Сварочная электрическая дуга: Электрическая сварочная дуга и ее свойства: температура, строение, сущность, характеристика

Содержание

Что такое электрическая дуга | Температура сварочной дуги, вольт-амперная характеристика

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

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.

Читайте также: Маркировка электродов для ручной дуговой сварки

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.

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.

теория и классификация, источники питания, температура, способы гашения и возбуждения, вольт-амперная характеристика – Дуговая сварка на Svarka.guru

Эксплуатация электрической цепи сопровождается процессами замыкания и размыкания — что это такое? Электрическая дуга – это физическое явление, которое наблюдается при размыкании цепи.

Данное физическое явление характерно как полезным технологическим применением, так и вредом, который выражается в виде перегрева и оплавления контактов.

Образование, строение и свойства

Сварочная дуга — наиболее яркий представитель электрической дуги. Она представляет собой длительный электрический разряд в плазменной области, которая состоит из смеси элементов защитной среды, а также соединяемого и электродного материалов.

Исходя из этого, электрическая дуга – это разряд между двумя проводниками. Характерный дуговой или арочный изгиб является следствием воздействия газов, которые при повышении температурных параметров имеют вертикальную интеграцию движения.

Благодаря действию нагретого газа, следствием которого является криволинейное искажение параметров разряда, данное физическое явление получило название – дуга.

Управление процессом осуществляется путем изменения электрических характеристик.

Видимый электрический разряд отличается высоким выделением тепловой энергии.

На расположенных ниже рисунках показаны параметры температурного воздействия дуги при аргонодуговой сварке, а также схематическое строение и вольт-амперной характеристики дуги.

Картинка 1.Распределние напряжения и напряженности электрического поля в дуге.

Картинка 2. а) Вольт-амперная характеристика, б) схематическое строение.

Картинка 3. Распределение температуры дуги.

Почему возникает?

По теории в нормальных условиях газы являются диэлектриками. При возникновении подходящих условий они могут поддаваться ионизации, наделяя свои элементы положительными или отрицательными зарядами.

Внешнее электрическое поле, обладающее заданными параметрами, и высокая температура влияют на газ, преобразуя его в плазму, которая обладает всем свойствами проводника электричества.

Данное свойство получило широкое распространение в промышленности, используя дугу в качестве газового проводника.

Алгоритм образования электрической сварочной дуги следующий:

  1. Контакт. Он соединяет электрод и металл.
  2. Разрыв контакта. Под влиянием тока поверхность электрода и металла начинает плавиться, образуя прослойку жидкого металла. В течение некоторого времени, с увеличением слоя расплава происходит разрыв контакта.
  3. Возбуждение дуги. Пространство между анодом и катодом заполняют ионы и электроны испарений расплавленного металла, которые под действием напряжения притягиваются противоположным полюсам, возбуждая дугу.
  4. Стабилизация дуги. С ростом концентрации заряженных частиц дуговое соединение подвергается интенсивной ионизации, в этой точке достигается полная стабилизация горения.
  5. Образование сварочной ванны. Под действием дуги металлы электрода и поверхности переходят в жидкое агрегатное состояние, образуя смесь.
  6. Кристаллизация. После отключения источника питания для сварки поверхность остывает, образуя сварное соединение.

Явления ионизации и деионизации

Внутренними процессами, которые способствуют возникновению и гашению дуги, являются ионизация и деионизация. Изучение данных явлений позволяет разобраться с факторами, влияющими на внешние процессы. Преобладание процессов ионизации характерно для причин возникновения дуги. При ее стабилизации явления происходят с равной периодичностью. С превалированием явлений деионизации дуга потухнет.

Виды ионизации:

  1. Термическая. Наиболее распространенный процесс, который способствует сохранению дуги после ее образования. Благодаря значительному температурному воздействию возрастает количество и скорость элементов, что благотворно сказывается на ионизации.
  2. Ударная. При перемещении на высокой скорости электрон неизбежно сталкивается с нейтральной частицей. После взаимодействия образуется новая заряженная частица – ион.
  3. Полевая электронная эмиссия. Под действием внешнего электрического поля с высокой напряженностью электроны покидают поверхность без предварительного возбуждения.
  4. Эффект Эдисона или термоэлектронная эмиссия. Под воздействием высокой температуры уровень энергии электронов увеличивается. При достижении определенного показателя они способные преодолеть потенциальный барьер на границе с металлом.

