Содержание
Определение и строение сварочной дуги
Электрическая дуга представляет собой разряд в газах, при котором электрический ток протекает через газовый промежуток под воздействием электрического поля при наличии заряженных частиц: электронов и ионов. Они образуются в данном пространстве в результате эмиссии электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизации газов. Энергия электрической дуги широко используется в сварке для создания сварных соединений, в частности, в дуговой сварке плавлением.
При сварке создается дуговой разряд между свариваемым металлом и электродом, который может быть прямым или косвенным, а также комбинированным. Сварочная дуга представляет собой электрический разряд в газовой смеси с ионизированными частицами металлов и компонентов из электродных покрытий и флюсов. Дуга является частью электрической цепи для сварки.
Строение сварочной дуги
При сварке с использованием постоянного тока электрод, присоединенный к плюсовому полюсу источника питания дуги, называется анодом, а к минусовому — катодом. При сварке переменным током каждый электрод чередующимся образом выполняет роль анода или катода. Пространство между электродами называется зоной дугового разряда или дуговым интервалом, а длину этого интервала — длиной дуги. Дуга, горящая между электродом и деталью, является дугой прямого действия. По длине дугового интервала можно выделить три области: катодную, анодную и столб дуги, находящийся между ними.
Область катода включает в себя нагретую поверхность катода (катодное место) и часть дугового промежутка, примыкающую к ней. Температура в месте на стальных электродах достигает 2400…2700°С, что составляет до 38% общего тепла дуги. Здесь происходит ускорение электронов. Потеря напряжения в области Uk = 10…20 В.
Область анода состоит из анодного места на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающей к нему. Анодное место, где происходит вход и нейтрализация свободных электронов, имеет примерно такую же температуру, как и катодное место, но за счет облучения электронами на нем выделяется больше тепла, чем на катоде. Для дуг с плавающим электродом потеря напряжения у анода Ua = 2…6 В.
В дуговом промежутке наибольшую протяженность имеет столб душа, размещенный между катодной и анодной областями. Заряженные частицы, образующиеся в этом столбе, направляются к электродам: электроны движутся к аноду, а ионы — к катоду. Температура дугового столба меняется в зависимости от плотности сварочного тока и может достигать более 8000°С. Напряжение вдоль дуги изменяется в пределах 10…50 В/см и зависит от состава газовой среды, уменьшаясь при введении в нее легкоионизирующихся компонентов, таких как натрий, калий и другие.
Энергия в сварочной дуге распределяется неравномерно: электроны, достигшие анода, передают ему свою энергию, образуя сильно нагретое анодное пятно. Положительные ионы движутся к катоду, отдавая ему энергию и формируя катодное пятно. Для поддержания дуги необходимо высокая температура катода, обеспечиваемая ионной бомбардировкой, что стимулирует эмиссию электронов, ионизирующих газ в столбе дуги.
При включении дуги в цепь переменного тока с низкой частотой, каждый полупериод заканчивается прекращением тока и погасанием дуги. Однако в следующем полупериоде, благодаря термоэмиссии электронов с разогретых участков металла, дуга снова возникает, как только напряжение достигнет напряжения зажигания. Для обеспечения стабильного горения дуги на переменном токе необходимы определенные меры, например, применение специальных электродов с веществами низкого потенциала ионизации в покрытии.
Температура электрической дуги варьируется в зависимости от материала электродов: при использовании угольных электродов она достигает около 3200 °C на катоде и около 3900 °C на аноде, а при использовании металлических электродов — 2400 °C и 2600 °C соответственно. В центральной части дуги вдоль ее оси температура достигает от 6000 до 8000 °C. Тепловая мощность дуги определяется по формуле 0 = 0,24 kICBUa, где 0 — тепловая мощность в джоулях в секунду, 0,24 — коэффициент конвертации электрических величин в тепловые в джоулях/(ватт-секунду), k — коэффициент снижения мощности дуги при сварке переменным током (k = 0,7…0,97), Iсв — сварочный ток в амперах, Ua — напряжение на дуге в вольтах.
