Условия горения сварочной дуги

Условия горения дуги. Газы и пары при обычных температуре и давлении не проводят электрический ток. Электропроводными они становятся при наличии в них частиц, несущих электрические заряды (положительные и отрицательные).

В обычном состоянии в воздухе имеется только незначительное число ионов и электронов.

В отличие от воздуха в металлах всегда есть некоторое число свободных электронов, переносящих электрическую энергию и делающих их электропроводными

Сварочная дуга представляет собой мощный и длительный электрический разряд в газовой среде между электродом и свариваемым изделием (между двумя электродами), сопровождающийся выделением большого количества тепла и световым излучением.

Для возникновения электрического разряда газовый промежуток между электродом и свариваемым изделием должен быть ионизирован. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда и газ становится электропроводным.

Процесс ионизации воздушного промежутка протекает следующим образом.

Сварочная дуга возбуждается при касании концом электрода свариваемого изделия и последующем отрыве электрода от изделия. Вследствие большого омического сопротивления в месте контакта свариваемое изделие и промежуток между ними сильно разогреваются.

В металле электрода имеются отрицательно заряженные свободные электроны, а в свариваемом металле — положительно заряженные ионы.

Под действием нагрева (термоэлектронная эмиссия), энергии излучаемого света (фотоэлектронная эмиссия), электрического поля, появляющегося при соединении электрода с источником электрического тока (автоэлектронная эмиссия), притяжения положительно заряженных ионов свариваемого металла электроны с конца электрода устремляются к свариваемому изделию. В воздушном промежутке электроны, сталкиваясь с атомами и молекулами воздуха и паров металла, выбивают из них электроны, образуя ионы и свободные электроны. Воздух между электродом и свариваемым изделием становится проводником электрического тока, т. е. ионизируется. В результате удара кинетическая энергия электронов и ионов превращается в тепловую и поддерживает высокую температуру электрода и свариваемого изделия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока горит дуга.

Возбуждение дуги и перенос металла. При касании электрода и свариваемого изделия происходит короткое замыкание сварочной цепи. Вследствие того, что электрод и свариваемое изделие не имеют идеально ровных поверхностей, они соприкасаются отдельными выступами.

Благодаря высокой плотности тока в этом месте выделяется большое количество тепла и выступы плавятся, образуя тонкую прослойку жидкого металла. Последующий отвод электрода от изделия способствует образованию в жидком металле шейки. Плотность тока и температура еще более возрастают.

Расплавленный металл шейки испаряется, она разрывается, образуя сварочную дугу.

Под действием сварочной дуга электрод плавится, расплавленный металл стекает в сварочную ванну в виде капель. При ручной сварке покрытыми электродами в сварочную ванну переносится 90% электродного металла, 10% уходит на брызги и пары.

Электрод длиной 450 мм расплавляется в течение 1,5—2 мин. В секунду с электрода переносится 20—50 капель металла. Чем больше сварочный ток и чем толще электродное покрытие, тем больше металла переносится в виде потока мелких’ капель.

У электродов с тонким покрытием, а также при сварке на ‘малых токах перенос металла крупнокапельный.

Строение, свойства и виды сварочной дуги. Электрод, присоединенный к положительному полюсу источника питания сварочной дуги, называют анодом, а к отрицательному полюсу — катодом. При сварке на постоянном токе катодам может быть свариваемое изделие и электрод, т. е. сварочная дуга может иметь прямую и обратную полярность.

При прямой полярности электрод соединен с минусом, а свариваемое изделие — с плюсом источника питания дуги. При обратной полярности это соединение выполнено наоборот.

С помощью сварочной дуги обратной полярности уменьшают выделение тепла на свариваемом изделии (тонколистовой и легкоплавкий металл; легированные стали, чувствительные к перегреву) .

Сварочная дуга (рис. 9) состоит из катодной, анодной областей и столба дуги. Катодная область расположена у катода и является источником электронов, ионизирующих дуговой промежуток. Предполагают, что длина катодной области равна длине свободного пробега электрона в газе. Анодная область расположена у анода и концентрирует электроны.

Пространство, ограниченное катодной и анодной областями, называется столбом дуги. Столб дуги нейтрален — суммы зарядов отрицательных и положительных частиц равны. Температура катодной области достигает 3200°С, а анодной — 3400°С.

