Чем определяется мощность сварочной дуги

Обновлено: 19.05.2024

Для электродуговой сварки нужно электричество определенных параметров: большой силы (ампеража), низкого напряжения (вольтажа). Под воздействием тока между концом электрода и свариваемым металлом формируется мощный электрический разряд, выделяется большое количество теплоты. В качестве источников питания сварочной дуги применяются различные преобразователи. За историю существования ручной электросварки для розжига дуги созданы устройства, генерирующие переменный и постоянный ток. Сначала были трансформаторы, после появления полупроводников были созданы выпрямители. Генераторы преобразуют в электроток энергию сжигания жидкого или сухого топлива. Инверторы – источники нового поколения, у них возможности питания дуги гораздо шире, чем у трансформаторов. При выборе сварочного аппарата желательно учитывать преимущества и недостатки устройств.

Требования к источникам питания сварочной дуги

Любой источник питания при дуговой сварке выбирается, исходя из эксплуатационных свойств:

Электрод должен разжигаться при соприкосновении с металлической заготовкой, контакты замыкают электрическую цепь.
Когда присадка плавится, по капле возможно короткое замыкание. Сварочный аппарат в такой ситуации не должен выходить из строя, сварочная дуга должна поддерживаться стабильно.
До вспышки дуги между деталью и электродом возникает краткосрочное короткое замыкание длиной в доли секунды. От скорости восстановления первоначального напряжения зависит динамическая характеристика источника питания.
От режима холостого хода сварочное оборудование должно быстро переходить в рабочий ход, то есть напряжение с 60–80 вольт должно упасть до требуемых 18–20 В.

Требования ко всем источникам, применяемым для питания сварочной дуги, одинаковые. Напрашивается вывод, что эффективность работы сварочного оборудования зависит от способности поддерживать стабильное горение дуги, начиная с момента розжига. Последний момент – регуляторы, сварочные аппараты предназначены для большого диапазона рабочего тока, устанавливать нужные параметры тока должно быть удобно.

Классификация

Общепринята градация блоков питания по нескольким признакам, обусловленным электромеханическими свойствами источников электротока. Начинающим сварщикам достаточно знать основные критерии классификации:

Для питания сварочной дуги возможно два способа получения рабочего тока:

преобразованием энергии из силовой электросети (выделяют однофазные и трехфазные сварочники);
генерацией электричества рабочих параметров из другого вида энергии.

Группировка по виду вырабатываемого тока:

переменного;
комбинированные, которые можно переключать с постоянного на переменный и наоборот;
постоянного.

Способ преобразования электричества: изменением вольтажа и ампеража, выпрямлением – переменный ток преобразуется в постоянный.

Мобильность источников, питание дуги бывает стационарным (подключение к магистральным электросетям) и автономным (использование переносных генераторов или аккумуляторов).

Способ регулировки рабочих параметров дуги (напряжения, ампеража). В трансформаторах меняется число задействованных витков: положением шунта, подвижностью катушки, секционированием вторичной обмотки.

Градация источников питания по внешним характеристикам тока сварочной дуги – это оценка зависимости среднего напряжения на контактах (держателе электрода и клемме, закрепляемой на металле) от ампеража. Параметры вольт-амперной характеристики оборудования бывают двух видов:

Падающая ВАХ характеризуется высоким напряжением холостого хода, превышающим рабочее до 2,5 раз.
Жесткая отличается стабильностью напряжения на клеммах в процессе сварки. Ампераж короткого замыкания превышает номинальный сварочный в 2 или 3 раза.

Вольт-амперная характеристика источника определяется экспериментально. Когда подключают питание, измеряют напряжение на клеммах.

Выбор источника питания для дуговой сварки

Разумеется, помимо силовых характеристик сварочное оборудование выбирают по мобильности, габариту, весу. Говоря о достоинствах и недостатках источников питания, стоит начать с самого первого вида сварочников.

Трансформатор

Оборудование с вторичной обмоткой преобразует напряжение, за счет индуктивных полей с 80 вольт можно опустить напряжение до 20-ти. Это самый простой и громоздкий тип сварочного аппарата. Зато очень надежный, мало зависит от условий внешней среды, не боится влажности, запыленности. Трансформатор можно соорудить самостоятельно, нужный вольтаж получают за счет определенного числа витков вторичной обмотки. Коэффициент полезного действия оборудования довольно высокий, стоимость небольшая. Когда объем работы небольшой, сварщики с опытом работы предпочитают для гаража, дома приобретать трансформаторы.

Выпрямитель

Уже из названия ясно, что речь пойдет об источнике постоянного тока. Для преобразования используются полупроводники, они пропускают электричество только в верхнем диапазоне синусоиды. Благодаря использованию полупроводников, наличию электросхемы, возможности у выпрямителей шире, чем у трансформаторов. При смене полярности можно регулировать температуру на контактах: при прямой полярности сильнее греется электрод, при обратной – металл. КПД у выпрямителей выше, чем у трансформаторов, малые потери на холостом ходу.

Большой минус – сварочные аппараты очень греются, им периодически требуется передышка, чтобы прийти в норму или дополнительная система охлаждения.

Генератор

Электричество вырабатывается вращением вала в постоянном магнитном поле. Работают устройства на бензине, дизтопливе, есть стационарные установки на угле, брикетированном топливе. Главные достоинства:

электричество со стабильными характеристиками;
большой ампераж, до 1000 А.

