Электрическая дуга и ее применение при сварке

Обновлено: 04.10.2024

1. Приложение 4.2.9 МДК 02.01. Техника и технология ручной дуговой сварки (наплавки, резки) покрытыми электродами Электрическая

2. Осваиваемые компетенции:

ПК 2.1. Выполнять ручную дуговую сварку различных деталей из
углеродистых и конструкционных сталей во всех пространственных
положениях сварного шва.
ПК 2.2. Выполнять ручную дуговую сварку различных деталей из
цветных металлов и сплавов во всех пространственных положениях
сварного шва.
ПК 2.3. Выполнять ручную дуговую наплавку покрытыми
электродами различных деталей.
ПК 2.4. Выполнять дуговую резку различных деталей.
ПК 2.5. Выполнять ручную дуговую сварку покрытыми электродами
конструкций (оборудования, изделий, узлов, трубопроводов,
деталей) из углеродистых сталей, предназначенных для работы под
давлением, в различных пространственных положениях сварного
шва.

3. Цель: В результате обучения по данной теме обучающиеся получат знания о строении сварочной дуги и ее применении при сварке.

4. 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.
Прохождение электрического тока через газ возможно
только при наличии в нем заряженных частиц — электронов и
ионов.
• Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке
обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с
поверхности отрицательного электрода (катода) и
ионизацией находящихся в промежутке газов и паров.
Электрическую дугу, используемую для сварки металлов,
называют сварочной дугой.

5. Сварочная дуга

Сварочная дуга представляет собой электрический
дуговой разряд в ионизированной смеси не только газов,
но и паров металла и компонентов, входящих в состав
электродных покрытий, флюсов и т.д.
Если ионизированный воздушный промежуток находится
в электрическом поле, то подвижные газовые ионы
приходят в движение и создают электрический ток.
Как только прекращается действие ионизирующих
факторов, исчезает электропроводность и ток
прекращается.

Дуга является частью электрической сварочной
цепи. При сварке на постоянном токе электрод,
подсоединенный к положительному полюсу
источника питания дуги, называют анодом, а к
отрицательному — катодом.
Если сварку ведут на переменном токе, то
каждый из электродов является попеременно
анодом или катодом.
Промежуток между электродами называют
областью дугового разряда, или дуговым
промежутком; длину дугового промежутка —
длиной дуги.

7. Возбуждение дуги

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 электрического поля высокой напряженности
(автоэлектронная эмиссия).
Наличие электронной эмиссии с поверхности катода
считают непременным условием существования
дугового разряда.

8. Зажигание дуги

Зажигание дуги при сварке плавящимся
электродом также начинается с короткого
замыкания. Из-за шероховатости поверхностей
касание электрода с основным металлом
происходит отдельными выступающими
участками, которые мгновенно расплавляются
под действием выделяющейся теплоты,
образуя жидкую перемычку между основным
металлом и электродом.

9. Области дугового промежутка

По длине дугового промежутка можно выделить три области :
катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги.
Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода,
называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка,
примыкающую к ней.
Температура катодного пятна на стальных электродах достигает
2400. 2700С. В катодном пятне выделяется до 38% общей теплоты
дуги. Основным физическим процессом в этой области является
разгон электронов.
Падение напряжения в катодной области UK составляет 10. 20 В.
Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и
части дугового промежутка, примыкающего к нему. Анодное пятно
— имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но
в результате бомбардировки электронами на нем выделяется
больше теплоты, чем на катоде. Для дуг с плавящимся электродом
анодное падение напряжения составляет 2. 6 В.
Столб дуги, расположенный между катодной и анодной областями,
имеет наибольшую протяженность в дуговом промежутке.

10. Классификация сварочной дуги

• по применяемым электродам — с плавящимся и
неплавящимся;
• по степени сжатия дуги —свободная и сжатая;
• по схеме подвода сварочного тока — прямого и
косвенного действия.
• по роду тока — постоянного и переменного
(однофазного или трехфазного) тока;
• по полярности постоянного тока — прямой и
обратной полярности.
• Дугу называют короткой, если длина ее составляет
2. 4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4. 6

При применении постоянного
тока различают сварку на
прямой и обратной
полярности.
При сварке на прямой
полярности электрод
подключается к
отрицательному полюсу и
служит катодом, а изделие — к
положительному и служит
анодом.
При сварке на обратной
полярности электрод
подключается к
положительному полюсу и
служит анодом, а изделие — к
отрицательному и служит
катодом.

