Как классифицируется сварочная дуга по способу подключения

Сварочная дуга и её применение

Сварочная дуга представляет собой поток газа, ионизированного до высоких температур (от 5000 0 С и более), и являющегося одной из форм существования плазмы. Этот поток возбуждается между катодной и анодной областями электродов и характеризуется чрезвычайно высокими показателями плотности объёмной тепловой мощности. Такая природа физического явления (см. фото) позволяет широко использовать его для создания прочных неразъёмных соединений металлов, а также для размерной их обработки.

Как происходит формирование дугового разряда

Дуга производится пробоем межэлектродного промежутка между неподвижным и подвижным электродами (см. рис. 1). В процессе ионизации среды между электронами, плотность их потока по длине возрастает, а диэлектрические свойства среды остаются постоянными. Простейший способ ионизации столба – увеличение разности потенциалов между электродами при одновременном росте тока и температуры межэлектродного промежутка.

Эти факторы, действующие совместно, ионизируют среду, превращая её из диэлектрика в проводник. Таким образом, в течение короткого времени поток электронов становится непрерывным, поддерживая в промежутке ток короткого замыкания.

Определение стабильности существования процесса производится следующими факторами:

1. Диэлектрической прочностью среды.
2. Степенью ионизации, т.е. количеством электронов, которые находятся в ионизированном потоке
3. Длиной: при увеличении данного параметра сопротивление дуги возрастает.
4. Поперечным сечением разряда, чем оно меньше, тем выше сопротивление дуги.
5. Необходимым временем разделения: с его увеличением мощность снижается.

В процессе возбуждения разряда дальнейшим условием стабильности существования является требование правильно настроить все вышеперечисленных параметров. Такие пределы классифицируются по назначению устройства, использующего сварочную дугу – для целей сварки, наплавки или размерной обработки требования будут различными.

Виды сварочной дуги

Сварочная дуга с неконтролируемым поперечным сечением, предназначенным для соединения нескольких токопроводящих материалов между собой, использует два разных типа сварочных аппаратов – с расходуемыми и нерасходуемыми электродами. К первому типу относятся:

1. Сварка металла газом: инертным (MIG по международной классификации) или активным (MAG, но чаще используется буквосочетание GMAW – сварка с применением защитного газа, предохраняющего основной металл от активного окисления).
2. Экранированная дуговая сварка (MMA). Представляет собой процесс ручной электродуговой сварки, при котором разряд возбуждается между металлическим стержнем (электрод покрыт флюсом или содержит его) и обрабатываемой деталью. Поверхность стержня и заготовки плавятся, образуя сварочную ванну. При одновременном плавлении флюсового покрытия на стержне образуются газ и шлак, который впоследствии защищает сварочную ванну от окружающей атмосферы. Это – универсальный процесс, идеально подходящий для соединения черных и цветных металлов с различной толщиной и при всех положениях заготовки.
3. Дуговая сварка порошковой проволокой (FCAW) использует электрод с сердечником из флюсового сердечника с непрерывной подачей и источник постоянного напряжения, обеспечивающий постоянную длину разряда. В этом процессе используется либо защитный газ, либо газ, образующийся при термическом испарении флюса с целью защиты зоны шва от загрязнений.
4. Сварка под флюсом (SAW). Часто применяемый процесс с расходуемым электродом (который непрерывно подаётся к зоне расплава) и защитным слоем из плавкого флюса. Флюс становится токопроводящим при расплавлении, обеспечивая току лёгкий путь между деталью и электродом. Поток помогает также предотвратить разбрызгивание металла и искры, поскольку подавляет пары и ультрафиолетовое излучение.
5. Электрошлаковая сварка (ESW). Вертикальный процесс, используемый для сварки толстых листов (более 25 мм) за один проход. Сварочная дуга при этом способе зажигания возбуждается ещё до того, как добавление флюса погасит её. В результате плавления флюса, когда расходные материалы для проволоки подаются в расплавленную ванну, на поверхности ванны образуется расплавленный шлак. Тепло, необходимое для плавления торцов сварочной проволоки и заготовки, генерируется за счет сопротивления расплавленного шлака прохождению электрического тока. Для предотвращения вытеканию расплавленного шлака, в конструкции предусматриваются два подвижных медных башмака, которые постоянно охлаждаются водой.