Минусы – изрядные габариты, низкий КПД, плюс выхлопные газы, шум, вибрация.

Инвертор

Инверторный тип источников – самый технологичный. Небольшие размеры, высокая мощность, дополнительные функции: быстрый розжиг, стабильная дуга и другие. Бытовые устройства работают от сети 220 В, мощные установки подключают к трехфазным 380 В. Инверсия улучшает частотные характеристики до 50 кГц. Недостатки тоже есть: оборудование боится высокой влажности, низких температур, запыленности. Корпус профессиональных источников дополнительно оснащают защитой.

Информация о сварочной дуге и о том, как она работает

О СВАРКЕ

Сварочная дуга, открытая более 100 лет назад, нашла широкое применение в промышленности. Она обеспечивает прочное соединение металлических заготовок с превращением их в монолитную конструкцию. Чтобы шов получился качественным, следует правильно подобрать источник питания.

Определение сварочной дуги

Данное явление представляет собой устойчивый, не ограниченный во времени электрический разряд в среде, образованной воздушными или защитными газами и парами металлов. Она обладает проводимостью только в ионизированном состоянии, иными словами, когда в ней имеются частицы с положительным или отрицательным знаком. Пребывающий в таких условиях газ называют плазмой. Носителями отрицательного заряда выступают электроны, положительного – лишенные их атомы или молекулы.

Таким образом, определение сварочной дуги может звучать и так: это длительный электрический разряд в плазме, состоящей из воздушных или защитных газов и металлических паров.

Главное свойство данного явления заключается в выделении большого количества теплоты, что всегда наблюдается при протекании тока. Оно вызывает расплавление металла.

Природа возникновения явления

Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:

Сварщик на долю секунды касается электродом металлической заготовки.
В момент контакта происходит короткое замыкание, сопровождающееся протеканием тока большой силы и, как следствие, мощным выделением тепла.
Металл в точке прикосновения плавится. Он становится вязким, тягучим.
В момент отрыва расходника от заготовки за ним тянется капля расплава.
Удлиняясь, она утоньшается с образованием т.н. шейки. В какой-то момент та испаряется и превращается в облако заряженных частиц. Одновременно вследствие высокой температуры в данной зоне ионизируется воздух или защитный газ.
Под действием электрического поля носители отрицательного заряда устремляются к аноду, положительного – к катоду. Начинается процесс протекания тока в плазме.

Каждый этап длится миллисекунды, разряд возникает практически мгновенно. Далее ток поддерживается эмиссией электронов на катоде. По пути к аноду они ионизируют газ и пары металла, увеличивая число свободных носителей заряда.

Современные сварочные аппараты оснащаются генератором высокочастотных колебаний (осциллятором). Это устройство позволяет возбуждать дугу бесконтактным способом.

При каких условиях начинается горение

Электрическая сварочная дуга возникает при силе тока от 10 до 1000 А и разности потенциалов 15-40 В. В холодном воздухе розжиг затрудняется, поскольку тот слабо ионизируется. В таких условиях прогревают заготовку либо подают теплый защитный газ.

Источники питания дуги

Для создания разряда используют и постоянное, и переменное напряжение. В первом случае сварной шов получается более качественным, а металл разбрызгивается меньше.

Ток из сети 220 В преобразуется трансформатором, дающим на выходе 15-40 В.

С целью уменьшения его габаритов в современных сварочных аппаратах используют схему, состоящую из таких узлов:

Инвертор превращает постоянный ток в переменный с частотой до 80 кГц. Это позволяет не только уменьшить размеры трансформатора, но и повысить КПД аппарата.

Параметры источника подбирают с учетом способа выполнения работ. Например, при ручной сварке длина дуги колеблется, поэтому нужен аппарат с крутопадающей вольт-амперной характеристикой. Благодаря ему разряд при растягивании не гаснет, а при его укорочении ток не становится слишком большим.

При сварке плавящимся электродом с него стекают на заготовку капли металла. В такие моменты возникает ток короткого замыкания, превышающий дуговой на 20%-50%. Он пережигает образовавшийся металлический мостик, и плазменный разряд образуется снова. Эти колебания происходят в короткие моменты времени, поэтому источник должен быстро реагировать на них, стабилизируя разность потенциалов.

Чем и как определяется мощность

Плазма представляет собой проводник с протекающим по нему электрическим током. Значит, на вопрос о том, чем определяется мощность сварочной дуги, дается тот же ответ, что и для любого резистора: напряжением и амперажем. Скорость выделения тепла равна произведению этих величин.

Увеличение разности потенциалов позволяет нарастить мощность только в небольших пределах. К тому же возможность такой регулировки ограничена размером электрода.

Чаще мощность варьируют силой тока, которая, в свою очередь, зависит от длины дуги. Одновременно меняется и температура нагрева металла, а с ней и скорость выполнения работ.

Строение и зона анодного пятна

В структуре дуги различают 3 участка:

Катодное пятно. Является местом разгона и эмиссии электронов, имеет отрицательный заряд. Размер этой зоны – примерно 1 мкм (0,001 мм). Здесь выделяется 38% тепла, падение напряжения составляет 12-17 В.
Столб дуги. Имеет нейтральный заряд, поскольку положительные и отрицательные частицы присутствуют в равных количествах. Средняя длина – 5-10 мм. В этом участке выделяется 20% тепла, теряется 2-12 В.
Анодное пятно. Бомбардируется электронами, что придает ему вогнутую форму (кратер). Протяженность этой зоны составляет 10 мкм. Выделяется 42% тепла, теряется 2-11 В.