Дугу можно зажечь путем
касания электродом
свариваемого изделия и
отводом его
перпендикулярно вверх.
Дугу можно зажечь путем
«чиркания» электродом
как спичкой по
поверхности
свариваемого изделия.

14. Способы возбуждения дуги

два основных способа возбуждения дуги: способ короткого
замыкания и способ высоковольтного высокочастотного разряда.
Способ короткого замыкания используют в основном при сварке
плавящимся электродом. В момент касания электродом
поверхности основного металла происходит замыкание
электрической цепи вторичного контура источника питания дуги и в
этой цепи возникает электрический ток. Из-за шероховатости
поверхностей электрода и основного металла короткое замыкание
происходит по отдельным выступам, плотность тока в которых
оказывается достаточной для почти мгновенного расплавления
выступающих участков. Между электродом и свариваемым
изделием образуется жидкая перемычка расплава.
При отводе электрода перемычка растягивается, сечение ее
уменьшается, сопротивление и температура возрастают. Когда
расплавленный металл этой перемычки нагреется до температуры
кипения, она разрушается, образуя легко ионизируемые пары
металла, в которых и развивается дуговой разряд.

При втором способе возбуждения дуговой разряд
развивается из искрового.
Для создания искрового разряда используют
специальное устройство - осциллятор, который
представляет собой генератор высоковольтного (U =
2000. 4000 В) высокочастотного (f= 250 кГц)
электрического разряда.
Осциллятор подключают или параллельно газовому
промежутку между электродом и изделием, или
последовательно с этим промежутком.
Напряженность электрического поля, создаваемого
осциллятором между электродом и изделием, выше
потенциала ионизации газа, что ведет к электрическому
пробою газового промежутка.
Поскольку работающий осциллятор - это мощный
источник радиопомех, то после возбуждения дуги его
отключают.

16. Условия зажигания и устойчивость горения дуги

Условия зажигания и устойчивого горения дуги
зависят от таких факторов, как род тока
(постоянный или переменный), прямая или
обратная полярность при сварке на постоянном
токе, диаметр электрода, состав обмазки при
сварке штучными электродами, температура
окружающей среды.

Для зажигания дуги требуется большее
напряжение, чем напряжение для горения дуги.
Напряжение, подводимое от источника питания к
электродам при разомкнутой сварочной цепи,
является напряжением холостого хода.
При сварке на постоянном токе напряжение
холостого хода не превышает 90 В, а на
переменном —80 В.
В момент горения дуги напряжение, подаваемое
от источника питания, значительно снижается и
достигает значения, необходимого для
устойчивого горения дуги.

18. Условие зажигания и горения дуги

Первое условие зажигания и горения дуги — наличие электрического
источника питания дуги достаточной мощности, позволяющего
быстро нагревать катод до высокой температуры при возбуждении
дуги.
Вторым условием для зажигания и горения дуги является введение в
состав покрытия штучных электродов или в состав флюсов таких
элементов, как калий, натрий, барий, литий, алюминий, кальций и др.
Эти элементы обладают низким потенциалом ионизации и
способствуют быстрому зажиганию дуги.
Третьим условием устойчивости горения дуги при сварке является
включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного
сопротивления, что позволяет вести сварочные работы
металлическими электродами на переменном токе при напряжении
сварочного трансформатора порядка 60*- 65 В и стандартной
частоте тока.

19. Магнитное дутье

Отклонение столба дуги под
действием магнитного поля,
наблюдаемое в основном
при сварке постоянным
током, называют магнитным
дутьем.
При сварке переменным
током, когда полярность
меняется с частотой тока, это
явление выражено
значительно слабее.
Магнитное дутье вызывает
непровары и ухудшает
формирование швов.

