Технологические свойства сварочной дуги

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДУГИ

Под технологическими свойствами сварочной дуги понимают сово­купность ее теплового, механического и физико-химического воздействия на электроды, определяющие интенсивность плавления электрода, характер его переноса, проплавление основного металла, формирование и качество шва. Технологические свойства дуги взаимосвязаны и определяются пара­метрами режима сварки.

Важными технологическими характеристиками дуги являются за­жигание и стабильность горения дуги. Условия зажигания и горения ду­ги зависят от рода тока, полярности, химического состава электродов, межэлектродного промежутка и его длины. Для надежного обеспечения процесса зажигания дуги необходимо подведение к электродам доста­точного напряжения холостого хода источника питания дуги, но в то же время безопасного для работающего. Для сварочных источников на­пряжение холостого хода не превышает 80 В на переменном токе и 90 В на постоянном. Обычно напряжение зажигания дуги больше напряже­ния горения дуги на переменном токе в 1,2—2,5 раза, а на постоянном токе — в 1,2-1,4 раза. Дуга зажигается от нагрева электродов, возни­кающего при их соприкосновении. В момент отрыва электрода от изде­лия с нагретого катода происходит электронная эмиссия. Электронный ток ионизует газы и пары металла межэлектродного промежутка, и с этого момента в дуге появляются электронный и ионный токи. Время установления дугового разряда составляет 10″5-10″4. Поддержание не­прерывного горения дуги будет осуществляться, если приток энергии в дугу компенсирует ее потери. Таким образом, условием для зажигания и устойчивого горения дуги является наличие специального источника питания электрическим током.

Вторым условием является наличие ионизации в дуговом проме­жутке. Степень протекания этого процесса зависит от химического со­става электродов и газовой среды в дуговом промежутке. Степень иони­зации выше при наличии в дуговом промежутке легкоионизующихся элементов. Горящая дуга может быть растянута до определенной дли­ны, после чего она гаснет. Чем выше степень ионизации в дуговом про­межутке, тем длиннее может быть дуга. Максимальная длина горящей без обрыва дуги характеризует важнейшее технологическое свойство ее — стабильность. Стабильность дуги зависит от целого ряда факторов: температуры катода, его эмиссионной способности, степени ионизации среды, длины дуги и др.

К технологическим характеристикам дуги относятся также про­странственная устойчивость и эластичность. Под этим понимают спо­собность сохранения дугой неизменности пространственного положе­ния относительно электродов в режиме устойчивого горения и возмож­ность отклонения и перемещения без затухания под воздействием внешних факторов. Такими факторами могут быть магнитные поля и ферромагнитные массы, с которыми дуга может взаимодействовать. При этом взаимодействии наблюдается отклонение дуги от естествен­ного положения в пространстве. Отклонение столба дуги под действием магнитного поля, наблюдаемое в основном при сварке постоянным то­ком, называют магнитным дутьем (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Отклонение дуги магнитным полем при сварке: Н — направление магнитного поля; а — угол отклонения дуги

Возникновение его объясняется тем, что в местах изменения направ­ления тока создаются напряженности магнитного поля. Дуга является своеобразной газовой вставкой между электродами и как любой про­водник взаимодействует с магнитными полями. При этом столб свароч­ной дуги можно рассматривать в качестве гибкого проводника, который под воздействием магнитного поля может перемещаться, как любой провод­ник, деформироваться и удлиняться. Это приводит к отклонению дуги в сто­рону, противоположную большей напряженности. При сварке переменным током в связи с тем, что полярность меняется с частотой тока, это явление проявляется значительно слабее. Отклонение дуги также имеет место при сварке вблизи ферромагнитных масс (железо, сталь). Это объясня­ется тем, что магнитные силовые линии проходят через ферромагнитные массы, обладающие хорошей магнитной проницаемостью, значительно легче, чем через воздух. Дуга в этом случае отклонится в сторону таких масс.

Возникновение магнитного дутья вызывает непровары и ухудшение формирования швов. Устранить его можно за счет изменения места то — коподвода к изделию или угла наклона электрода, временным размещением балластных ферромагнитных масс у сварного соединения, позволяющих выравнивать несимметричность магнитных полей, а также заменой посто­янного тока переменным.