Разница температур обусловлена тем, что катодом выбрасывается больше заряженных частиц, которые сильно бомбардируют анод, в результате чего выделяется большое количество тепла. В столбе дуги температура колеблется в пределах 5000—8000 °С.

При сварке на постоянном токе на аноде выделяется 43% тепла сварочной дуги, на катоде — 36%, в столбе дуги — 21%. Длина дуги равна расстоянию между торцом электрода и поверхностью расплавленного металла. У покрытых электродов 0 4—5 мм длина устойчиво горящей нормальной дуги составляет 5—6 мм. Такая дуга считается короткой.

Дуга длиной более 6 мм называется длинной. Горит она неустойчиво, металл электрода плавится неравномерно, капли металла больше подвергаются воздействию кислорода и азота воздуха, наплавленный металл пористый с неровной поверхностью.

Рис. 9. Схема сварочной дуги
1,3 — анодное и катодное пятна; 2, 4 — анодная и катодная области; 5 — столб дуги

Под действием тепла дуги металл свариваемого изделия расплавляется на определенную глубину, которая называется глубиной проплавления или проваром, а жидкий расплавленный металл — сварочной ванной.

Давление газов сварочной дуги отбрасывает расплавленный металл со дна ванны на боковую ее поверхность. При этом образуется углубление — кратер.

В конце сварки необходимо с помощью специальных технологических приемов заделать кратер, так как в нем, как правило, обнаруживаются усадочные рыхлости, часто переходящие в трещины.

Сварочные дуги подразделяются на прямые, косвенные и комбинированные. Прямой считается дуга, которая горит между электродом и свариваемым изделием. Дугу, горящую между двумя электродами над свариваемым изделием, называют косвенной. Комбинированная сочетает в себе прямую и косвенную дуги.

Дуга переменного и постоянного тока. Сварочная дуга может питаться постоянным и переменным током. В первом и во втором случаях имеются свои преимущества и недостатки.

При сварке дугой переменного тока промышленной оягтоты катодные и анодные пятна меняются местами 100 раз в 1 с. В процессе перехода тока через нулевое -значение и при изменении полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет, что приводит к снижению температуры дугового промежутка.

Одновременно с этим падает температура активных пятен, и особенно на активном пятне сварочной ванны следствие отвода тепла в изделие.

Повысить устойчивость горения дуги переменного тока можно увеличением частоты его с помощью специальных генераторов и осцилляторов Кроме того, для повышения устойчивости горения дуги -в покрытие электродов вводят элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий, кальций), которые облегчают возбуждение дуги.

Дуга постоянного тока горит значительно устойчивее. Однако она имеет существенный недостаток — магнитное дутье. Сварочную дугу можно рассматривать как газовый проводник электрического тока, который под действием электромагнитных сил может отклониться от своего нормального положения.

Ток, проходя но сварочным проводам, электроду и дуге, создает вокруг дуги и в свариваемом металле магнитные поля. Когда эти поля расположены несимметрично относительно оси дуги, они могут отклонять дугу как гибкий проводник тока. А это затрудняет сварку и даже может привести к обрыву дуги. При сварке на переменном токе явление магнитного дутья значительно слабее.

К преимуществам источников переменого тока можно отнести меньшую их стоимость и простоту в эксплуатации.

Меры борьбы с магнитным дутьем. Сила магнитного поля при сварке пропорциональна квадрату тока. Вследствие этого магнитное дутье особенно заметно при сварке на больших токах (300—400А).

Однако причиной образования магнитного дутья служит только неравномерное расположение магнитного поля относительно сварочной дуги.

Распределение магнитного поля в сварочном контуре зависит от места подвода тока к свариваемому изделию, его конфигурации и наличия зазоров в свариваемом стыке (рис. 10).

В случае присоединения обратного провода сварочной цепи в непосредственной близости от места сварки появление магнитного дутья исключается, так как образуется симметричное магнитное поле. При удалении места присоединения от места сварки образуется несимметричное магнитное поле.

Важным фактором образования несимметричного магнитного поля являются большие ферромагнитные массы, расположенные рядом со сварочной ванной (массивные металлические изделия).