При проведении электродуговой сварки, 60-70% теплоты используется для нагревания и расплавления металла, оставшиеся 30-40% теплоты рассеивается в окружающем пространстве.
Классификация сварочной дуги
Для классификации сварочных дуг используются общие признаки, такие как тип используемых электродов (плавящиеся и неплавящиеся), степень сжатия дуги (свободная и сжатая), схема подвода сварочного тока (прямое или косвенное действие), род тока (постоянный или переменный, однофазный или трехфазный в последнем случае) и полярность постоянного тока (прямая или обратная).
В зависимости от различных параметров, таких как схема подачи тока, тип тока, количество электродов и другие факторы, выделяют различные виды сварочных дуг: прямого действия, косвенного действия, сжатые и многоэлектродные.
Сварочной дугой прямого действия называется дуговой разряд между электродом и заготовкой. Ее применяют при сварке покрытыми электродами, сварке неплавящимся электродом в атмосфере защитных газов, а также при сварке плавящимся электродом в атмосфере защитных газов.
При использовании неплавящегося электрода соединение металлов осуществляется путем расплавления основного и добавочного металлов. При использовании плавящегося электрода сварочная ванна заполняется металлом электрода.
Сварочная дуга косвенного действия представляет собой дуговой разряд между двумя электродами, где свариваемый металл не участвует в электрической цепи. Этот метод применяется в специализированных видах сварки и атомно-водородной сварке. Сжатая дуга — это дуга с неплавящимся вольфрамовым электродом, сжатая кольцевой струей газа. Этот вид дуги создается в специальных горелках — плазмотронах и используется для резки и сварки металлов, включая тугоплавкие.
Наиболее распространенным методом в ремонтной практике является сварка плавящимся электродом с использованием дуги прямого или переменного тока. Для создания шва используется металлический стержень необходимого химического состава, который подается в зону дуги и расплавляется. Шов формируется из частично расплавленного основного металла и металла электрода.
Для сварки тонколистового металла и изготовления кузовов автомобиля применяют сварку неплавящимся электродом с использованием дуги прямого или косвенного воздействия. Сварной шов формируется путем плавления основного металла или основного и добавочного металла, введенного в зону дуги. Чтобы избежать перегрева электрода, сварку неплавящимся электродом обычно проводят постоянным током прямой полярности, где электрод подключается к катоду.
Возникновение (зажигание) сварочной дуги
Образование дуги начинается с зажигания, которое может производиться двумя способами: 1) электрод приближается к заготовке на расстояние 3-6 мм и кратковременно подключается источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор); 2) зажигание дуги происходит в три этапа: электрод коротко замыкается на заготовку, затем удаляется на 3-6 мм, после чего возникает устойчивый электрический разряд.
Основным способом является второй, в то время как первый используется только при сварке с неплавящимся электродом. При коротком замыкании плотность тока в точках контакта достигает высоких значений. Под воздействием выделяющейся теплоты металл в этих точках мгновенно расплавляется, образуя жидкую прослойку между основным металлом и электродом.
При удалении электрода от поверхности металла, жидкая перемычка сначала вытягивается, образуя шейку, а затем разрывается. С разогретого торца (катода) начинается термоэлектронная эмиссия электронов под воздействием электрического поля. Столкновение быстродвижущихся к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере нагрева дугового столба и увеличения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения.
При столкновении частиц некоторые атомы подвергаются ионизации за счет поглощения энергии. Это приводит к образованию электропроводного дугового промежутка, через который начинается электрический разряд. Процесс формирования дуги завершается появлением устойчивого дугового разряда.
Используя длину дуги от 3 до 5 мм, можно добиться высокого качества сварки. Рекомендуется поддерживать длину дуги, соответствующую диаметру электрода. При слишком большой длине дуги металл электрода может образовывать крупные шарики, что приводит к неравномерному и забрызганному сварному шву с недостаточным сплавлением. Слишком короткая дуга, напротив, не обеспечивает достаточного тепла для глубокого проплавления основного металла и может привести к частому прилипанию электрода к основному металлу.