Ко второму типу относят сварку неплавящимся вольфрамовым электродом (TIG), который используется для возникновения дугового разряда. Защита сварного шва и ванны состоит в применении защитного инертного газа (чаще – аргона).

Сварочная дуга может легко управляться, для этого достаточно ограничить размеры её поперечного сечения.

С этой целью можно применять, например, концентрированный поток любой рабочей среды, обладающий минимальными электроизоляционными свойствами (например, масло или керосин). При условии контролируемого перемещения по поверхности такая сжатая дуга обладает особенностью высокопроизводительной размерной обработки металлов (см. рис.2).

Строение и главные условия возбуждения разряда

В области разряда дуга представляет собой проводник электрического тока, который протекает через ионизированный газовый столб. Для стабильного существования этого столба необходима весьма значительная разность потенциалов, при которой в зоне дугового разряда формируются две зоны — отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. Полярность протекания тока при этом значения не имеет, поскольку разряд может возбуждаться и при прямой, и при обратной полярности.

Для сварки и размерной обработки твёрдых сплавов используется преимущественно прямая полярность, а при размерной обработке металлов – обратная. Зависимость между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) сварочной дуги. У каждой модели сварочного аппарата характеристики ВАХ различны.

Строение предполагает, что между катодным и анодным пятном располагается зона плазменного столба с повышенной яркостью, что обусловлено высокими скоростями перемещения электронов.

При сварке дуга не только обеспечивает тепло, необходимое для плавления электрода и основного металла, но — при определенных условиях – является средством транспортировки расплавленного металла от электрода к заготовке. Основных способов перемещения расплава может быть два:

• Механическое натяжение, когда преобладающая часть капель расплавленного металла касается ванны и втягивается в нее силами поверхностного натяжения;
• Электродинамические силы, когда выброс расплавленного металла происходит во время его выталкивания из сварочной ванны

При простом соединении холодного электрода с устройством, генерирующим большие токи, ионизированный канал отсутствует. Тогда дуга зажигается плохо. Поджиг дуги в сварочных инверторах вызывается либо подачей начального напряжения, достаточно высокого, чтобы вызвать разряд, либо прикосновением электрода к заготовке для создания короткого замыкания.

Во втором случае говорят о явлении форсажа дуги, когда область контакта быстро и сильно нагревается. В результате инициируется поток ионизированного газа, после чего контакт ликвидируется, а горение продолжается «естественным» образом.

Дуговая сварка может выполняться постоянным или переменным током. Выбор жёсткости схемы и её вида зависит от процесса, типа электрода, атмосферы дуги и свариваемого металла.

Как подобрать параметры для устойчивого горения

Четырьмя важными свойствами процесса являются: величина сварочного тока, зазор между электродами, напряжение рабочего и холостого циклов и скорость перемещения дуги. Эти параметры будут в значительной степени влиять на характеристики сварного шва.

Поскольку эти факторы могут варьироваться в широком диапазоне, они считаются основными настройками для любой сварочной операции. Пример использования ВАХ источника питания представлен на рис. 4.

Сварочный ток определяется характеристиками источника питания и напрямую связан со скоростью подачи электрода/проволоки. В нижнем диапазоне токов для каждого размера проволоки кривая является почти линейной.

Однако при более высоких сварочных токах, особенно с проволокой малого диаметра, кривая теряет линейность, что сопровождается повышенным расходом проволоки (особенно при длительной работе на больших токах).

Эксплуатационные характеристики приведены в таблице:

Статическая сварочная дуга при	Площадь пятна, м2	Плотность электрической мощности, Вт/м2	Градиент энергии по длине столба, Вт/м
-ручной дуговой сварке	До 10-6	До 1×1011	До 2,3×106
-сварке в среде защитного газа	До 10-7	До 1×1012	До 1,3×104
-автоматизированной сварке	До 10-7	До 1×1012	До 8,0×105

При увеличении зазора между электродами нагрев зоны столба увеличивается. Это имеет особое значение для процессов полуавтоматической или автоматической сварки, когда протяжённость участка контакта возрастает и дуга становится менее стабильной.

Настройка напряжения напрямую контролирует длину дуги. Кроме того, для условия устойчивого горения на любом заданном уровне сварочного тока требуется определенный диапазон.

Скорость перемещения дугового разряда обычно выражается в метрах в минуту. При управлении данным параметром следует учитывать следующее:

• По мере увеличения толщины материала скорость должна быть уменьшена;
• Для заданной толщины материала по мере увеличения сварочного тока увеличивается и скорость перемещения. Обратное также верно.

