Классификация сварочной дуги по полярности постоянного тока

Обновлено: 05.10.2024

Для монтажа металлоизделий, ремонтных работ чаще применяют сварку постоянным током. Используя выпрямители, инверторы, можно менять полярность при сварке, регулировать зону максимального нагрева дуги. О нюансах прямого и обратного подключения полюсов стоит рассказать подробно: как подключают полюса, в каких случаях минус выводят на электрод, в чем особенность шва при прямой и обратной полярности.

Отличия в подключении

Все, кто пользовался аппаратами для электродуговой сварки, понимает, что речь пойдет о распределении полюсов между держателем и заготовкой. Полярность при сварке бывает двух типов:

Прямая, когда электроны движутся к заготовке (минус на электроде). Дуга получается компактной, плотной.
Обратная, когда к держателю подключают плюс. Формируется рассеянная область контакта дуги с металлом.

Основное отличие сварки прямой и обратной полярности – локализация точки максимального разогрева. При прямой сильнее нагревается металл, при обратной – расходник. Способ подключения полюсов зависит от толщины и физических свойств металла.

Особенности прямой полярности при сварке

Сначала несколько слов об области применения прямой полярности при сварке. Она обширна, используется:

При монтаже стального проката из углеродистых, низколегированных, специальных сталей плавящимися электродами.
Когда сварка производится вольфрамовым неплавящимся электродом с использованием наплавочной проволоки. Тугоплавкий стержень нужен при стыковых соединениях тонких деталей, цветных металлов, его используют, работая с текучими сплавами.
Для раскроя заготовок сварочным оборудованием.

Преимущества тока стандартного подключения клемм:

образуется узкий шовный валик;
за счет высокой плотности плазмы заготовка проваривается глубоко;
выпускается большой ассортимент наплавочных электродов с различными видами покрытий;
поддерживается стабильная дуга.

Недостатки прямого подключения:

металл сильно разбрызгивается (плотный поток плазмы с силой ударяет по ванне расплава);
велик риск прожога тонких деталей;
возникают остаточные напряжения в зоне термического влияния.

Итак, при прямом подключении кабель от плюсовой клеммы присоединяется к заготовке, а от минусового гнезда выводится на держатель электрода.

Особенности обратной полярности при сварке

Сварщики-самоучки иногда непроизвольно меняют полярность тока, если невнимательно обращаются с аппаратом. Варить металл в таких случаях приходится долго, шов получается широкий, расходники быстро сгорают. Причина в том, что точка максимального разогрева дуги фокусируется на кончике электрода. При сварке обратной полярностью скорость расплавления в полтора раза ниже.

Обратную полярность при сварке используют, когда нужно аккуратно проварить металл, без прожогов. Смена полюсов нужна:

при работе с тонкими стальными заготовками;
цветными металлами;
нержавеющими высоколегированными сталями;
при флюсовой сварке;
для ионизации защитного газа, образующегося над рабочей зоной.

Что важно учитывать:

При смене полюсов шовный валик не такой глубокий, металл растекается по поверхности.
Толстые заготовки при обратном подключении приходится обваривать со всех сторон для прочности соединения.
Электроды нужны специальные, которые выдержат перегрев.
Нужно поддерживать короткую дугу, следить, чтобы не было подрезов на деталях.
Перемещение дуги ограничено размерами сварного шва.

Несколько советов для новичков:

устанавливают высокое напряжение, на низком дуга скачет и прерывается;
нельзя использовать электроды, чувствительные к перегреву;
температуру разогрева заготовки регулируют напряжением;
тонкие края лучше варить прерывистым швом;
силу тока, рабочие циклы лучше настраивать вручную экспериментальным путем.

Уточняю, для обратного подключения на держатель выводится плюс, на свариваемые детали – минус.

Род тока

Особенность сварки на переменном токе в том, что при прохождении синусоиды через ноль дуга потухает, а затем снова разгорается. Человеческий глаз на высокой частоте тока этого не улавливает. Сразу напрашивается вывод: род тока влияет на стабильность дуги. Не случайно для сварки используют переменный ток высокой частоты.

Когда аппарат выдает постоянный ток, увеличиваются возможности сварки, можно менять направление движения потока электронов, влиять на плотность электрической дуги. От рода и полярности тока в конечном итоге зависит прочность образуемых соединений.

Уточняю: полярность меняется только при работе с постоянным током.

У генераторов переменного тока провода можно подключать в любой последовательности, на процесс сварки это не влияет.