Улучшение устойчивости сварочной дуги достигается путем увеличения напряжения холостого хода сварочного источника, которое измеряется без нагрузки. Однако этот показатель ограничен требованиями безопасности персонала и согласно ГОСТ не должен превышать 80 В. Магнитные поля могут вызывать отклонение электрической сварочной дуги от нормального положения.
Магнитное дутье и способы его уменьшения при сварке
Вокруг дуги, расположенной несимметрично и равномерно, имеется 36 магнитных полей, которые воздействуют на заряженные частицы, движущиеся в свариваемом изделии. Это явление называется магнитным действием. Воздействие этих полей на дугу пропорционально квадрату силы тока и становится заметным при сварочных токах более 300 А. Сварочная дуга представляет собой проводник с током, обладающий собственным магнитным полем, через который проходит сварочный ток, соединяющий электрод с свариваемым металлом.
Дуга создает собственное магнитное поле, если оно симметрично относительно дуги, то на нее не действует электромагнитная сила. Дуга горит близко к поверхности металла. Асимметрия магнитного поля приводит к отклонению дуги в сторону слабого поля, а длинная дуга сильнее отклоняется. Короткая дуга менее подвержена воздействию магнитного поля.
В начале сварного шва дуга отклоняется вперёд, а в конце — назад. Иногда дуга может отклоняться под углом вправо или влево. Сильнейшее магнитное воздействие наблюдается в начале шва. Смена полярности или направления сварки на постоянном токе не оказывает значительного влияния на магнитное поле. При сварке на переменном токе магнитное воздействие снижается, так как переменный ток создаёт переменное магнитное поле.
Появление магнитного дутья, обусловленное асимметрией магнитного поля: 1 — изделие в металле, что приводит к образованию вихревых токов. Магнитное дутье чаще всего возникает при сварке с использованием покрытых электродов, полуавтоматической и автоматической сварке магнитных материалов, таких как сталь, чугун, никель, но также может проявляться при сварке немагнитных материалов. Отклонение дуги от оси создает определенные трудности при сварке, увеличивает разбрызгивание электродного металла и ухудшает качество сварного шва. Для уменьшения магнитного дутья рекомендуется:
— Изменить направление магнитного потока, проходящего через соединение, можно путем установки выводных планок в начале и конце шва, использования обратноступенчатой сварки или выполнения прерывистого шва.
— Для создания внешнего магнитного поля необходимо обернуть заготовку сварочным кабелем, через который подается ток к электрододержателю.
— При сварке с покрытыми электродами следует правильно позиционировать электрод и уменьшить сварочный ток.
— Обернуть заготовку обратным проводом так, чтобы создаваемое им магнитное поле компенсировало воздействие магнитного поля, вызывающего отклонение дуги.
При выполнении сварки на переменном токе возможно потребуется изменить технологию сварки и заменить электроды.
Статическая вольт-амперная характеристика дуги
Статическую вольт-амперную характеристику дуги, отражающую зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи при постоянной длине дуги, можно увидеть на рисунке. В зоне 1 (до 100 А) с увеличением тока напряжение сильно снижается из-за увеличения поперечного сечения столба дуги и его проводимости. В результате вольт-амперная характеристика становится нисходящей, и дуга горит нестабильно. В зоне 2 (100… 1 000 А) при увеличении тока напряжение остается постоянным, поскольку поперечное сечение столба дуги и площадь анодной и катодной областей увеличиваются.
Показательная зависимость напряжения и силы тока дуги в общем смысле: области 1…3 различаются в зависимости от силы тока. График напряжения и силы тока будет жестким, дуга остается стабильной, обеспечивая нормальный процесс сварки. В области 3 (более 1000 А) увеличение силы тока вызывает увеличение напряжения, так как повышение плотности тока выше определенного значения не приводит к увеличению катодной площади из-за ограниченного поперечного сечения электрода; при этом график напряжения и силы тока увеличивается. Дуга с возрастающим графиком напряжения и силы тока используется при сварке под флюсом и в атмосфере защитных газов.