К явлениям деионизации относятся:

  1. Рекомбинация. Процесс взаимодействия частиц с противоположными зарядами сопровождается образованием нейтрально заряженных элементов.
  2. Диффузия. Процесс переноса заряженных частиц в окружающую среду, сопровождающийся выводом тепловой энергии.

При постоянном токе

Для лучшего восприятия информации рассмотрим свойства дуги на примере сварочных процессов. Источники питания сварочной дуги могут различаться по типу тока. При постоянном токе выделяют три основные зоны:

  • анодная область;
  • катодная область;
  • столб дуги.

Зоны анода и катода, которые поддаются наиболее интенсивному температурному воздействию, называют активными пятнами. Через них проходит весь разряд дуги. При сварочном токе в 300 А размер катодного пятна в два раза меньше анодного. Распределение выделения тепловой энергии выглядит следующим образом:

  • анодная область – 43 %;
  • катодная область – 36 %;
  • столб дуги – 21 %.

При этом наибольшей температурой отличается столб дуги. При сварке неплавящимися электродом температура столба может быть в диапазоне 5000-6000 Сº.

При переменном токе

Переменный источник энергии отличается меньшей стабильностью дуги. Это связано с изменением полярности напряжения – при переходе через нуль дуговой разряд угасает. Таким образом, за один полупериод дуга горит около 70 % времени. На производственных предприятиях частота переменного тока составляет 50 Гц. Это значит, что за одну секунду происходит 100 перерывов в горении. Они сопровождаются потерями тепла, что негативно влияет на степень ионизации.

Для стабилизации разряды применяют устройства, с повышенным уровнем напряжения холостого хода.

Вред и борьба с ней

Физические параметры разряда могут нести угрозу как здоровью человека, так и оборудованию. Особенно высокий риск возникновения несут высоковольтные сети – длина такого разряда может достигать полутора метров.

Важно! Горение дуги сопровождается выделением огромного количества тепла. Средняя температура может достигать значения 2500-3000 Сº.

Но даже в быту, выдернув шнур питания мощного электрообогревателя, можно увидеть небольшую вспышку, которая образовалась в момент прерывания контакта.

В качестве средств защиты контактов применяют специальные дугогасительные камеры – корпус из диэлектрического материала с набором из нескольких проводящих перегородок. Они принимают на себя разряд, разделяя его на несколько частей, что способствует его охлаждению.

Строение вакуумного выключателя.

Эксплуатация высоковольтных сетей предусматривает использование различных типов выключателей:

  • масляный;
  • вакуумный;
  • газовый;

Гашение в коммутационной аппаратуре

Развитие коммутационной аппаратуры и разнообразие методов ее исполнения послужило толчком к изучению способов гашения дуги. Рассмотрим их подробнее.

Увеличением ее сопротивления

Метод заключается в последовательном увеличении сопротивлении, что способствует уменьшению силы тока. По достижению определенного предела ток будет не способен поддерживать разряд, после чего он погаснет.

Основной недостаток – длительное время гашения, который сопровождается тепло- и энергопотерями.

Методом нулевого тока

Выключатели современнго оборудования, работающие на переменном токе, сконструированы для применения данного метода. Согласно законам физики, ток проходит через ноль в конце каждого полупериода. При переходе происходит кратковременное тушение дуги. Вместе с тем, площадь между контактами насыщена заряженным элементами, которые понижают диэлектрические свойства газа.

Суть метода заключается в резком увеличении диэлектрических свойств газа, путем деионизации среды.

Способы деионизации среды между контактами

Деионизация – одна из основных причин прекращения разряда. Существует несколько способов активации данного процесса:

  1. Увеличение зазора между контактами.
  2. Повышение давления частиц в контактной среде.
  3. Охлаждение контактной среды.
  4. Эффект взрывной волны.

В выключателях последнего типа в качестве средства тушения используют шестифтористую серу, которая под большим давлением воздействует на пространство между контактами. В результате образуются малоподвижные ионы, которые не способные поддерживать горение дуги.

