становится ролик, передвигающийся по кромке свариваемого изделия. Импульс подается с малым промежутком, поэтому зоны оплавления металла частично перекрываются — в результате получается сплошной шов. Такая методика выполняется при автоматическом соединении трубопроводов.

Температурные зоны

Центральная часть столба дуги при любом варианте сварки имеет высокие температурные значения, а рядом с катодом или анодом она составляет только 60—70% от всей тепловой энергии. При подключении переменного тока полярность отсутствует, потому что расположение полюсов меняется с интервалом 50—60 колебаний за секунду.

Сварочная дуга при таком режиме обладает намного меньшей устойчивостью, а температура её постоянно изменяется. Из преимуществ такого процесса соединения металлов отмечается простое и недорогое оборудование, а также полное отсутствие области негативного явления, называемого магнитное дутье.

Вольт-амперная характеристика

Известны три таких аналога внешних источников питания:

  • падающая, когда напряжение снижается, а сила и плотность тока растет;
  • жесткая — величина напряжения не зависит от силы тока;
  • возрастающая, напряжение возрастает вместе с силой тока.

На графике хорошо видны красного цвета диаграмма, отображающая падение напряжения при образовании дуги, а далее во время устойчивого горения. Начинаются кривые от точки, которая указывает холостой ход трансформатора (около 50 V). В момент образования сварочной дуги напряжение довольно резко падает, но потом стабилизируется и становится постоянной величиной.

Инвертор для сварочных работ

Коротко отметим, что отличие инвертора от других аппаратов для сварки заключается в следующем:

  • Потребляет в два раза меньше электроэнергии.
  • Параметры тока позволяют быстрое образование дуги.
  • Стабильность горения во время проведения сварки.
  • Это сложная конструкция, способная изменять силу тока для максимальной стабильности дуги.
  • Он преобразует переменный ток в постоянный, но уже с большей частотой и наоборот.
  • У изделия имеется встроенный понижающий трансформатор.

Последняя фаза заключается в направлении постоянного тока высокой частоты к выпрямителю и далее на электрод.

Выводы

Мы выяснили природу возникновения электрической дуги, ее технические характеристики, классификацию, а также основные параметры. Для начинающего сварщика всё вышеописанное — это аксиома, чем больше теоретических знаний, тем быстрее молодой исполнитель научится правильно соединять различные металлы, приобретет необходимый опыт.