Характеристики сварочной дуги и их особенности

Содержание:

В современном производстве большое значение придается такому высокотехнологическому процессу, как сварка. Характер сварки напрямую зависит от используемой сварочной дуги. Сварочная дуга является результатом возникновения электрического разряда между электродом, находящимся под напряжением, и основным металлом. Для этой дуги характерна высокая температура и высокая плотность тока.

Для различных способов сварки свойственны различные характеристики сварочной дуги.

Статическая вольтамперная характеристика.

Статическая вольтамперная характеристика является зависимостью напряжения дуги от поступаемого сварочного тока при постоянном значении длины дуги. Эта характеристика напрямую зависит от источника питания. Существует три типа статических характеристик:

Сварку, производимую в обычных условиях или с использованием аргона, характеризует первый тип вольтамперной характеристики. При этом используемый сварочный ток имеет небольшие значения силы тока (до 80 Ампер), позволяя получать сварные швы небольшого размера.

При возрастании силы тока, используемой при сварке в обычных условиях, процесс ионизации активизируется и при этом возрастает площадь получаемого сечения дуги, что значительно облегчает процесс сварки. При сварочной дуге в аргонной среде происходит интенсивная ионизация непосредственно самой газовой среды со значительным повышением температуры защитного газа.

Сварочная дуга, которая возникает при силе тока от 80 до 300 Ампер, характеризуется вторым типом, для которого свойственно сложение низких значений напряжения. При этом площадь получаемого сечения будет пропорциональна значению силы тока, используемого при сварке, что позволяет получать швы необходимого размера и соединять различные конструкции, выполненные из разнообразных материалов. Проводимость сварочной дуги при этом остается постоянной.

При сварке с силой тока, превышающей 300 Ампер, говорят о возрастающей вольтамперной характеристике. При этом возникающее напряжение увеличивается в результате скопления большого количества заряженных частиц на электроде, автоматически вызывая падение напряжений на катоде.

Таким образом, можно сказать, что для падающей статической вольтамперной характеристики свойственно увеличение силы тока при снижении напряжения. Для жесткой – характерна независимость напряжения от силы тока. Для возрастающей – свойственно увеличение напряжения при возрастающем сварочном электрическом токе.

В процессе ручной сварки электродом с легирующим покрытием характеристика будет падающей, при возрастании силы тока она будет переходить в жесткую. При сварке с использованием флюса или в углекислой среде жесткая статическая характеристика будет переходить в растущую. При неизменной силе тока напряжение может меняться только от длины дуги.

Эластичность сварной дуги.

При проведении сварки необходимо учитывать длину дуги, используемой при сварке, так как от неё напрямую зависит такая важная характеристика как эластичность.

Для получения качественного сварного шва необходимо бесперебойное горение сварочной дуги, которое характеризуется эластичностью сварной дуги. Говорят, что дуга достаточно эластична, если сварочный процесс остается устойчивым при увеличении длины сварной дуги.

Получаемая эластичность находится в прямой пропорциональной зависимости от значения силы тока. При высоких изменяющихся параметрах источника питания происходит сокращения переходного периода при различных изменениях в электрической системе, что позволяет получать качественное соединение за короткий промежуток времени.

Коэффициент полезного действия.

Сварка всегда сопровождается выделением большого количества теплоты, которое используется для расплавления свариваемых деталей. Практически вся потребляемая электрическая энергия трансформируется в тепловую энергию, при помощи которой происходит плавление металла и нагревание окружающего воздуха.

КПД при любых сварочных работах имеет различные значения и во много зависит от марки электродов, химического состава флюса, типа сварного соединения и скорости производимой сварки.

Для получения качественных сварных швов при организации процесса сварки обязательно следует учитывать все характеристики сварочной дуги и контролировать их в процессе работы. Это позволит оптимизировать весь процесс и максимально сократить побочные энергетические затраты. Соблюдение всех параметров сварочной дуги при выбранном типе сварки является необходимым условием обеспечения высокого качества работ. К тому же это позволит обеспечить длительный срок эксплуатации соединяемых конструкций.

Строительный справочник | материалы — конструкции — технологии

Вы здесь

Свойства сварочной дуги

Сварочная дуга характеризуется выделением большого количества тепловой энергии и сильным световым эффектом. Она является концентрированным источником тепла и применяется для расплавления основного и присадочного материалов.

В зависимости от того, в какой среде происходит дуговой разряд, различают:

• открытую дугу, горящую в воздухе, где составом газовой среды зоны дуги является воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электрода и электродных покрытий;
• закрытую дугу, горящую под флюсом, где составом газовой среды зоны дуги являются пары основного металла, проволоки и зашитого флюса;
• дугу, горящую в среде защитных газов — закрытую дугу (в состав газовой среды зоны дуги входят атмосфера защитного газа, пары расплавленного металла проволоки и основного металла).

Сварочная дуга классифицируется по роду применяемого тока (постоянный, переменный, трехфазный) и по длительности горения (стационарная, импульсная). При применении постоянного тока различают дугу прямой и обратной полярности. При прямой полярности отрицательный полюс силовой цепи — катод — находится на электроде, а положительный полюс — анод — на основном металле. При обратной полярности плюс на электроде, а минус на изделии.

В зависимости от типа применяемого электрода дуга может возбуждаться между плавящимся (металлическим) и неплавящимся (угольным, вольфрамовым и др.) электродами. По принципу работы дуги бывают прямого, косвенного и комбинированного действия (рис. 1).

Рис. 1. Электрическая дуга: а — прямого действия, б — косвенного действия, в — комбинированного действия

Рис. 2. Схема зажигания дугового разряда: а — прямым касанием, б — чирканьем

Дугой прямого действия называют дуговой разряд, происходящий между электродом и изделием. Косвенна дуга представляет собой дуговой разряд между двумя электродами (атомно-водородная сварка). Комбинированная дуга — это сочетание дуги прямого и косвенного действия. Примером комбинированной дуги служит трехфазная дуга, у которой две дуги электрически связывают электроды с изделием, а третья горит между двумя электродами, изолированными друг от друга.

Возбуждение дуги производят двумя способами: касанием, либо чирканьем, сущность которых показана на рис. 2.

В сварочной дуге дуговой промежуток разделяется на три основные области: анодную, катодную и столб дуги. В процессе горения дуги на электроде и основном металле имеются активные пятна, представляющие собой более нагретые участки электрода и основного металла, через которые проходит весь ток дуги. Активное пятно, находящееся на катоде, называется катодным, а пятно, находящееся на аноде,— анодным.

Общая длина сварочной дуги (рис. 3) равна сумме длин всех трех областей:

Lд = Lк + Lc + Lа ,

где Lд — общая длина сварочной дуги, см; Uк — длина катодной области, равная примерно 10-5 см; Uс — длина столба дуги, см; Uа— длина анодной области, равная примерно — 10-3÷10-4 см.

Общее напряжение сварочной дуги слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги:

Uд = Uк + Uс + Uа ,

где Uд — общее падение напряжения на дуге, В; Uк — падение напряжения в катодной области, В; Uс — падение напряжения в столбе дуги, В; Uа — падение напряжения в анодной области, В.

Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12 000 К и зависит от состава газовой среды дуги, материала, диаметра электрода и плотности тока. Температуру приближенно можно определить по формуле, предложенной академиком АН УССР К. К. Хреновым:

Тст = 810 ּUдейств ,

где Тст— температура столба дуги, К; Uдейств—действуюший потенциал ионизации.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины и величины сварочного тока, называемую вольтамперной характеристикой сварочной дуги, можно описать уравнением

Uд = а + bLд ,

где а —сумма падений напряжения на катоде и аноде (a=Uк + Ua); b —удельное падение напряжения в газовом столбе, отнесенное к 1 мм длины дуги (величина b зависит от газового состава столба дуги); Lд — длина дуги, мм.

При малых и сверхвысоких величинах тока Uд зависит от величины сварочного тока.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги показана на рис. 4. В области 1 увеличение тока до 80 А приводит к резкому падению напряжения дуги, которое обусловливается тем, что при маломощных дугах увеличение тока вызывает увеличение площади сечения столба дуги, а также его электропроводности.

Форма статической характеристики сварочной дуги на этом участке падающая. Сварочная дуга, имеющая падающую вольт-амперную характеристику, имеет малую устойчивость. В области II (80—800 А) напряжение дуги почти не изменяется, что объясняется увеличением сечения столба дуги и активных пятен пропорционально изменению величины сварочного тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех участках дугового разряда сохраняются постоянными. В этом случае статическая характеристика сварочной дуги жесткая. Такая дуга широко применяется в сварочной технике. При увеличении сварочного тока более 800 А (область III) напряжение дуги снова возрастает. Это объясняется увеличением плотности тока без роста катодного пятна, так как поверхность электрода уже оказывается недостаточной для размещения катодного пятна с нормальной плотностью тока. Дуга с возрастающей характеристикой широко применяется при сварке под флюсом и в защитных газах.