Приведенные данные характерны для сварки тугоплавким электродом.

Как выглядит сварочная дуга

Нагретая плазма излучает 3 вида электромагнитных волн:

видимый свет;
инфракрасные;
ультрафиолетовые.

Визуально она напоминает разряд молнии.

Анодное и катодное пятна видимого света не излучают.

Разновидности сварочной дуги

Различают 2 типа:

Разряд прямого действия. Возникает между проводящим стержнем (направлен параллельно ему) и заготовкой (перпендикулярно).
Косвенного действия. Возникает между 2 электродами, расположенными под углом 40-60°.

Виды плазмы в зависимости от состава:

Открытая. Ток протекает в смеси из воздушных газов, паров металла и обмазки.
Закрытая. Дуга находится под флюсом, его пары совместно с частицами металла образуют ионизированную среду.
Состоящая из 1 или нескольких защитных газов.

Используются электроды из следующих материалов:

вольфрама;
графита (угольные);
стали с обмазкой из ионизирующих веществ (плавящиеся).

Дуга может быть 3-фазной. Для этого требуются подключение к соответствующей сети и 2 токопроводящих стержня. К каждому из них подсоединяется по фазе, третья – к заготовке.

При прямой и обратной полярности

Сварка постоянным током может выполняться 1 из 2 способов:

«Плюс» подключают к заготовке, т.е. она становится анодом. Такую полярность называют прямой.
К заготовке подключают «минус», так что она становится катодом. Это обратная полярность.

При сварке тугоплавким электродом анодное пятно горячее катодного, поэтому первый способ используют для соединения деталей средней или большой толщины. Сильный нагрев обеспечивает глубокий провар и, как следствие, высокую прочность шва.

Подключение с обратной полярностью используется для соединения тонкостенных заготовок. В противном случае они прогорят.

При сварке плавящимся электродом анодное пятно холоднее, поэтому поступают наоборот.

Характеристики дуги

Основными параметрами плазменного разряда выступают:

Взаимозависимость 2 первых параметров вычерчивается в виде графика.

В нем различают 2 части:

Динамическую. Соответствует условиям, когда рабочий промежуток меняется.
Статическую. Отображает зависимость параметров при постоянной длине дугового разряда (установившийся режим).

В графике выделяют 3 области:

Падающую. Означает резкое снижение разности потенциалов с увеличением ампеража. В этот момент происходит формирование столба: меняется проводимость плазмы, большей становится площадь поперечного сечения тока.
Жесткую. Соответствует условиям, когда падение напряжения и плотность тока стабильны. Это объясняется тем, что с набором ампеража пропорционально увеличивается площадь сечения плазмы.
Возрастающая. На этом этапе взаимозависимость разности потенциалов, силы тока и резистивности дуги соответствует закону Ома.

График позволяет оценить мощность разряда.

Область применения

Дуга используется в следующих разновидностях сварки:

Полуавтоматической. Полуавтоматическая сварка основана на применении тугоплавких вольфрамовых расходников. На дугу подают присадочную проволоку.
Ручной. Ручные работы наиболее распространены. Это самый простой метод.
Автоматической. Автоматы на промышленных объектах более распространены, поскольку проще устроены.

При сварке с открытой плазмой используется жесткая дуга, в работах под флюсом или с подачей защитного газа – возрастающая.

Сила напряжения

Данный параметр зависит от 2 других:

Характер взаимосвязи определяется методом выполнения работ. В ручной сварке с уменьшением напряжения источника тока оно падает и на дуге. Это видно на вольт-амперном графике. Автоматической вольтаж дуги зависит только от ее линейного размера, причем прямо пропорционально. Существует предел, выше которого разность потенциалов при растягивании плазменного разряда не поднимается. Она остается на этом уровне до угасания дуги.

Напряжение оказывает влияние на качество шва. Если оно увеличивается, тот становится шире с одновременным уменьшением глубины провара.

Время горения

В зависимости от продолжительности различают 2 разновидности дуги:

Вторая применяется при контактной сварке, когда ток кратковременно пропускают через 2 прижатые одна к другой детали. В результате металл в зоне примыкания плавится, образуется монолитное соединение.

Условия погашения

Дуга горит при величине собственного сопротивления, не превышающей некоторого предела. Этот параметр увеличивается с длиной разряда. Соответственно, при удалении электрода от заготовки дуга гаснет.

Это может произойти и в процессе работы, если параметры сварки будут подобраны неверно. Условием устойчивости дуги является равенство Ue – I*R = Uд, где:

Ue – разность потенциалов на клеммах источника питания;
I*R – падение вольтажа на резисторе, включенном в цепь сварочного аппарата;
Uд – то же на дуге.

При нарушении неравенства гашение становится возможным. Графически это выглядит как расположение вольт-амперной характеристики дуги над прямой, обозначающей падение напряжения на резисторе R.

Зависимость от магнитного поля

Из определения дуги следует, что она представляет собой поток заряженных частиц в плазме. Значит, вокруг нее, как и вокруг любого проводника, образуется магнитное поле. Его силовые линии имеют цилиндрическую форму.

