Сварочная дуга представляет собой электрический разряд, который возникает вследствие ионизации воздуха, вызванной высоким напряжением, и остается стабильным благодаря электрическому полю совместно с ионизированным газом, известным как плазма.
Сварочная дуга: понятие, характеристики, условия горения
Что это такое? Сварочная дуга — это контролируемый и устойчивый электрический разряд, служащий основным инструментом для соединения металлических заготовок. Высокая температура, достигаемая в процессе, обеспечивает надежное сваривание различных металлов.
Что учесть? Параметры дуги, такие как напряжение и сила тока, можно регулировать с помощью специализированного сварочного оборудования и различных типов электродов. При этом условия проведения сварочных работ также оказывают значительное влияние на эффективность процесса. Качество сварки в значительной степени зависит от характеристик дуги.
В этой статье:
- Особенности сварочной дуги
- Отличительные свойства сварочной дуги
- Строение сварочной дуги
- Виды сварочной дуги
- Требования к источникам питания сварочной дуги
- Мощность сварочной дуги
- Часто задаваемые вопросы о сварочной дуге
Особенности сварочной дуги
Сварка — это технологический процесс, в ходе которого металл интенсивно нагревается до состояния плавления с помощью концентрированной тепловой энергии, чаще всего производимой электрической дугой.
Дуга образуется в результате специфического разряда, который возникает из-за ионизации воздуха, воздействия высокого напряжения и остается стабильной благодаря комбинации электрического поля и ионизированного газа, именуемого плазмой.
Особенности сварочной дуги
Когда сварочный аппарат включается и электрод приближается к металлической заготовке, возникает мгновенный электрический разряд. Электроны стремительно перемещаются от положительно заряженного анода к отрицательно заряженному катоду, и этот процесс ионизирует атомы окружающего воздуха, превращая их в проводники. Когда сварщик поднимает электрод на определенное расстояние, формируется огненный столб, соединяющий электрод с металлом, и создается воронка. Этот огненный столб называется сварочной дугой.
Зажигание дуги
Для возникновения электрического разряда тока, то есть дуги, между деталью и электродом необходимо соблюсти одно ключевое требование — наличие заряженных частиц, таких как ионы и электроны. Это объясняется тем фактом, что в обычных условиях атмосферный воздух не может проводить электричество.
Процесс зажигания дуги начинается, когда сварщик ненадолго касается электродом поверхности соединяемых деталей, что вызывает короткое замыкание. При этом появляется искра и выделяется значительное количество тепла. Благодаря контактному сопротивлению конец металлического электрода нагревается до высокой температуры, что, в свою очередь, приводит к ускорению движения свободных электронов в цепи. Когда электрод отрывается от металла (то есть происходит размыкание цепи), электромагнитное поле выбрасывает электроны в пространство между электродом и деталью. Этот процесс, при котором электроны отрываются от катода и выходят в газовое облако, называется эмиссией.
Зажигание дуги может выполняться двумя основными техниками:
- Касание. Сварщик производит быстротечные касательные удары электродом по детали с последующим отрывом. При этом движение вниз происходит быстро, а подъем на 3-5 мм осуществляется медленно.
- Чирканье. Это аналогичный метод, однако после быстрого касания концом электрода по металлу, сварщик плавно проводит им по поверхности, а затем медленно поднимает его.
Второй метод считается более предпочтительным, но в условиях ограниченного пространства он не всегда может быть использован. Этапы зажигания дуги иллюстрированы на предоставленном рисунке.
Если электрод не соответствует стандартам качества, процесс розжига может быть затруднен из-за залипания его конца. Частично данную проблему можно решить, предварительно разогрев электрод на вспомогательной площадке, что дает возможность сварщику осуществлять более свободные движения.
Еще одним способом зажигания дуги является бесконтактный метод, при котором используется осциллятор, генерирующий колебания высокой частоты. Это позволяет работать с переменным током с электродами, предназначенными для постоянного тока. Длительное сохранение дуги после ее зажигания обеспечивается тем, что источник питания постоянно пополняет зону сварки новыми электронами.
Строение дуги
При использовании прямой полярности электрод подключается к отрицательному выходу источника питания. Это приводит к образованию катодного пятна на электроде, представляющего собой место эмиссии электронов. При работе с электродами с обмазкой данный участок нагревается до температуры от 2400 до 3000 градусов Цельсия, выделяя 38% тепла, и теряет от 12 до 17 вольт напряжения, необходимого для разгона электронов и их отрыва от электрода.
Зона, где электроны входят обратно в сварочную цепь, называется анодным пятном. Здесь температура может достигать 4000 градусов Цельсия, и выделяется 42% тепла, тогда как падение напряжения составляет от 2% до 11%. Этот участок также известен как кратер, что связано с его вогнутой формой, образующейся в результате обстрела пятна свободными электронами.
Между анодным и катодным пятнами в области газового облака располагается столб дуги, который расширяется в нижней части. Столб является нейтральным, так как количество положительных и отрицательных частиц (ионов и электронов) в нем уравновешено. В этой зоне выделяется около 20% тепла, а потеря напряжения невелика, составляя 2-12 вольт. Температура в этом участке может достигать 6000–8000 градусов Цельсия.
При прямой полярности металл, подвергаемый сварке, нагревается больше, чем в случае обратной полярности, при которой анодное и катодное пятна меняются местами. Выбор полярности зависит от типа металла, который необходимо сваривать, и его толщины.
Если для сварки применяется переменный ток, то распределение тепла между заготовкой и электродом оказывается равномерным, поскольку полярность меняется 50 раз в секунду. Это приводит к менее стабильной дуге, и капли расплавленного металла разбрызгиваются больше.
Ключевые особенности сварочной дуги
По сравнению с другими электрическими разрядами, сварочная дуга обладает следующими особенностями:
- Высокая плотность тока, достигающая нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр, что обеспечивает высокие температуры.
- Неравномерное распределение электрического поля между электродами: около электродов напряжение падает, значительно усиливаясь в столбе.
- Экстремально высокая температура в среде столба, что объясняется высокой плотностью тока. Увеличение длины столба значительно снижает нагрев электрической дуги, тогда как уменьшение его размеров приводит к повышению температуры.
- Возможность регулирования вольтамперных характеристик в зависимости от соотношения напряжения и плотности тока при фиксированной длине или непрерывном горении дуги. В настоящее время выделяют три основных вольтамперных характеристики.
Области применения сварочной дуги
Сварочная дуга используется в различных техниках сварки, таких как:
- Полуавтоматическая. Этот метод основывается на использовании тугоплавких вольфрамовых электродов, с подачей присадочной проволоки на дугу.
- Ручная. Данный способ является наиболее популярным благодаря своей простоте и доступности.
- Автоматическая. Обычно используется на производственных предприятиях, упрощая выполнение сложных и объемных работ.
При выполнении работ с открытой плазмой традиционно применяется жесткая дуга, в то время как для сварки под флюсом или в защитной газовой среде требуется увеличенная дуга.
Характеристики электрической сварочной дуги
Отличительные свойства
- Высокая температура. Внутренняя температура дуги может достигать 7000 °C, в то время как температура на поверхности сварочной ванны и конце электрода, как правило, примерно в два раза ниже.
- Резкие границы. За счет защитного облака газов, окружающего дугу, её положение чётко фиксировано и остается неизменным до тех пор, пока внешние условия остаются постоянными.
- Неравномерное электрическое поле. Напряжение в электрическом поле между полюсами характеризуется неоднородностью.
Длина
Длина сварочной дуги — это расстояние от поверхности расплавленного металла в сварочной ванне до электрода. От этого параметра зависят множество факторов, включая стабильность горения дуги, форму сварного шва и напряжение.
Оптимальная длина дуги определяется в зависимости от диаметра электрода.
- Короткая дуга – от 50 до 100% диаметра электрода. Данный тип обеспечивает наилучшее качество шва. Хотя визуально сложно контролировать переход от средней длины к короткой, его можно услышать — при сварке короткой дугой можно заметить потрескивающий звук, напоминающий шипение горячего масла на сковороде.
- Средняя дуга – от 100 до 120% диаметра электрода. Ее проще всего поддерживать — небольшие отклонения не приведут к разрыву дуги, что удобно для новичков. При использовании тонких электродов средняя длина дуги позволяет избежать залипания (непреднамеренного контакта между металлом и концом электрода).
- Длинная дуга – от 150% диаметра электрода. В практическом применении она используется редко, так как создает широкий, но мелкий шов. Это обоснованно в случае сварки тонкого металла с использованием толстого электрода — длинная дуга помогает избежать сквозного прожига, хотя проще было бы просто подобрать электрод подходящего диаметра.
Способ возбуждения дуги
Существуют разные способы возбуждения дуги:
- Прямой способ. Дуга перпендикулярно располагается относительно металла и параллельна электроду.
- Косвенный способ. Дуга формируется двумя электродами, наклоненными под углом 40-60 градусов к определенной точке на поверхности металла.
- Комбинированный способ. В этом случае дуга возникает между двумя электродами и самой деталью.
Сила тока
Сила тока, использующаяся для формирования сварочной дуги, должна учитывать толщину свариваемого металла. Избыточная сила тока может привести к прожигу, в то время как недостаточная сила не дает возможности эффективно нагреть металл до нужной температуры для обеспечения стабильного горения дуги.
Вольт-амперная характеристика сварочной дуги
Параметры питания сварочной дуги описывают время горения, мощность и условия её гашения. Динамика вольт-амперных показателей показывает, как изменяется длина электрической дуги во время её нестабильности. Статическая вольт-амперная характеристика, наоборот, описывает зависимость между напряжением и силой тока при стабильной длине дуги. Ее свойства могут быть представлены в виде графика, разделённого на три сектора:
- Падающий сектор. При увеличении силы тока наблюдается резкое уменьшение напряжения. Это связано с образованием столба: происходит увеличение площади потока плазмы и изменение её электропроводимости;
- Жесткий сектор. В этом сегменте наблюдается снижение напряжения при неизменной плотности тока. Усиливается показатель силы тока в диапазоне значений от 100 до 1000А. Прямо пропорционально растет и диаметр дугового столба. Кроме того, изменения наблюдаются и в анодном и катодном пятнах;
- Растущий сектор. Здесь размер катодного пятна остается постоянным и зависит от диаметра электрода. С увеличением силы тока размеры дугового столба также меняются.
Вольтамперные характеристики (ВАХ) ручной дуговой сварки с неплавящимися или плавящимися электродами обычно не доходят до третьего сектора графика, находясь преимущественно в первых двух. Механизированная сварка, использующая флюсовые процессы, охватывает графические характеристики второго и третьего секторов. Третий сегмент полностью соответствует сварке с использованием плавящихся электродов в защитной атмосфере.
При применении сварочного оборудования в режиме переменного тока каждый полупериод на пике возбуждает сварочную дугу. В моменты прохождения через нулевую отметку дуга затухает, что приводит к остановке нагрева активных пятен. Ионизация газов поддерживается стабильной благодаря испарениям активных щелочных металлов, находящихся в покрытии электродов. Сварка в защитной среде с использованием переменного тока обычно сложнее, чем при использовании постоянного тока.
При выборе оборудования для конкретных сварочных работ важно учитывать, что ВАХ электрической дуги напрямую зависят от внешних вольтамперных параметров. Например, для ручной дуговой сварки требуется оборудование с падающими вольт-амперными характеристиками (с высоким напряжением на холостом ходу). В таких условиях специалист сможет регулировать ампераж, изменяя длину дуги.
Сила тока во время короткого замыкания в процессе плавления электрода может составлять от 20 до 50% выше, чем сила тока в состоянии активной дуги. Эффективность работы с плавящимися электродами наиболее оптимальна при использовании метода размыкания дуги. Для розжига электродуги угольным или вольфрамовым электродом может понадобиться вспомогательный разряд.
Высокие значения силы тока в ситуации короткого замыкания могут привести к прожигу заготовки. Короткое замыкание происходит, когда капля расплавленного металла падает. После этого показания напряжения и тока резко возвращаются к исходным значениям. В это время ампераж возрастает до уровня, достигающего тока короткого замыкания, и мостик, образовавшийся между металлом и электродом, быстро перегорает, а электрическая дуга вновь возникает. Все эти изменения происходят очень быстро, и установка должна адекватно реагировать на них, чтобы обеспечить стабильность рабочих параметров.
Особенности электрической дуги
Благодаря широкому диапазону значений, электродуга может использоваться как с тугоплавкими, так и с обычными плавящимися электродами. Под её воздействием металл быстро разогревается, образуя ванну расплава. Преобразование электрической энергии в тепловую сопровождается минимальными потерями.
По своей природе электрическая дуга сопоставима с другими типами электрических разрядов. Однако у нее есть ряд отличительных признаков:
- Создание высокой температуры за счет высокой плотности тока;
- Небольшое снижение напряжения на катоде и аноде, значительное влияние на которое оказывается лишь первоначальным заданным напряжением;
- Неравномерное распределение электрического поля между полюсами;
- Стабильность и устойчивость электрической дуги в пространстве;
- Мощность и вольтамперные характеристики способны к саморегулированию;
- Четкое очертание границ электродуги.
Существует два основных способа зажигания дуги: чирканьем и коротким прикосновением.
Что такое электрическая дуга?
Пожалуйста, оцените данную статью.
