Всё о сварочной дуге простыми словами

Если хотите разобраться что такое сварочная дуга, то мы подготовили для Вас экспертный материал с графическими схемами и видео для полного и всестороннего понимания процесса.

Что такое сварочная дуга и почему так называется

По определению сварочная дуга это электрический разряд, который может стабильно гореть благодаря действию электрического поля.

Сварочная дуга возникает только вы ионизированный смеси газов и паров металла. Она используется как инструмент обработки металла, являясь концентрированным источником тепловой энергии.

Температура на дуге может достигать 20000 градусов Цельсия, что используется не только для сварки, но и для резки металла большой толщины.

Само название дуга появилась в 1802 году при экспериментах, описанных В. В. Петровым. Эксперимент выполнялся со столбчатыми разрядами, которые изгибались в “Дугу” под действием тёплого воздуха ими же разогретого.

Классификация сварочной дуги – основные виды

Существует несколько различных классификаций сварочной дуги:

  1. В зависимости от подключения к сварочному аппарату.
  2. По используемым в процессе электродам.
  3. В зависимости от тока.
  4. По степени сжатие.
  5. В зависимости от защиты.
  6. В зависимости от длины.

От подключения к сварочному аппарату

Тут уже идёт внутренний классификация: прямого действия; косвенного и комбинированная.

Image1

  • Прямого действия — дуга горит между деталью и одним электродом;
  • Косвенного — разряд горит между несколькими электродами, на изделия ток не подаётся (как пример атомно-водородная наплавка и сварка)
  • Комбинированный способ включает в себя симбиоз методов прямого и косвенного. Дуга горит как между электродами, так и между изделиями (выполняется на трёхфазном токе)

По используемым в процессе электродам

При сварке могут использоваться следующий виды электродов, от которых будет отличаться дуга и её свойства:

  • плавящиеся электроды — штучные электроды с обмазкой и металлическим стержнем внутри, порошковая проволока и проволока сплошного сечения;
  • неплавящиеся электроды угольные или графитовые;
  • неплавящиеся электроды из вольфрама и различными тугоплавкими добавками лантана, иттрия, тория и прочих.

От тока

В зависимости от тока существует следующая классификация:

  • Дуга постоянного тока;
  • Переменного тока;
  • Импульсная.

Свою очередь дуга постоянного тока подразделяется на:

  • прямая полярность;
  • обратная полярность.

По степени сжатие

Дуга может быть:

  • свободногорящая — дуговой разряд горит в защитной атмосфере без мероприятий по увеличению давления и сжатия.
  • Сжатая — дуговой разряд сжимается за счёт воздуха или инертного газа с использованием специальных сопел и плазмотронов или с помощью электромагнитного поля.

В зависимости от защиты

Здесь выделяют три следующих в классификации:

  • открытая — защита осуществляется газовой средой образующиеся от испарения обмазки электрода;
  • открытая в среде инертного газа — защита осуществляется подачей инертного Газа;
  • закрытая под слоем флюса – защита осуществляется за счёт плавления флюса, под которым и происходит ее горение.

В зависимости от длины

Классификация в зависимости от расстояния между электродом и изделием:

  1. Короткая — длинной 1,5-2,0 мм.
  2. Нормальная 2,0 — 3,0 (максимум 3,5 мм).
  3. Длинная — более 3,5 мм.

Полезная статья — Как варить сваркой электродами для начинающих.

Природа возникновения

Электрическая сварочная дуга может гореть только в ионизированной газовой среде. Ионизированная газовая среда — это газ или смесь газов, содержащая отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. При нормальных условиях любой газ в том числе и воздух не имеет электрически заряженных частиц.

Процесс ионизации газа происходит при зажигании дуги, когда электродом производится касание металла. В этот момент происходит короткое замыкание частичная расплавление металла.

Из-за высокой температуры при коротком замыкании происходит выделение электронов отрицательно заряженных частиц с поверхности катода (в данном случае сварочного электрода) и положительно заряженных ионов с изделия.

Процесс образование электронов с катода под действием температуры называется термоэлектронная эмиссия.

После того как произошла ионизация вследствие эмиссии, сварочная дуга начинает стабильный гореть. Процесс ионизации происходит в течение всего периода горения дуги.

Image2

Условия образования

Основными условиями образования сварочной дуги являются следующие этапы:

  1. Первичное короткое замыкание между электродом и изделием.
  2. Появление расплавленного металла в зоне между электродом и изделием.
  3. После отведения электрода образуется вытягивание металла — образуется “шейка”
  4. Происходит обрыв “шейки” с образованием ионизированного газа.
  5. Возникновение стабильно горящей дуги.