Рис. 4. Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Рис. 5. Контакт торца электрода с изделием в момент короткого замыкания

Процессы, происходящие в момент возбуждения сварочной дуги

При коротком замыкании происходит соприкосновение торца электрода с изделием. Поскольку торец электрода имеет неровную поверхность, контакт происходит не по всей плоскости торца электрода (рис. 5). В точках контакта плотность тока достигает весьма больших величин и под действием выделившегося тепла в этих точках металл мгновенно расплавляется.

В момент отвода электрода от изделия зона расплавленного металла — жидкий мостик растягивается, сечение уменьшается, а температура металла увеличивается. При отводе электрода от изделия жидкий мостик металла разрывается, происходит быстрое испарение («взрыв» металла). В этот момент разрядный промежуток заполняется нагретыми иони­зированными частицами паров металла, электродного покрытия и воздуха — возникает сварочная дуга. Процесс возникновения дуги длится всего доли секунды. Ионизация газов в дуговом промежутке в начальный момент возникает в результате термоэлектронной эмиссии с поверхности катода, вследствие нарушения структуры в результате резкого перегрева и расплавления металла и электродного покрытия.

Увеличение плотности электронного потока происходит также за счет окислов и образовавшихся поверхностных слоев расплавившихся флюсов или электродных покрытий, снижающих работу выхода электронов. В момент разрыва мостика жидкого металла потенциал резко падает, что способствует образованию автоэлектронной эмиссии. Падение потенциала позволяет увеличивать плотность тока эмиссии, накапливать электронам кинетическую энергию для неупругих столкновений с атомами металла и переводить их в ионизированное состояние, увеличивая тем самым число электронов и, следовательно, проводимость дугового промежутка. В результате ток увеличивается, а напряжение падает. Это происходит до определенного предела, а затем начинается устойчивое состояние дугового разряда — горение дуги.

Катодная область. Процессы, протекающие в области катодного падения напряжения, играют важную роль в сварочных процессах. Область катодного, падения напряжения является источником первичных электронов, которые поддерживают газы дугового промежутка в возбужденном ионизированном состоянии и переносят на себе в силу большой подвижности основную массу заряда. Отрыв электронов с поверхности катода вызывается в первую очередь термоэлектронной и автоэлектронной эмиссией. Энергия, расходуемая на вырыв электронов с поверхности катода и наплавление металла, в некоторой степени возмещается энергией из столба дуги за счет потока положительно заряженных ионов, отдающих на поверхности катода свою энергию ионизации. Процессы, происходящие в области катодного падения напряжения, можно представить по следующей схеме.

1. Электроны, излучаясь с поверхности катода, получают ускорения, необходимые для ионизации молекул и атомов газа. В некоторых случаях катодное падение напряжения бывает равно потенциалу ионизации газа. Величина катодного падения напряжения зависит от потенциала ионизации газа и бывает 10—16 В.

2. Вследствие малой толщины катодной зоны (около 10—5 см) электроны и ионы в ней движутся без столкновений и она приблизительно равна свободному пробегу электрона. Значения толщины катодной зоны, найденные опытным путем, меньше 10—4 см.

3. С увеличением плотности тока температура катодной области повышается.

Столб дуги. В столбе дуги имеются три рода заряженных частиц — электроны, положительные ионы и отрицательные ионы, которые перемещаются к противоположному по знаку полюсу.

Столб дуги можно считать нейтральным, так как сумма зарядов отрицательных частиц равна сумме зарядов положительных частиц. Столб дуги характерен образованием заряженных частиц и воссоединением заряженных частиц в нейтральные атомы (рекомбинация). Поток электронов через слой газов разрядного промежутка вызывает в основном упругие соударения с молекулами и атомами газа, вследствие чего создается весьма высокая температура. Возможна также и ионизация в результате неупругих соударений.

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.

Анодная область. Анодная область имеет большую протяженность и меньший градиент напряжения, чем катодная область. Падение напряжения в анодной области создается в результате извлечения электронов из столба дугового разряда и ускорением при входе их в анод. В анодной области имеется в основном только электронный ток, вследствие малого количества отрицательно заряженных ионов, имеющих меньшие скорости движения, чем электрон. Электрон, попавший на анодную поверхность, отдает металлу не только запас кинетической энергии, но и энергию работы выхода, поэтому анод получает энергию от столба дуги не только в виде потока электронов, но и в виде теплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.

Особенности сварочной дуги, питаемой переметным током. При сварке дугой переменного тока (промышленной частоты 50 периодов в секунду) катодное и анодное пятна меняются местами 100 раз в секунду. При изменении полярности образуется так называемый «вентильный эффект», заключающийся в частичном выпрямлении тока. Выпрямление тока происходит в результате беспрерывно меняющейся электронной эмиссии, так как при изменении направления тока условия выхода эмиссионных токов с электрода и с изделия не одинаковы.

При одинаковых материалах ток почти не выпрямляется, выпрямление тока в сварочной дуге называется составляющей постоянного тока, которая при аргоно-дуговой сварке алюминия отрицательно действует на процесс. Устойчивость горения сварочной дуги, питаемой переменным током, ниже, чем дуги, питаемой постоянным током. Это объясняется тем, что в процессе перехода тока через нуль и изменения полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает. В момент угасания дуги снижается температура дугового промежутка, вызывающая деионизацию газов столба дуги. Одновременно с этим падает и температура активных пятен. Температура особенно падает на том активном пятне, которое расположено на поверхности сварочной ванны, вследствие отвода тепла в изделие. В связи с тепловой инерционностью процесса падение температуры несколько отстает по фазе от перехода тока через нуль. Зажигание дуги из-за пониженной ионизации дугового промежутка в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении между электродом и изделием, называемом пиком зажигания. Если катодное пятно находится на основном металле, то в этом случае величина пика зажигания несколько выше. На величину пика зажигания влияет эффективный потенциал ионизации: чем больше эффективный потенциал ионизации, тем выше должен быть пик зажигания. Если в сварочной дуге находятся легко ионизируемые элементы, пик зажигания снижается и, наоборот, он увеличивается при наличии в атмосфере дуги ионов фтора, которые при соединении с положительными ионами легко образуют нейтральные молекулы.

К основным преимуществам дуги переменного тока следует отнести: относительную простоту и меньшую стоимость оборудования, отсутствие магнитного дутья и наличие катодного распыления оксидной пленки при аргонодуговой сварке алюминия. Катодное распыление — это процесс бомбардировки сварочной ванны положительными ионами в тот момент, когда изделие бывает катодом, за счет чего разрушается окисная пленка.

Влияние магнитного поля и ферромагнитных масс на сварочную дугу

В сварочной дуге столб дуги можно рассматривать как гибкий проводник, по которому проходит электрический ток и который под действием электромагнитного поля может изменять свою форму. Если будут созданы условия для взаимодействия электромагнитного поля, возникающего вокруг сварочной дуги, с посторонними магнитными полями, с собственным полем сварочной цепи, а также с ферромагнитными материалами, то в этом случае наблюдается отклонение дугового разряда от первоначальной собственной оси. При этом иногда нарушается и сам процесс сварки. Это явление получило название магнитного дутья.

Рассмотрим несколько примеров, показывающих воздействие внешнего магнитного поля на сварочную дугу:

1. Если вокруг дуги создано симметричное магнитное поле, то дуга не отклоняется, так как созданное поле оказывает симметричное действие на столб дуги (рис. 6,а).

2. На столб сварочной дуги действует несимметричное магнитное поле, которое создается током, протекающим в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токопроводу (рис. 6,б).

Существенное значение имеет и угол наклона электрода, который также вызывает отклонение дуги (рис. 7). Сильным фактором, действующим на отклонение дуги, являются ферромагнитные массы: массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух, а магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по той среде, которая имеет меньшее сопротивление, поэтому дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 8). Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, путем временного размещения ферромагнитного материала для создания симметричного поля и заменой постоянного тока переменным.

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.

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:

• высокая температура, создаваемая плотным током (ампераж зависит от длины столба, достигает тысяч А на см 2 );
• небольшие значения анодного и катодного падения напряжения, слабо зависящие от первоначально заданного вольтажа;
• неравномерность распределения напряжения электрического поля между полюсами;
• пространственная устойчивость;
• саморегулирование мощности, ВАХ;
• четко очерченные границы, ясно видимые в окружающей среде.

Зажигание производится двумя способами:

• коротким касанием (электрод подводится впритык, повышается риск залипания);
• чирканьем (невозможен в труднодоступных местах).