20. Плавление и перенос электродного материала

Перенос металла может быть различным:
крупнокапельный (характерен сварочная ванна для
ручной дуговой сварки покрытым электродом)
мелкокапельный (наблюдается при сварке под
флюсом и в защитных газах — аргоне, углекислом
газе и пр.)
струйный (имеет место при сварке в аргоне на
больших токах)
Мелкокапельный и струйный переносы
электродного металла обеспечивают более
устойчивый процесс сварки и лучшее
формирование сварного шва.

• Основная характеристика плавления
электрода — линейная скорость его
расплавления в единицу времени, которая
зависит от состава электрода, покрытия,
режима сварки, плотности и полярности
тока.
• В общем случае скорость плавления
электрода возрастает с увеличением силы
тока примерно по линейной зависимости,
определяется условиями выделения и

При плавлении на торце электрода образуется капля
жидкого металла.
Характер переноса электродного металла зависит от
соотношения сил, действующих на каплю металла на
торце электрода.
К основным из них относят силу тяжести, силу
поверхностного натяжения, электромагнитную силу, силу
реактивного давления паров, аэродинамическую силу и
др.

В зависимости от соотношения сил, действующих на каплю,
характер переноса электродного металла может существенно
изменяться.
При сварке покрытыми электродами наблюдается в основном
крупнокапельный и мелкокапельный перенос .
Тип переноса зависит от состава и толщины покрытия, режима
сварки, рода тока и полярности.

Для электродов с основным покрытием
характерен крупнокапельный перенос металла в
широком диапазоне режимов сварки, что
обусловлено высоким поверхностным
натяжением металла на границе со шлаком,
поскольку и шлак, и металл хорошо раскислены.
Для сварки электродами с кислым и рутиловым
покрытиями характерен мелкокапельный
перенос.
Струйный процесс переноса металла характерен
для сварки плавящимся электродом в инертных
газах.

25. Столб дуги

Основным процессом здесь
является ионизация, или
образование заряженных
частиц газа.
Температура столба дуги
достигает 6000. 8000°С и
более — в зависимости от
плотности сварочного тока.
Падение напряжения в
столбе изменяется в
пределах 10. 50 В/см.

26. Формирование сварочной ванны

Образование сварочной ванны —
важнейший этап получения соединения при
сварке плавлением. От формы и размеров
сварочной ванны зависят форма и размеры
сварных швов и, следовательно,
эксплуатационные характеристики
получаемых соединений.
Форма сварочной ванны при дуговых
процессах характеризуется ее длиной,

Объем сварочной ванны в
зависимости от способа и
режима сварки изменяется от
0,1 до 10 см3.
Сварочная ванна имеет
эллипсовидное, вытянутое
вдоль направления сварки
очертание.
В поперечном сечении в
зависимости от режима и
условий сварки форма
сварочной ванны изменяется в
широких пределах.
Для дуговой сварки наиболее
характерна форма провара,
приближающаяся к
полуокружности.

Средняя температура сварочной ванны при сварке под флюсом
конструкционных низкоуглеродистых сталей составляет около
1800°С. Максимальная температура в этих условиях достигает 2300
°С.

29. Давление дуги

Столб дуги, находящийся в головной части сварочной ванны,
оказывает механическое воздействие — давление на поверхность
расплавленного металла.
Давление дуги приводит к вытеснению жидкого металла из-под
основания дуги и погружению столба дуги в расплавленный металл,
что обусловливает увеличение глубины проплавления.
Жидкий металл, вытесненный из-под основания дуги действующими
на поверхность сварочной ванны силами, по мере передвижения
дуги отбрасывается в хвостовую часть плавильного пространства.

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.

Природа и строение

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.

Условия горения

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.

Чем определяется мощность сварочной дуги

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:

Сварочная дуга

В условиях современных реалий промышленность не может обойтись без сварки. А она, в свою очередь, базируется на таком явлении, как сварочная дуга, над которой трудились в свое время передовые ученые. Благодаря ей создается высокая прочность, которая так необходима в процессе соединения изделий из металла, трансформируя их в одно целое. Однако при выполнении данной процедуры важны определенные нюансы, как, например, грамотно выбранный источник питания и условия горения, иначе шов может получиться кривым.