Если дуга окажется в стороннем магнитном поле, оно будет взаимодействовать с ее собственным. Разряд при этом станет неустойчивым.

Ярким примером является т.н. эффект магнитного дутья, возникающий при сварке на постоянном токе.

Он сопровождается следующими вредными явлениями:

Резким смещением столба.
Частыми обрывами дуги.
Изменениями звука, периодическими хлопками.

В результате страдает качество шва, появляются непроваренные участки.

Магнитное дутье вызывается 2 причинами:

Ток в заготовке наводит сильное поле. Оно оттягивает столб дуги в сторону, противоположную месту подсоединения клеммы.
Массив железа или сплава на его основе, будучи ферромагнитным телом, вызывает сгущение поля. Это объясняется меньшим сопротивлением прохождению силовых линий по сравнению с воздухом. В результате дуга смещается в сторону массива.
Поблизости находятся мощные источники электромагнитного излучения.

Эффект дутья наблюдается при сварке большим током, поскольку интенсивность поля находится в прямой зависимости от ампеража.

Меры борьбы с явлением:

Уменьшение длины дуги.
Расположение электрода под углом – так, чтобы торец смотрел в сторону действия магнитного дутья.
Перенос клеммы ближе к дуге.
Установка защитного экрана.
Заземление соединяемых деталей.

При сварке переменным током магнитное дутье намного менее выражено.

Температура по длине

Особенность строения сварочной дуги заключается в распределении температур. При сварке тугоплавким электродом катодное пятно нагревается до 2400-2600 °С, анодное – на 4-6% выше, т.е. до 2500-2750 ˚С. Наиболее горячим является столб: его температура достигает 6000-8000 °С.

О чем стоит знать

Ультрафиолетовая составляющая излучения дуги крайне опасна для глаз и кожи, поэтому сварщики используют защитный костюм и маску с затемненным стеклом. Блики, отражающиеся от стен, тоже могут вызвать ожог сетчатки, сопровождающийся сильными болями.

Дуговое напряжение при ручной сварке является небольшим – от 15 до 30 В. Но в процессе замены расходника оно возрастает до 70 В и может стать причиной удара током. От сварщика требуется особая осторожность.

При работе с автоматом риск получения электротравмы существенно ниже.

Как регулировать длину дуги

От этого параметра зависят не только электрические величины, но и качество сварки. Дугу стремятся делать как можно более короткой, в пределах 3-4 мм.

При большей длине наблюдаются следующие негативные явления:

Капли расплавленного металла с электрода на пути к сварочной ванне успевают вобрать в себя из воздуха много кислорода и азота. В результате шов теряет прочность, пластичность и ударную вязкость.
Разряд перемещается по поверхности заготовки (блуждание), вследствие чего тепло распределяется по относительно большой площади. Глубина провара уменьшается; капли расплава с расходника, попадая на непрогретый металл, не сливаются с ним, а отскакивают.

Короткая дуга издает сухой треск, напоминающий шипение масла на горячей сковороде.

Выполненный ей шов выглядит аккуратным и имеет следующие признаки:

Правильную форму.
Гладкую выпуклую поверхность.

Шов, выполненный длинной дугой, имеет неровные очертания, вдоль него налипают капли расплавленного металла.

Плавящийся электрод в процессе сварки уменьшается. Поэтому его постепенно приближают к заготовке, чтобы длина разряда оставалась постоянной.

О режимах дуговой сварки

Соединение деталей методом сплавления осуществляют в различных условиях. Совокупность мер, показателей и параметров, призванную обеспечить хорошее качество шва в любой ситуации, называют режимом сварки.

Характеризующие его параметры делятся на 2 группы:

К первым относятся:

положение шва в пространстве;
скорость выполнения работ;
состав и толщина металла.

Сила тока определяется свойствами сварочного аппарата и указывается в инструкции к нему. От нее зависит количество выделяемого тепла, а значит, и глубина провара. Толстостенные элементы крупногабаритных металлоконструкций, подвергающихся воздействию больших нагрузок, соединяют током повышенной силы. Тонкую деталь он, напротив, может прожечь, поэтому ампераж снижают.

Диаметр электрода должен соответствовать силе тока.

В противном случае возникают следующие негативные моменты:

Заниженный диаметр. Повреждается покрытие на стержне, дуга становится неустойчивой.
Завышенный диаметр. Снижается плотность тока, нестабильными становятся длина дуги и ее положение, шов получается неровным и непрочным.

Параметры режимов ручной сварки приведены в таблице:

Толщина свариваемых деталей, мм	0,5	1-2	3	4-5	6-8	9-12	13-15	16
Диаметр электрода, мм	1	1,5-2	3	3-4	4	4-5	5	6-8
Сила тока, А	10-20	30-45	65-100	100-160	120-200	150-200	160-250	200-350

Независимо от толщины заготовок, швы на вертикальных поверхностях и потолке выполняют электродом диаметром 4 мм.

Мощные соединения делают в несколько подходов:

С увеличением скорости процесса уменьшается ширина шва, и наоборот. Данный параметр следует выдерживать в разумных пределах. При слишком высокой скорости металл не успевает полностью расплавиться, в соединении образуются непроваренные участки. При медленной сварке сталь растекается, что тоже негативно отражается на качестве шва.

Ширина соединения и глубина провара зависят от траектории движения электрода. Его перемещают по прямой, зигзагом, елочкой и т.д.