Полезное применение

Не следует думать, что рассматриваемое явление является лишь источником вреда. В различных областях промышленности электрическая дуга помогает людям:
  1. Электродуговая резка и сварка металла. Высокая температура используется для соединения и резки металлов. Электрическую сварочную дугу классифицируют по источнику питания, видам электродов, свободе и длине дуги, а также типу тока. Разработано множество способов соединения – от технологии с использованием специальных электродов для электродуговой сварки в среде защитного газа до сварки трехфазной дугой.
  2. Изготовление осветительных приборов. Все газоразрядные лампы, которые используют разряд в качестве источника света.
  3. Металлургическая промышленность. Яркий пример – дуговая сталеплавильная печь, в которой металлы плавятся под воздействием высокой температуры дуги.

Заключение

Электрическая дуга – любопытное физическое явление, которое способно облегчить жизнь человечеству, однако требует пользоваться ею с осторожностью.

Каждый уважающий себя сварщик обязан знать характер ее появления и способы защиты.

Электромонтер 6-го разряда Анохин Юрий Николаевич, опыт работы – 12 лет: «Наш инструктаж по ОТ и ТБ содержит информацию о защите от электрической дуги, к которой, к сожалению не все прислушиваются. Неделю назад мой коллега получил наряд на проведение освещения в гараже для грузового транспорта. В распределительной коробке он проверял соединения и подтягивал пакетные автоматы и получил повреждения коротким замыканием – один контакт на пакетнике был под напряжением, и при сокращении расстояния до отвертки возникла электрическая дуга. Итог – 4 недели в больнице. Правда сначала врачи подозревали удар токам, но потом изменили диагноз на повреждение разрядом».

Сварочная дуга — что это такое, классификация

Наличие мощного источника тока позволяет получить электрический разряд между двумя электрическими выходами вторичной обмотки трансформатора. Небольшой зазор позволяет сделать этот разряд управляемым и во время его действия возникает мощное световое излучение и выделение огромного количества тепловой энергии. Эта энергия позволяет расплавить металл, а управляемый процесс называется сварочной дугой, напряжение и сила тока которой даёт возможность достигать температуры, доходящей до 6000оС. Определение параметров этого явления и возможностей использования его на практике, открывает широкие перспективы для соединения различных металлов и сплавов. Об этом мы и расскажем.

Электрическая дуга и области её применения

Когда был обнаружен эффект короткого замыкания источника тока и его возможность расплавлять металлы, это открыло огромные перспективы для использования в области сваривания самых разных материалов. С помощью плавящихся электродов, покрытых флюсом и присадками, управляемая сварочная дуга позволяет оперативно получить монолитное соединение самых разнообразных деталей. Высокая температура сварки дугой короткого замыкания даёт возможность варить любые материалы от броневых листов и строительных конструкций до тонкого металлопроката, алюминия и титана.

Строение сварочной дуги

Чтобы понять значение электрической дуги и области её применения при сварке, необходимо знать, что она представляет собой разряд большой мощности в среде газов. Этот процесс сопровождается выделением тепловой и световой энергии с ультрафиолетовой и инфракрасной составляющей, которая требует защиты кожного покрова и органов зрения. Тепловая энергия сварочных дуг ведёт к расплаву материала заготовок и покрытого электрода, что вызывает их частичное испарение. В зависимости от среды, где он действует, разряд может быть следующих видов:

  1. в состоянии открытой дуги в воздушной, кислородной среде;
  2. закрытый разряд, действие которого происходит под флюсом с парами металла;
  3. в виде дуги, работающей в среде активных или инертных газов.

Кроме того, процесс может происходить с применением плавящихся электродов и проволоки или тугоплавкими вольфрамовыми электродами с ручной подачей присадочных материалов.

Важно понимать, что момент возникновения электрического разряда сопровождается яркой световой вспышкой, возникновением брызг расплавленного металла и вредных излучений, поэтому необходимо принять меры по защите зрения и открытых участков кожи. 

