Сварочная дуга

Уже больше века человечество использует технологию создания неразъемных соединений металла — электрическую сварку. В ее основании лежит физическое явление электрической дуги. Исследования воздушных искровых разрядов начал итальянский физик Алессандро Вольта в восемнадцатом веке. В его честь электрическую дугу порой называют «вольтова дуга». Существенный депозит в разработку технологии выполнили русские ученые Бернадос и Славянов, и француз Меритен.

Что такое сварочная дуга ее обозначение

Сварочной дугой называют большой по длительности и выделяемой энергии электроразряд между электродами с разницей потенциалов, происходящий в газовой обстановке. Ввиду большой плотности электротока металл, через который он течет, быстро нагревается — в первую очередь до температуры пластичности и дальше до температуры плавления. Самая большая температура, в теории достижимая в электрической дуге — до 7000 °С. В работе она дает возможность плавить металлы с температурой плавления более 3000 °С, включая вольфрам.

С точки зрения теории электроцепей, электродуга собой представляет проводник, который состоит из ионизированного газа. При протечке по нему тока выделяется очень много энергии тепла.

Отличают несколько типов электроразряда:

• Тлеющий. Низкоэнергетический разряд относительно слабым током при пониженном давлении газа, применяется в люминесцентных светильниках и плазменных экранах.
• Искровой. Возбуждается при нормальном давлении, имеет прерывистую форму. К подобным разрядам относиться молния и искра зажигания в двигателе автомобиля.
• Дуговой. Постоянный разряд при простом давлении. Применяется при электрической сварки, для дуговых ламп.
• Коронный. Возбуждается на разнородной поверхности между участками с самым разнообразным потенциалом.

Коронный разряд применяется при очистке газов от пылевых загрязнений.

Природа и строение

При зажигании дуги создается электроцепь. В ней принимают участие два электрода — анод и катод, а еще участок ионизированного газа. Протекая сквозь газовое облако, переменный ток вызывает его нагрев и активное свечение, которое связано с излучением фотонов.

Исходя из этого участкам цепи, строение сварочной дуги в себя включает три главные области:

• анодная — толщиной 10 -4 см;
• катодная 10 -5 см;
• столб дуги, длиной 4-6 мм.

В первые 2-ух зонах появляются энергичные пятна, в них происходит максимальное падение напряжения и самый большой нагрев.

Падение же напряжения в самом сварочном столбе невелико.

При действии электродуги, помимо очень высокой температуры, действует еще 1 основополагающий фактор — очень активное ультрафиолет. Оно оказывает негативное влияние на организм человека, в первую очередь – на органы зрения и покровы кожи.

Строение сварочной дуги

Чтобы не было ущерба для здоровья во время работы с электросваркой в первую очередь использование средств индивидуальной защиты: сварочной маски, рукавиц и плотной одежды и обуви из устойчивых к огню материалов.

Разновидности

Есть несколько классификаций дуг по самым разным признакам.

По схеме электрического соединения электрические сварочные дуги делят на:

• Прямого действия. Одним электродом считается свариваемая конструкция, другой электрод плавящийся. Цепь образовывают электрод и металл свариваемых деталей. В зазоре между ними зажигается дуга.
• Косвенного действия. Разряд зажигается между 2-мя параллельными неплавкими электродами и подносится к свариваемым заготовкам.

Классификация сварочной дуги по схеме электрического соединения

По типу газовой среды, в которой возбуждается разряд, они делятся на:

• Открытый. Действует в воздухе. Зону для работы окружает облако из испарившегося металла, продуктов горения обмазки электродов.
• Закрытый. Разряд идет под слоем флюсового порошка, облако состоит из испарившихся частиц металлов и благородных газов, выделяющихся при плавлении флюсового порошка.
• С принудительным нагнетанием благородных газов. В зону для работы вдувается под маленьким давлением смесь благородных газов с углекислым и водородом в конкретных пропорциях. Цель такого нагнетания — обезопасить материал сварочной ванны и нагретой до температуры пластичности зоны заготовок от контакта с кислородом и азотом воздуха.

По продолжительности работы:

• систематическая (для долгой работы);
• импульсная (мощный однократный импульс, используется для контактной сварки).

По конструкции и назначению используемых электродов:

• Неплавкие (графит, вольфрам). Такие электроды не тратятся в процессе сварки, материал шва сформировывается из расплавившегося металла заготовок.
• Плавкие. Делаются из сплавов из стали. В ходе процесса пирон электрода плавится, течет в сварной просвет и одновременно с расплавившимися кромками заготовок сформировывает шовный материал.

Классификация сварочной дуги по используемым электродам

В состав плавких электродов включают специализированные легирующие добавки, повышающие крепость и долговечность получившегося соединения.

Условия горения

В нормальных условиях, при простом давлении и температуре 20 °С газы, и в первую очередь — воздух не считаются проводниками. Чтобы они смогли проводить электричество, необходимо создать особенные условия: освободить с атомных орбит очень много ионов. Этот процесс называют ионизацией.

Работу, затрачиваемую на высвобождение одного электрона, называют потенциалом ионизации. Для разных материалов она составляет он 3,5 до 20 электрон-вольт. Минимальный потенциал свойственен для щелочных компонентов: калия, кальция и их соединений. Эти вещества добавляют в обмазку электродов или проволоку для сварки с целью поддержания стабильных показателей разряда. Добавляют их и в состав флюсового порошка для закрытого типа сварки.

Для обеспечения отличного качества сварного соединения нужно поддерживать стабильные параметры электродуги, такие, как сила тока, напряжение, температура.

Температура устанавливается следующими факторами:

• Материал катода.
• Размеры катода.
• Условия внешней среды.

Распределение температуры дуги

Постоянство показателей тока — напряжение и сила — обеспечивается источником тока. Для работ по сварке разработано очень много конструкций подобных источников – от устаревших больших и неудобных сварочных преобразователей электрической энергии и выпрямителей до современных преобразователей напряжения и полуавтоматов.

Появление

Электрическая дуга появляется, или, как говорят сварщики, «зажигается» при краткосрочном коротком замыкании электрода на заготовку. Текущий ток разогревает металл, он начинает плавиться. Сильно разогревается и окружающий место контакта газ, этой энергии становится достаточно для его ионизации.

После отключения питания электрода и детали столб газа между ними ионизируется и становится способным проводить переменный ток, который и устремляется по нему, и начинает гореть сварочная дуга.

Если не отвести электрод, ток течет через точку контакта, дуги не появляется, электрод, как говорят сварщики, «залипает». Для разжигания дуги его придется оторвать от заготовки и повторить короткое касание.

Чем устанавливается мощность сварочной дуги

Мощность дуги определяет продуктивность работ по сварке и толщину соединяемых заготовок. Сама мощность зависит то следующих факторов:

• Длина сварочной электродуги. Определяет кол-во тепла, выделяющегося при возгорании. При большей длине мощность увеличивается, и наоборот.
• Сила тока. Приличная сила тока дает возможность не гаснуть более длинной дуге.
• Напряжение. В маленьком диапазоне увеличение напряжения также приводит к росту мощности.

Увеличение напряжения применяется нечасто, в нестандартных узкопрофессиональных случаях. В рядовых условиях оперируют силой тока.

Длительность разряда

В практичных применениях чаще применяется беспрерывный режим разряда. Впрочем импульсный режим также распространен. Его применяют при контактной сварке.

Сварка заготовок проходит не цельным швом, а в нескольких точках. Подобное соединение не дает герметичности, но обладает достаточной прочностью для выполнения тонкостенных конструкций, например, как корпуса техники для дома, самых разных приборов и установок, корпуса автомобилей.

Процесс выполняется неплавящимся тяжелым электродом, который с большой силой прижимается к заготовке. Через электрод пропускается короткий ток огромнейший силы — до нескольких тысяч ампер. В месте контакта металл двух заготовки расплавляется, а по завершении импульса охлаждается и кристаллизуется как одно целое.

Дальше электрод (или заготовка) передвигается вдоль линии шва к новой точке, прижимается к ней и подается новый импульс.

Электроды-ролики для контактной сварки

Есть разновидность подобного способа, позволяющая получать и герметичные соединения. Электрод в данном случае делается в виде ролика, катящегося по поверхности заготовки. Импульсы подаются с маленькими промежутками, зоны оправления вдоль линии качения частично перекрываются и образовывают сплошной материал шва. Эта технология используется при автоматической сварке трубо-проводов.

Температурные зоны

Неважно, какой электрод применяется — плавкий или неплавкий — в самом центре дугового столба встречается самая большая температура — до 7000 °С.

Зоны низкой температуры сварочной дуги находятся в районах анодного и катодного пятна, однако в них выделяется до 2-ух третей всей энергии. Это центры излучения в инфракрасной части спектра.

Территория самой большой температуры считается источником излучения в ультрафиолетовом спектре, наиболее вредного для человеческого здоровья.

Во время использования для сварных работ электрического тока понятие полярности теряет собственный смысл. Анод и катод меняются местами 50 или 60 раз в секунду.

Дуговая сварка под флюсовым слоем

Во время работы электрическим током применяется очень обычное оборудование и меньше риск «залипания» электрода.

Впрочем стабильность дуги в подобных сварочных источниках слишком сильно зависит от стабильности электрического снабжения. Их работа также вызывает броски напряжения в питающей сети.

Вольт амперная характеристика

График, выражающий, как напряжение зависит от изменения тока, называют вольтамперной характеристикой дуги.

В условиях неизменной длины столба и постепенном росте тока график делится на три главные зоны. В первой, называемой «нисходящая», с увеличением тока напряжение чуть-чуть уменьшается. Эта территория отвечает процессам, происходящим при ручной сварке. Во второй – при росте тока напряжение остается стабильным. Данная часть характеристики используется при полуавтоматической сварке с использованием механической подачи проволоки для сварки.

И напоследок, третья область, именуемая «восходящая» применяется при автоматической сварке, в ней напряжение растет с повышением тока.

Дуговая сварка плавящимся электродом

При ручной сварке начальные значения на кривой соответствуют режиму хода в холостую источника. Когда сварщик разжигает дугу, напряжение уменьшается аж до достижения участка стабилизации, такое напряжение сберегается во время всей операции.

Характерности

Будучи сопоставлена с остальными видами электроразрядов, электродуга показывает следующие от них отличия:

• Высокая плотность тока (до тысяч А/см 2 ) позволяет развивать большие температуры (до нескольких 1000 °С).
• Неравномерность падения напряжения вдоль столба разряда. В анодной и катодной зоне оно очень высоко, по всей длине столба — пренебрежимо мало.
• Температура, развиваемая в зоне разряда, обратно пропорциональна ее толщине.
• Многовариантность рабочих режимов во время использования самых разных участков вольтамперной характеристики.

На данное время сварочная дуга считается наиболее быстрым, хорошим и доступным методом создания неразъемных соединений деталей из металла и конструкций.

Электрическая сварка стала и очень популярным способом соединения. Она используется в различных ветвях жизни человека, строительства, промышленности и транспорта.

Для получения хороших, прочных и долговечных швов следует точно выбирать рабочие режимы, определяющие важные характеристики дугового разряда. Современное оборудование для сварки позволяет автоматично поддерживать данные параметры, облегчая работу оператора.

Область использования

Сварочная дуга применяется в ручной электродуговой сварке, ставшей хорошим помощником профессионалов и домашних умельцев. В ручной сварке применяются плавкие электроды, обмазанные флюсовым составом. В процессе сварки материал стержня плавится, формируя материал шва, а обмазка при горении выделяет облако газов, защищающих сварочную ванную от влияния кислорода. Ручная сварка применяется как во время работы с обыкновенными нелегированными конструкционными сталями, так и в уникальных операциях по сварке нержавеющих, высоколегированных сплавов и цветных металлов.

Аналогичная дуга используется и в установках — полуавтоматах. В них взамен электрода применяется проволока для сварки, подающаяся механическим устройством с одинаковой скоростью. Благородные газы нагнетаются в зону для работы через сопло горелке. Такая технология выделяется идеальным расходом сварочных материалов и большой стабильностью показателей шва. Ввиду большой стоимости оборудования экономически эффективна при крупных объемах работ по сварке.

Автоматическая сварка выполняется в специализированных герметично закрытых объемах, заполненных благородным газом. Ее используют при работах связанных со сваркой с цветными металлами, особо ответственных операциях с нержавеющими сплавами.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.