Сварочные аппараты «Дуга»

Надежность соединения зависит от следующих особенностей оборудования:

качества сборки;
встроенной электроники;
используемой оснастки.

Хороший аппарат стоит дорого, а дешевый не позволяет получить аккуратный и прочный шов. Оборудование марки «Дуга» лишено обоих недостатков. Оно имеет доступную стоимость, но только за счет упрощения конструкции, а не потери качества. Производитель не стал оснащать аппараты дорогим инвертором. Он взял за основу трансформаторное изделие и внес ряд усовершенствований, назвав конечный результат «сварочным выпрямителем». Получился простой в использовании агрегат средней мощности, предназначенный для работ в быту на постоянном токе.

Сварочная дуга

Уже более столетия человечество применяет технологию создания неразъемных соединений металла — электросварку. В ее основе лежит физическое явление электрической дуги. Исследования в области воздушных искровых разрядов начал итальянский физик Алессандро Вольта в 18 веке. В его честь электрическую дугу иногда называют «вольтова дуга». Значительный вклад в разработку технологии сделали русские ученые Бернадос и Славянов, и француз Меритен.

Что такое сварочная дуга ее определение

Сварочной дугой называют большой по продолжительности и выделяемой энергии электроразряд между электродами с разницей потенциалов, происходящий в газовой среде. Ввиду высокой плотности электрического тока металл, через который он протекает, быстро нагревается — сначала до температуры пластичности и далее до температуры плавления. Максимальная температура, теоретически достижимая в электрической дуге — до 7000 °С. На практике она позволяет плавить металлы с температурой плавления свыше 3000 °С, включая вольфрам.

С точки зрения теории электроцепей, электрическая дуга представляет собой проводник, состоящий из ионизированного газа. При протекании по нему тока выделяется большое количество тепловой энергии.

Различают несколько типов электроразряда:

Тлеющий. Низкоэнергетический разряд относительно слабым током при пониженном давлении газа, используется в люминесцентных светильниках и плазменных экранах.
Искровой. Возбуждается при нормальном давлении, имеет прерывистую форму. К таким разрядам относиться молния и искра зажигания в автомобильном двигателе.
Дуговой. Постоянный разряд при обычном давлении. Используется при электросварки, для дуговых ламп.
Коронный. Возбуждается на неоднородной поверхности между участками с разным потенциалом.

Коронный разряд используется при очистке газов от пылевых загрязнений.

Природа и строение

При зажигании дуги создается электрическая цепь. В ней участвуют два электрода — анод и катод, а также участок ионизированного газа. Протекая сквозь газовое облако, электрический ток вызывает его нагрев и интенсивное свечение, связанное с излучением фотонов.

Соответственно участкам цепи, строение сварочной дуги включает в себя три основные области:

анодная — толщиной 10 -4 см;
катодная 10 -5 см;
столб дуги, длиной 4-6 мм.

В первых двух зонах возникают активные пятна, в них происходит максимальное падение напряжения и максимальный нагрев.

Падение же напряжения в самом сварочном столбе невелико.

При действии электродуги, кроме повышенной температуры, действует еще один важный фактор — весьма интенсивное ультрафиолетовое излучение. Оно оказывает вредное воздействие на человеческий организм, прежде всего – на органы зрения и кожные покровы.

Строение сварочной дуги

Во избежание вреда для здоровья при работе с электросваркой обязательно применение средств индивидуальной защиты: сварочной маски, рукавиц и плотной одежды и обуви из негорючих материалов.

Разновидности

Существует несколько классификаций дуг по различным признакам.

По схеме электрического соединения электрические сварочные дуги разделяют на:

Прямого действия. Одним электродом является свариваемая конструкция, другой электрод плавящийся. Цепь образуют электрод и металл свариваемых деталей. В зазоре между ними разжигается дуга.
Косвенного действия. Разряд разжигается между двумя параллельными неплавкими электродами и подносится к свариваемым заготовкам.

Классификация сварочной дуги по схеме электрического соединения

По типу газовой среды, в которой возбуждается разряд, они подразделяются на:

Открытый. Действует в воздухе. Рабочую зону окружает облако из испарившегося металла, продуктов сгорания обмазки электродов.
Закрытый. Разряд идет под слоем флюсового порошка, облако состоит из испарившихся частиц металлов и инертных газов, выделяющихся при плавлении флюсового порошка.
С принудительным нагнетанием инертных газов. В рабочую зону вдувается под небольшим давлением смесь инертных газов с углекислым и водородом в определенных пропорциях. Цель такого нагнетания — защитить материал сварочной ванны и нагретой до температуры пластичности зоны заготовок от контакта с кислородом и азотом воздуха.

По длительности работы:

постоянная (для длительной работы);
импульсная (мощный однократный импульс, применяется для контактной сварки).

По конструкции и назначению применяемых электродов:

Неплавкие (графит, вольфрам). Такие электроды не расходуются в процессе сварки, материал шва формируется из расплавившегося металла заготовок.
Плавкие. Изготавливаются из стальных сплавов. В ходе процесса металлический стержень электрода плавится, стекает в сварной зазор и вместе с расплавившимися кромками заготовок формирует шовный материал.

Классификация сварочной дуги по применяемым электродам

В состав плавких электродов включают специальные легирующие добавки, повышающие прочность и долговечность получившегося соединения.

