Информация о сварочной дуге и о том, как она работает

Сварочная дуга, открытая более 100 лет назад, нашла широкое применение в промышленности. Она обеспечивает прочное соединение металлических заготовок с превращением их в монолитную конструкцию. Чтобы шов получился качественным, следует правильно подобрать источник питания.

Сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме.

Определение сварочной дуги

Данное явление представляет собой устойчивый, не ограниченный во времени электрический разряд в среде, образованной воздушными или защитными газами и парами металлов. Она обладает проводимостью только в ионизированном состоянии, иными словами, когда в ней имеются частицы с положительным или отрицательным знаком. Пребывающий в таких условиях газ называют плазмой. Носителями отрицательного заряда выступают электроны, положительного – лишенные их атомы или молекулы.

Таким образом, определение сварочной дуги может звучать и так: это длительный электрический разряд в плазме, состоящей из воздушных или защитных газов и металлических паров.

Главное свойство данного явления заключается в выделении большого количества теплоты, что всегда наблюдается при протекании тока. Оно вызывает расплавление металла.

Наиболее распространенные металлы

Большинство металла, которые можно найти возле фермы или небольшой мастерской, представляют собой низкоуглеродистую сталь, иногда называемую мягкой сталью. Обычно из стали такого типа изготавливают листовой металл, пластины, трубы и катаный профиль, например, швеллеры, уголковое железо и двутавровые балки. Такую сталь обычно легко варить без соблюдения специальных требований. Однако некоторые стали содержат большее количество углерода. Типичными примерами являются компенсационные пластины, оси, соединительные штанги, валы, плужные лемехи и лезвия скребков. Эти высокоуглеродистые стали также в большинстве случаев легко свариваются, однако в некоторых случаях необходимы дополнительные процедуры, как например, предварительный прогрев свариваемого металла и тщательный контроль температуры перед сваркой и после нее. Более подробную информацию о различных типах сталей и других металлах, а также о правильных процедурах их сварки можно найти в книге «Дуговая сварка».
Независимо от типа свариваемого металла важно хорошо подготовить место сварки, на котором не должно быть масла, краски, ржавчины и других загрязнений.

Природа возникновения явления

Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:

1. Сварщик на долю секунды касается электродом металлической заготовки.
2. В момент контакта происходит короткое замыкание, сопровождающееся протеканием тока большой силы и, как следствие, мощным выделением тепла.
3. Металл в точке прикосновения плавится. Он становится вязким, тягучим.
4. В момент отрыва расходника от заготовки за ним тянется капля расплава.
5. Удлиняясь, она утоньшается с образованием т.н. шейки. В какой-то момент та испаряется и превращается в облако заряженных частиц. Одновременно вследствие высокой температуры в данной зоне ионизируется воздух или защитный газ.
6. Под действием электрического поля носители отрицательного заряда устремляются к аноду, положительного – к катоду. Начинается процесс протекания тока в плазме.

В момент контакта происходит короткое замыкание, металл в точке прикосновения плавится.
Каждый этап длится миллисекунды, разряд возникает практически мгновенно. Далее ток поддерживается эмиссией электронов на катоде. По пути к аноду они ионизируют газ и пары металла, увеличивая число свободных носителей заряда.

Современные сварочные аппараты оснащаются генератором высокочастотных колебаний (осциллятором). Это устройство позволяет возбуждать дугу бесконтактным способом.

При каких условиях начинается горение

Электрическая сварочная дуга возникает при силе тока от 10 до 1000 А и разности потенциалов 15-40 В. В холодном воздухе розжиг затрудняется, поскольку тот слабо ионизируется. В таких условиях прогревают заготовку либо подают теплый защитный газ.

Источники питания дуги

Для создания разряда используют и постоянное, и переменное напряжение. В первом случае сварной шов получается более качественным, а металл разбрызгивается меньше.

Ток из сети 220 В преобразуется трансформатором, дающим на выходе 15-40 В.

С целью уменьшения его габаритов в современных сварочных аппаратах используют схему, состоящую из таких узлов:

1. Входного выпрямителя.
2. Инвертора – электронного устройства с быстропереключающимися транзисторами, управляемого микросхемой.
3. Трансформатора.
4. Выходного выпрямителя.

Инвертор является источником питания дуги.
Инвертор превращает постоянный ток в переменный с частотой до 80 кГц. Это позволяет не только уменьшить размеры трансформатора, но и повысить КПД аппарата.