Далее подробно расскажем о природе и строении сварочной дуги, в каких сферах она применяется, каких видов бывает и как правильно используется. С этой информацией любой сварщик моментально углубит свои знания и упрочит позиции среди специалистов данной области.

Определение сварочной дуги

Сварочная дуга – это электрозаряд, расположенный между электродами, имеющий значительную длину и выделяющий большой объем энергии. Дуга характеризуется разницей потенциалов, возникающей в газовой среде.

За счет сварочной дуги температура металла с высокой плотностью электрического напряжения быстро повышается, материал приобретает пластичность и достигает состояния, подходящего для последующей плавки.

Поджиг дуги вызывает формирование гальванической цепи, в которую входят анод, катод и ионизированный газ. При этом используются два электрода. Протекание тока приводит к нагреванию дуги, появлению исходящего от нее света – последняя характеристика объясняется наличием фотонного излучения.

Ключевые особенности сварочной дуги

Если сравнивать с прочими электрическими зарядами, дуга отличается такими особенностями:

Высокая плотность тока, вплоть до нескольких тысяч ампер на 1 см2, что обеспечивает высокую температуру.
Неравномерное распределение электрического поля на отрезке между электродами: около них напряжение падает, значительно усиливаясь в столбе.
Очень высокая температура, достигающая своего пика в столбе, что связано с большой плотностью тока. За счет увеличения длины столба можно снизить нагрев электрической сварочной дуги, тогда как уменьшение его размеров приводит к росту температуры.
Виды нахлесточных сварных соединенийВозможность добиваться разных вольтамперных характеристик за счет зависимости напряжения от плотности тока при постоянной длине или непрерывном горении дуги. Сегодня принято говорить о трех вольтамперных характеристиках.

Области применения сварочной дуги

Дуга применяется при работе с такими видами сварки:

Полуавтоматический. В основе данного подхода лежит использование тугоплавких вольфрамовых электродов, на дугу подают присадочную проволоку.
Ручной. Данный метод является самым популярным ввиду своей простоты.
Автоматический. Используется на производствах, упрощая выполнение объемных задач.

Если ведутся работы с открытой плазмой, предпочтение отдают жесткой дуге, тогда как при сварке под флюсом или в среде защитного газа необходима возрастающая дуга.

Природа и строение сварочной дуги

Понимая строение дуги, проще разобраться с ее принципом действия, ведь мощная электродуга позволяет за минимальный промежуток времени довести металл до температуры, при которой он начинает плавиться. Говоря о сварочной дуге и ее свойствах под последними понимают плотность тока и вольтамперные показатели. Столб дуги представляет собой светящийся ионизированный газовый проводник от катода к аноду, обладающий высоким сопротивлением.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

В среднем, дуга равна 5 мм. Принято выделять такие основные зоны сварочной дуги:

анодная – имеет размер до 10 микронов;
катодная – в 10 раз меньше первой;
столб – различимая глазом светящаяся полоса.

Температура сварочной дуги обеспечивается благодаря потоку свободных электронов, образуемых на катодном пятне. Причем последнее нагревается до 38 % от температуры плазмы. В столбе электроны направляются к аноду, а протоны – к катоду. Сам столб лишен заряда, поэтому на протяжении всех сварочных работ сохраняет нейтральность. Температура частиц доходит до+10 000 °C, металл в процессе сварки нагревается до +2 350 °C, тогда как расплав в ванне прогрет до +1 700 °С.

Стоит пояснить, что в схеме сварочной дуги анодным пятном принято называть место входа и нейтрализации электронов. Данный участок имеет на 4–6 % более высокую температуру, чем катодное пятно. Напряжение в обеих указанных зонах значительно снижается, из-за чего невозможно их свечение. Человеческий глаз видит лишь плазму, которая испускает ультрафиолетовое, инфракрасное и световое излучение. Нужно понимать, что последнее опасно для зрения и кожных покровов, поэтому специалисты не начинают работу без индивидуальных средств защиты.

Виды сварочных дуг

На данный момент сварщики пользуются несколькими классификациями сварочных дуг – они отличаются схемами подвода тока и средой, в которой ведется работа.

Источники питания сварочной дуги

Разряд может создаваться при помощи постоянного или переменного тока. Стоит оговориться, что постоянное напряжение обеспечивает более надежный сварной шов, а работа сопровождается меньшим разбрызгиванием металла.

Трансформатор использует ток из сети 220 B и преобразует его в 15–40 В.

Поскольку современное сварочное оборудование имеет небольшие размеры, в нем используется схема, включающая в себя следующие узлы:

Благодаря инвертору постоянный ток преобразуется в переменный частотой до 80 кГц. Таким образом удается использовать трансформатор меньшего размера, увеличив КПД всего устройства.

При выборе источника питания сварочной дуги отталкиваются от способа, которым будет осуществляться обработка металла. Допустим, в процессе ручной сварки невозможно сохранение одинаковой длины дуги, а значит, следует взять аппарат с крутопадающей вольтамперной характеристикой. Из-за этого при растягивании дуги разряд не погаснет, а при укорачивании сила тока остается неизменной.

Сварка плавящимся электродом сопровождается стеканием капель горячего металла на изделие, из-за чего появляется ток короткого замыкания. Он имеет показатель, превышающий силу тока сварочной дуги на 20–50 %, и призван уничтожить образовавшийся металлический мостик, после чего происходит повторное формирование плазменного разряда. Подобные колебания совершаются мгновенно, поэтому источник должен быстро реагировать, чтобы стабилизировать разность потенциалов.

Критерии, влияющие на мощность сварочной дуги

Мощность сварочной дуги зависит от следующих факторов:

напряжение – повышение данного показателя вызывает рост мощности в небольшом диапазоне, кроме того, необходимо помнить об ограничениях по размеру электрода;
сила тока – большой ампераж позволяет добиться стабильного горения дуги;
величина напряжения плазмы – данный показатель пропорционален мощности.

Длина дуги определяется как расстояние между сварным кратером и концом электрода. Данная величина непосредственно влияет на то, какой объем тепла выделяется в процессе работы.

Отталкиваясь от мощности дуги, устанавливают скорость плавления металла изделия, а значит, и время, необходимое для завершения работы. Благодаря регулировке силы тока удается менять температуру в рабочей зоне. Нужно понимать, что даже при использовании длинного столба электродуга будет стабильно гореть при большом ампераже. Напряжение редко корректируют во время сварочных работ.

Вольтамперная характеристика сварочной дуги

Вольтамперная характеристика (или ВАХ) энергетического электрозаряда представляет собой график, отображающий зависимость напряжения от смены тока. Данный показатель бывает:

Нисходящим – падает из-за роста напряжения.
Стабильным – остается неизменным при смене силы тока.
Восходящим – повышается при увеличении силы тока. Этот вариант чаще всего применяется в процессе сварки автоматом.

ВАХ описывает зависимость токовых параметров, позволяя установить такие характеристики в работе сварочной дуги, как:

мощность;
время горения;
условия гашения.

При ручной сварке с использованием плавящихся и неплавящихся электродов на воздухе или в облаке защитного газа ВАХ ограничивается двумя первыми областями, до третьей ампераж не доходит. Если речь идет о механизированной сварке с использованием флюсов, она осуществляется по графику областей II и III. А сварка плавящимся электродом в облаке защитной атмосферы происходит по графику области III.

При работе сварочным аппаратом, обеспечивающим переменный ток, сварочная дуга появляется в каждом полупериоде на пике зажигания. При переходе через ноль она затухает, при этом прекращается нагрев активных пятен. В составе покрытия электродов присутствуют активные щелочные металлы, призванные увеличить устойчивость ионизации. Из-за защитного облака осложняется розжиг дуги на переменном токе, однако обеспечивается стабильное горение при использовании постоянного тока. Это связано с тем, что между полюсами молекулы газа ионизируются.