Image3

Для поддержания и стабильного горения столба дуги нужно непрерывная ионизация газа. Для этого применяют либо защитные газы, которые имеют высокую степень ионизации такие как аргон и гелий.

Если сварка выполняется с помощью электродов, то в состав обмазки включаются добавки из щёлочноземельных и щелочных металлов таких как калий, натрий и других. За счёт этого происходит повышение ионизации в процессе горения и плавления обмазки электрода.

Источники питания (аппараты)

Для создания дуги используются аппараты переменного, постоянного и импульсного тока.

Переменный ток создаётся трансформаторами однофазными и трехфазными. Однофазному требуется 220 вольт, трехфазному 380 Вольт (применяются в промышленности).

Для постоянного тока используется сварочные инвертор, выпрямители и автономные агрегаты.

Самыми современными являются инверторной источники питания. За счёт транзисторного управление, инверторы оптимизирует процесс сварки подстраивая Вольтамперную характеристику. Какие виды сварочных аппаратов для ручной сварки применяются Вы можете узнать из нашей статьи перейдя по ссылке.

Многопостовые выпрямители применяются на производствах чаще всего имеют жёсткую Вольтамперная характеристику.

Строение сварочной дуги

Строение дуги выделяется три основные области — зоны катодного и анодного пятна и зона столба.

Image4

Зона катодного пятна — в данной зоне происходит электронная эмиссия (высвобождение электронов). Она имеет отрицательный заряд, температура в этой области для ручной дуговой сварки составляет примерно 2800 — 3200 градусов Цельсия. В этой зоне происходит падение напряжение дуги на 7,8-8,1 вольт, из-за наличие большого количества электронов.

Зона анодного пятна — располагается в противоположные точки, имеет положительный потенциал за счет скопления заряженных частиц — ионов и подвергается бомбардировке электронами со стороны катода.

Температура в анодной области выше, в чем катодный и колеблется в диапазоне 3800 — 4200 градусов Цельсия. Поэтому и применяется обратная полярность при сварке плавящимся электродом. Так как это обеспечивает максимальный разогрев металла электрода они изделия.

В этой зоне также происходит падение напряжения порядка 6 вольт, по причине наличие большого количества заряженных частиц — ионов.

Зона столба дуги — располагается между анодным и катодным пятном. Образуется за счёт электродных пятен на аноде и катоде, через который проходит электрический ток.

Температура в столбе дуги колеблется в пределах 4800-12400 градусов Цельсия (в случае сжатой дуги до 20000 градусов).

Напряжение на столбе дуги определяется его длиной, расчёт примерно следующий: на каждый миллиметр длины дуги увеличивается напряжение на столбе на 2 вольта. Поэтому рекомендуется выполнять процесс сварки на максимально короткой сварочной дуге. Потому что тогда напряжением в столбе можно пренебречь. Что в свою очередь увеличит качество сварки и сократит риск прожогов.

Какая область отсутствует в сварочной дуге ?
Анодная
15.56%
Катодная
6.67%
Область ионизации
46.67%
Область столба
31.11%
Проголосовало: 45

Как выглядит сварочная дуга

Сварочная дуга выглядит как вертикально ориентированный, ярко светящийся столб разогретого газа.

Image5

Это обусловлено тем, что в процессе горения электрического разряда происходит излучение электромагнитных волн видимого и невидимого спектра таких как:

  • инфракрасное;
  • ультрафиолетовое;
  • излучение видимого спектра.

В процессе можно отчётливо видеть электронные пятна анодной и катодной области, которые ярко светятся.

Характеристики сварочной дуги

Основными характеристиками сварочной дуги являются:

  • длина;
  • напряжение;
  • температура;
  • род и полярность тока;
  • вольтамперная характеристика

Сила тока и напряжения

Напряжение на дуге колеблются в диапазоне 12-65 Вольт. Рассчитывается напряжение из суммы напряжений катодного пятна, анодного пятна, и столба дуги.

Uд = Uк + Ucт + Ua ≈ 8+2х1,5+6 ≈ 17 В — для ручной сварки на короткой дуге.

Важно! Напряжение на дуге будет расти при увеличении длины дуги. Напряжение столба дуги увеличивается на 2 Вольта с увеличением расстояние на 1 мм.

Напряжение и сила тока определяют мощность сварочной дуги. Чем больше напряжение и сила тока, тем больше мощность, а следовательно, тем больше теплоты вводятся в металл.

Какая температура и как распределена по длине дуги

Температура по дуге распределяется неравномерно, на катодном и анодном пятне температура значительно ниже, чем температура на столбе.

Для свободногорящий дуги — ниже на рисунке можно видеть распределение температуры по её длине.