При выборе электродов важно учитывать род тока. Покупая расходники, нужно внимательно изучать инструкцию, там всегда даются необходимые указания. Электроды бывают для постоянного или переменного тока и универсальные. Например, УОНИИ – для постоянного. Но удобней всего работать с универсальными стержнями, с ними меньше проблем. Подготовил необходимое количество, прогрел до указанной температуры, и за работу.

Выбор полярности

Первое, на что обращают внимание, тип электрода. Для тугоплавких, необходимых для розжига дуги, чаще нужна обратная полярность. Для работы с наплавочной проволокой выбирают только вольфрамовые стержни. Угольные не стойки к нагреву, становятся хрупкими, постоянно будут крошиться.

Второй важный критерий – толщина металла. Заготовки до 3 мм легко прожечь, лучше подключить к ним минус, чтобы анодное пятно сместилось вверх. Это правило верно для стального проката, легированных элементов, цветных сплавов, алюминия.

Главный закон при выборе полярности тока для сварки – за нагрев отвечает плюсовое гнездо. На аноде всегда выделяется больше тепла, чем на катоде. Разница огромная, при работе с тугоплавкими сталями с температурой плавления в пределах +3000°С доходит до 1000°С. То есть, если на катоде будет +3000°С, анод разогреется до +4000°С. К металлам, у которых от перегрева меняется зернистость, нарушается внутренняя структура, подключают минус.

Полярность актуальная при создании швов, работающих на изгиб, кручение. От глубины диффузного слоя напрямую зависит прочность соединения. Что необходимо помнить:

при прямой полярности шов уходит в глубину;
при обратной сосредоточен у поверхности, валик образуется высокий и широкий.

Зная основные правила выбора полярности, легче подбирать оптимальные сварочные режимы под различные виды заготовок. Можно добиться необходимой прочности соединения.

Полярность при работе полуавтоматом

Отличительная особенность полуавтоматических аппаратов – подача присадочной проволоки в автоматическом режиме, с фиксированной скоростью. Понятно, что в этом случае шовный валик получается аккуратным, ровненьким, ведь металл проплавляется равномерно. Для генерации тока используют инвертор – компактный преобразователь с электронной начинкой, дополнительными функциями, облегчающими процесс сварки.

Специфика автоматической сварки предусматривает несколько режимов работы оборудования:

на открытом воздухе с присадкой, образующей шлаковый слой;
с использованием проволоки, содержащей флюсы;
в среде защитного газа, покрывающего рабочую зону.

Подключение клемм зависит от вида режима. Прямая подходит для обычной порошковой проволоки. На обратную переходят:

применяя защитный газ, ионизированные молекулы отлично пропускают электроны, дуга быстро разгорается;
используя флюсовую присадку, тепло концентрируется на кончике наплавки, флюс выгорает полностью, формируется однородный диффузный слой.

Работая с современным сварочным оборудованием, при обратном подключении клемм можно скорректировать стабильность горения дуги.

Зная особенности работы на переменном токе, можно подобрать режим сварки под размер заготовок, тип металла. Постоянный ток дает большие возможности, меняя положение полюсов, сварщик контролирует положение высокотемпературной области дуги. Смещая положение анодного пятна, получают прочные соединения на любых заготовках.

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.

Классификация сварочной дуги

· по виду статической вольтамперной характеристики – дуга с падающей, жёсткой и возрастающей характеристикой.

Дугу называют короткой, если длина её составляет 2-4 мм;

Дуга нормальная составляет 4-6 мм;

· Дуга длинная более 6 мм

Сварочная дуга должна иметь определённые технологические условия, обеспечивающие её быстрое зажигание, устойчивое горение, малую чувствительность к изменению её длины в определённых пределах, быстрое повторное зажигание (возбуждение) после обрыва, необходимое проплавление основного металла. Условия зажигания и устойчивого горения сварочной дуги зависят от таких факторов, как состав обмазки при сварке штучными электродами, род тока, прямая или обратная полярность (на постоянном токе), диаметр электрода, температура окружающей среды.

Для зажигания дуги требуется напряжение большее по величине, чем напряжение для горения дуги.

В процессе горения дуги ток и напряжение находятся в определённой зависимости . Эта зависимость при постоянной длине дуги называется статической вольтамперной характеристикой дуги. Рис 2.