Условия горения

В нормальных условиях, при обычном давлении и температуре 20 °С газы, и прежде всего — воздух не являются проводниками. Чтобы они смогли проводить электричество, нужно создать особые условия: высвободить с атомных орбит большое количество ионов. Такой процесс называют ионизацией.

Работу, затрачиваемую на высвобождение одного электрона, называют потенциалом ионизации. Для различных материалов она составляет он 3,5 до 20 электрон-вольт. Наименьший потенциал характерен для щелочных элементов: калия, кальция и их соединений. Эти вещества добавляют в обмазку электродов или сварочную проволоку с целью поддержания стабильных параметров разряда. Добавляют их и в состав флюсового порошка для закрытого типа сварки.

Для обеспечения высокого качества сварного соединения необходимо поддерживать стабильные параметры электродуги, такие, как сила тока, напряжение, температура.

Температура определяется следующими факторами:

Материал катода.
Размеры катода.
Условия окружающей среды.

Распределение температуры дуги

Постоянство параметров тока — напряжение и сила — обеспечивается источником тока. Для сварочных работ разработано большое количество конструкций таких источников – от устаревших громоздких сварочных трансформаторов и выпрямителей до современных инверторов и полуавтоматов.

Возникновение

Электродуга возникает, или, как говорят сварщики, «разжигается» при кратковременном коротком замыкании электрода на заготовку. Протекающий ток разогревает металл, он начинает плавиться. Сильно разогревается и окружающий место контакта газ, этой энергии становится достаточно для его ионизации.

После размыкания электрода и детали столб газа между ними ионизируется и становится способным проводить электрический ток, который и устремляется по нему, и начинает гореть сварочная дуга.

Если не отвести электрод, ток протекает через точку контакта, дуги не возникает, электрод, как говорят сварщики, «залипает». Для разжигания дуги его придется оторвать от заготовки и повторить кратковременное касание.

Чем определяется мощность сварочной дуги

Мощность дуги определяет производительность сварочных работ и толщину соединяемых заготовок. Сама мощность зависит то следующих факторов:

Длина сварочной электродуги. Определяет количество тепла, выделяющегося при горении. При большей длине мощность возрастает, и наоборот.
Сила тока. Большая сила тока позволяет не погаснуть более длинной дуге.
Напряжение. В небольшом диапазоне повышение напряжения также приводит к росту мощности.

Повышение напряжения применяется редко, в специфических узкопрофессиональных случаях. В рядовых условиях оперируют силой тока.

Продолжительность разряда

В практических применениях чаще используется непрерывный режим разряда. Однако импульсный режим также распространен. Его используют при контактной сварке.

Сварка заготовок проводится не сплошным швом, а в нескольких точках. Такое соединение не обеспечивает герметичности, но обладает достаточной прочностью для выполнения тонкостенных конструкций, таких, как корпуса бытовой техники, различных приборов и установок, корпуса автомобилей.

Процесс осуществляется неплавящимся массивным электродом, который с большой силой прижимается к заготовке. Через электрод пропускается кратковременный ток очень большой силы — до нескольких тысяч ампер. В месте контакта металл обеих заготовки расплавляется, а по окончании импульса охлаждается и кристаллизуется как единое целое.

Далее электрод (или заготовка) перемещается вдоль линии шва к новой точке, прижимается к ней и подается новый импульс.

Электроды-ролики для контактной сварки

Существует разновидность такого метода, позволяющая получать и герметичные соединения. Электрод в этом случае выполняется в виде ролика, катящегося по поверхности заготовки. Импульсы подаются с небольшими промежутками, зоны оправления вдоль линии качения частично перекрываются и образуют сплошной материал шва. Такая технология применяется при автоматической сварке трубопроводов.

Температурные зоны

Независимо от того, какой электрод применяется — плавкий или неплавкий — в центре дугового столба наблюдается самая высокая температура — до 7000 °С.

Зоны пониженной температуры сварочной дуги располагаются в районах анодного и катодного пятна, но в них выделяется до двух третей всей энергии. Это центры излучения в инфракрасной части спектра.

Зона максимальной температуры является источником излучения в ультрафиолетовом спектре, наиболее вредного для здоровья человека.

При использовании для сварных работ переменного тока понятие полярности теряет свой смысл. Анод и катод меняются местами 50 или 60 раз в секунду.

Дуговая сварка под слоем флюса

При работе переменным током применяется очень простое оборудование и меньше риск «залипания» электрода.

Однако стабильность дуги в таких сварочных источниках очень сильно зависит от стабильности электроснабжения. Их работа также вызывает броски напряжения в электросети.

Вольт амперная характеристика

График, выражающий, как напряжение зависит от изменения тока, называют вольтамперной характеристикой дуги.

В условиях неизменной длины столба и постепенном росте тока график разделяется на три основные зоны. В первой, называемой «нисходящая», с ростом тока напряжение немного снижается. Эта зона соответствует процессам, происходящим при ручной сварке. Во второй – при росте тока напряжение остается стабильным. Эта часть характеристики применяется при полуавтоматической сварке с применением механической подачи сварочной проволоки.

И наконец, третья область, именуемая «восходящая» используется при автоматической сварке, в ней напряжение растет с повышением тока.

Дуговая сварка плавящимся электродом

При ручной сварке начальные значения на кривой соответствуют режиму холостого хода источника. Когда сварщик разжигает дугу, напряжение снижается вплоть до достижения участка стабилизации, такое напряжение сохраняется во время всей операции.

Особенности

Будучи сопоставлена с другими видами электроразрядов, электрическая дуга демонстрирует следующие от них отличия:

Большая плотность тока (до тысяч А/см 2 ) дает возможность развивать высокие температуры (до нескольких 1000 °С).
Неравномерность падения напряжения вдоль столба разряда. В анодной и катодной зоне оно весьма высоко, по всей длине столба — пренебрежимо мало.
Температура, развиваемая в зоне разряда, обратно пропорциональна ее толщине.
Многовариантность режимов работы при использовании различных участков вольтамперной характеристики.

На сегодняшний день сварочная дуга является самым быстрым, надежным и доступным методом создания неразъемных соединений металлических деталей и конструкций.

Электросварка стала и самым распространенным способом соединения. Она применяется в самых разных отраслях человеческой жизни, строительства, промышленности и транспорта.

Для получения качественных, прочных и долговечных швов необходимо точно подбирать рабочие режимы, определяющие основные свойства дугового разряда. Современное сварочное оборудование позволяет автоматически поддерживать эти параметры, облегчая работу оператора.

Область применения

Сварочная дуга используется в ручной электродуговой сварке, ставшей надежным помощником профессионалов и домашних мастеров. В ручной сварке используются плавкие электроды, обмазанные флюсовым составом. В процессе сварки материал стержня плавится, формируя материал шва, а обмазка при сгорании выделяет облако газов, защищающих сварочную ванну от воздействия кислорода. Ручная сварка используется как при работе с обычными нелегированными конструкционными сталями, так и в уникальных операциях по сварке нержавеющих, высоколегированных сплавов и цветных металлов.

Такая же дуга применяется и в установках — полуавтоматах. В них вместо электрода применяется сварочная проволока, подающаяся механическим устройством с постоянной скоростью. Инертные газы нагнетаются в рабочую зону через сопло горелке. Эта технология отличается оптимальным расходом сварочных материалов и высокой стабильностью параметров шва. Ввиду дороговизны оборудования экономически эффективна при больших объемах сварочных работ.

Автоматическая сварка осуществляется в специальных герметично закрытых объемах, заполненных инертным газом. Ее используют при сварочных работах с цветными металлами, особо ответственных операциях с нержавеющими сплавами.

Что такое сварочная дуга

Сварочная дуга используется человечеством для неразъемного, герметичного соединения металлов более века назад. Ее изучением занимался физик Вольт. Затем появились устройства для сварки. Электрический разряд возникает в момент короткого замыкания между электродом и свариваемой деталью. Электрическая энергия преобразуется в тепловую, образуется ванна расплава. Создается диффузный однородный слой металла на месте свариваемого стыка.

Изучив вольт-амперные характеристики процесса, ученые усовершенствовали процесс сварки, создали сварочные аппараты, поддерживающие стабильное горение дуги.

Что такое сварочная дуга, определение

Что можно назвать сварочной дугой – это, по сути, длительный проводник, состоящий из ионизированных частиц, существующий во времени благодаря поддерживающему электрическому полю. Дуговой разряд характеризуется непрерывной формой, высокой температурой, возникает в газовой среде, способной к ионизации.

В учебниках сварщика определение сварочной электродуги звучит следующим образом: это длительный электрический разряд в плазме, состоящей из смеси ионизированных воздушных или защитных газов, а также испарившихся компонентов присадочного и основного металла.

За короткое время разогреть металл до температуры плавления можно мощной сварочной дугой. Ее свойства характеризуются плотностью тока, вольтамперными показателями. С точки зрения электротехники, дуговой столб – ионизированный газовый проводник между катодом и анодом с большим сопротивлением, способностью к свечению. Детальное рассмотрение строения сварочной дуги поможет понять сущность температурного воздействия. Длина электродуги в среднем составляет 5 мм, она делится на основные зоны:

анодную, она не более 10 микрон;
катодную, она в 10 раз меньше анодной;
столб – видимая светящаяся полоска.

За температуру сварочной дуги отвечает поток свободных электронов. Они образуются на катодном пятне. Оно разогревается до 38% температуры плазмы. В дуговом столбе электроны двигаются к аноду, а положительные частицы – к катоду. У столба нет собственного заряда, он остается нейтральным. Внутри частицы разогреваются до 10 000°С, металл при этом в среднем нагревается до 2350°С, стандартная температура ванны расплава составляет 1700°С.

Место входа и нейтрализации электронов называют анодным пятном. Его температура выше, чем катодного на 4–6%.

Напряжение в анодной и катодной зонах существенно снижается, свечения не возникает. Видима только плазма, излучающая ультрафиолетовые, инфракрасные и световые волны. Они вредны для органов зрения, кожи. Поэтому сварщики используют индивидуальные средства защиты.

Виды сварочной дуги

Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По типу сварочного тока и положению электрода относительно свариваемых элементов выделяют следующие разновидности:

прямого действия, разряд перпендикулярен заготовке, параллелен электроду;
косвенного действия, разряд возникает между двух электродов, наклоненных друг к другу под углом от 40 до 60°, и металлом.

Классификация состава плазмы столба:

открытого типа возникает в воздушной атмосфере благодаря испаряемым из обмазки и металла компонентам;
закрытая, возникающая под слоем флюса за счет газообразной фазы, образовавшейся из частиц электрода, металла, компонентов флюса при прохождении разряда;
с подачей газовой смеси или однокомпонентного защитного газа.