Источник

Сварочная дуга

Люди применяют сварку вот уже почти полтора столетия. А изучать это метод соединения различных объектов начал еще известный итальянский ученый Алессандро Дж. Вольта. На основе, в том числе, и его научных трудов был создан первый аппарат для выполнения сварки. Генерирование электрического разряда происходит в момент КЗ (здесь и далее Короткое Замыкание), возникшего между обрабатываемой поверхностью и концом расходного элемента (здесь и далее под таковым подразумевается электрод). На аппарат для сварки подается электроэнергия. Благодаря ее трансформированию в энергию другого вида – тепловую – возникает ванна расплава. Это является обязательным условием формирования однородного металлического шва. По результатам детального анализа ВАХ (сокращение словосочетания Вольтамперная Характеристика) ученым удалось превратить сварку, практически, в совершенный процесс соединения элементов создаваемой конструкции. Были разработаны современные приборы, поддерживающие стабильное состояние сварочной электродуги.

Сварочная дуга. Что это?

Продуцируемая сварочным аппаратом электродуга является ничем иным, нежели проводником, сформированным ионизированными частицами. Его существование на протяжении определенного временного интервала обеспечивается благодаря поддержке электрического поля. Подобному разряду, образующемуся в газе, который способен к ионизации, характерны:

высокие температурные показатели;

Учебники и справочники по сварке содержат следующее определение данному явлению: она представляет собой разряд, происходящий в образовавшейся плазме и носящий продолжительный характер. Сама же плазма является конгломератом продуктов испарения металлов, образующихся под влиянием весьма высокой температуры и на которые оказывают воздействие подвергнутые ионизации защитные газы, присутствующие в атмосфере.

Структура и температурные характеристики сварочной электродуги

Довести температуру металлической заготовки за очень непродолжительный отрезок времени до точки плавления вполне возможно, но по законам физики для этого необходимо сформировать мощную электродугу. Ее основными рабочими характеристиками являются:

вольтаж – величина напряжения, отображенная в вольтах;

ампераж – сила электротока, значение которой представлено в амперах;

уровень плотности потока корпускул/частиц-носителей заряда.

Проведение тщательного анализа структуры электродуги позволит выяснить, как на металл оказывает воздействие температура. В общем случае ее длина относительно небольшая – колеблется в районе отметки 5 сантиметров. Строение электродуги включает 3 области:

сам столб. Это и есть видимый человеческим глазом светящийся отрезок;

анодная область – примерно 10 мкм;

катодная область – около 1 мкм.

Температура сварочной электродуги определяется потоком формируемых на катоде свободных электронов. Уровень нагрева самого катода достигает 38 процентов от температуры образовавшейся плазмы. Электроны – частицы с отрицательным зарядом – перемещаются в газовой среде в сторону анода, а элементы-носители положительного заряда движутся к катоду. В целом же наблюдается такая картина: столб на протяжении всего времени своего существования нейтрален.

Внутри столба температура частиц может достигать 10000°С. Они при контакте с металлом обеспечивают его разогрев до 2350°С. Точку проникновения электронов ученые-физики называют анодным пятном. В сравнении с другим пятном, называемым катодным, его температурный показатель больше на 6 процентов. Плазма излучает волны в инфракрасном, в видимом и УФ-диапазонах. Но это излучение способно нанести вред коже и органам зрения человека. Поэтому сварщики обязаны по технике безопасности работать в специальных защитных средствах.

Разновидности сварочной электродуги

Подразделение сварочной электродуги на виды осуществляется на основе нескольких признаков. Так, по критерию «Тип электротока и расположение электродов в рабочей зоне» формируются следующие группы:

прямого действия. Это когда разряд расположен параллельно по отношению к продольной оси электрода и перпендикулярно относительно обрабатываемой металлической поверхности;

косвенного действия. Здесь электрод наклонен к поверхности заготовки под углом, равным 40,0°-60,0°. Разряд проходит между этим расходным элементом и металлом;

комбинированная. Представляет собой сочетание вышеуказанных дуг. В качестве примера можно привести 3-фазную дугу. Ее 2 дуги осуществляют электрическую связь электродов с объектом сварки. Третья же горит между двумя изолированными один от другого электродам.