Параметры источника подбирают с учетом способа выполнения работ. Например, при ручной сварке длина дуги колеблется, поэтому нужен аппарат с крутопадающей вольт-амперной характеристикой. Благодаря ему разряд при растягивании не гаснет, а при его укорочении ток не становится слишком большим.

При сварке плавящимся электродом с него стекают на заготовку капли металла. В такие моменты возникает ток короткого замыкания, превышающий дуговой на 20%-50%. Он пережигает образовавшийся металлический мостик, и плазменный разряд образуется снова. Эти колебания происходят в короткие моменты времени, поэтому источник должен быстро реагировать на них, стабилизируя разность потенциалов.

Рекомендуем к прочтению Описание метода радиографической дефектоскопии

Чем и как определяется мощность

Плазма представляет собой проводник с протекающим по нему электрическим током. Значит, на вопрос о том, чем определяется мощность сварочной дуги, дается тот же ответ, что и для любого резистора: напряжением и амперажем. Скорость выделения тепла равна произведению этих величин.

Мощность варьируют силой тока, которая зависит от длины дуги.

Увеличение разности потенциалов позволяет нарастить мощность только в небольших пределах. К тому же возможность такой регулировки ограничена размером электрода.

Чаще мощность варьируют силой тока, которая, в свою очередь, зависит от длины дуги. Одновременно меняется и температура нагрева металла, а с ней и скорость выполнения работ.

Практическое применение

В промышленном масштабе электрические дуги используются для сварки, плазменной резки, механической обработки электрическим разрядом, в качестве дуговой лампы в кинопроекторах и в освещении. Электродуговые печи используются для производства стали и других веществ. Карбид кальция получают именно таким образом, поскольку для достижения эндотермической реакции (при температурах 2500 °С) требуется большое количество энергии.

Углеродистые дуговые огни были первыми электрическими огнями. Они использовались для уличных фонарей в XIX веке и для создания специализированных устройств, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги низкого давления используются во многих областях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы, а ксеноновые дуговые лампы используются для кинопроекторов.

Формирование интенсивной электрической дуги, подобно мелкомасштабной дуговой вспышке, является основой взрывоопасных детонаторов. Когда ученые узнали, что такое вольтова дуга и как ее можно использовать, разнообразие мирового вооружения пополнилось эффективной взрывчаткой.

Основным оставшимся применением является высоковольтное распределительное устройство для сетей передачи. Современные устройства также используют гексафторид серы под высоким давлением.

Строение и зона анодного пятна

В структуре дуги различают 3 участка:

1. Катодное пятно. Является местом разгона и эмиссии электронов, имеет отрицательный заряд. Размер этой зоны – примерно 1 мкм (0,001 мм). Здесь выделяется 38% тепла, падение напряжения составляет 12-17 В.
2. Столб дуги. Имеет нейтральный заряд, поскольку положительные и отрицательные частицы присутствуют в равных количествах. Средняя длина – 5-10 мм. В этом участке выделяется 20% тепла, теряется 2-12 В.
3. Анодное пятно. Бомбардируется электронами, что придает ему вогнутую форму (кратер). Протяженность этой зоны составляет 10 мкм. Выделяется 42% тепла, теряется 2-11 В.

Строение и свойства электрической сварочной дуги.

Приведенные данные характерны для сварки тугоплавким электродом.

Разрушительный потенциал

Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только дуга будет создана ​​(либо путем прогрессирования из тлеющего разряда, либо путем мгновенного касания электродов, а затем разделения их), увеличение тока приводит к более низкому напряжению между дуговыми терминалами. Этот эффект отрицательного сопротивления требует, чтобы какая-то положительная форма импеданса (как электрического балласта) была помещена в цепь для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в аппарате становятся настолько разрушительными, ведь после своего возникновения дуга будет потреблять все больше тока от источника постоянного напряжения до тех пор, пока устройство не будет уничтожено.

Разновидности сварочной дуги

Различают 2 типа:

1. Разряд прямого действия. Возникает между проводящим стержнем (направлен параллельно ему) и заготовкой (перпендикулярно).
2. Косвенного действия. Возникает между 2 электродами, расположенными под углом 40-60°.

Различают несколько разновидностей сварочной дуги.
Виды плазмы в зависимости от состава:

1. Открытая. Ток протекает в смеси из воздушных газов, паров металла и обмазки.
2. Закрытая. Дуга находится под флюсом, его пары совместно с частицами металла образуют ионизированную среду.
3. Состоящая из 1 или нескольких защитных газов.

Используются электроды из следующих материалов:

• вольфрама;
• графита (угольные);
• стали с обмазкой из ионизирующих веществ (плавящиеся).

Дуга может быть 3-фазной. Для этого требуются подключение к соответствующей сети и 2 токопроводящих стержня. К каждому из них подсоединяется по фазе, третья – к заготовке.

При прямой и обратной полярности

Сварка постоянным током может выполняться 1 из 2 способов:

1. «Плюс» подключают к заготовке, т.е. она становится анодом. Такую полярность называют прямой.
2. К заготовке подключают «минус», так что она становится катодом. Это обратная полярность.

Сварка постоянным током может выполняться различными способами.
При сварке тугоплавким электродом анодное пятно горячее катодного, поэтому первый способ используют для соединения деталей средней или большой толщины. Сильный нагрев обеспечивает глубокий провар и, как следствие, высокую прочность шва.

Подключение с обратной полярностью используется для соединения тонкостенных заготовок. В противном случае они прогорят.

При сварке плавящимся электродом анодное пятно холоднее, поэтому поступают наоборот.

Дальнейшее изучение

В конце девятнадцатого века вольтова дуга широко использовалась для общественного освещения. Тенденция электрических дуг к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей об электричестве, объяснив, что вольтова дуга была результатом контакта кислорода с углеродными стержнями, используемыми для создания дуги.

В 1899 году она была первой женщиной, когда-либо читавшей свой собственный доклад перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее доклад был озаглавлен как «Механизм электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом Института инженеров-электриков. Следующая женщина была принята в институт аж в 1958 году. Айртон подала прошение прочесть доклад перед Королевским научным обществом, но ей не разрешили сделать этого из-за ее пола, и «Механизм электрической дуги» был прочитан Джоном Перри вместо нее в 1901 году.

Характеристики дуги

Основными параметрами плазменного разряда выступают:

• напряжение;
• сила тока;
• длина;
• температура.

Основными параметрами плазменного разряда являются напряжение и сила тока.
Взаимозависимость 2 первых параметров вычерчивается в виде графика.

В нем различают 2 части:

1. Динамическую. Соответствует условиям, когда рабочий промежуток меняется.
2. Статическую. Отображает зависимость параметров при постоянной длине дугового разряда (установившийся режим).

В графике выделяют 3 области:

1. Падающую. Означает резкое снижение разности потенциалов с увеличением ампеража. В этот момент происходит формирование столба: меняется проводимость плазмы, большей становится площадь поперечного сечения тока.
2. Жесткую. Соответствует условиям, когда падение напряжения и плотность тока стабильны. Это объясняется тем, что с набором ампеража пропорционально увеличивается площадь сечения плазмы.
3. Возрастающая. На этом этапе взаимозависимость разности потенциалов, силы тока и резистивности дуги соответствует закону Ома.

График позволяет оценить мощность разряда.

Область применения

Дуга используется в следующих разновидностях сварки:

1. Полуавтоматической. Полуавтоматическая сварка основана на применении тугоплавких вольфрамовых расходников. На дугу подают присадочную проволоку.
2. Ручной. Ручные работы наиболее распространены. Это самый простой метод.
3. Автоматической. Автоматы на промышленных объектах более распространены, поскольку проще устроены.

Дуга используется при ручной, полуавтоматической и автоматической сварке.
При сварке с открытой плазмой используется жесткая дуга, в работах под флюсом или с подачей защитного газа – возрастающая.

Рекомендуем к прочтению Что такое сварные конструкции

Сила напряжения

Данный параметр зависит от 2 других:

• сварочного тока;
• длины дуги.

Характер взаимосвязи определяется методом выполнения работ. В ручной сварке с уменьшением напряжения источника тока оно падает и на дуге. Это видно на вольт-амперном графике. Автоматической вольтаж дуги зависит только от ее линейного размера, причем прямо пропорционально. Существует предел, выше которого разность потенциалов при растягивании плазменного разряда не поднимается. Она остается на этом уровне до угасания дуги.

Напряжение оказывает влияние на качество шва. Если оно увеличивается, тот становится шире с одновременным уменьшением глубины провара.

Время горения

В зависимости от продолжительности различают 2 разновидности дуги:

• постоянную (стационарную);
• импульсную.

В зависимости от продолжительности горения различают постоянную и импульсную дугу.
Вторая применяется при контактной сварке, когда ток кратковременно пропускают через 2 прижатые одна к другой детали. В результате металл в зоне примыкания плавится, образуется монолитное соединение.

Условия погашения

Дуга горит при величине собственного сопротивления, не превышающей некоторого предела. Этот параметр увеличивается с длиной разряда. Соответственно, при удалении электрода от заготовки дуга гаснет.

Это может произойти и в процессе работы, если параметры сварки будут подобраны неверно. Условием устойчивости дуги является равенство Ue – I*R = Uд, где:

• Ue – разность потенциалов на клеммах источника питания;
• I*R – падение вольтажа на резисторе, включенном в цепь сварочного аппарата;
• Uд – то же на дуге.

При нарушении неравенства гашение становится возможным. Графически это выглядит как расположение вольт-амперной характеристики дуги над прямой, обозначающей падение напряжения на резисторе R.

Зависимость от магнитного поля

Из определения дуги следует, что она представляет собой поток заряженных частиц в плазме. Значит, вокруг нее, как и вокруг любого проводника, образуется магнитное поле. Его силовые линии имеют цилиндрическую форму.

Вокруг дуги образуется магнитное поле.

Если дуга окажется в стороннем магнитном поле, оно будет взаимодействовать с ее собственным. Разряд при этом станет неустойчивым.

Ярким примером является т.н. эффект магнитного дутья, возникающий при сварке на постоянном токе.

Он сопровождается следующими вредными явлениями:

1. Резким смещением столба.
2. Частыми обрывами дуги.
3. Изменениями звука, периодическими хлопками.

В результате страдает качество шва, появляются непроваренные участки.

Магнитное дутье вызывается 2 причинами:

1. Ток в заготовке наводит сильное поле. Оно оттягивает столб дуги в сторону, противоположную месту подсоединения клеммы.
2. Массив железа или сплава на его основе, будучи ферромагнитным телом, вызывает сгущение поля. Это объясняется меньшим сопротивлением прохождению силовых линий по сравнению с воздухом. В результате дуга смещается в сторону массива.
3. Поблизости находятся мощные источники электромагнитного излучения.

Эффект дутья наблюдается при сварке большим током, поскольку интенсивность поля находится в прямой зависимости от ампеража.

Эффект дутья наблюдается при сварке большим током.

Меры борьбы с явлением:

1. Уменьшение длины дуги.
2. Расположение электрода под углом – так, чтобы торец смотрел в сторону действия магнитного дутья.
3. Перенос клеммы ближе к дуге.
4. Установка защитного экрана.
5. Заземление соединяемых деталей.

При сварке переменным током магнитное дутье намного менее выражено.

Температура по длине

Особенность строения сварочной дуги заключается в распределении температур. При сварке тугоплавким электродом катодное пятно нагревается до 2400-2600 °С, анодное – на 4-6% выше, т.е. до 2500-2750 ˚С. Наиболее горячим является столб: его температура достигает 6000-8000 °С.

Особенности

Она имеет следующие особенности по сравнению с другими электрическими зарядами:

• Высокая плотность тока, которая достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр, благодаря чему достигается очень высокая температура;
• Неравномерность распределения электрического поля в пространстве между электродами. Вблизи электродов падение напряжения очень велико, когда в столбе – наоборот;
• Огромная температура, которая достигает самых больших значений в столбе из-за высокой плотности тока. При увеличении длины столба температура уменьшается, а при сужении – наоборот увеличивается;
• С помощью сварочных дуг можно получать самые различные вольт-амперные характеристики – зависимости падения напряжения от плотности тока при постоянной длине, то есть установившемся горении. На данный момент существует три вольтамперные характеристики.

Первая – падающая, когда при увеличении силы и ,соответственно, плотности тока, напряжение падает. Вторая- жесткая, когда изменение силы тока никак не влияет на значение величины напряжения итретья – возрастающая, когда при увеличении силы тока напряжение также увеличивается.

Таким образом, сварочную дугу можно назвать самым лучшим и надежным способом скрепления металлических конструкций. Сварочный процесс оказывает большое влияние на сегодняшнюю промышленность, потому что только высокая температура сварочной дуги способна скреплять большинство металлов. Для получения качественных и надежных швов необходимо правильно и верно учитывать все характеристики дуги, следить за всеми значениями, благодаря этому процедура пройдет быстро и наиболее эффективно. Также необходимо учитывать свойства дуги: плотность тока, температуру и напряжение.

О чем стоит знать

Ультрафиолетовая составляющая излучения дуги крайне опасна для глаз и кожи, поэтому сварщики используют защитный костюм и маску с затемненным стеклом. Блики, отражающиеся от стен, тоже могут вызвать ожог сетчатки, сопровождающийся сильными болями.

Дуговое напряжение при ручной сварке является небольшим.

Дуговое напряжение при ручной сварке является небольшим – от 15 до 30 В. Но в процессе замены расходника оно возрастает до 70 В и может стать причиной удара током. От сварщика требуется особая осторожность.

При работе с автоматом риск получения электротравмы существенно ниже.

Как регулировать длину дуги

От этого параметра зависят не только электрические величины, но и качество сварки. Дугу стремятся делать как можно более короткой, в пределах 3-4 мм.

При большей длине наблюдаются следующие негативные явления:

1. Капли расплавленного металла с электрода на пути к сварочной ванне успевают вобрать в себя из воздуха много кислорода и азота. В результате шов теряет прочность, пластичность и ударную вязкость.
2. Разряд перемещается по поверхности заготовки (блуждание), вследствие чего тепло распределяется по относительно большой площади. Глубина провара уменьшается; капли расплава с расходника, попадая на непрогретый металл, не сливаются с ним, а отскакивают.

Рекомендуем к прочтению Как отрегулировать силу сварочного тока

Короткая дуга издает сухой треск, напоминающий шипение масла на горячей сковороде.

При большой длине сварочной дуги наблюдаются негативные явления.

Выполненный ей шов выглядит аккуратным и имеет следующие признаки:

1. Правильную форму.
2. Гладкую выпуклую поверхность.

Шов, выполненный длинной дугой, имеет неровные очертания, вдоль него налипают капли расплавленного металла.

Плавящийся электрод в процессе сварки уменьшается. Поэтому его постепенно приближают к заготовке, чтобы длина разряда оставалась постоянной.

Правильная скорость сваривания

При выполнении сварки важно, чтобы была видна лужица из расплавленного металла сразу за дугой, но при этом НЕ ДОЛЖНА быть видна сама дуга. Если видна ванна расплава и гребень, где она затвердевает, это указывает на правильно выбранную скорость сваривания. Граница отверждения должна располагаться на расстоянии приблизительно 10 мм от электрода.

Рис. 3

Большинство новичков пытаются выполнять сварку слишком быстро, в результате чего получается тонкий, неравномерный сварной шов в виде «червяка». Это результат того, что новичок не следит за расплавленным металлом.

Важное замечание: при выполнении сварки нет необходимости видеть дугу впереди, сзади или с боковых сторон. Сварку следует производить с постоянной скоростью. Вы поймете, что так выполнять работу легче.

Примечание: при сварке тонкой пластины сварщик может увеличить скорость сварки, а при сварке толстой пластины необходимо двигаться медленно, чтобы получить хорошее проплавление.

О режимах дуговой сварки

Соединение деталей методом сплавления осуществляют в различных условиях. Совокупность мер, показателей и параметров, призванную обеспечить хорошее качество шва в любой ситуации, называют режимом сварки.

Характеризующие его параметры делятся на 2 группы:

• основные;
• дополнительные.

К первым относятся:

• диаметр электрода;
• сила тока;
• напряжение дуги.

Соединение деталей методом сплавления осуществляют в различных условиях.
Дополнительные параметры:

• положение шва в пространстве;
• скорость выполнения работ;
• состав и толщина металла.

Сила тока определяется свойствами сварочного аппарата и указывается в инструкции к нему. От нее зависит количество выделяемого тепла, а значит, и глубина провара. Толстостенные элементы крупногабаритных металлоконструкций, подвергающихся воздействию больших нагрузок, соединяют током повышенной силы. Тонкую деталь он, напротив, может прожечь, поэтому ампераж снижают.

Диаметр электрода должен соответствовать силе тока.

В противном случае возникают следующие негативные моменты:

1. Заниженный диаметр. Повреждается покрытие на стержне, дуга становится неустойчивой.
2. Завышенный диаметр. Снижается плотность тока, нестабильными становятся длина дуги и ее положение, шов получается неровным и непрочным.

Параметры режимов ручной сварки приведены в таблице:

Независимо от толщины заготовок, швы на вертикальных поверхностях и потолке выполняют электродом диаметром 4 мм.

Мощные соединения делают в несколько подходов:

1. Проваривают корень шва, используя стержень диаметром 3-4 мм.
2. Набирают наплавку необходимой величины более толстыми изделиями.

Мощные соединения делают в несколько подходов.
С увеличением скорости процесса уменьшается ширина шва, и наоборот. Данный параметр следует выдерживать в разумных пределах. При слишком высокой скорости металл не успевает полностью расплавиться, в соединении образуются непроваренные участки. При медленной сварке сталь растекается, что тоже негативно отражается на качестве шва.

Ширина соединения и глубина провара зависят от траектории движения электрода. Его перемещают по прямой, зигзагом, елочкой и т.д.

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.