Виды электрической дуги

Для наилучшего понимания процесса необходима классификация сварочной дуги по различным признакам, поскольку параметры видов разряда и способы его запуска несколько отличаются в зависимости от ряда факторов. Например, тугоплавкий оксидный слой на поверхности металла или сплава вынуждает повышать значение тока во время возбуждения электрической дуги и соответственно увеличивать температуру в сварочной ванночке. При соприкосновении электрода с заготовкой возникает резкое падение напряжения и возрастание величины тока, поскольку сопротивление между катодом и анодом близко к нулю. Это ведёт к моментальному разогреву металла и его испарению.

В момент отрыва электрода от детали возникает сварочная дуга в газообразной воздушной или инертной среде, в которой присутствуют пары металла и флюса. В условиях стабилизации появляется зона горения, состоящая из катодной области, столба разряда и анодной области. Классификация сварочных процессов происходит по следующим признакам:

  • материал электрода может быть неплавящимся вольфрамовым или плавящимся покрытым;
  • по форме ток может быть импульсным, переменным и постоянным с прямой или обратной полярностью;
  • среда может быть открытой воздушной, закрытой под флюсом и инертной;
  • по принципу подключения электродов и воздействию на металл процесс может быть комбинированным, косвенным и прямым.

Примером комбинированного воздействия может служить сварка трёхфазной дугой, при которой две фазы подключены к электродам, а третья к соединяемым деталям. Косвенное воздействие производится между двумя близкорасположенными электродами и заготовкой, а прямое между деталями и одним электродом.

Важно знать, что поверхность соединяемых заготовок должна быть очищена от загрязнений и окисного слоя, иначе шов получится пористым и непрочным при любом способе работы. 

Источники питания для электродугового метода

С целью получения энергии для соединения металлов используется разнообразная профессиональная аппаратура, поскольку любая отрасль промышленности немыслима без этого оборудования. Такие источники питания сварочной дуги широко используются и в быту, при дачном строительстве и ремонте всевозможных изделий из сплавов и металлов. Характеристики современного оборудования дают неограниченные возможности для выполнения огромного спектра задач.

Мы рассмотрим основные виды используемых агрегатов, которые позволяют работать сварочной дугой с разными видами металлов и с применением электродов широкого назначения, а именно:

  • понижающие трансформаторы переменного тока, а также понижающие выпрямители, работающие с применением покрытых электродов;
  • инверторные аппараты ММА;
  • инверторы MMA+TIG, которые могут варить как плавящимися электродами, так и тугоплавкими в среде защитных газов;
  • полуавтоматическая аппаратура MIG/MAG, в которой вместо электродов используется специальная проволока, а работа производится в защитной среде;
  • оборудование для точечной сварки как бытовое, так и промышленное.

Универсальный сварочный инвертор СТАРТ 200 AC

Создаваемая этими приборами сварочная дуга, возникает благодаря переменному, постоянному или импульсному току с различными вольт-амперными характеристиками. Кроме того, современная аппаратура обладает возможностью регулировки параметров тока и напряжения в очень широких пределах, а также имеет режимы горячего старта и форсажа дуги. Имеется возможность использовать прямую и обратную полярность, а также импульсный ток, щадящий заготовки малой толщины. Общим для этих методов является то, что длина сварочной дуги не должна превышать 5−6 мм, иначе её действие приобретает нестабильный характер.

Нужно отметить, что правильный выбор оборудования даёт возможность изменять параметры дуги при сварке в довольно широких пределах, а это обстоятельство существенно расширяет ваши возможности и позволяет обеспечить хорошее качество работ. 

Заключение

Мы рассмотрели процесс возникновения сварочной дуги, её виды и использование при соединении металлов. Широкий ассортимент источников питания позволяет выбрать необходимый для работы аппарат с нужными характеристиками по управлению дугой короткого замыкания. Приобретение необходимых навыков сварки зависит от опыта и обучения, успешной работы.

что это такое? Источники питания и температура, строение и классификация, ее свойства и амперная характеристика в сварке

В современной промышленности сварка – это довольно популярный процесс. В основе данной процедуры находится электрическая дуга, она способствует надежности, быстроте и простоте процесса сваривания поверхностей. В ее разработке принимали активное участие такие светила науки, как Бернадос, Славянов, Меритен.

Что это такое?