Массивные ферромагнитные изделия имеют большую магнитную проницаемость по сравнению с воздухом и поэтому магнитные силовые линии устремляются в среду с меньшим сопротивлением, отклоняя при этом сварочную дугу.

Рис. 10. Места подвода тока относительно сварочной дуги
а — ток подведен к изделию слева от дуги; 6 — ось подведенного тока совпадает с осью сварочной дуги; в — ток подведен к изделию справа от дуги

Ослабить действие магнитных полей можно, изменив, угол наклона электрода таким образом, чтобы нижний конец электрода был направлен в сторону действия магнитного дутья, или применяя сварку короткой дугой, так как чем короче дуга, тем меньше возможность ее отклонения.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги.

Для горения дуги на электроде и свариваемом изделии должно поддерживаться напряжение (напряжение на дуге), которое прямо пропорционально длине дуги. Напряжение на дуге равно сумме падений напряжения в катодной, анодной областях и столбе дуги.

Для возбуждения дуги необходимо более высокое напряжение по сравнению с напряжением, установившимся в процессе сварки. Это требуется для ионизации воздушного промежутка, который еще недостаточно нагрет, и для придания электронам большой скорости.

Для обеспечения устойчивого горения дуги ток и напряжение ее должны находиться в определенной зависимости, называемой статической вольт-амперной характеристикой (рис. 11).

Повышение силы тока в дуге до 100А вызывает резко? увеличение площади сечения столба дуги, что при-чнт ‘К возрастанию его электропроводности и уменьшению напряжения. В этом случае характеристика дуги нязпвается падающей. При дальнейшем повышении си-лы тока до 1000А площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально силе тока, поэтому плотность

Рис. 11. Статическая вольт-амперная характеристика дуги

его и падение напряжения на всех участках столба дуги сохраняются постоянными. Такая характеристика именуется жесткой. Повышение силы тока в дуге свыше 1000А приводит к резкому возрастанию напряжения: увеличение плотности тока выше определенного значения уже не может увеличить сечение столба дуги. Поэтому напряжение на дуге повышается. Характеристику называют возрастающей.

—

Сварочная дуга —это мощный и длительный разряд электричества в газовой среде, сопровождающийся выделением большого количества тепла и световым излучением. При нормальной температуре и давлении газы, в том числе и воздух, не проводят электрический ток. Сварочная дуга возбуждается при соприкасании электрода с изделием.

Большое омическое сопротивление приводит к тому, что электрод и воздушный промежуток, в месте контакта сильно нагреваются.

Под действием тепла электроны из электрода (или свариваемого изделия), присоединенного к отрицательному полюсу источника питания, вырываются в воздушный промежуток, где сталкиваясь с атомами и молекулами воздуха, выбивают из них электроны и образует ионы и свободные электроны.

Воздух между электродом и свариваемым изделием становится проводником электричества. Этот процесс продолжается до тех пор пока горит дуга. Электрод (свариваемое изделие), присоединенный к положительному полюсу источника питания сварочной дуги, называют анодом, а к отрицательному полюсу—катодом.

Поверхность катода, из которой вылетают электроны, называют катодным пятном. При сварке на постоянном токе катодом может быть как электрод, так и свариваемое изделие. Сварочная дуга в данном случае может быть прямой и обратной полярности.

При прямой полярности электрод присоединен к «минусу», а свариваемое изделие — к «плюсу» источника питания. При обратной полярности — наоборот. Сварочный ток обратной полярности применяют, когда нужно уменьшить выделение тепла на свариваемом изделии или при использовании электродов некоторых марок. На аноде выделяется 43% тепла, на катоде — 36%, в столбе дуги —21%.

Рис. 8. Схема строения сварочной дуги

рис. 9. Статическая вольт-амперная характеристика дуги

Сварочная дуга (рис. 8) состоит из катодной и анодной областей, столба дуги. Катодной областью называют пространство, расположенное у катода, анодной— у анода. Пространство между катодной и анодной областями называется столбом дуги.

Расстояние между конечной точкой электрода и нижней точкой поверхности расплавленного металла свариваемого изделия составляет длину дуги. Дуга бывает короткая (3—6 мм) и длинная (более 6 мм).

Плавление электрода при длинной дуге протекает неравномерно, увеличивается разбрызгивание, понижается производительность, капли расплавленного металла более подвержены окислению, дуга горит неустойчиво.

На свариваемом изделии в ванне расплавленного металла под действием струи газов дуги образуется углубление, называемое кратером. Под действием тепла дуги металл свариваемого изделия расплавляется на определенную глубину, которая называется глубиной проплавления или проваром, а жидкий расплавленный металл — сварочной ванной.

Сварочная дуга может питаться переменным и постоянным током. При сварке на переменном токе промышленной частоты катодные и анодные пятна меняются местами 100 раз в 1 с.

В процессе перехода тока через нулевое значение и при изменении полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет, что приводит к снижению температуры дугового промежутка. Одновременно с этим падает температура активных пятен, и особенно пятна сварочной ванны вследствие отвода тепла в изделие.

Все это приводит к неустойчивому горению дуги. Дуга постоянного тока горит значительно устойчивее. Однако она имеет свой недостаток— магнитное дутье. Ток, проходя по сварочным проводам, электроду и дуге создает вокруг дуги и в свариваемом металле магнитные поля.

Когда эти поля расположены несимметрично относительно оси дуги, они могут отклонять дугу как гибкий проводник тока, что не только затрудняет сварку, но и может привести к обрыву дуги.

Распределение магнитного поля в сварочном контуре зависит также от места присоединения обратного провода сварочной цепи к свариваемому изделию, от конфигурации изделия и наличия зазоров в свариваемом стыке. Присоединение обратного провода в непосредственной близости от места сварки исключает появление магнитного дутья.

Образование несимметричных магнитных полей вызывают большие ферромагнитные массы (массивные металлические изделия), расположенные рядом со сварочной ванной. Ослабить действие магнитных полей можно путем изменения наклона электрода таким образом, чтобы нижний конец электрода был направлен в сторону действия магнитного дутья, или применяя сварку короткой дугой, имеющий меньшую возможность для отклонения.

Для обеспечения устойчивого горения дуги ток и напряжение должны находиться в определенной зависимости, называемой статической вольт-амперной характеристикой дуги (рис. 9).

Увеличение тока в дуге до 100 А вызывает резкое увеличение площади сечения столба дуги, что приводит к увеличению его электропроводности и уменьшению напряжения. Такую форму характеристики дуги называют падающей.

При увеличении тока от 100 до 1000 А площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току, поэтому плотность тока и падение напряжения на всех участках столба дуги сохраняются постоянными. Характеристику тогда называют жесткой.

Значение тока в дуге свыше 1000 А приводит к резкому увеличению напряжения: повышение тока выше определенного значения уже не может увеличить сечение столба дуги. Поэтому напряжение на дуге растет. Характеристика называется возрастающей.

Читать далее:

Сварочные флюсыСварочные электродыОбщие сведения о сварке арматурыПротивопожарные мероприятия при сваркеБезопасность труда при сварке технологических трубопроводовБезопасность труда при сварке строительных металлических и железобетонных конструкцийЗащита от поражения электрическим током при сваркеТехника безопасности и производственная санитария при сваркеУправление качеством сваркиСтатистический метод контроля

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Устойчивость горения сварочной дуги зависит от постоянства установленного сварочного тока.

Специфичным и неизбежным негативным фактором ручной сварки являются произвольные колебания длины дуги в процессе ее юрения.

Отклонения сварочного тока РїСЂРё колебаниях длины РґСѓРіРё должны быть минимальными. Длина РґСѓРіРё связана СЃ ее напряжением: чем длиннее РґСѓРіР°, тем выше напряжение ее, Рё наоборот.  [2]

• Устойчивость горения сварочной РґСѓРіРё РїСЂРё прочих равных условиях РІ значительной мере определяется РІРёРґРѕРј статических-Рё динамических характеристик источников питания РґСѓРіРё.  [3]
• Для повышения устойчивости горения сварочной РґСѓРіРё Рё ее возбуждения широко применяют специальные вспомогательные устройства, Рє которым относятся импульсный стабилизатор горения РґСѓРіРё Рё осциллятор, принципиальные схемы которых рассмотрены РІ РіР».  [5]
• Для обеспечивания устойчивости горения сварочной РґСѓРіРё необходимо, чтобы ее основные параметры ( ток Рё напряжение) находились РІ определенной зависимости РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°.  [7]

Полуавтомат для РґСѓРіРѕРІРѕР№ сварки.  [8]

РћС‚ чего зависит устойчивость горения сварочной РґСѓРіРё.  [9]

Важное практическое значение имеет устойчивость горения сварочной РґСѓРіРё. РџСЂРё недостаточной устойчивости РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ частые обрывы РґСѓРіРё, затрудняющие выполнение сварки Рё получение качественного соединения.  [10]

Завышенный расход газа ухудшает РєСЂРѕРјРµ того устойчивость горения сварочной РґСѓРіРё. Поэтому для каждой горелки необходимо выбирать оптимальный расход газа Рё стабильно поддерживать его РІРѕ время наплавки.  [11]

Устойчивость процесса сварки определяется прежде всего устойчивостью горения сварочной дуги.

Устойчивость горения дуги зависит от состава газа в сварочной зоне и в первую очередь от количества фтористых газов.

Фтористые газы, понижающие устойчивость горения РґСѓРіРё, образуются Р·Р° счет фтористых соединений, находящихся РІРѕ флюсах.  [12]

Устойчивость процесса сварки определяется прежде всего устойчивостью горения сварочной дуги.

РџРѕРґ устойчивостью горения РґСѓРіРё обычно понимают постоянство РІРѕ времени ее основных электрических параметров: сварочного тока 1РЎ, Рё напряжения РґСѓРіРё Ud — Устойчивость горения РґСѓРіР° зависит РѕС‚ состава газа РІ сварочной Р·РѕРЅРµ Рё РІ первую очередь РѕС‚ количества фтористых газов. Фтористые газы, понижающие устойчивость горения РґСѓРіРё, образуются Р·Р° счет фтористых соединений, находящихся РІРѕ флюсах.  [13]

Такое переключение па ступень малых токов повышает устойчивость горения сварочной дуги за счет повышения напояження холостого хода.

Для переключения ступеней сварочного тока служит специальный пакетный выключатель. На рис.

31 показано положение контактов переключателя для ступени больших токов.  [15]

Страницы:      1    2

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 = 10-5-10-3см); 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

1. При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное.

   Оно характеризуется следующими признаками:

2. — столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения; — дуга горит неустойчиво, часто обрывается;
3. — 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.

1. Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:
2. — выполнением сварки короткой дугой; — наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
3. — 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.

Образование, строение и схема сварочной дуги

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

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

Среда, в которой создается сварочная дуга

Все вещества в природе состоят из молекул, а молекулы — из атомов. С другой стороны, атомы представляют собой сложные частицы, состоящие из ядра, заряженного положительным электрическим зарядом. Другие мелкие частицы, заряженные отрицательным электрическим зарядом, называемые электронами, группируются вокруг ядра.

В нормальном состоянии вещества электрические заряды электронов и ядра уравновешены, и вещество не пропускает электрический ток. Но если под действием внешних причин, таких как нагрев или действие электрического поля, один или несколько электронов высвобождаются из атома или молекулы воздуха.

Это равновесие нарушается, и все его частицы делятся на две группы: одни заряжены положительно, другие — отрицательно. Этот процесс являетсяназывается ионизацией, а частицы, заряженные положительным или отрицательным зарядом, — ионами.

Ионы в газах могут использоваться в качестве молекул соответствующего газа, а также твердых или жидких тел, которые соприкасаются с газом, в котором происходит ионизация. Это вкратце середина, в которой создается электросварочная дуга.

Строение и температура сварочной дуги

Разогреть металл до температуры плавления за очень короткое время можно, но для этого потребуется мощная электрическая дуга.

Основные ее характеристики – вольтаж, ампераж и плотность потока заряженных частиц.

Как электротехническое явление дуговой столб представляет собой проводник между полярными полюсами, состоящий из газовой среды. При этом он обладает большим сопротивлением и способен светиться.

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

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

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

Температура частиц внутри достигает 10 000 градусов Цельсия. Воздействуя на металл, они разогревают его до 2350 градусов. Точка входа электронов среди специалистов называется анодным пятном. По сравнению с катодным оно имеет температуру на 6% выше.

Поскольку плазма генерирует ультрафиолетовые, световые и инфракрасные волны, то она находится в видимом для человека спектре. Но важно учесть, что данные волны вредны для человека: и для кожи, и для глаз.

Поэтому для сварщиков были разработаны специальные средства защиты.

Виды сварочной дуги

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

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

По составу плазменный столб делится на:

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

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

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

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

Электрическая дуга и области её применения

Когда был обнаружен эффект короткого замыкания источника тока и его возможность расплавлять металлы, это открыло огромные перспективы для использования в области сваривания самых разных материалов.

С помощью плавящихся электродов, покрытых флюсом и присадками, управляемая сварочная дуга позволяет оперативно получить монолитное соединение самых разнообразных деталей.

Высокая температура сварки дугой короткого замыкания даёт возможность варить любые материалы от броневых листов и строительных конструкций до тонкого металлопроката, алюминия и титана.

Чтобы понять значение электрической дуги и области её применения при сварке, необходимо знать, что она представляет собой разряд большой мощности в среде газов.

Этот процесс сопровождается выделением тепловой и световой энергии с ультрафиолетовой и инфракрасной составляющей, которая требует защиты кожного покрова и органов зрения.

Тепловая энергия сварочных дуг ведёт к расплаву материала заготовок и покрытого электрода, что вызывает их частичное испарение. В зависимости от среды, где он действует, разряд может быть следующих видов:

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

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

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

Условия горения

Сварочный процесс основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. Сварочный столб может удерживаться как угодно долго при условии быстрой ионизации газа.

Свариваемые заготовки прогреваются, воздух вокруг них теплый и насыщен испаряемыми компонентами. Альтернативный метод – в рабочую зону специально подается газ, который может ионизироваться.

Лучше всего ионизации поддаются частицы щелочноземельных и щелочных металлов. Они становятся активными сразу, как только начинает проходить ток.

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

  Виды нейтрали в трехфазной сети переменного тока

Как образуется электрическая дуга

Сварочная дуга является ничем иным, как электрическим разрядом. Возникает она в случае замыкания цепи. В тот момент, когда электрод прикасается к поверхности свариваемого металла, начинает вырабатываться тепловая энергия в большом количестве.

В точке соприкосновения металл начинает плавиться. Расплав притягивается к окончанию расходника, образуя тонкую шейку. Она почти что мгновенно распыляется под влиянием сильного электрического поля.

В это время молекулы газа ионизируются, образуется защитное облако и обеспечивается свободное перемещение электродов.

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

Момент возникновения

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

Затем вытягивается шейка длиною около 5 мм, нагрев поднимается до максимума, происходит ионизация молекул столба воздуха, которая необходима для стабилизации горения дуги, а сварная дуга прочно соединяет конструкции.

Опытные сварщики постоянно удерживают электрод на одном расстоянии от поверхности заготовок. поэтому в результате шов получается ровный, без наплывов.

Чем определяется мощность сварочной дуги

Основные факторы, оказывающие влияние на параметры мощности:

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

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

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

Вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Выражают параметры питания. Данные позволяют определить:

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

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

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

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

В случае использования сварочного аппарата в режиме переменного тока. В каждом полупериоде на пике розжига случается возбуждение сварочной дуги. При переходах через нулевую отметку электрическая дуга затухает.

Прекращается нагрев активных пятен. Ионизация газов удерживается стабильной за счет испарений активных щелочных металлов, которые присутствуют в покрытии электродов.

При работе на переменном токе труднее разжечь дугу в защитной среде, нежели в случае постоянного тока.

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

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

Высокие показатели силы тока при коротком замыкании могут спровоцировать прожиг заготовки. Короткое замыкание имеет место в момент, когда падает капля расплава электрода. После этого показатели резко возвращаются к исходным значениям.

Возрастает ампераж до уровня тока короткого замыкания, мостик, образовавшийся между металлом и электродом быстро перегорает, и электрическая дуга снова возбуждается. Все эти изменения в столбе происходят моментально.

Установка должна успеть за этот период отреагировать на изменения с тем, чтобы стабилизировать рабочие показатели.

Особенности электрической дуги

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

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

  ИЗУ: схема подключения,виды, какое выбрать

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

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

Строение

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

Анодное пятно — характеризуется температурой до 26000C и выделением до 42% тепловой энергии. Потери напряжения до 11 V, из-за постоянной атаки электронов оно имеет форму кратера.