Dug6 2

Распределение температуры для сварки в среде аргона, а также для плазменной сварки (распределение в сжатой дуге) приведены на схеме ниже.

Image7

А о том как варить аргоном мы подробно описали в нашей статье, переходите по ссылке.

Время розжига и горения

По времени, сварочная дуга ограничивается только лишь желанием самого сварщика. Процесс розжига дуги занимает от нескольких миллисекунд до нескольких секунд в зависимости от используемого оборудования, умение сварщика и качество подготовки. Ионизация дугового промежутка происходит за несколько миллисекунд.

Условия прерывания (гашения)

Для прерывания процесса сварщик увеличивает длину дуги до момента её обрыва. Это происходит вследствие увеличения сопротивления.

Обрыв в процессе выполнения может быть связан: с низкой квалификации сварщика, неисправностью оборудования, а также с перепадами напряжения в питающей сети.

Воздействие магнитного поля

Дуга представляет из себя гибкий изменяющий своё направление электрический разряд. На него оказывает влияние магнитные поля вызывая его отклонения. Это напоминает отклонение пламени спички, когда на неё дует ветер. Данный эффект называется магнитная дутье.

Image8

Данный эффект негативно сказывается на процессе сварки так как происходит изменение направления столба и не стабильное горение.

Основными причинами магнитного дутья являются:

  1. Наличие внешнего источника магнитного поля (к примеру – магнитный захват подъёмного крана)
  2. Несимметричный подвод тока к детали, который наводят сильное магнитное поле.
  3. Большое количество ферромагнитного материала рядом с зоной сварки.

Для устранения эффекта магнитного дутья следует придерживаться следующих рекомендаций:

  1. Подключить массу максимально близко к зоне сварки.
  2. Размещение рядом с зоной сварки компенсирующих ферромагнитных материалов.
  3. применение при сварке на постоянном токе инверторных источников питания.
  4. Когда можно применить переменный ток использовать трансформатор.
  5. Заземлить свариваемую деталь.
  6. Загородить зону сварки металлическими экранирующими поверхностями для защиты от магнитных полей.
  7. Выполнять процесс короткой дугой (длина до 1,5 мм)

Если методы, указанные выше, не помогли нужно использовать более радикальный, но и более трудозатратный способ.

На деталь необходимо намотать индуктор (толстый медный кабель сечением 120 — 240 мм2) от 6 до 10 витков.

Подключить к источнику постоянного тока (к выпрямителю) и подавать ток 250-350 ампер в течении 3-5 минут. После проведения этой процедуры нужно проверить устранён ли эффект намагниченности изделия. Если изделие магнитится, то нужно поменять местами клеммы индуктора плюс подключить на минус, а минус на плюс и ещё раз повторить процесс.

Если хотите научиться варить инверторной сваркой самому переходите по ссылке на нашу статью.

Вольтамперная характеристика (ВАХ)

Вольтамперная характеристика (или сокращенно ВАХ) является графиком зависимости напряжения от силы тока. Существуют ВАХ для сварочной дуги, а также внешние ВАХ источников питания.

Для сварочной дуги строится статическая вольтамперная характеристика при ее постоянной длине.

Оно делится на три участка:

  • малых токов;
  • средних токов;
  • больших токов.

На участки малых токов она имеет падающую характеристику, а дуга обладает малой устойчивостью (участок I на схеме).

На участке средних токов характеристика становится жёсткой. При неизменном (незначительные изменения конечно всё равно есть) напряжении происходит нарастание силы тока (участок II на схеме).

На участки больших токов происходит сильное увеличение ионизации за счёт чего вольтамперная характеристика — возрастающая (она используется при автоматических способах сварке в защитных газах и под слоем флюса).

Image9

Ниже приведены внешние ВАХ для сварочных аппаратов.

Image10

ВАХ дуги нужно учитывать при выборе сварочного оборудования.

Image11

Для ручной сварки плавящимся и неплавящимся электродом нужно применять аппараты, имеющие падающую или круто падающую ВАХ.

Это позволит производить регулировку силы тока при различной длине дуги, которая будет изменяться в процессе сварки. Так как сварщик не робот и так или иначе где-то будет сокращать дуговой промежуток, а где-то увеличивать.

Ниже приведена таблица выбора источника питания с нужной ВАХ в зависимости от требуемой ВАХ дуги.

ВАХ дуги

Внешние ВАХ аппарата (источника питания)

Круто-падающая Полого-падающая Жесткая Возрастающая
Подающая + +
Жесткая + +
Возрастающая + +

«+» — Соответствует; «-» — не соответствует

Отличие при обратной и прямой полярности

Прямой полярностью является подключение «плюса» аппарата на изделие, а минусовой клеммы аппарата к электроду (плавящемуся или неплавящимся). “+” — Является анодом, а “-” — катодом.

Как уже мы говорили ранее анодная зона разогревается сильнее — до температуры 4200 градусов по Цельсию. Именно прямая полярность применяется при сварки неплавящимся электродом, чтобы снизить тепло уважение в электрод и продлить срок его службы.

Применение обратной полярности при сварке плавящимся электродом обеспечивает более высокое тепловложение в электрод. Что обеспечивает его более активное плавление. Также снижается тепловложение в изделие, что уменьшает его деформацию.

Область применения

Применяется при всех видах дуговой сварки таких как:

  1. Ручной (штучными электродами, неплавящимся электродом в среде аргона или других инертных газах).
  2. Механизированные и полуавтоматические способы в среде инертных, активных газов, под слоем флюса, а также с использованием специализированных порошковых проволок.
  3. Автоматические способы (плазменная, под слоем флюса, роботизированный с использованием активных и инертных газов и т.д.).
  4. Плазменное напыление.
  5. Плазменная и дуговая резка металла.
  6. Воздушно дуговая строжка.
  7. Реновация поверхностей.

Особенности дуги

По сравнению с другими электрическими разрядами дуга имеет ряд особенностей:

  • неограниченное по времени продолжительность существования (горения);
  • дуга является высококонцентрированным источником тепловой энергии и при этом имеет незначительные размеры;
  • достигает высоких температур до нескольких десятков тысяч градусов;
  • давление создаваемая дугой обеспечивает в формировании сварочного шва, а также выдувание металла при его резке (также прирезки используются дополнительные способы выдувания металла такие как подача воздуха или инертного газа);
  • напряжение в сварочной дуге распределено неравномерно (в анодной и катодной зонах происходит падение напряжения);
  • максимальное значение температуры распределяются по столбу дуги.

Что влияет на мощность электродуги

Если рассмотреть формулу мощности дуги — Qэф = ηIUд, можно сделать вывод что на неё влияет (она определяется) напряжение дуги и сила тока, а также сам способ сварки. Потому как в зависимости от способа изменяется коэффициент полезного действия дуги — η.

Его значение для ручной сварки колеблется от 0,5 до 0,85, для сварки в среде защитных газов колеблется в диапазоне 0,6-0,7. Для сварки под флюсом значение коэффициента от 0,8 до 0,92.

Мощность электродуги влияет на скорость прохождения процесса. Она характеризует количество теплоты вводимой в изделии. Чем больше вводимой теплоты, тем более производительно можно вести процесс. Простая логика: чем больше мощности, тем быстрее можно вести сварку.

Как подобрать параметры для устойчивого горения

Первым и основным параметрам, которые необходимо подбирать это ВАХ источника питания.

Стабильность горения зависит от рода тока (постоянный или переменный). На переменном токе горение нестабильно. Так как при промышленной частоте 60 Гц дуга за одну секунду зажигается и гаснет 120 раз. В моменты обрыва снижается температура, а с ней и ионизация. Потому для сварки на переменном токе нужно использовать специальные электроды с более высоким содержанием элементов для ионизации.

Для ручных способов подбирается сила сварочного тока, для полуавтоматических способов подбирается напряжение и скорость подачи проволоки. Хотя в некоторых полуавтоматах настраивается и сила тока (как правило что-то одно из двух).

При автоматизированных способах настраивается напряжение, сила тока, а также скорость перемещения исполнительного устройство или скорость вращателя.

При настройки сварочного тока для различных способов сварки рекомендуется выставить рекомендованные значение из документации, приложенной к сварочному аппарату или значение, указанное на пачке с электродами. После чего приступаем к процессу сварки внимательно наблюдая за звуком дуги и объемом расплавленного металла в сварочной ванне.

Если деталь начинает прожигаться (сварочная ванна проваливается), в этом случае ток нужно уменьшить на 10% и продолжить процесс.

Если в процессе сварки дуга издаёт треск, горит нестабильно или гаснет, то в этом случае прибавляем сварочный ток на 10% и продолжаем варить. Если ситуация не изменилась добавляем ещё на 5% и снова продолжаем варить. Так выполняем до того момента как процесс сварки будет идти стабильно. Дуга должна при этом гореть мягко и без треска.

По аналогичной методике настраивается и напряжение на полуавтоматах MIG — MAG сварки.

Если у Вас остались вопросы, Вы можете задать их нашему эксперту в комментариях.

Оцените автора
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Mrmetall.ru
Добавить комментарий

× Заказ техкарт
Adblock
detector