Рис.2. Статическая характеристика дуги U_д = f(I_д)

при постоянной длине луги

Таким образом, первым условием зажигания и поддержания дуги является наличие достаточно мощного источника питания. Вторым условием является наличие ионизации столба дуги за счёт введения в состав покрытия штучных электродов или во флюс таких элементов как калий, натрий, барий, литий и др. Эти элементы обладают низким потенциалом ионизации и в момент зажигания дуги способствуют её возникновению. Третьим условием устойчивости горения дуги на переменном токе является наличие в сварочной цепи дросселя. В процессе горения дуги образуются обрывы (100 обрывов в секунду при частоте тока 50 гц). При включении дросселя в сварочную цепь происходит сдвиг фаз между напряжением источника питания и током, горение дуги относительно стабилизируется.

Однако полная стабилизация горения дуги достигается в точке пересечения вольтамперных характеристик дуги и источника питания. Эта точка будет определять устойчивое горение дуги. Рис 3.

Рис. 3. Вольтамперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке

низкоуглеродистой стали (кривые а,б);

при автоматической сварке под флюсом (кривые в,г);

(кривая д) – вольтамперная характеристика источника питания;

1 – точка устойчивого горения дуги

Ухудшает также стабилизацию горения дуги наличие магнитного дутья, возникающего от воздействия магнитных полей. Магнитные поля оказывают отклоняющее воздействие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги, особенно при сварке на постоянном токе.

Рис. 4. Действие собственных магнитных полей на дугу

Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс также нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс. Рис. 5.

Рис. 5. Влияние ферромагнитных масс на отклонение сварочной дуги

Отклонение дуги вызывает также и место подвода тока. Рис 6.

Рис.6. Влияние места подвода тока и наклона электрода на отклонение дуги

При горении сварочной дуги происходит взаимодействие электрического магнитного полей, в результате чего возникают электромагнитные силы, которые направлены от наружной поверхности дуги к её оси и сжимают столб дуги (пинч-эффект).

Под действием сжимающих электромагнитных сил и высокой температуры на конце электрода происходит плавление металла, образование и отрыв капли металла, которая переносится на изделие. Рис. 7.

Рис. 7. Сжимающее действие силовых магнитных линий на конец расплавленного электрода

В зависимости от размера и скорости образования капель различают капельный или струйный перенос.

При ручной сварке в сварочную ванну переносится примерно 95 % электродного металла, остальное это брызги и пары.

Капельный перенос происходит при сварке штучными покрытыми электродами. В этом случае большинство капель заключено в оболочку из шлака, образовавшегося из расплавленного покрытия. Аналогичные процессы переноса металла электрода в шов наблюдаются при сварке под флюсом и порошковой проволокой.

Струйный процесс переноса металла характерен для сварки плавящимся электродом в защитных газах.

При струйном переносе образуются мелкие капли, которые следуют одна за другой в виде непрерывной цепочки (струи). Струйный процесс переноса электродного металла возникает при сварке проволокой малого сечения с большой плотностью тока.

Обычно струйный перенос электродного металла приводит к меньшему выгоранию легирующих элементов в сварочной проволоке и к повышенной чистоте металла капель и сварного шва.

При импульсно-дуговой сварке перенос металла имеет свои особенности, так как с помощью специальной системы создаются условия управляемого и направленного переноса металла с незначительными потерями на угар и разбрызгивание.

Существуют две разновидности управляемого переноса металла. Первая состоит в том, что при каждом импульсе сварочного тока от электрода отделяется и переносится в сварочную ванну одна капля расплавленного металла (при сварке в среде аргона).

Вторая разновидность состоит в том, что во время прохождения импульса сварочного тока большей длительности, чем в первом случае, происходит интенсивное плавление электрода со струйным переносом металла

На рис. 8. представлен процесс переноса электродного металла.

Рис.8. Процесс переноса электродного металла на изделие при короткой дуге:

Строение дуги постоянного тока

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.

Строение дуги постоянного тока и распределение потенциалов по длине дугового промежутка представлены на рис. 1.1.

В сварочной дуге четко выражены три области:

1) катодная область l_к, прилегающая к катоду К (–) с разогретым катодным пятном 1. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400 … 2700 °С;

2) столб дуги l_ст – это ионизированный газ, который содержит атомы газов, паров металла и покрытия, нейтральные молекулы, свободные электроны и ионы. Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка и располагается между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц (электронов, положительных ионов и отрицательных ионов) здесь является ионизация газа.

Температура столба дуги зависит от состава газов, величины сварочного тока (с увеличением величины тока температура повышается), типа электродных покрытий и полярности. При обратной полярности температура столба дуги выше и она достигает от 6000 и более 8000 °С;

3) анодная область l_а включает анодное пятно 2 и часть дугового промежутка, примыкающего к аноду А (+).Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Электрон, попавший на анодную поверхность, отдает металлу не только запас кинетической энергии, но и энергию в виде теплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.