Классифицируют дуговую сварку по материалу разжигающего электрода. Используют электроды:

вольфрамовые тугоплавкие
угольные или графитовые;
стальные с различным типом обмазки, в состав которой входят ионизирующие компоненты.

По длительности воздействия различают стационарную (постоянную) электродугу и импульсную, применяемую при контактной сварке.

Сущность сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.

Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали прогревают, чтобы воздух вокруг них был теплым, или подают в рабочую зону газ, способный ионизироваться. Легче всего ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.

Чтобы дуговой столб не угасал, важно поддерживать постоянную температуру в катодной области. Она напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужная температура поддерживается источником тока, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.

Как возникает электрическая сварочная дуга

Как и любой электрический разряд, сварочная электродуга появляется при замыкании цепи. Возникновение тока при касании электрода к свариваемому металлу приводит к выработке большого количества тепла. В точке замыкания появляется расплав, он тянется за кончиком электрода, образуется шейка, которая мгновенно распыляется из-за сильного тока. Происходит ионизация молекул воздуха и защитного облака, они переносят поток электронов.

Направленность потока зависит от рода тока. Дуга разжигается на постоянном токе обратной и прямой полярности, на переменном. Частота угасания и розжига электродуги зависит от параметров рабочего тока.

На мощностные параметры электродуги влияют несколько факторов:

напряжение, возрастание приводит к увеличению мощности только в небольшом диапазоне, существуют ограничения по размеру электрода;
сила тока, большой ампераж обеспечивает стабильное горение;
величина напряжения плазмы, пропорциональна мощности.

Длиной сварочной дуги называют расстояние от сварного кратера до кончика электрода. От этой величины зависит объем выделившегося тепла.

По мощности сварочной дуги определяют скорость плавления металла. От этой характеристики зависит время выполнения сварочных работ. Регулировка силы тока производится для корректировки температуры в рабочей зоне, даже на длинном столбе электродуга не будет затухать при большом ампераже. Напряжение редко изменяют в процессе сварки.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ описывает зависимость токовых параметров. С помощью этого графика определяют:

мощность дуги;
время горения,
условия гашения.

Динамическая ВАХ описывает неустановившееся состояние электродуги, когда ее длина колеблется. Статическая вольт-амперная характеристика отражает зависимость вольтажа от ампеража при постоянной дуговой длине. График делится на три области:

падающая – при подъеме силы тока напряжение резко спадает, это связано с формированием столба: площадь сечения плазменного потока возрастает, электропроводность плазмы изменяется;
жесткая, это участок стабильной плотности тока и падения напряжения, с ростом ампеража от 100 до 1000 А пропорционально увеличивается диаметр дугового столба (анодное и катодное пятна, соответственно, изменяются);
возрастающая, характеризуется постоянным размером катодного пятна, она ограничена диаметром электрода, при увеличении ампеража по закону Ома увеличивается U, R дугового столба.

Статическая вольт-амперная харакетиристика сварочной дуги: 1 — падающая; 2 — жесткая; 3 — возрастающая.

ВАХ процесса обычной ручной сварки с использованием плавящихся и неплавящихся электродов на воздухе или в облаке защитного газа ограничена двумя первыми областями, до третьей ампераж не доходит. Механизированной сварки с использованием флюсов соответствует графику II и III областей, сварка плавящимся электродом в облаке защитной атмосферы – III.

При использовании оборудования, генерирующего переменный ток, возбуждение сварочной дуги происходит в каждом полупериоде, на пике зажигания. При переходе через ноль электродуга затухает, нагрев активных пятен прекращается. Покрытия электродов, содержащие активные щелочные металлы, повышают устойчивость ионизации. Защитное облако затрудняет розжиг на переменном токе, но поддерживают горение на постоянном. Между полюсами возникает ионизация молекул газа.

При выборе оборудования необходимо это учитывать, что вольт-амперная характеристика электродуги зависит от внешней ВАХ. Работу сварочного аппарата рассматривают как наложение графиков. Для ручной сварки необходимы источники питания с падающими областями ВАХ (повышенным напряжением холостого хода), чтобы была возможность изменять длину дуги, регулируя ампераж. Сила тока короткого замыкания во время падения капли с плавящегося электрода на свариваемый металл на 20–50% выше дугового тока. Для сварки плавящимся электродом используют дугу размыкания. Для розжига дуги вольфрамовым или угольным электродом желателен вспомогательный разряд.

При высоких значениях тока короткого замыкания возрастает риск прожогов металла. При падении капли происходит замыкание, затем резко возрастает до первоначальных значений – ампераж возрастает до величины тока короткого замыкания, образовавшийся мостик перегорает, дуга возбуждается снова. Изменения тока и напряжения в столбе происходят моментально, за доли секунды. Сварочное оборудование должно быстро реагировать на колебания, стабилизировать напряжение.

Особенности дуги

Благодаря особым свойствам, электрическая дуга используется при сварке с тугоплавкими и плавящимися электродами. Она быстро разогревает металл, образуя ванну расплава. Электрический ток эффективно преобразуется в тепловую энергию с минимальными потерями.

По природе происхождения электрическую сварочную дугу можно сравнить с другими видами электрических зарядов. Основные отличительные характеристики дуги:

Читайте также: