Как классифицируются сварочные дуги по способу подключения

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

Классификация сварочной дуги

Сварочные дуги классифицируются:

· по применяемым электродам – дуга с плавящимся электродом и с неплавящимся электродом;

· по степени сжатия дуги – свободная и сжатая дуга;

· по схеме подвода сварочного тока – дуга прямого и косвенного действия;

· по роду тока – дуга переменного тока (однофазная или 3-х фазная) и дуга постоянного тока;

· по полярности постоянного тока – дуга на прямой полярности, дуга на обратной полярности;

· по виду статической вольтамперной характеристики – дуга с падающей, жёсткой и возрастающей характеристикой.

Дугу называют короткой, если длина её составляет 2-4 мм;

Дуга нормальная составляет 4-6 мм;

· Дуга длинная более 6 мм

Сварочная дуга должна иметь определённые технологические условия, обеспечивающие её быстрое зажигание, устойчивое горение, малую чувствительность к изменению её длины в определённых пределах, быстрое повторное зажигание (возбуждение) после обрыва, необходимое проплавление основного металла. Условия зажигания и устойчивого горения сварочной дуги зависят от таких факторов, как состав обмазки при сварке штучными электродами, род тока, прямая или обратная полярность (на постоянном токе), диаметр электрода, температура окружающей среды.

Для зажигания дуги требуется напряжение большее по величине, чем напряжение для горения дуги.

В процессе горения дуги ток и напряжение находятся в определённой зависимости . Эта зависимость при постоянной длине дуги называется статической вольтамперной характеристикой дуги. Рис 2.

Рис.2. Статическая характеристика дуги U_д = f(I_д)

при постоянной длине луги

Таким образом, первым условием зажигания и поддержания дуги является наличие достаточно мощного источника питания. Вторым условием является наличие ионизации столба дуги за счёт введения в состав покрытия штучных электродов или во флюс таких элементов как калий, натрий, барий, литий и др. Эти элементы обладают низким потенциалом ионизации и в момент зажигания дуги способствуют её возникновению. Третьим условием устойчивости горения дуги на переменном токе является наличие в сварочной цепи дросселя. В процессе горения дуги образуются обрывы (100 обрывов в секунду при частоте тока 50 гц). При включении дросселя в сварочную цепь происходит сдвиг фаз между напряжением источника питания и током, горение дуги относительно стабилизируется.

Однако полная стабилизация горения дуги достигается в точке пересечения вольтамперных характеристик дуги и источника питания. Эта точка будет определять устойчивое горение дуги. Рис 3.

Рис. 3. Вольтамперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке

при автоматической сварке под флюсом (кривые в,г);

(кривая д) – вольтамперная характеристика источника питания;

1 – точка устойчивого горения дуги

Ухудшает также стабилизацию горения дуги наличие магнитного дутья, возникающего от воздействия магнитных полей. Магнитные поля оказывают отклоняющее воздействие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги, особенно при сварке на постоянном токе.

Рис. 4. Действие собственных магнитных полей на дугу

Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс также нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс. Рис. 5.

Рис. 5. Влияние ферромагнитных масс на отклонение сварочной дуги

Отклонение дуги вызывает также и место подвода тока. Рис 6.

Рис.6. Влияние места подвода тока и наклона электрода на отклонение дуги

При горении сварочной дуги происходит взаимодействие электрического магнитного полей, в результате чего возникают электромагнитные силы, которые направлены от наружной поверхности дуги к её оси и сжимают столб дуги (пинч-эффект).

Под действием сжимающих электромагнитных сил и высокой температуры на конце электрода происходит плавление металла, образование и отрыв капли металла, которая переносится на изделие. Рис. 7.

Рис. 7. Сжимающее действие силовых магнитных линий на конец расплавленного электрода

В зависимости от размера и скорости образования капель различают капельный или струйный перенос.

При ручной сварке в сварочную ванну переносится примерно 95 % электродного металла, остальное это брызги и пары.

Капельный перенос происходит при сварке штучными покрытыми электродами. В этом случае большинство капель заключено в оболочку из шлака, образовавшегося из расплавленного покрытия. Аналогичные процессы переноса металла электрода в шов наблюдаются при сварке под флюсом и порошковой проволокой.

Струйный процесс переноса металла характерен для сварки плавящимся электродом в защитных газах.

При струйном переносе образуются мелкие капли, которые следуют одна за другой в виде непрерывной цепочки (струи). Струйный процесс переноса электродного металла возникает при сварке проволокой малого сечения с большой плотностью тока.

Обычно струйный перенос электродного металла приводит к меньшему выгоранию легирующих элементов в сварочной проволоке и к повышенной чистоте металла капель и сварного шва.

При импульсно-дуговой сварке перенос металла имеет свои особенности, так как с помощью специальной системы создаются условия управляемого и направленного переноса металла с незначительными потерями на угар и разбрызгивание.

Существуют две разновидности управляемого переноса металла. Первая состоит в том, что при каждом импульсе сварочного тока от электрода отделяется и переносится в сварочную ванну одна капля расплавленного металла (при сварке в среде аргона).

Вторая разновидность состоит в том, что во время прохождения импульса сварочного тока большей длительности, чем в первом случае, происходит интенсивное плавление электрода со струйным переносом металла

На рис. 8. представлен процесс переноса электродного металла.

Рис.8. Процесс переноса электродного металла на изделие при короткой дуге:

а) – крупнокапельный; б) – струйный;

I- IV – последовательные этапы переноса металла;

d_к – диаметр капли; d_э – диаметр электрода

Источник