Сварочной дугой называют энергетический электрозаряд между электродами, который имеет длительную продолжительность и большое количество выделяемой энергии, ему характерна разница потенциалов, что возникает в среде газов. Определение данного понятия также свидетельствует о том, что металл с высокой плотностью электрического напряжения нагревается с высокой скоростью, изначально становясь пластичным, а в последующем готовым к плавке.

Максимальным показателем температуры, которую может достичь электрическая дуга, принято считать не более 7000 градусов по Цельсию. На практике в сварке известно, что таким образом обрабатываются металлы, которым присуще свойство плавки при температурном показателе более 3000 градусов. Согласно теоретическим данным о свойствах и строении данного электрического заряда он имеет вид проводника, в основе которого ионизированный газ. Он состоит из частей, зон, которые выделяют большой объем тепловой энергии во время протекания по ним тока.

Во время поджига дуги происходит создание гальванической цепи. В этом процессе принимает участие пара электродов, что представляют собой совокупность анода, катода, а также ионизированного газа. При протекании ток способствует нагреванию, свечению. Последнее обусловлено фотонным излучением.

При построении сварочных цепей не обойтись без участия таких областей:

  • анодной;
  • катодной;
  • столба дуги, который имеет длину от 4 до 6 миллиметров.

На первых участках происходит возникновение активных пятен, также осуществляется максимальный спад напряжения и нагревание. Во время действия электрической дуги наблюдается не только повышенная температура, но и ультрафиолетовое излучение.

Ультрафиолет негативно воздействует на глаза и наружные покровы человека. По этой причине сварщики во время процедуры обязаны пользоваться защитными средствами, например: масками, рукавицами, одеждой из плотной ткани, обувью из негорючего материала.

Благодаря вольт-амперной характеристике определяют мощность напряжения дуги, которая напрямую связана с источником питания. От того, какой будет мощность сварочной дуги, зависит множество иных факторов, например ее длина. Характеризуясь одинаковыми параметрами источников электричества, у дуги с большей длиной будет выше мощность.

Сварочную дугу используют при стандартном процессе сваривания, при этом она характеризуется простотой проведения процедуры. Помимо этого, данный энергетический электрозаряд нашел свое применение в газовой сварке полуавтоматического типа. В этом случае на дугу подают сварочную проволоку, что способствует расплавлению материала.

Также дуги используются в автоматах, которые считаются довольно простыми в создании, и поэтому распространены в промышленном производстве. В данном случае могут использоваться как плавкие, так и неплавкие электроды. Ручная дуговая сварка работает с обычной конструкционной сталью, при этом она обеспечивает стабильность горения и надежность швов.

Мощность сварочных дуг имеет прямую зависимость от следующих факторов:

  • длины сварочной электрической дуги – она также способна определять объем тепла, что выделяется во время горения;
  • силы тока – большая сила тока препятствует угасанию длинной дуги;
  • напряжения – при повышении напряжения в небольшом диапазоне мощность возрастает.

Вольт-амперная характеристика энергетического электрозаряда – это график, который выражает зависимость напряжения от смены тока. Данный показатель может иметь такие виды:

  • нисходящий, который снижается при росте напряжения;
  • стабильный, который не меняется при смене силы тока;
  • восходящий, растущий при повышении силы тока, он обычно используется в сварках-автоматах.

По сравнению с другими электрическими зарядами дуге характерны такие особенности:

  • высокая плотность тока;
  • неравномерное падение напряжения вдоль по разрядному столбу;
  • обратная пропорциональность температуры относительно ее толщины;
  • большое число вариантов рабочего режима.

Электросварку можно назвать самым быстрым и при этом надежным вариантом неразъемного соединения деталей металлической конструкции. Ее можно применять в самых разнообразных сферах человеческой жизни, начиная от строительства и заканчивая транспортом.

Требования

Каждый сварщик должен знать об амперной характеристике, длине и напряжении сварочной дуги. К основным требованиям для источника питания дуги можно отнести следующие:

  • разжигание электрода должно происходить во время его взаимодействия с заготовкой из металла, когда происходит замыкание контактов электроцепи;
  • во время плавки присадки может произойти короткое замыкание – если такое случилось, то стоит следить, чтобы аппарат не вышел из строя, а дуга стабильно поддерживалась;
  • до того как возникнет вспышка дуги на границе детали и электрода, может наблюдаться кратковременное замыкание – от того, насколько быстро произойдет восстановление напряжения, напрямую зависит динамика источника питания;
  • переход с холостого в рабочий ход должен происходить со спадом напряжения от 60–80 до 18–20 В.

Ко всем источникам питания сварочной дуги предъявляются аналогичные требования. Поэтому можно сделать вывод, что на эффективность функционирования оборудования для сварки оказывает прямое воздействие возможность поддерживать процесс горения дуги от момента ее разжигания.

В сварочных аппаратах должны присутствовать только такие регуляторы, на которых установка параметров будет максимально удобной.

Классификация

За счет широкого распространения сварочного процесса дуга может быть нескольких видов. Особенности энергетического электрозаряда позволяют выделить следующие его разновидности согласно конструкции и назначению:

  • плавкая изготавливается из стального сплава – при работе происходит расплавка металлического электродного стержня;
  • неплавкая актуальна при работе с графитом и вольфрамом – электроды данного вида во время сварки не расходуются, а формирование шва происходит из расплавленных металлических заготовок.

По схеме подвода тока и среде

Согласно схеме электросоединения дуги для сварки делят на две разновидности.

  1. Прямого действия. В качестве одного электрода выступает конструкция сварки, а второго – плавящийся элемент. В месте зазора происходит образование дуги.
  2. Косвенного действия. Розжиг происходит между парой неплавких параллельных электродов, после чего он подносится к свариваемой заготовке.

По атмосфере

По принципу атмосферы сварочные дуги бывают трех типов.

  1. Открытая сфера. В данном случае горение дуги возможно в открытом пространстве, при этом образуется газовая сфера с содержанием металлического пара, а также электродного и поверхностного.
  2. Закрытая. Дуга закрытого типа наблюдается при горении под флюсом. В фазе газа около дуги находится пар от материала, электрода и слоя флюса.
  3. С подачей смеси газа. В этом электрозаряде может располагаться газ в сжатом виде, а также его примеси. Использование водорода, углекислого газа и аргона необходимо для предотвращения окисления обрабатываемой поверхности. Благодаря подаче вышеперечисленных веществ наблюдается восстановление среды или ее нейтральное отношение по отношению к факторам последней.

По длительности действия

Согласно длительности работы электрическую сварочную дугу можно поделить на такие типы:

  • постоянная, которая считается актуальной для длительной работы;
  • импульсная, что представлена однократным мощным импульсом, обычно такая дуга используется для контактного вида сварки.

Условия горения

Стандартные температурные условия в столбике сварочной дуги максимально составляют 7000 градусов тепла по Цельсию. Благодаря использованию катода можно добиться постоянства температуры, при которой произойдет возникновение и горение дуги. В данной ситуации также обязательно должны быть учтены такие параметры, как габариты, диаметр и температура в окружающей среде.

Для того чтобы получилось сварить материал любого качества, потребуется наблюдать за постоянством температуры. При исправном источнике питания температурный показатель будет постоянным, а работа элемента – качественной.

Основы областей сварочных дуг сосредоточены на работе ионизированных газов, использовании щелочных, щелочно-земельных групп по типу калия, кальция. Такие особенности способствуют высокому качеству горения сварочных дуг. Последние могут гореть не во всех средах, поэтому не стоит обходить вниманием физические, химические факторы.

Существует несколько типов электрозаряда, благодаря которым осуществляется горение.

  1. Тлеющий. Он возникает за счет низкого давления. Обычно его используют для освещения с помощью люминесцентной лампы или экрана плазмы.
  2. Искровой. Возникает такой электрический заряд после доведения показателя давления до атмосферного. Искровому типу дуги характерна прерывистость, при этом наблюдается механизм действия, сходный с молниевым. Он нашел свое применение при розжиге двигателя внутреннего сгорания.
  3. Дуговой используют при работе сваркой или для простого освещения. У такого заряда прерывистая форма, которая возникает из-за особенностей давления в атмосфере.
  4. Коронный электрозаряд может возникнуть в результате структурной шероховатости, неоднородности. В ходе данного воздействия происходит образование струйки.

Источники питания

При сварочных работах должны использоваться только те способы зажигания, стабилизаторы, которые способны удовлетворить такие требования:

  • с легкостью зажигать дугу;
  • стабильно поддерживать процесс горения;
  • осуществлять контроль за верхним порогом тока коротких замыканий;
  • иметь хорошую динамику;
  • характеризоваться электрической безопасностью.

Источники питания сварочных дуг имеют следующую классификацию:

  • предназначение – делятся источники на те, что подходят ручной сварке, флюсовой либо в защитной от газа среде;
  • количество сварочных постов, что могут быть подключены в одно время;
  • возможность передвижения, а именно: мобильный и стационарный;
  • производство энергии: производитель и преобразователь;
  • тип выходящего тока;
  • вольт-амперная характеристика.

Источники тока:

  • трансформатор представляет собой простой сварочный агрегат с реактивной катушкой индуктивности в основе;
  • выпрямитель имеет вид устройства, которое выпрямляет электрический ток;
  • преобразователь – устройство с помощью механического воздействия делает из переменного вида тока постоянный;
  • инвертор – этот сварочный аппарат считается наиболее подходящим для выполнения бытовых нужд, эти мобильные устройства характеризуются компактностью, удобством в применении.

Для изготовления качественного и надежного сварочного шва потребуется создание электрической дуги. Чтобы воспользоваться данным видом энергетического электрозаряда, не нужно особых навыков. Однако сварщик должен знать особенности возникновения, использования и образования сварочной дуги.

О сварке короткой дугой смотрите в следующем видео.

Электрическая сварочная дуга – Осварке.Нет

Сварочная дуга — длительный разряд электрического тока, горящий между сварочным электродом и сварочной конструкцией в ионизированной среде газов и паров металлов.

Виды сварочной дуги

Различают следующие виды дуги:

  • прямого действия — дуга горящая между металлическим сварочным электродом и сварной конструкцией;
  • непрямого действия — горение дуги происходит между двумя электродами, а основной металл не включается в электрическую цепь;
  • трехфазная дуга — подведено по одной фазе на два сварочных электрода, а третья к сварочной конструкции;
  • плазменная дуга — дуга сжатая газами.

 

Обязательным условием горения дуги является наличие заряженных частичек (электронов и ионов) в промежутке газов между электродом и металлом. При обычной среде газы не проводят электрический ток. Для того чтобы зажечь дугу необходимо замкнуть электрод касанием об изделие, после чего выделяется значительный потенциал тепла, который ускоряет движение свободных электронов в цепи. Когда конец электрода отрывается, находясь под воздействием электрического поля вылетают в межэлектродное пространство. Самостоятельный выход электронов с катода в газовое пространство называется электронной эмиссией. Источник питания сварной дуги постоянно поставляет новые электроны и дуга горит постоянно. Техника зажигания дуги при ручной дуговой сварке описана здесь.

Современное сварочное оборудование позволяет выполнять зажигание дуги бесконтактным методом — не касаясь электродом об изделие. Выполняется это при помощи использования генератора высокочастотных колебаний — осциллятора.

Строение сварочной дуги: катодное пятно, столб дуги, анодное пятно

Катодное пятно является источником и местом выхода электронов. Этот участок электрической дуги разогревается до температуры 2400-2600°C при использовании покрытых электродов, а количество тепла выделенного тепла на этом участке равняется 38% от общего. На этом участке дуги теряется 12-17 В напряжения  сосредоточенных на разгон электродов и их эмиссию.

Столб дуги в отличии от катодного и анодного пятна является нейтральным участком дуги, где одновременно находится одинаковое количество позитивно и негативного заряженных частиц. Столб дуги выделяет приблизительно 20% об общего количества тепла. Потеря напряжения на этом участке сварочной дуги зависит от ее длины и становит 2-12 В. Температура столба дуги самая высокая 6000-8000°C.

Анодное пятно — место входа электродов в сварочную цепь с дуги. Температура 2400-2600°C, а количество выделяемого тепла 42% от общего. Спад напряжения 2-11 В. Анодное пятно под воздействием постоянной бомбардировки имеет вогнутую форму, которую называют кратером.

При сварке на постоянном токе различают прямую и обратную полярность. Меняют полярность в зависимости от вида свариваемого материала. Если требуется больший нагрев металла и глубина проплавления необходимо установить анод на изделие, где будет выделяться больше тепла — прямая полярность. При сварке на обратной полярности анод и катод меняются местами, поэтому на изделии выделяется меньше тепла.

Для сварки дугой переменного тока характерно менять полярность с частотой 50 Гц, поэтому на электроде и изделии выделяется одинаковое количество тепла. При сварке на переменном токе дуга горит менее стойко и усиливается разбрызгивание электродного металла.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ СВАРКИ

2.1. ПРИРОДА СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Электрическая дуга представляет собой один из видов электриче­ских разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электри­ческого тока через газовый промежуток под воздействием электрическо­го поля. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, назы­вают сварочной дугой. Дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоян­ном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источ­ника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному — катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка на­зывают длиной дуги. В обычных условиях при низких температурах га­зы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электриче­ской проводимостью. Прохождение электрического тока через газ воз­можно только при наличии в нем заряженных частиц — электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют иониза­цией, а сам газ — ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) элек­тронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между элек­тродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, попереч­ное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании элек­тродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электро­нов — электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связы­вают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 2.1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги.

©

Рис. 2.1. Строение электрической дуги и распределение напряжения в ней:

1 — катодная область; 2 — столб дуги; 3 — анодная область

Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примы­кающую к ней. Протяженность катодной области мала, но она характе­ризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процес­сами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400-2700 °С. На нем выделяется до 38 % общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой об­ласти является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение на­пряжения в катодной области ик составляет порядка 12-17 В.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же темпера­туру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью. Падение напря­жения в ней Ua составляет порядка 2-11 В. Протяженность этой области также мала.

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового проме­жутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основ­ным процессом образования заряженных частиц здесь является иониза­ция газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа. При доста­точной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание элек­тронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию назы­вают ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ио­низации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны — к аноду, ионы — к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заря­женные электроны, ионы становятся нейтральными атомами.

Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряжен­ных частиц. Температура столба дуги достигает 6000-8000 °С и более. Падение напряжения в нем (Uc) изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее лег­ко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются ще­лочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее паде­ние напряжения в дуге Uд=Uк+Ua+Uc. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uc=Elc, где Е — напряженность по длине, lc — длина столба. Значения ик, Ua, E практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяжен­ностью катодной и анодной областей можно считать практически 1с=1д. Тогда получается выражение

II}{ = а + Ы}{, (2.1)

показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где а=ик+иа; b=E. Непременным условием получения качест­венного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее ста­бильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при ко­тором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разрядов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее параметры — сила тока и напряжение — находятся в определенной взаимозависимости. По­этому одной из основных характеристик дугового разряда является за­висимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (в состоянии устойчивого горения дуги) называют статической вольтамперной характеристикой дуги (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Статическая вольтамперная характеристика дуги

С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая ста­тической вольтамперной характеристики поднимается, выше с уменьше­нием длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму. Кривую статической характеристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области уве­личение тока приводит к резкому падению напряжения дуги. Это обу­словлено тем, что с увеличением силы тока увеличивается площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отличается малой устойчивостью. Во второй области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения дуги. Это объясняется тем, что пло­щадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорциональ­но силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными. Сварка дугой с жесткой статической харак­теристикой находит широкое применение в сварочной технологии, осо­бенно при ручной сварке. В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуге возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрастающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки.

Щ. в

Рис. 2.3. Статистическая вольтамперная характеристика дуги при разных скоростях подачи электродной проволоки: а — малая скорость; б — средняя скорость, в — большая скорость

При механизированной сварке плавящимся электродом иногда применяют статическую вольтамперную характеристику дуги, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи элек­тродной проволоки (рис. 2.3).

Как видно из рисунка, каждой скорости подачи электродной про­волоки соответствует узкий диапазон токов с устойчивым горением ду­ги. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замы­канию электрода с изделием, а слишком большой — к резкому возраста­нию напряжения и ее обрыву.

Сварочная дуга. Характеристика сварочной дуги

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.