открытым. Формируется в газах атмосферы. В качестве подпитывающей среды выступают химические соединения, испаряющиеся из объекта сварки и обмазки электрода;

закрытым. Продуцируется под флюсом. Обязательное условие – наличие газообразной фазы, образованной частицами, являющимися продуктами испарения флюса, расходного элемента – электрода, и самого металла, находящегося в жидком агрегатном состоянии;

с подачей защитной смеси. Ею может быть газ, обладающий инертными свойствами, и т.д.

Еще один признак, на основе которого эксперты подразделяют электродугу на виды, это тип электрода. Для сварки задействуются следующие расходные элементы:

стальные, обмазка которых содержит включения, обеспечивающие ионизацию газа;

произведенные из угля либо графита;

тугоплавкие, изготовленные из металла вольфрам (элемент W).

По критерию «время воздействия» сварочная электродуга бывает импульсной, а также постоянной.

Условия горения

В основе сварочного процесса находится трансформирование электроэнергии в энергию тепловую. Время удержания сформированного в его ходе столба ничем не ограничено, если ионизация газа происходит очень быстро. При сваривании заготовки подвергаются нагреву, контактирующий с ними воздух становится горячим и обогащается испаряемыми веществами. Альтернативным способом является специальная подача в рабочую область газа, из молекул или атомов которого под внешним воздействием образуются ионы. Наиболее хорошо ионизируются частицы мягких щелочных металлов (входят в первую группу периодической таблицы), а также щелочноземельных металлов (это уже представители второй группы периодической таблицы). Для перевода их в активное состояние, достаточно начать пропускать электроток.

Иным обязательным условием надежного поддержания сварочного столба является высокая стабильная во времени температура катода. Ее величина – характеристика производная от площади самого катода, а также его химического состава. Без источника электроэнергии здесь не обойтись. Когда выполняются сварочные работы температурный показатель катодной зоны достигает 7000°С.

Как образуется электродуга

Сварочная электродуга является ничем другим, нежели электрическим разрядом. Появляется она, когда происходит замыкание цепи. В момент соприкосновения электрода с подвергаемым сварке элементом конструкции начинает продуцироваться в избыточном объеме тепловая энергия. В месте контакта металл плавится. Из-за явления притягивания расплава к наконечнику расходного элемента образуется тонкая шейка. Под воздействием мощного электрического поля она, практически, моментально распыляется. Это обусловливает ионизацию молекул газа. В результате данного процесса формируется защитное облако, обеспечивающее свободное передвижение электронов.

Направленность потока определяется типом тока. Поджечь электродугу можно на электротоке, имеющем и постоянную, и переменную величину, а также любой полярности – как прямой, так и обратной. Частота разжигания и потухания дуги – характеристика производная от совокупности выбранных работником параметров тока.

Что влияет на мощность электродуги

Показатели мощности сварочной электродуги зависят от следующих основных факторов:

питающее напряжение. Возрастание напряжения питания приводит к увеличению мощности дуги. Однако диапазон изменения значений последнего параметра неширокий. Имеются также ограничения, касающиеся размеров электродов;

сила тока. Зависимость прямо пропорциональная. С увеличением этого параметра стабильность горения электродуги повышается;

зависимость мощности и численного значения напряжения образовавшейся плазмы тоже прямо пропорциональная.

Длина дуги – это расстояние от расходного элемента до свариваемой поверхности в ходе выполнения работ. Данный показатель оказывает влияние на объем генерируемого тепла.

Скорость расплавления металла определяется мощностью электродуги. Этот параметр очень важен. Ведь о него зависит, сколько времени потребуется на соединение металлических деталей. Температура в области плавления изменяется силой тока. Если она достаточно большая, не будет гаснуть электродуга даже значительной длины. Заниматься настройками ампеража в ходе сварки требуется весьма редко.

ВАХ сварочной дуги

Динамика, с которой изменяются вольтамперные показатели, отображает варьирование длины электродуги, когда она нестабильна. И наоборот, статическая ВАХ показывает, как зависит от силы тока величина напряжения электродуги в период постоянства ее длины. Выше представленный график, поделенный на 3 сегмента, выражает ее свойства.

Падающая ВАХ

Возрастание силы тока сопровождается резким падением напряжения (участок «1» на графике). Обусловлено это формированием столба. С увеличением плазменного потока его электропроводимость изменяется. Причем в сторону увеличения.

Жесткая ВАХ

Ключевая особенность этого участка (позиция «2» на графике) – пониженное напряжение, сочетающееся с неизменной во времени плотностью тока. Величина силы тока варьируется в пределах 100В-1000В. Растет диаметр электродугового столба, а его сопротивление, соответственно, падает. Площадь пятен, и анодного (знак «+»), и катодного (знак «-»), возрастает пропорционально.

Растущая ВАХ

На графике это участок «3». Отличается стабильностью катодного пятна. Его размер – величина производная от диаметра расходного элемента. Сопротивление сварочного столба увеличивается. Также наблюдается рост напряжения на электродуге.

Отдельно необходимо отметить следующие моменты:

когда для проведения ручной электросварки применяются плавящиеся либо неплавящиеся расходные элементы, вольтамперные характеристики не переходят на третий участок графика. Для данного случая актуальны лишь первые два;

показатели участков графика под номерами 2 и 3 описывают механизированную сварку, предусматривающую применение флюсов;

параметры сварки в защитной среде с использованием плавящегося электрода отображены на третьем сегменте графика.

Теперь несколько слов о работе сварочного оборудования на переменном токе. Электродуга возбуждается на пике разжигания во всех полупериодах. Ее затухание наблюдается в момент перехода синусоидой нулевой отметки. Активные пятна прекращают нагреваться. Поддержка в стабильном состоянии эндотермического процесса формирования ионов из элементарных нейтральных частиц газов осуществляется испарениями металлов щелочной группы, присутствующих в обмазке электродов. Процесс розжига электродуги в защитной среде на электротоке с изменяющейся во времени величиной выполняется трудней в сравнении со сваркой на токе постоянном.

Когда выбирается аппарат для проведения работ определенного вида, необходимо принимать во внимание непосредственную зависимость ВАХ от вольтамперных параметров внешнего порядка. Например, ручная электродуговая сварка будет выполнена успешно при подводе питания, отличающегося падающей ВАХ, то есть с повышенным значением напряжения на ХХ. При этом у работника будет иметься возможность изменять длину электродуги, используя регулятор ампеража.

Величина силы тока, фиксируемая при КЗ в ходе расплавления расходного элемента, превышает значение этого показателя столба от 20 до 50 процентов. Сварка с помощью плавящихся электродов – наиболее оптимальный вариант в случае применения дуги размыкания. И здесь нужно знать один момент. Формулируется он так: для розжига электродуги вольфрамовым либо углеродным расходным элементом будет очень кстати вспомогательный/дополнительный разряд.

Значительная сила тока, возникающая при КЗ, может привести к прожигу заготовки. Происходит КЗ в момент падения капли расплава расходного элемента. После этого параметры резко обретают первоначальные значения. В результате наблюдается возрастание ампеража, и сила тока мгновенно достигает уровня, фиксируемого при КЗ. Мостик, сформировавшийся между электродом и металлической заготовкой, очень быстро перегорает. Это приводит к очередному возбуждению электродуги. Все вышеописанные изменения осуществляются в электродуговом столбе, практически, моментально. Оборудование должно отреагировать на них за этот короткий временной интервал, чтобы рабочие характеристики стабилизировались.

Особенности электродуги

Широкие пределы изменения параметров обусловливает совместимость электродуги с обычными плавящимися расходными элементами, а также с тугоплавкими. В результате ее воздействия заготовка очень быстро разогревается, а затем формируется ванна расплава. Уровень потерь, появляющихся в ходе преобразования электрической энергии в энергию тепловую, – минимальный. Хотя природу электродуги можно сопоставить с разрядами других разновидностей, у нее имеются свои особенности:

саморегулирующиеся вольтамперные характеристики, а также мощность;

неравномерность распределения между обоими полюсами электрического поля;

незначительное снижение напряжения на аноде (знак «+») и катоде (знак «-»). Данное явление мало связано с изначально установленным вольтажом;

сильный ток продуцирует высокую температуру.

Зажигание дуги можно осуществлять двумя способами: кратковременным прикасанием либо путем чирканья.

Заключение

Единица измерения скорости перемещения дугового разряда – метр/минута. При выборе конкретной величины данного параметра следует учитывать следующие моменты. Во-первых, скорость нужно уменьшать с увеличением толщины свариваемых объектов. Во-вторых, увеличение сварочного тока должно сопровождаться возрастанием скорости перемещения. Но это условие актуально, когда толщина металла задана.

Источник