Сварочная дуга

Определение сварочной дуги и ее типы

Сварочной дугой называется продолжительный электрический разряд. Он возникает в ионизированной атмосфере, в пространстве между заготовкой и электродом.

Разновидности

По виду соединения электрода и массы с источником питания (ИП), дуга бывает:

• Прямая. Разряд возникает между свариваемой деталью, к которой подключен ИП (AC/DC), и электродом, тоже находящимся под напряжением. Такая дуга применяется для сварки плавящимися стержнями с обмазкой, в среде защитного газа или под флюсом. А также – неплавящимся электродом, в газовой оболочке.
• Косвенная. Ставятся два электрода, оба соединены с ИП (AC). Свариваемый металл в цепь не включается. Узкая дуга образуется в пространстве между электродами и заготовкой. Используется в специальных видах горячего соединения металлов. А также при атомно-водородной наплавке или сварке.
• Комбинированная трехфазная. ИП (AC) соединяется с двумя электродами и свариваемым металлом. Широкая дуга состоит, фактически, из трех разрядов. Один образуется между электродами, а два других – между стержнями и металлом.

Кроме того, дуга может быть плазменной.

Зажигание дуги

Чтобы в пространстве между деталью и электродом возник разряд электрического тока, т.е. дуга, надо соблюсти одно требование. В этом месте должны быть заряженные частицы – ионы и электроны. Связано это с тем, что в обычных условиях атмосферный воздух не проводит электричество.

Зажигание дуги начинается с того, что сварщик ненадолго касается электродом поверхности соединяемых деталей. Получается короткое замыкание, при котором проскакивает искра и выделяется много тепла. Благодаря контактному сопротивлению, конец металлического стержня быстро нагревается до высокой температуры. Как следствие, движение в электрической цепи свободных электронов значительно ускоряется. В момент отрыва электрода от металла (размыкание цепи), электромагнитное поле выбрасывает электроны в пространство между электродом и деталью. Этот процесс – отрыв электронов от катода и их выход в газовое облако – называется эмиссией.

Зажигание дуги выполняется по одной из двух техник:

• Касание. Сварщик совершает точечные ударные касания электродом к детали, с последующим отрывом. При этом вниз, к заготовке, стержень движется быстро, а поднимается на 3-5 мм - медленно.
• Чирканье. Похожий способ, но, после быстрого касания электродом металла, сварщик немного проводит концом стержня по поверхности, и только после этого медленно поднимает его.

Второй способ считается лучшим. Но, в условиях ограниченного пространства, он не всегда возможен. Этапы возникновения дуги показаны на рисунке.

Если электрод некачественный, то розжиг может оказаться сложным из-за того, что конец стержня залипает. Частично данная проблема устраняется предварительным разогревом на вспомогательной пластине. При этом сварщик может делать движения более размашисто.

Еще один вариант зажигания дуги, бесконтактный, заключается в применении осциллятора, который генерирует колебания высокой частоты. Использование данного аппарата дает возможность на переменном токе работать с электродами, предназначенными для постоянного. Длительное горение дуги после розжига обеспечивается тем, что ИП все время подает в зону сварки новые порции электронов.

Строение дуги

При сварке на прямой полярности, электрод подключают к минусу ИП. В результате, на нем образуется катодное пятно, являющееся местом эмиссии электронов. При работе со стержнями с обмазкой, данный участок нагревается до Т = 2400 – 3000 град С. На нем выделяется 38% тепла. И на нем же теряется от 12-ти до 17-ти вольт напряжения, которое уходит на то, чтобы разогнать электроны и оторвать их от стержня.

Зона входа электронов с дуги обратно в сварочную цепь называется анодным пятном. Оно разогревается до 4000 град С, потому и тепла здесь выделяется больше, до 42%. Падение напряжения составляет от 2% до 11%. Этот участок еще называют кратером, за его вогнутую форму – она получается такой после «обстрела» пятна электронами.

Между пятнами, в облаке газа, располагается столб дуги, расширяющийся книзу. Он нейтральный, потому что число положительных и отрицательных частиц (ионов и электронов) в нем одинаково. Здесь выделяется около 20% тепла. Потеря напряжения тоже небольшая, в пределах 2-12В. Зато температура достигает 6000-8000 град С.

В случае прямой полярности, соединяемый металл нагревается больше, чем при обратной, когда анодное и катодное пятна меняются местами. Выбор полярности зависит от соединяемого металла и его толщины.

Если для сварки используется переменный ток, то количество тепла, которое выделяется на заготовке и на электроде, одинаково, потому что полярность в данном случае меняется 50 раз каждую секунду. Дуга в этом случае получается менее стабильная, капли расплавленного электрода разбрызгиваются больше.

Основные характеристики

К главным параметрам сварочной дуги относятся вольт-амперная характеристика, температура, тепловая мощность и погонная энергия.

Вольт-амперная характеристика

Данный параметр отражает, в какой степени, при одинаковой длине разряда, напряжение (U) дуги зависит от силы тока (I). В/А бывает:

• Падающая. После увеличения I на ИП, U дуги понижается.
• Жесткая. Изменение I не влияет на U.
• Растущая. Увеличение I увеличивает U.

При одинаковой силе тока, напряжение зависит от длины дуги.

Температура и тепловая мощность

Сведения по температуре дуги приведены выше. Тепловая мощность определяется в зависимости от силы тока Iсв и напряжения Uд:

Q = 0.24 * k * Iсв * Uд ;

k = 0.7-0.97 – коэффициент снижения мощности на переменном токе.

Эффективная тепловая мощность – это количество теплоты, перенесенной от дуги на деталь:

q эф = Q * ŋ ;

ŋ – эффективный КПД.

Погонная энергия

Это количество теплоты, деленное на длину шва. Зависит от тепловой мощности и скорости движения электрода.