Длинновые размеры приэлектродных областей очень малы и составляют: катодной области l_к ≈10 -5 …10 -7 м; анодной области l_а ≈10 -4 …10 -5 м. Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги l_д.

Сварочная дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. Распределение падения напряжения по длине дугового промежутка (напряжения дуги U_д) зависит от физических условий, в которых горит сварочная дуга, и является суммой падения напряжений в приэлектродных областях U_к + U_а и столба дуги U_ст (см. рис. 1. 1):

Для сварочной дуги при плавящемся электроде характерно

Для большинства практически используемых режимов сварки принимают U_к=10…20 В, U_а=2…5 В и они не зависят от длины дуги и тока, а зависят от концентрации заряженных частиц в приэлектродных областях. Падение напряжения столба дуги U_стсущественным образом зависит от величины сварочного тока I_д, защитной среды, материала электродов и может изменяться от 6 до 40 В. Выражение (1.2) падения напряжения в дуговом промежутке можно записать в виде:

U_д= а + в· l_д, (1.3)

где а = U_к + U_а; – градиент напряжения в столбе, рав-ный 1…4 В/мм или в среднем – 2,5 В/мм. Таким образом, падение напряжения в столбе дуги длиной 4 мм составляет:

2.3. Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги, питаемой от источников для ручной электродуговой сварки [2]

Основным свойством любой электрической цепи, в том числе и сварочной дуги, является способность проводить ток, которая оценивается с помощью вольт-амперной характеристики (ВАХ). Зависимость напряжения на дуге от её тока в установившемся режиме (при постоянстве длины и проводимости дугового промежутка) называется статической вольт-амперной характеристикой дуги, т. е. U_д= f (I_св) при l_д = const.

Статическая ВАХ сварочной дуги содержит три участка: падающий, жёсткий и возрастающий (рис. 1. 2). Для объяснения природы появления этих трех участков ВАХ сварочной дуги (газового проводника) можно воспользоваться с некоторой погрешностью законом Ома [1]:

где ρ – удельное электросопротивление дуги, мкмОм·м;

S_ст – площадь сечения столба дуги, мм 2 ;

j_ст = – плотность тока, А/мм 2 ;

l_ст, l_д – соответственно длина столба дуги и длина дуги, мм. Можно принять l_c_т ≈ l_д, мм,ввиду малых значений l_к и l_а.

Рис. 1.2. Вольтамперные статические характеристики дуги [2]:

1 – падающий участок; 2 – жесткий участок; 3 – возрастающий участок

Падающую вольт-амперную характеристику имеет дуга при сварочном токе до 80…100 А (cм рис. 1.2 – участок 1). На этом участке в сварочной дуге с увеличением сварочного тока более интенсивно протекает ионизация, возрастает проводимость столба дуги γ_ст и увеличивается площадь его поперечного сечения S_ст, которые в уравнении (1.4) находятся в знаменателе и приводят к снижению напряжения дуги. Кроме того, увеличение силы тока в пределах этого участка сопровождается опережающим темпом роста площади катодного пятна с диаметром d_к, что приводит к уменьшению плотности тока j_ст, а, следовательно, и к снижению напряжения на дуге. Сварочная дуга с падающей вольт-амперной характеристикой имеет малую устойчивость.

Жесткую вольт-амперную характеристику имеет сварочная дуга при токах от 80 до 350 А (cм. рис. 1.2– участок 2). На этом участке увеличение тока сопровождается пропорциональным в столбе дуги возрастанием его площади поперечного сечения и поэтому плотность тока j_ст не изменяется. Проводимость дугового промежутка γ_ст при этом остается без изменения, поскольку температура дуги достигает своего максимального значения. В результате падение напряжения на дуге тоже не изменяется. Таким образом, в области практических режимов сварки напряжение на дуге не зависит от тока (жесткий участок), а зависит только от длины дуги (см. уравнение 1.5). Такая дуга широко применяется в сварочной технике.

Возрастающую вольт-амперную характеристику имеет сварочная дуга при токах от 300 А и выше (см. рис. 1. 2 – участок 3). На этом участке при увеличении сварочного тока напряжение дуги снова возрастает. Напряжение дуги в этом случае растет не за счет увеличения площади поперечного сечения активного пятна катода, которое занимает весь торец электрода, а вследствие увеличения плотности тока j_ст.

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:

Читайте также: