Что такое сварочная дуга определение простыми словами
Все о сварочной дуге
В современной промышленности сварка имеет большое значение, она имеет очень широкую область применения во всех отраслях промышленности. Для осуществления сварочного процесса необходима сварочная дуга.
Что такое сварочная дуга, ее определение
Сварочной дугой считается очень большой по величине мощности и длительности электрический разряд, который существует между электродами, на которые подано напряжение, в смеси газов. Ее свойства отличаются высокой температурой и плотностью тока, благодаря которым она способна расплавлять металлы, имеющие температуру плавления выше 3000 градусов. Вообще можно сказать, что электрическая дуга – это проводник из газа, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Электрическим зарядом называется прохождение электрического тока через газовую среду.
Существует несколько видов электрического разряда:
Природа и строение
Природа сварочной дуги не так уж и сложна, как может показаться на первый взгляд. Электрический ток, проходя через катод, затем проникает в ионизированный газ, происходит разряд с ярким свечением и очень высокой температурой, поэтому температура электрической дуги может достигать 7000 – 10000 градусов. После этого ток перетекает на обрабатываемый свариваемый материал. Так как температура настолько высока дуга выделяет вредное для человеческого организма ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, оно может навредить глазам или оставить световые ожоги на коже, поэтому при проведении сварочного процесса необходима надлежащая защита.
Строение сварочной дуги представляет собой три главные области: анодная, катодная и столб дуги. Во время горения дуги на катоде и аноде образуются активные пятна – области, в которых температура достигает самых высоких значений, именно через данные области проходит весь электрический ток, анодные и катодные области представляют собой более большие падения напряжения. А сам столб располагается между этими областями падение напряжения в столбе очень незначительно. Таким образом, длина сварочной дуги представляет собой сумму вышеперечисленных областей, обычно длина равна нескольким миллиметрам, когда анодные и катодные области, соответственно, равны 10-4 и 10-5 см. Самая благоприятная длина примерно равна 4-6мм, при такой длине обеспечивается постоянная и благоприятная температура.
Разновидности
Виды сварочной дуги отличаются схемой подвода сварочного тока и средой, в которой они возникают, наиболее распространенными вариантами являются:
Также существует классификация в зависимости от атмосферы, в которой они возникают:
Также различают по длительности действия – стационарная (для долгого применения) и импульсная (для однократного), по материалу используемого электрода – угольные, вольфрамовые – неплавящиеся электроды и металлические – плавящиеся. Самый распространенный плавящийся электрод – стальной. На сегодняшний день наиболее часто применяется сварка с неплавящимся электродом. Таким образом, виды сварочных дуг разнообразны.
Условия горения
При стандартных условиях, то есть температуре в 25 градусов и давлении в 1 атмосферу газы не способны проводить электрический ток. Для того, чтобы образовалась дуга необходимо, чтобы газы между электродами были ионизированы, то есть имели в своем составе различные заряженные частицы – электроны или ионы (катионы или анионы). Процесс образования ионизированного газа будет называться ионизацией, а работа, которую необходимо затратить на отрыв электрона у атомной частицы для образования электрона и иона – работой ионизации, которая измеряется в электрон-вольтах и называется потенциалом ионизации. Какую именно энергию необходимо затратить для отрыва электрона от атома зависит от природы газовой фазы, значения могут быть от 3,5 до 25 эВ. Самый маленький потенциал ионизации имеют металлы щелочной и щелочно-земельной группы – калий, кальций и, соответственно, их химический соединения. Такими соединениями покрывают электроды, для того, чтобы они способствовали устойчивому существованию и горению сварочной дуги.
Также для возникновения и горения дуги необходима постоянная температура на катод, которая зависит от природы катода, его диаметра, размера и температуры окружающей среды. Температура электрической дуги поэтому должна быть постоянной и не колебаться, благодаря огромным значениям силы тока температура может достигать 7 тысяч градусов, таким образом, сваркой можно присоединять абсолютно все материалы. Постоянная температура обеспечивается с помощью исправного источника питания, поэтому его выбор при конструировании сварочного аппарата очень важен, он оказывает влияние на свойства дуги.
Возникновение
Она возникает при быстром замыкании, то есть когда электрод соприкасается с поверхность свариваемого материала, из-за колоссальной температуры поверхность материала расплавляется, а между электродом и поверхность образуется небольшая полоса из расплавившегося материала. К моменту расхождения электрода и свариваемого материала образуется шейка из материала, которая моментально разрывается и испаряется из-за высокого значений плотности тока. Газ ионизируется и возникает электрическая дуга. Возбудить ее можно с помощью касания или чирканья.
Особенности
Она имеет следующие особенности по сравнению с другими электрическими зарядами:
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.
Электрическая дуга
Структура и характеристики электрической дуги
Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла.
Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги.
С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров.
Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е. их атомы или молекулы могут освобождать или, для электроотрицательных элементов наоборот, захватывать электроны, превращаясь соответственно в положительные или отрицательные ионы. Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной.
Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов. Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей. Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается.
Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла. И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну. Он может осуществляться либо каплями, свободно перелетающими дуговой промежуток, либо каплями, которые сначала образуют короткое замыкание, а затем перетекают в сварочную ванну.
Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой.
Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт. Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм. Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона). Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной).
Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно. Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной. Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду). Прямую полярность используют иногда при выполнении наплавок (когда проплавление основного металла, напротив, желательно чтобы было минимальным).
В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде. Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева).
При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга.
Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном). Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности катода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 3000 °С.
К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).
Влияние на дугу магнитных полей
При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками:
Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами.
Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.
В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода.
Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела.
Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах.
Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:
— выполнением сварки короткой дугой;
— наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
— подведением токоподвода ближе к дуге.
Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше. Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду. Для того, чтобы дуга переменного тока горела стабильно необходимо использовать стабилизаторы дуги (легкоионизируемые элементы), которые вводят, например, в покрытие электродов или во флюс.
Что такое сварочная дуга
Сварочная дуга — это мощный электрический разряд между электродом и металлом. Вокруг сварочной дуги образуется плотное облако, состоящее из паров и газов, которое призвано защищать сварочную ванну от кислорода.
Характеризуется сварочная дуга большой плотностью тока и высокой температурой. Вместе с электродом, сварочная дуга образует единую энергетическую систему. Температура сварочной дуги более 3000 градусов, а её основная задача преобразовывать энергию электричества в тепло.
Происхождение и строение сварочной дуги
Природа происхождения сварочной дуги такая: ток, пройдя через катод, попадает в ионизированный газ, где и происходит мощный разряд с обильным выделением тепловой энергии. Температура сварочной дуги может достигать 10 тысяч градусов, что способствует плавлению даже самых тугоплавких металлов.
Как бы там ни было, но столь высокая температура сварочной дуги оказывает вредное воздействие на человеческий организм. Её горение сопровождается мощным инфракрасным и ультрафиолетовым излучением, которое очень вредное для глаз и кожи. Вот почему во время осуществления сварочного процесса следует беспрекословно соблюдать технику безопасности.
Строение сварочной дуги выглядит в виде трех областей — анодной, катодной и столба. Данные области и составляют одну из самых важных характеристик, а именно, длину сварочной дуги. Наиболее благоприятной длиной дуги, является длина от 4 до 6 мм. Именно данное расстояние от электрода к металлу способствует выделению стабильного и постоянного тепла.
Сварочная дуга — что нужно знать начинающему сварщику
На стабильное и устойчивое горение сварочной дуги влияют многие моменты.
В первую очередь, это:
Все вышеперечисленные факторы, так или иначе, влияют на сварочную дугу. Однако наибольшее значение в процессе сварки оказывает расстояние между электродом и свариваемой заготовкой. Именно данное расстояние и определяет так называемую длину сварочной дуги.
Существует короткая, средняя и длинная дуга. Короткая дуга, это такая дуга, при которой расстояние от электрода до поверхности металла не более 3 мм. Начинающим электросварщикам очень трудно определиться с правильной длиной дуги, поэтому для них существует одно важное правило.
Расстояние между электродом и поверхностью металла в момент сварки должно быть равным от 0,5 до 1,1 диаметра электрода, который используется. Такая дуга считается нормальной и подходит для большинства случаев сварки.
Увеличение сварочной дуги способствует снижению её устойчивого горения, уменьшает проплав металла и увеличивает разбрызгивание металла. Способность удерживать стабильную и постоянную длину дуги говорит о высокой квалификации и большом опыте сварщика.
Сварочная дуга
Уже более столетия человечество применяет технологию создания неразъемных соединений металла — электросварку. В ее основе лежит физическое явление электрической дуги. Исследования в области воздушных искровых разрядов начал итальянский физик Алессандро Вольта в 18 веке. В его честь электрическую дугу иногда называют «вольтова дуга». Значительный вклад в разработку технологии сделали русские ученые Бернадос и Славянов, и француз Меритен.
Что такое сварочная дуга ее определение
Сварочной дугой называют большой по продолжительности и выделяемой энергии электроразряд между электродами с разницей потенциалов, происходящий в газовой среде. Ввиду высокой плотности электрического тока металл, через который он протекает, быстро нагревается — сначала до температуры пластичности и далее до температуры плавления. Максимальная температура, теоретически достижимая в электрической дуге — до 7000 °С. На практике она позволяет плавить металлы с температурой плавления свыше 3000 °С, включая вольфрам.
С точки зрения теории электроцепей, электрическая дуга представляет собой проводник, состоящий из ионизированного газа. При протекании по нему тока выделяется большое количество тепловой энергии.
Различают несколько типов электроразряда:
Коронный разряд используется при очистке газов от пылевых загрязнений.
Природа и строение
При зажигании дуги создается электрическая цепь. В ней участвуют два электрода — анод и катод, а также участок ионизированного газа. Протекая сквозь газовое облако, электрический ток вызывает его нагрев и интенсивное свечение, связанное с излучением фотонов.
Соответственно участкам цепи, строение сварочной дуги включает в себя три основные области:
В первых двух зонах возникают активные пятна, в них происходит максимальное падение напряжения и максимальный нагрев.
Падение же напряжения в самом сварочном столбе невелико.
При действии электродуги, кроме повышенной температуры, действует еще один важный фактор — весьма интенсивное ультрафиолетовое излучение. Оно оказывает вредное воздействие на человеческий организм, прежде всего – на органы зрения и кожные покровы.
Строение сварочной дуги
Во избежание вреда для здоровья при работе с электросваркой обязательно применение средств индивидуальной защиты: сварочной маски, рукавиц и плотной одежды и обуви из негорючих материалов.
Разновидности
Существует несколько классификаций дуг по различным признакам.
По схеме электрического соединения электрические сварочные дуги разделяют на:
Классификация сварочной дуги по схеме электрического соединения
По типу газовой среды, в которой возбуждается разряд, они подразделяются на:
По длительности работы:
По конструкции и назначению применяемых электродов:
Классификация сварочной дуги по применяемым электродам
В состав плавких электродов включают специальные легирующие добавки, повышающие прочность и долговечность получившегося соединения.
Условия горения
В нормальных условиях, при обычном давлении и температуре 20 °С газы, и прежде всего — воздух не являются проводниками. Чтобы они смогли проводить электричество, нужно создать особые условия: высвободить с атомных орбит большое количество ионов. Такой процесс называют ионизацией.
Работу, затрачиваемую на высвобождение одного электрона, называют потенциалом ионизации. Для различных материалов она составляет он 3,5 до 20 электрон-вольт. Наименьший потенциал характерен для щелочных элементов: калия, кальция и их соединений. Эти вещества добавляют в обмазку электродов или сварочную проволоку с целью поддержания стабильных параметров разряда. Добавляют их и в состав флюсового порошка для закрытого типа сварки.
Для обеспечения высокого качества сварного соединения необходимо поддерживать стабильные параметры электродуги, такие, как сила тока, напряжение, температура.
Температура определяется следующими факторами:
Распределение температуры дуги
Постоянство параметров тока — напряжение и сила — обеспечивается источником тока. Для сварочных работ разработано большое количество конструкций таких источников – от устаревших громоздких сварочных трансформаторов и выпрямителей до современных инверторов и полуавтоматов.
Возникновение
Электродуга возникает, или, как говорят сварщики, «разжигается» при кратковременном коротком замыкании электрода на заготовку. Протекающий ток разогревает металл, он начинает плавиться. Сильно разогревается и окружающий место контакта газ, этой энергии становится достаточно для его ионизации.
После размыкания электрода и детали столб газа между ними ионизируется и становится способным проводить электрический ток, который и устремляется по нему, и начинает гореть сварочная дуга.
Если не отвести электрод, ток протекает через точку контакта, дуги не возникает, электрод, как говорят сварщики, «залипает». Для разжигания дуги его придется оторвать от заготовки и повторить кратковременное касание.
Чем определяется мощность сварочной дуги
Мощность дуги определяет производительность сварочных работ и толщину соединяемых заготовок. Сама мощность зависит то следующих факторов:
Повышение напряжения применяется редко, в специфических узкопрофессиональных случаях. В рядовых условиях оперируют силой тока.
Продолжительность разряда
В практических применениях чаще используется непрерывный режим разряда. Однако импульсный режим также распространен. Его используют при контактной сварке.
Сварка заготовок проводится не сплошным швом, а в нескольких точках. Такое соединение не обеспечивает герметичности, но обладает достаточной прочностью для выполнения тонкостенных конструкций, таких, как корпуса бытовой техники, различных приборов и установок, корпуса автомобилей.
Процесс осуществляется неплавящимся массивным электродом, который с большой силой прижимается к заготовке. Через электрод пропускается кратковременный ток очень большой силы — до нескольких тысяч ампер. В месте контакта металл обеих заготовки расплавляется, а по окончании импульса охлаждается и кристаллизуется как единое целое.
Далее электрод (или заготовка) перемещается вдоль линии шва к новой точке, прижимается к ней и подается новый импульс.
Электроды-ролики для контактной сварки
Существует разновидность такого метода, позволяющая получать и герметичные соединения. Электрод в этом случае выполняется в виде ролика, катящегося по поверхности заготовки. Импульсы подаются с небольшими промежутками, зоны оправления вдоль линии качения частично перекрываются и образуют сплошной материал шва. Такая технология применяется при автоматической сварке трубопроводов.
Температурные зоны
Независимо от того, какой электрод применяется — плавкий или неплавкий — в центре дугового столба наблюдается самая высокая температура — до 7000 °С.
Зоны пониженной температуры сварочной дуги располагаются в районах анодного и катодного пятна, но в них выделяется до двух третей всей энергии. Это центры излучения в инфракрасной части спектра.
Зона максимальной температуры является источником излучения в ультрафиолетовом спектре, наиболее вредного для здоровья человека.
При использовании для сварных работ переменного тока понятие полярности теряет свой смысл. Анод и катод меняются местами 50 или 60 раз в секунду.
Дуговая сварка под слоем флюса
При работе переменным током применяется очень простое оборудование и меньше риск «залипания» электрода.
Однако стабильность дуги в таких сварочных источниках очень сильно зависит от стабильности электроснабжения. Их работа также вызывает броски напряжения в электросети.
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 разделяется на три основные зоны. В первой, называемой «нисходящая», с ростом тока напряжение немного снижается. Эта зона соответствует процессам, происходящим при ручной сварке. Во второй – при росте тока напряжение остается стабильным. Эта часть характеристики применяется при полуавтоматической сварке с применением механической подачи сварочной проволоки.
И наконец, третья область, именуемая «восходящая» используется при автоматической сварке, в ней напряжение растет с повышением тока.
Дуговая сварка плавящимся электродом
При ручной сварке начальные значения на кривой соответствуют режиму холостого хода источника. Когда сварщик разжигает дугу, напряжение снижается вплоть до достижения участка стабилизации, такое напряжение сохраняется во время всей операции.
Особенности
Будучи сопоставлена с другими видами электроразрядов, электрическая дуга демонстрирует следующие от них отличия:
На сегодняшний день сварочная дуга является самым быстрым, надежным и доступным методом создания неразъемных соединений металлических деталей и конструкций.
Электросварка стала и самым распространенным способом соединения. Она применяется в самых разных отраслях человеческой жизни, строительства, промышленности и транспорта.
Для получения качественных, прочных и долговечных швов необходимо точно подбирать рабочие режимы, определяющие основные свойства дугового разряда. Современное сварочное оборудование позволяет автоматически поддерживать эти параметры, облегчая работу оператора.
Область применения
Сварочная дуга используется в ручной электродуговой сварке, ставшей надежным помощником профессионалов и домашних мастеров. В ручной сварке используются плавкие электроды, обмазанные флюсовым составом. В процессе сварки материал стержня плавится, формируя материал шва, а обмазка при сгорании выделяет облако газов, защищающих сварочную ванну от воздействия кислорода. Ручная сварка используется как при работе с обычными нелегированными конструкционными сталями, так и в уникальных операциях по сварке нержавеющих, высоколегированных сплавов и цветных металлов.
Такая же дуга применяется и в установках — полуавтоматах. В них вместо электрода применяется сварочная проволока, подающаяся механическим устройством с постоянной скоростью. Инертные газы нагнетаются в рабочую зону через сопло горелке. Эта технология отличается оптимальным расходом сварочных материалов и высокой стабильностью параметров шва. Ввиду дороговизны оборудования экономически эффективна при больших объемах сварочных работ.
Автоматическая сварка осуществляется в специальных герметично закрытых объемах, заполненных инертным газом. Ее используют при сварочных работах с цветными металлами, особо ответственных операциях с нержавеющими сплавами.