Сварочная дуга: понятие, характеристики, условия горения

Увеличить мощность сварочного процесса можно за счет повышения питающего напряжения, однако это возможно лишь в рамках относительно небольшого диапазона значений. Существует ряд ограничений, которые связаны, прежде всего, с размерами расходных материалов и другими факторами, влияющими на сварочный процесс.

Сварочная дуга: ее свойства, виды, принцип работы

В современных реалиях промышленность не может обойтись без сварочных работ, а сама сварка основывается на таком явлении, как сварочная дуга, которое было тщательно изучено рядом ведущих ученых. Благодаря этому явлению создается высокая прочность соединений, которая необходима для объединения металлических изделий в одно целое. Однако при выполнении сварочных операций важно учитывать ряд нюансов, таких как выбор подходящего источника питания и поддержание условий горения дуги, иначе шов может значительно ухудшиться и стать кривым.

В следующем разделе мы детально рассмотрим саму природу и строение сварочной дуги, области её применения, классификацию по видам и правильные методы использования. Эта информация поможет любому сварщику расширить свои знания и укрепить свои позиции среди специалистов в этой области.

Определение сварочной дуги

Сварочная дуга представляет собой электрозаряд, возникающий между двумя электродами, обладающий значительной длиной и способный выделять большое количество энергии. Она определяется разницей потенциалов, возникающей в газовой среде, что и приводит к её образованию.

За счет сварочной дуги температура металла с высокой плотностью электрического напряжения поднимается мгновенно, что позволяет достичь состояния, при котором материал становится пластичным и готовым для последующей плавки.

Процесс поджига дуги инициирует формирование гальванической цепи, в которую входят анод, катод и ионизированный газ. Для этого задействуются два электрода. Протекание электрического тока приводит к нагреванию массы дуги и созданию света – это явление связано с фотонным излучением, возникающим в процессе электрической активности.

Особенности сварочной дуги

Сварка — это технологический процесс, при котором металл быстро нагревается до состояния плавления с использованием концентрированной тепловой энергии, чаще всего создаваемой именно электрической дугой.

Дуга образуется из-за специфического разряда, появляющегося при ионизации воздуха под воздействием высокого напряжения, и поддерживается электрическим полем и ионизированной газовой средой, которая называется плазмой.

Особенности сварочной дуги:

Когда сварочный аппарат включается и электрод приближается к металлу, происходит мгновенный электрический разряд. Электроны начинают быстро двигаться от положительно заряженного анода к отрицательному катоду, при этом данный процесс ионизирует молекулы воздуха, делая их проводниками. Когда сварщик слегка поднимает электрод, между ним и металлом образуется столб огня, который создает воронковидное образование, ставшее основой для понятия сварочной дуги.

Товары из категории

• Напряжение питания, В: 220
• Максимальный размер пальца, мм: 28

• Производительность, м²/час: 1-3
• Рабочее давление, бар: 3.5-8.6

• Развиваемое усилие, тонн: 50
• Ход штока, мм: 220

• Макс. грузоподъемность: 2000
• Тип: стационарный

• Развиваемое усилие, тонн: 100
• Ход штока, мм: 220

• Максимальное усилие, тонн: 6
• Рабочее давление, бар: 0-10

При сравнении сварочной дуги с другими видами электрических разрядов можно выделить целый ряд особенностей:

• Сварочная дуга может создавать ток высокой плотности, который достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр поверхности, что позволяет обеспечивать крайне высокие температуры.
• Между электродами электрическое поле распределяется неравномерно: у электродов напряжение снижается, но в столбе сварочной дуги оно значительно увеличивается.
• Температура в сварочной дуге может достигать чрезвычайно высоких значений, особенно в её центральной части, что обусловлено высокой плотностью тока. Увеличение длины столба может привести к снижению температуры сварочной дуги, в то время как уменьшение длины уливает её нагрев.
• Сварочная дуга имеет настраиваемые вольт-амперные характеристики, которые варьируются в зависимости от напряжения и плотности тока, при этом длина сварочной дуги остаётся постоянной во время непрерывного горения. В настоящее время выделяют три основных типа вольт-амперных характеристик.

Процесс образования сварочной дуги можно разделить на несколько этапов:

1. Электродный стержень соприкасается с поверхностью металла.
2. В результате этого выделяется значительное количество тепла.
3. Металл начинает плавиться и отделяться от электродного стержня.
4. Электроны отрываются от катода, создавая поток свободных электронов.
5. Свободные электроны движутся к аноду, ионизируя молекулы воздуха и разбивая их на ионы и дополнительные электроны.
6. В результате этих процессов возникает устойчивый электрический разряд.
7. Процесс стабилизируется благодаря увеличению числа заряженных частиц в окружающей среде, что поддерживает непрерывность и стабильность сварочной дуги.

Способы поджига дуги

Контактный (Lift) — это классический метод, при котором разряд возникает в момент соприкосновения электрода с металл. Этот способ поджига применяется в основном для плавящихся электродов. Использование данного метода с неплавящимися электродами нежелательно, так как это ведет к разрушению стержня и ухудшению прочностных характеристик шва.

Контактный поджиг бывает двух видов:

• касание — нагрев происходит в одной точке;
• чирканье — нагрев осуществляется в нескольких точках.

Бесконтактный (HF) — этот метод подразумевает, что разряд появляется без соприкосновения электрода с металлом. Для этого используется осциллятор — устройство, которое преобразует ток в высокочастотные короткие импульсы, позволяющие пробить воздушный зазор между электродом и металлом.

Характеристики электрической сварочной дуги

Отличительные свойства

• Высокая температура. Нагрев в сварочной дуге может достигать 7000 °C, тогда как температура на поверхности сварочной ванны и на конце электрода обычно примерно в два раза ниже.
• Резкие границы. Положение дуги определяется четко благодаря облаку защитных газов, окружающему её; это положение сохраняется без изменений до тех пор, пока не изменяются внешние условия.
• Неравномерное электрическое поле. Напряжение электрического поля неравномерно распределяется между полюсами.

Длина

Длина сварочной дуги представляет собой расстояние от поверхности расплавленного металла в сварочной ванне до электрода. Этот параметр значительно влияет на многие аспекты, включая стабильность горения, форму шва и напряжение.

Оптимальная длина дуги зависит от диаметра электрода:

• Короткая — от 50 до 100% диаметра электрода. Этот вариант обеспечивает наилучшее качество шва. Визуально контролировать переход от средней длины к короткой бывает сложно, но его можно определить по характерному звуку потрескивания, аналогичному шипению горячего масла на сковороде.
• Средняя — от 100 до 120% диаметра электрода. Эта дуга проще всего поддерживается при сварке, маленькие колебания не приведут к разрыву, что отлично подходит для начинающих сварщиков. При использовании тонких электродов средняя дуга предотвращает прилипание (непреднамеренное касание электрода с металлом).
• Длинная — от 150% диаметра электрода. Такая дуга практически не используется, так как она создает широкий шов с небольшой глубиной. Применение длинной дуги оправдано лишь в случаях nécessité вароцификации тонкого металла толстым электродом, поскольку она позволяет избежать сквозного прожига материала, хотя проще выбрать электрод по размеру.

Способ возбуждения дуги

• Прямой — дуга располагается перпендикулярно металлу и одновременно параллельно электроду.
• Косвенный — дуга образуется двумя электродами, наклоненными под углом 40-60 градусов к поверхности металла.
• Комбинированный — дуга создается между двумя электродами и металлом.

Сила тока

Сила тока, необходимая для возбуждения сварочной дуги, должна быть подобрана с учетом толщины свариваемого металла. Сильно завышенная сила тока может привести к прожиганию материала, в то время как недостаточная сила тока не позволяет нагреть металл достаточно для образования стабильной дуги.

Условия горения

Сварочный процесс основывается на преобразовании электрической энергии в тепловую. Сварочный столб способен поддерживаться в активном состоянии как угодно долго, при условии быстрой ионизации газа. Заготовки, подлежащие сварке, прогреваются, и вокруг них создается теплый воздух, насыщенный испарениями. В Альтернативном способе в рабочую зону подается специальный газ, способствующий ионизации. Чаще всего это щелочные и щелочноземельные металлы, такие как калий и кальций, которые активизируются сразу после начала прохождения тока.

Другим важным условием для поддержания сварочного столба является постоянная высокая температура на катоде, величина которой зависит от химического состава и площади катода. Для этого требуется надежный источник электрической энергии. В условиях производственной работы температура в области катода может достигать 7000 градусов.

Как образуется электрическая дуга

Сварочная дуга представляет собой электрический разряд, который возникает в момент замыкания цепи. Как только электрод касается поверхности свариваемого металла, начинается интенсивное выделение тепла, которое приводит к плавлению этого металла. Расплавленный металл притягивается к концу электрода, образуя тонкую шейку. Эта шейка практически моментально распыляется под воздействием мощного электрического поля. В этот момент молекулы газа ионизируются, образуя защитное облако, что обеспечивает свободное движение электродов.

Тип используемого тока определяет направленность электрического потока. Поджечь дугу возможно как с использованием прямого, так и обратного тока, а также переменного тока. Частота, с которой дуга загорается и гаснет, напрямую зависит от установленных сварщиком параметров тока.

Классификация

Из-за широкого использования сварочного процесса дуга классифицируется на несколько видов. При этом особенности энергетического электрозаряда позволяют выделить следующие разновидности согласно конструкции и назначения:

• Плавкая дуга — при ее использовании применяется стальной сплав, в процессе работы происходит расплавка металлического электродного стержня;
• Неплавкая дуга — используется при работе с графитами и вольфрамом. Электроды такого типа не расходуются, а формирование шва производится из расплавленных металлических заготовок.

По схеме подвода тока и среде

Согласно схеме электросоединения, сварочные дуги делятся на две разновидности:

1. Прямого действия. Один из электрodeов выступает в качестве конструкции, а второй является плавящимся элементом. В точке зазора формируется дуга.
2. Косвенного действия. Разряд инициируется между парой неплавящихся электродов, после чего он подносится к свариваемой заготовке.

По атмосфере

В зависимости от атмосферы сварочные дуги могут быть трех типов.

1. Открытая атмосфера. Данный способ позволяет горению дуги происходить в открытом пространстве. При этом возникает газовая сфера, содержащая в себе металлический пар, а также пары электрода и окружающей поверхности.
2. Закрытая — такой тип наблюдается при горении дуги под флюсом. В ее газовой фазе присутствуют пары от сварочного материала, электрода и слой флюса.
3. С подачей смеси газа. В этом методе электрозаряд может содержать газ в сжатом виде и его примеси. Использование таких веществ, как водород, углекислый газ и аргон, необходимо для предотвращения окисления обрабатываемой поверхности. Подача приведенных веществ позволяет создать восстановительную среду или обеспечить нейтральное отношение к факторам процесса.

По длительности действия

Согласно длительности работы электрическую сварочную дугу можно разделить на следующие типы:

• Постоянная — актуальна для длительного сварочного процесса;
• Импульсная — представлена однократным мощным импульсом, обычно используется для контактной сварки.

Условия горения

Стандартные температурные условия в струе сварочной дуги могут достигать максимума до 7000 градусов по Цельсию. Поддержание постоянства температуры достигается благодаря использованию правильного катода, который обеспечивает необходимую температуру для возникновения и функционирования дуги. В данном случае необходимо учитывать такие параметры, как размеры, диаметр электрода и температура окружающей среды.

Для того чтобы осуществить сварку материалов самого разного качества, важно следить за стабильностью температурных показателей. При исправной работе источника питания температура катода останется постоянной, а действие элемента будет качественным.

Основные принципы работы сварочных дуг сосредоточены на использовании ионизированных газов, а также на привлечении щелочных и щелочноземельных металлов, таких как калий и кальций. Эти особенности способствуют высокому качеству процесса горения сварочных дуг. Последние не могут существовать в любых средах, поэтому важно учитывать как физические, так и химические факторы.

Существует несколько типов электрических разрядов, благодаря которым осуществляется горение.

1. Тлеющий разряд. Он возникает при низком давлении. Чаще всего такой разряд используется для освещения с помощью люминесцентных ламп или экранов плазмы.
2. Искровой разряд. Возникает при доведении давления до атмосферного уровня. Для искрового типа дуги характерна прерывистая работа, при которой наблюдается действие, похожее на молнию. Этот вид разряда используется, например, для розжига двигателей внутреннего сгорания.
3. Дуговой разряд. Данный тип разряда используется как в процессе сварки, так и для простого освещения. У этого разряда также наблюдается прерывистая форма, возникающая из-за изменчивости атмосферного давления.
4. Коронный разряд. Этот тип может возникать в результате такой структурной шероховатости и неоднородности, при которой образуются струйки.