Выбирая устройство для сварки, важно помнить, что вольтамперная характеристика электродуги зависит от аналогичного внешнего показателя. Работа аппарата рассматривается специалистами как наложение графиков. Так, при ручной сварке нужно использовать источники питания с падающими областями ВАХ или повышенным напряжением холостого хода. Тогда сварщик может варьировать длину дуги за счет изменения ампеража.

Немаловажно, что короткое замыкание, происходящее при падении капли с электрода на изделие, имеет силу тока на 20–50 % выше, чем у сварочной дуги. При использовании плавящихся электродов прибегают к дуге размыкания. Если осуществляется розжиг дуги вольфрамовым или угольным электродом, рекомендуется применять вспомогательный разряд.

Большая сила тока короткого замыкания чревата прожогом металла изделия. Падение капли влечет за собой замыкание, после чего ампераж повышается до величины тока короткого замыкания, появившийся мостик перегорает, а дуга загорается вновь. На изменение тока и напряжения в столбе уходят доли секунды, поэтому важно, чтобы оборудование быстро стабилизировало напряжение.

Условия горения сварочной дуги

При стандартных условиях, под которыми понимают температуру +25 °C и давление в 1 атмосферу, газы не проводят ток. Дуга может образоваться, если газы между электродами ионизированы – в их составе присутствуют заряженные частицы, такие как электроны или ионы/катионы или анионы.

Образование ионизированного газа обозначают как ионизация. Работа, затрачиваемая на отрыв электрона от атома с образованием электрона и иона, – это работа ионизации или потенциал ионизации, который измеряют в электрон-вольтах. На отрыв электрона требуется 3,5–25 эВ, причем конкретное количество необходимой энергии зависит от используемой газовой фазы.

Ниже всего потенциал ионизации у щелочных и щелочноземельных металлов, таких как калий, кальций и их химические соединения. Последние используют в качестве покрытия электродов, что позволяет обеспечить стабильное горение сварочной дуги.

Кроме того, чтобы дуга зажглась и могла гореть, нужно обеспечить постоянную температуру на катод. Конкретное значение подбирается под вид, диаметр, размер катода, температуру вокруг.

Получается, электродуга является лучшим и самым надежным способом соединения элементов из металла. Развитие сварки сильно повлияло на современную промышленность, ведь только при помощи высокой температуры сварочной дуги удается обрабатывать большую часть используемых сегодня металлов.

Чтобы сформировать действительно надежные швы, нужно помнить о характеристиках дуги, не упускать из внимания ключевые значения. Тогда вся работа займет немного времени, а результат окажется достойным. Кроме того, важно учитывать свойства дуги, такие как плотность тока, температура, напряжение.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Электрическая дуга и ее применение для сварки

Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электрического тока через газовый промежуток под воз действием 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 о б л а с т ь ю д у г о в о г о разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют д л и н о й д у г и. 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 и о н и з а ц и е й, а сам газ —и о н и з о в а н н ы м. 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 с в о б о д н о й д у- г о й в отличие от сжатой, поперечное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит сле- дующим 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. 3.1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги. 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 0 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 Uk, 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 и о н и з а ц и е й с о у д а р е н и е м. 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, становятся нейтральными атомами.

Такой процесс нейтрализации частиц называют р е к о м б и н а ц и е й. 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 0 С и более. Падение напряжения в нем Uс, 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 щелоч- но-земельные элементы (Са, Nа, К и др.). Общее падение напряжения в дуге Uд = Uк + Uа + Uс. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uс = Еlс, где Е — напряженность по длине, lс—длина столба. Значения Uк, Uа, Е 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 lс=1д. Тогда получается выражение

показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от

ее длины, где а = Uк + Uа; b = Е.

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 пара метры — 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 характеристики дуги (рис. 3.2). С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая статической вольт-амперной характеристика поднимается выше, с уменьшением длины

дуги опускается ниже, качественно сохранив 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 увеличиваются площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области различается 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. Сварки 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 возрас- тающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки. 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. 3.3). 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 напря- жения и ее обрыву.

Электрическая дуга

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Влияние на дугу магнитных полей

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

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

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

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

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

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

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

Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:

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

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

Читайте также: