Электрическая сварочная дуга | Soedenimetall.ru

Основные понятия

Электрическая сварочная дуга представляет собой устойчивый дли­тельный электрический разряд в газовой среде между твердыми или жид­кими электродами при высокой плот­ности тока, сопровождающийся выделением большого количества теплоты. Электрический разряд в газе есть электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ио­нов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами).

Электрон — это частица весьма малой массы, несущая элементарный ( наименьший, неделимый) электричес­кий заряд отрицательного знака. Мас­са электрона равна 9,1 • 10^-28г; эле­ментарный электрический заряд равен 1,6 • 10^-19 Кл. Ионом называется атом или молекула вещества, имею­щая один или несколько элементарных зарядов.

Положительные ионы имеют избыточный положительный заряд; они образуются при потере нейтраль­ным атомом или молекулой одного или нескольких электронов из своей на­ружной (валентной) оболочки (электроны, вращающиеся в валентной оболочке атома, связаны слабее, чем электроны внутренних оболочек, и по­этому легко отрываются от атома при столкновениях или под действием обл­учения). Отрицательные ионы имеют избыточный отрицательный заряд; они образуются, если атом или молекула присоединяет к своей валентной оболочке лишние электроны.

• Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, назы­вается ионизацией. Ионизация, вызван­ная в некотором объеме газовой среды, называется объемной ионизацией. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высо­ких температур, называется терми­ческой ионизацией.

При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы; кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах на процесс ионизации начинает влиять также и излучение газа и раскаленных электронов. При обычных температурах ионизацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить с помощью электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовы­ми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.

В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов. Поэтому, для того чтобы вызвать в воздухе или в газе мощный электрический ток, т. е. элект­рическую дугу, необходимо ионизиро­вать воздушный промежуток (или дру­гую газообразную среду) между электродами. Ионизацию можно произвести, если приложить к электр­дам достаточно высокое напряжение; тогда имеющиеся в газе (в малом количестве) свободные электроны и ионы будут разгоняться электричес­ким полем и, получив большие энер­гии, смогут разбить нейтральные ато­мы и молекулы на ионы.

При сварке из соображений тех­ники безопасности нельзя пользовать­ся высокими напряжениями. Поэтому используют явления термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. При этом имеющиеся в металле в большом коли­честве свободные электроны, обладая достаточной кинетической энергией, переходят в газовую среду межэлектродного пространства и способствуют ее ионизации.

При термоэлектронной эмиссии благодаря высокой температуре сво­бодные электроны «испаряются» с поверхности металла. Чем выше тем­пература, тем большее число свобод­ных электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления потен­циального барьера в поверхностном слое и выхода из металла. При авто­электронной (холодной) эмиссии со­здается внешнее электрическое поле, которое изменяет потенциональный барьер у поверхности металла и облег­чает выход тех электронов, которые имеют достаточную энергию для преодоления этого барьера.

• Ионизация газовой среды характеризу­ется степенью ионизации, т. е. отноше­нием числа заряженных частиц в дан­ном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации).

Степень ионизации

 При полной ионизации степень ионизации равна единице. На рисунке выше представлен график зависимости сте­пени ионизации от температуры нагре­ва некоторых веществ. Из графика видно, что при температуре 6000…8000 К такие вещества, как ка­лий, натрий, кальций, обладают доста­точно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуго­вом промежутке, обеспечивают лег­кость возбуждения и устойчивое горе­ние дуги. Это свойство щелочных ме­таллов объясняется тем, что атомы этих металлов обладают малым потен­циалом ионизации.

• Потенциалом ионизации называется от­ношение работы выхода электрона из атома вещества к заряду этого элект­рона:

V = W / е,

где V—потенциал ионизации, В; W — работа выхода электрона, Дж; е — заряд электрона, Кл.

Сложные атомы, содержащие в своем составе много электронов, име­ют несколько потенциалов ионизации. Первый потенциал ионизации соответ­ствует выходу электрона, находяще­гося в наружной оболочке атома и слабее других связанного с ним. Вы­ход следующих электронов, располо­женных ближе к ядру и сильнее связанных с ним, требует большей работы. Поэтому вторые и последую­щие потенциалы ионизации, соответствующие выходам второго и последу­ющих электронов, будут больше. Пер­вые потенциалы

V_I ионизации некото­рых элементов:

 

Элементы	K	Na	Ba	Li	Al	Ca	Cr	Mn	C	H	O	N
VI	4,32	5,12	5,19	5,37	5,96	6,08	6,74	7,40	11,22	13,53	13,56	14,50

 

Как видно, наименьшим потенциа­лом ионизации обладают калий, нат­рий, барий, литий, алюминий, кальций и др. Поэтому для повышения устой­чивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.

Таким образом, электропровод­ность воздушного промежутка между электродами, а отсюда и устойчивое горение дуги обеспечивается эмиссией катода и объемной ионизацией газов в зоне дуги, благодаря которым в дуге перемещаются мощные потоки заря­женных частиц.

Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкоснове­нии торца электрода и кромок свариваемых деталей. Контакт в на­чальный момент возникает между мик­ровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали (рис. 1,а). Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих вы­ступов и образованию пленки жид­кого металла (рис. 1, б), которая замыкает электрическую цепь на

Рис.1

участке «электрод — свариваемая де­таль». При последующем отводе элект­рода от поверхности детали на 2…4 мм (рис. 1, в) пленка жидкого металла растягивается, а сечение ее уменьша­ется, вследствие чего возрастает плот­ность тока и повышается температура металла. Эти явления приводят к раз­рыву пленки и испарению вскипевшего металла. При этом интенсивные термо- и автоэлектронная эмиссии обеспечи­вают ионизацию паров металла и га­зов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной среде возникает электрическая сварочная дyгa (рис. 1, г). Процесс возбуж­дения дуги кратковременен и осуще­ствляется сварщиком в течение долей секунды.

В установившейся сварочной дуге (Рис. 7, г) различают три зоны: катодную 1, анодную 3 и столба дуги 2. Катодная зона глубиной около 10^-5 см, так называемое катодное пятно, расположена на торце катода (на рис. 1 электрод является катодом,а деталь—анодом). Отсюда вылетает поток свободных электронов, ионизирующих дуговой промежуток. Плот­ность тока на катодном пятне достигает 60…70 А/мм². К катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют его и отдают свою энергию, нагревая его до температуры 2500…3000°С.

Анодная зона, называемая анодным пятном, расположена на торце анода. К анодному пятну устремляются и отдают свою энергию потоки электронов, накаляя его до температуры

2500…4000°С. Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных и ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000…7000° С в зависимости от плотности сварочного тока.

В начальный момент для возбуждения дуги необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный за­зор недостаточно нагрет, степень иони­зации невысокая и необходимо напряжение, способное сообщить свободным электронам такую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти иониза­ция. Увеличение концентрации свобод­ных электронов в объеме дуги приво­дит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности.

Вследствие этого напряжение падает до значения, необходимого для устойчивого горе­ния дуги.

• Зависимость напряжения дуги от тока и сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Рис.2

Вольт-амперная характеристика дуги (рис. 2, а) имеет три области: падающую 1, жесткую 2 и возрастающую 3. В области 1 (до 100 А) с уве­личением тока напряжение значитель­но уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. В области 2 (100…1000 А) при увеличении тока напряжение сохра­няется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характе­ризуется постоянством плотности тока. В области 3 напряжение возрастает вследствие того, что уве­личение плотности тока выше оп­ределенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения элект­рода. Дуга области 1 горит неустой­чиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга области 2 горит ус­тойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

Вольт-амперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали (рис. 2, б) представлена в виде кривых а (длина дуги 2 мм) и б (длина дуги 4 мм). Кривые в (длина дуги 2 мм) и г (длина дуги 4 мм) относятся к автоматической сварке под флюсом при высоких плотностях тока.

Напряжение, необходимое для воз­буждения дуги, зависит: от рода тока (постоянный или переменный), длины дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, по­крытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обе­спечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2…4 мм, находятся в пределах 40…70 В. На­пряжение (В) для установившейся сварочной дуги может быть определе­но по формуле

U д = a + b l_д

где а — коэффициент, по своей физи­ческой сущности представляющий сумму падений напряжений в катодной и анодной зонах, В; b — коэффициент, выражающий среднее падение напря­жения на единицу длины дуги, В/мм; l_д — длина дуги, мм.

• Длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и поверх­ностью сварочной ванны. «Короткой» называют дугу длиной 2…4 мм. Длина «нормальной» дуги — 4…6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют «длинной».

Оптимальный режим сварки обе­спечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво, ме­талл, проходя через дуговой промежу­ток, больше окисляется и азотирует­ся, увеличиваются угар и разбрызги­вание металла.

Электрическая сварочная дуга мо­жет отклоняться от своего нормально­го положения при действии магнитных полей, неравномерно и несим­метрично расположенных вокруг дуги и в свариваемой детали. Эти поля действуют на движущиеся заряжен­ные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явле­ние называется магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату си­лы тока и становится заметным при сварочных токах более 300 А.

Рис.3

На отклонение дуги влияют места подвода тока к свариваемой детали (рис. 3, а, б, в) и наклон электрода (рис. 3, г). Наличие вблизи свароч­ной дуги значительных ферромагнитных масс также нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону эти масс.

Магнитное дутье в некоторых случаях затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. К таким мерам относятся: сварка короткой дугой, подвод сварочного тока в точке, максимально близкой к дуге, наклон электрода в сторону действия магнитного дутья, размещение у места сварки ферромагнитных масс.

При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени напряжение U_д и ток I периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего, как показано на рис. 4 (U_x•x — напряжение зажигания дуги).

Рис. 4

При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деионизация газов и уменьшение электропро­водности столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сва­рочной ванны в связи с отводом теплоты в массу основного металла. Повторное зажигание дуги в начале малого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для снижения пика зажигания, облегчения повторного зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяют меры, снижающие эффективный по­тенциал ионизации газов в дуге. При этом электропроводность дуги после ее угасания сохраняется дольше, пик за­жигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее.

К этим мерам относится применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др. ), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов.

Важное значение имеет сдвиг фаз между напряжением и током: необходимo, чтобы при переходе тока через нулевое значение напряжение было достаточным для возбуждения дуги.

Тепловые свойства сварочной дуги

Рис.5

Энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод, превращается в тепловую энергию электрической дуги. Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде Q_K, аноде Q_a и а столбе дуги Q₀, определяется по фор­муле:

Q = I   U_дt ,

где I — сварочный ток, A; U_д — на­пряжение дуги, В; t — время горения дуги, с.

При питании дуги постоянным то­ком (рис. 11) наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода. Это объясняется тем, что анод под­вергается более мощной бомбардиров­ке заряженными частицами, чем ка­тод, а при столкновении частиц в стол­бе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.

При сварке угольным электродом температура в катодной зоне дости­гает 3200° С, в анодной — 3900°С, а в столбе дуги среднее значение температуры составляет 6000° С. При сварке металлическим электродом температура катодной зоны состав­ляет около 2400° С, а анодной зоны — 2600° С.

Разная температура катодной и анодной зон и разное количество теп­лоты, выделяющейся в этих зонах, используются при решении технологи­ческих задач. При сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок, применяют прямую полярность, при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (ми­нусовая клемма источника тока) — к электроду. При сварке тонкостен­ных изделий,тонколистовых конструк­ций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропроч­ные, высокоуглеродистые и др.), при­меняют сварку постоянным током об­ратной полярности. В этом случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод — к электроду. При этом не только обеспечивается меньший нагрев свариваемой детали, но и уско­ряется процесс расплавления электродного материала за счет более вы­сокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты. Поляр­ность клемм источника постоянного тока определяют с помощью раствора поваренной соли (половина чайной ложки соли на стакан воды). Если в такой раствор опустить провода от клемм источника тока, то у отрица­тельного провода будет происходить бурное выделение пузырьков во­дорода.

При питании дуги переменным то­ком различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодичес­кой смены катодного и анодного пятна с частотой, равной частоте тока.

Практика показывает, что в сред­нем при ручной сварке только 60…70% теплоты дуги используется на нагре­вание и плавление металла. Осталь­ная часть теплоты рассеивается в ок­ружающую среду через излучение и конвекцию.

Количество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого ме­талла в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги Q_э(Дж). Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полез­ного действия η нагрева металла дугой:

Q_э = I  U_дη.

Величина η зависит от способа сварки, материала электрода, состава электродного покрытия и других факторов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом η составляет 0,5…0,6, а при качественных электро­дах — 0,7…0,85. При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны (η = 0,5…0,6). Наиболее полно ис­пользуется теплота при сварке под флюсом (η = 0,85…0,93).

Для характеристики теплового ре­жима процесса сварки принято оп­ределять погонную энергию дуги, т. е. количество теплоты, вводимое в ме­талл на единицу длины однопроход­ного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия Q_п равна отношению эффективной тепловой мощности Q_э к скорости сварки v:

Q_п = Q_э/v = I   U_дη/v.

Потери теплоты при ручной дуго­вой сварке составляют примерно 25%, из которых 20% уходят в окружающую среду через излучение и кон­векцию паров и газов, а 5% — на угар и разбрызгивание свариваемого металла. При автоматической сварке под флюсом потери составляют только 17%, из которых 16% расходуются на плавление флюса и 1 % на угар и разбрызгивание. .

Плавление и перенос металла в дуге

Металл плавящегося электрода пе­реходит (в виде капель различного размера) в сварочную ванну. Схема­тично перенос металла электрода мож­но представить в следующем виде. В начальный момент металл на конце электрода подплавляется и образует­ся слой расплавленного металла (рис. 6, а). Затем под действием сил поверхностного натяжения и силы тя­жести этот слой металла принимает форму капли (рис. 6, б) с образованием у основания тонкой шейки, которая с течением времени уменьшается. Это приводит к значительному увеличению плотности тока в шейке капли. Удлинение шейки продолжается до момента касания капли поверхности сварочной ванны (рис. 6, в). В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи. Резкое возрастание тока приводит к разрыву шейки и в следующее мгновение вновь возникает дуга (рис. 6, г), но уже между торцом электрода и каплей. Под давлением паров и газов зоны дуги капля с ускорением внедряется в жидкий металл сварочной ванны. При этом часть металла разбрызгивается. Затем процесс каплеобразования повторяется.

Рис. 6

Установлено, что время горения дуги короткого замыкания составля­ет примерно 0,02…0,05 с. Частота и  продолжительность короткого замыкания в значительной степени зависит от длины сварочной дуги. Чем меньше длина дуги, тем больше коротких замыканий и тем они продолжительнее.

Форма и размеры капель металла определяется силой тяжести и силами поверхностного натяжения. При сварке в нижнем положении сила тяжести способствует отрыву капли, а при потолочной сварке препятствует перено­су металла электрода в шов. На раз­меры капель большое влияние оказывают состав и толщина электродного покрытия, а также сварочный ток. Электродное покрытие, как правило, снижает поверхностное натяжение металла почти на 25…30%. Кроме того, газообразующие компоненты покрытия выделяют большое количество газов и создают в зоне дуги повышен­ное давление, которое способствует размельчению капель жидкого металла.  При повышении сварочного тока размер капель уменьшается. Перенос электродного металла крупными каплями имеет место при сварке на малых токах электродами с тонким покрытием. При больших плотностях сварочного тока и при использовании электродов с толстым покрытием перенос металла осуществляется в виде потока маленьких капель (струйный перенос металла).

Рис. 7

На скорость переноса капель металла в дуге действует газовое дутье, представляющее собой поток газов, направленный вдоль дуги в сторону сварочной ванны. При сварке электродом с толстым покрытием стер­жень 1 электрода (рис. 7) плавится быстрее и торец его оказывается несколько прикрытым «чехольчиком» 3 покрытия 2. Интенсивное газообразо­вание в небольшом объеме «чехоль­чика» приводит к явлению газового дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную ванну.

Основным фактором, влияющим на скорость переноса металла в дуге, является электромагнитное поле. Магнитное поле оказывает сжи­мающее действие и ускоряет образо­вание и сужение шейки капли, а сле­довательно, и отрыв ее от торца элек­трода. Электрическое поле, напряжен­ность которого направлена вдоль дуги в сторону сварочной ванны, также ускоряет процесс отрыва капель. При потолочной сварке перенос капель электродного металла в сварной шов обеспечивается в основном действием магнитного и электрического полей, а также явлением газового дутья в дуге.

Капли металла, проходящие черёз дугу, имеют шлаковую оболочку, кото­рая образуется от плавления веществ, входящих в покрытие электрода. Эта оболочка защищает металл капли от окисления и азотирования, обеспе­чивая хорошее качество металла шва.

Доля электродного металла в сос­таве металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварного шва. При ручной сварке доля электродного металла ко­леблется в широких пределах (30…80%), а при автоматической сварке она составляет 30…40%.

Производительность сварки в зна­чительной степени зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления α_ρ.

• Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла в граммах, расплавленной в течение од­ного часа, отнесенной к одному амперу сварочного тока.

Коэффициент расплавления зави­сит от ряда факторов. При обратной полярности коэффициент расплавления больше, чем при прямой поляр­ности, так как температура анода вы­ше, чем катода. Состав покрытия электрода и его толщина также влия­ют на коэффициент расплавления. Это объясняется, вопервых, значением эффективного потенциала ионизации газов, а во-вторых, изменением тепло­вого баланса дугового промежутка. Коэффициент расплавления при руч­ной дуговой сварке составляет 6,5… 14,5 г/(А • ч). Меньшие значения имеют электроды с тонким покрытием, а большие — электроды с толстым покрытием.

• Для оценки скорости сварки пользуются коэффициентом наплавки α_н. Этот коэффициент оценивает массу электродного металла, введенного в сварной шов.

Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления на вели­чину потерь электродного металла из-за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке достигают 25…30%, а при автоматической сварке под флю­сом составляют только 2…5% от коли­чества расплавленного электродного металла. Знание этих коэффициентов позволяет произвести расчет потреб­ного количества электродного металла для сварки шва установленного сече­ния и определить скорость сварки шва.

Количество металла (кг), необхо­димое для получения сварного шва, g_н = LF_ρ, где L — длина свариваемо­го шва, м; F — площадь поперечного сечения шва, м²; ρ — плотность элек­тродного металла, кг / м³.

Выражая это же количество ме­талла (кг) через коэффициент наплав­ки, получим g_н = 10^-3 а_нIt, где а_н — коэффициент наплавки, г/(А • ч); I — сварочный ток, A; t — время горения дуги, ч. Отсюда: время горения ду­ги (ч) t = 10^-3 g_н/(α_нI); скорость сварки (м/ч) v = L/t.

Зная g_н, можно определить необхо­димое количество электродного ме­талла:   g_э=g_н(1+Ψ), где Ψ — коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание.

Кроме того, потребное количество электродного металла (кг) можно оп­ределить, зная коэффициент расплавления α_ρ:g_э=10^-3α_ρIt.

Задавшись диаметром и длиной электрода, по g_э вычисляют потреб­ное количество электродов. Диаметр стержня электрода должен соответст­вовать значению сварочного тока, дли­на стандартизована.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА, Основные понятия

Электрическая сварочная дуга представляет собой устойчивый дли­тельный электрический разряд в газо­вой среде между твердыми или жид­кими электродами при высокой плот­ности тока, сопровождающийся выде­лением большого количества теплоты. Электрический разряд в газе есть электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ио­нов, способных перемещаться между электродами под действием приложен-
ного электрического поля (разности потенциалов между электродами).

Электрон — это частица весьма малой массы, несущая элементарный (наименьший, неделимый) электричес­кий заряд отрицательного знака. Мас­са электрона равна 9,1 • Ю~28г; эле­ментарный электрический заряд равен 1,6 • 10~19 Кл. Ионом называется атом или молекула вещества, имею­щая один или несколько элементарных зарядов. Положительные ионы имеют избыточный положительный заряд; они образуются при потере нейтраль­ным атомом или молекулой одного или нескольких электронов из своей на­ружной (валентной) оболочки (элект­роны, вращающиеся в валентной обо­лочке атома, связаны слабее, чем электроны внутренних оболочек, и по­этому легко отрываются от атома при столкновениях или под действием об­лучения). Отрицательные ионы имеют избыточный отрицательный заряд; они образуются, если атом или молекула присоединяет к своей валентной обо­лочке лишние электроны.

Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положи­тельные и отрицательные ионы, назы­вается ионизацией. Ионизация, вызван­ная в некотором объеме газовой среды, называется объемной ионизацией. Объемная ионизация, полученная бла­годаря нагреванию газа до очень высо­ких температур, называется терми­ческой ионизацией.

При высоких температурах значи­тельная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы; кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекула­ми газа. При очень высоких темпера­турах на процесс ионизации начинает влиять также и излучение газа и рас­каленных электронов. При обычных температурах ионизацию можно вы­звать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить с помощью электрического поля боль­шие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовы­ми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.

В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняет1 ся малой концентрацией свободных электронов и ионов. Поэтому, для того чтобы вызвать в воздухе или в газе мощный электрический ток, т. е. элект­рическую дугу, необходимо ионизиро­вать воздушный промежуток (или дру­гую газообразную среду) между электродами. Ионизацию можно про­извести, если приложить к электро­дам достаточно высокое напряжение; тогда имеющиеся в газе (в малом количестве) свободные электроны и ионы будут разгоняться электричес­ким полем и, получив большие энер­гии, смогут разбить нейтральные ато­мы и молекулы на ионы.

При сварке из соображений тех­ники безопасности нельзя пользовать­ся высокими напряжениями. Поэтому используют явления термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. При этом имеющиеся в металле в большом коли­честве свободные электроны, обладая достаточной кинетической энергией, переходят в газовую среду межэлект — родного пространства и способствуют ее ионизации.

При термоэлектронной эмиссии благодаря высокой температуре сво­бодные электроны «испаряются» с по­верхности металла. Чем выше тем­пература, тем большее число свобод­ных электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления потен­циального барьера в поверхностном слое и выхода из металла. При авто­электронной (холодной) эмиссии со­здается внешнее электрическое поле, которое изменяет потенциональный барьер у поверхности металла и облег­чает выход тех электронов, которые имеют достаточную энергию для пре­одоления этого барьера.

Ионизация газовой среды характеризу­ется степенью ионизации, т. е. отноше­нием числа заряженных частиц в дан­ном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации).

Рис. 6

При полной ионизации степень ионизации равна единице. На рис. 6 представлен график зависимости сте­пени ионизации от температуры нагре­ва некоторых веществ. Из графика видно, что при температуре

6000.. .8000 К такие вещества, как ка­лий, натрий, кальций, обладают доста­точно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуго­вом промежутке, обеспечивают лег­кость возбуждения и устойчивое горе­ние дуги. Это свойство щелочных ме­таллов объясняется тем, что атомы

Элементы. К Na Ва Li

Р, 4,32 5,12 5,19 5,37 5

Как видно, наименьшим потенциа­лом ионизации обладают калий, нат­рий, барий, литий, алюминий, кальций и др. Поэтому для повышения устой­чивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.

Рис. 7

Таким образом, электропровод­ность воздушного промежутка между электродами, а отсюда и устойчивое горение дуги обеспечивается эмиссией катода и объемной ионизацией газов в зоне дуги, благодаря которым в дуге

этих металлов обладают малым потен­циалом ионизации.

Потенциалом ионизации называется от­ношение работы выхода электрона из атома вещества к заряду этого элект­рона:

V = W / е,

где V — потенциал ионизации, В; W — работа, выхода электрона, Дж; е — заряд электрона, Кл.

Сложные атомы, содержащие в своем составе много электронов, име­ют несколько потенциалов ионизации. Первый потенциал ионизации соответ­ствует выходу электрона, находяще­гося в наружной оболочке атома и слабее других связанного с ним. Вы­ход следующих электронов, располо­женных ближе к ядру и сильнее связанных с ним, требует большей работы. Поэтому вторые и последую­щие потенциалы ионизации, соответ­ствующие выходам второго и последу­ющих электронов, будут больше. Пер­вые потенциалы V, ионизации некото­рых элементов:

М Са Сг Мп С Н О N,96 6,08 6,74 7,40 11,22 13,53 13,56 14,50

перемещаются мощные потоки заря­женных частиц.

Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при сопрйкоснове — нии торца электрода и кромок свариваемых деталей. Контакт в на­чальный момент возникает между мик­ровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали (рис. 7, а). Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих вы­ступов и образованию пленки жид­кого металла (рис. 7, б), которая замыкает электрическую цепь на

участке «электрод — свариваемая де­таль». При последующем отводе элект­рода от поверхности детали на 2…4 мм (рис. 7, в) пленка жидкого металла растягивается, а сечение ее уменьша­ется, вследствие чего возрастает плот­ность тока и повышается температура металла. Эти явления приводят к раз­рыву пленки и испарению вскипевшего металла. При этом интенсивные термо — и автоэлектронная эмиссии обеспечи­вают ионизацию паров металла и га­зов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной сре­де возникает электрическая сварочная дуга (рис. 7, г). Процесс возбуж­дения дуги кратковременен и осуще­ствляется сварщиком в течение долей секунды.

В установившейся сварочной дуге (рис. 7, г) различают три зоны: катодную /, анодную 3 и столба дуги

2. Катодная зона глубиной около 10-5 см, так называемое катодное пятно, расположена на торце катода (на рис. 7 электрод является катодом, а деталь—анодом). Отсюда вылетает поток свободных электронов, ионизи­рующих дуговой промежуток. Плот­ность тока на катодном пятне дости­гает 60…70 А/мм2. К катоду устрем­ляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют его и отдают свою энергию, нагревая его до тем­пературы 2500…3000°С.

Анодная зона, называемая анод­ным пятном, расположена на ‘торце анода. К анодному пятну устремляют­ся и отдают свою энергию потоки электронов, накаляя его до температу­ры 2500…4000°С. Столб дуги, распо­ложенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных и ио­низированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000…7000° С в зависимости от плотности сварочного тока.

В начальный момент для возбужде­ния дуги необходимо несколько боль­шее напряжение, чем при ее последую­щем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный за­зор недостаточно нагрет, степень иони­зации невысокая и необходимо напря­жение, способное сообщить свободным

	5	s’
ч
‘Л ‘<8	«г

Рис. 8

электронам такую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти иониза­ция. Увеличение концентрации свобод­ных электронов в объеме дуги приво­дит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение падает до значения, необходимого для устойчивого горе­ния дуги.

Зависимость напряжения дуги от тока и сварочной цепи называют статической волът-амперной характеристикой дуги.

Вольт-амперная характеристика дуги (рис. 8, а) имеет три области: падающую /, жесткую 2 и возрастаю­щую 3. В области 1 (до 100 А) с уве­личением тока напряжение значитель­но уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. В области 2 (100… 1000 А) при увеличении тока напряжение сохра­няется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются про­порционально току. Область характе­ризуется постоянством плотности тока. +| у/Щт

Рис. 9

Вольт-амперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке низко­
углеродистой стали (рис. 8, б) пред­ставлена в виде кривых а (длина дуги 2 мм) и б (длина дуги 4 мм). Кривые в (длина дуги 2 мм) и г (длина дуги 4 мм) относятся к автоматической сварке под флюсом при высоких плотностях тока.

Напряжение, необходимое для воз­буждения дуги, зависит: от рода тока (постоянный или переменный), длины дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, по­крытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обе­спечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2…4 мм, находятся в пределах 40…70 В. На­пряжение (В) для установившейся сварочной дуги может быть определе­но по формуле

Uд = о —|- Ыц

где а — коэффициент, по своей физи­ческой сущности представляющий сумму падений напряжений в катодной и анодной зонах, В Ь — коэффициент, выражающий среднее падение напря­жения на единицу длины дуги, В/мм; /д — длина дуги, мм.

Длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и поверх­ностью сварочной ванны. «Короткой» называют дугу длиной 2…4 мм. Длина «нормальной» дуги — 4…в мм. Дугу длиной более в мм называют «длинной».

Оптимальный режим сварки обе­спечивается при короткой дуге. При. длинной дуге процесс протекает нерав­номерно, дуга горит неустойчиво, ме­талл, проходя через дуговой промежу­ток, больше окисляется и азотирует­ся, увеличиваются угар и разбрызги­вание металла.

Электрическая сварочная дуга мо­жет отклоняться от своего нормально­го положения при действии магнит­ных полей, неравномерно и несим­метрично расположенных вокруг дуги и в свариваемой детали. Эти поля действуют на движущиеся заряжен­ные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явле­ние называется магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату си­лы тока и становится заметным при сварочных токах более 300 А.

На отклонение дуги влияют место подвода тока к свариваемой детали (рис. 9, а, б, в) и наклон электрода (рис. 9, г). Наличие вблизи свароч­ной дуги значительных ферромагнит­ных масс также нарушает симметрич­ность магнитного поля дуги и вызы­вает отклонение дуги в сторону этих масс.

Магнитное дутье в некоторых слу­чаях затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по сниже­нию его действия на дугу. К таким мерам относятся: сварка короткой дугой, подвод сварочного тока в точ­ке, максимально близкой к дуге, на­клон электрода в сторону действия магнитного дутья, размещение у места сварки ферромагнитных масс.

При использовании переменного тока анодное и катодное пятна ме­няются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени на­пряжение t/д и ток / периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего, как показано на рис. 10 (t/x-x — напряжение зажигания дуги). При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деиони­зация газов и уменьшение электропро­водности столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сва­рочной ванны в связи с отводом теплоты в массу основного металла. Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода возможно толь­ко при повышенном напряжении, на­зываемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания не­сколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для снижения пика зажигания, облегчения повторного зажигания дуги и повыше­ния устойчивости ее горения применя­ют меры, снижающие эффективный по­тенциал ионизации газов в дуге. При этом электропроводность дуги после ее угасания сохраняется дольше, пик за­жигания снижается, дуга легче воз­буждается и горит устойчивее.

К этим мерам относится примене­ние различных стабилизирующих эле­ментов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электрод­ных покрытий или в виде флюсов.

Важное значение имеет сдвиг фаз между напряжением и током: необхо­димо, чтобы при переходе тока через нулевое значение напряжение было достаточным для возбуждения дуги.

Электрическая сварочная дуга. DjVu

ФPAГMEHT КНИГИ (…) ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ       Явления прохождения электрического тока через газы получили название газовых разрядов. В физике известны многие виды таких разрядов, отличающихся друг от друга главным образом величиной разрядного тока, напряжением, температурой и давлением газа (плазмы) между электродами. В технике различают и используют темный, тлеющий, дуговой, искровой и коронный разряды. Строгих количественных границ между ними провести не удается, так как один вид разряда часто переходит в другой без заметного внешнего воздействия. Однако дуговой разряд существенно отличается от других сравнительно большим током — не ниже нескольких ампер, низким напряжением — порядка десятков вольт и высокой температурой газа в разрядной области.       Впервые дуговой разряд наблюдался и описан В. В. Петровым в 1802 г. Название «дуга» он получил за форму ярко светящегося шнура (столба) разряда, который в первых опытах со слаботочными разрядами изгибался вверх серповидной дужкой под действием восходящих конвективных потоков нагретого разрядом воздуха. Хотя в большинстве других случаев, например между вертикальными электродами, в ограниченном замкнутом пространстве, аналогичный разряд не имеет дугообразной формы, первоначальное название его сохранилось.       Дуговые разряды широко используются в технике. Они являются источниками света для прожекторов и кинопроекционной аппаратуры, в специальных лампах сверхвысокого давления СВД (до 100 am). Дуга используется в газотронах, тиратронах и ртутных выпрямителях для выпрямления тока и управления его силой и т. д.       В других случаях, например между контактами многочисленных размыкателей электрического тока, дуговой разряд является весьма нежелательным явлением, так как он вызывает быстрый износ и разрушение контактов. Поэтому электрические дуги интенсивно исследуют как с целью их длительного и эффективного использования, так и возможно быстрого уничтожения.       В книге рассмотрены только сварочные дуги. Они позволяют ввести в подлежащие обработке материалы удельную мощность до 10ъ втсм2 при пятне нагрева 1 — 10 мм2. Такая концентрация энергии обеспечивает эффективный местный нагрев       и расплавление металлов в месте соединения деталей между собой, а также резку и другие виды локальной тепловой обработки изделий.       1. ВИДЫ СВАРОЧНЫХ ДУГ       По наиболее важным техническим признакам различают следующие основные группы сварочных дуг: 1 2 3 4 5 6 7       Дуги прямого действия Дуги с плавящимися электродами Дуги в парах металлов Свобод- ные дуги Установившиеся дуги Открытые Дуги Дуги постоянного тока       Дуги косвенного действия Дуги с неплавящимися электродами Дуги в газах Сжатые дуги Неустановившиеся дуги Закрытые дуги Дуги переменного тока       Входящие в группы виды сварочных дуг характеризуются следующими основными особенностями.       1. В дугах прямого действия подлежащие нагреву или плавлению металлы являются электродами разряда и им передается кинетическая и потенциальная энергия заряженных частиц. Поэтому электроды весьма интенсивно нагреваются и плавятся.       Дуги косвенного действия располагаются у поверхностей подлежащих нагреву или плавлению изделий. Электродами таких дуг служат стержни из графита или вольфрама, не соединенные электрически с изделиями. Нагрев и плавление изделий происходит лишь за счет кинетической энергии сталкивающихся с ними частиц газа. Обычно такой нагрев мало эффективен, поэтому дуги косвенного действия применяются в тех случаях, когда требуется сравнительно небольшая теплопередача от дуги к изделиям.       2. В дугах с плавящимися электродами оба электрода в процессе осуществления сварочного процесса расплавляются, поставляя металл в общую ванну. Если один из электродов, будучи тугоплавким — вольфрамовым или графитовым, не поставляет металл в общую ванну, то дуга называется дугой с неплавящимся электродом. При увеличении тока дуги тугоплавкий электрод также может расплавиться, поэтому разновидности дуг этой группы определяются не только материалом электродов, но и режимом их горения.       3. Большинство плавящихся электродов дуги интенсивно испаряется. Пары, двигаясь от электродов в виде струи, почти полностью оттесняют из области разряда другие газы. Поэтому мары электродов определяют основные свойства таких дуг, что и обусловило их название. Когда же используются слабо испаряющиеся вольфрамовые, графитовые или искусственно охлаждаемые водой медные электроды, состав газа разрядной области с достаточной точностью определяется ее атмосферой. Последнюю образуют либо защитные газы — аргон, гелий, водород, С02 и др., подаваемые в зону дуги для ограждения металла от воздействия воздуха, либо воздух при отсутствии такой защиты. Однако по мере увеличения тока слабо испаряющиеся электроды могут испаряться интенсивно, а «дуга в газах» может стать «дугой в парах», поэтому и в этой группе разновидности дуг также определяются их режимом.       4. Дуга считается свободной, если ее развитие в пространстве не ограничено до пределов, определяемых естественными свойствами дуги. При наличии таких ограничений дуга называется сжатой. Дугу сжимают, помещая ее в узких каналах и щелях, ограничивая размеры электродов, обдувая дугу струями газов или жидкостей и т. д.       5. Дуга считается установившейся, если длительность ее существования при заданных условиях заметно превышает время протекания в ней переходных процессов и параметры дуги уже не меняются во времени. Изменения силы тока, состава атмосферы, расстояния между электродами, положения в пространстве и т. д. характеризуют неустановившиеся дуги. Однако при сравнительно медленном изменении перечисленных факторов, когда каждому их мгновенному значению соответствуют параметры дуги, близкие к установившимся при этих мгновенных значениях, такими изменениями можно пренебречь и дуги считать установившимися. Таким образом разделение дуг анализируемой группы на два вида требует их тщательного изучения.       6. Дуга считается открытой, если вокруг нее отсутствуют преграды, кроме самих электродов, исключающие или затрудняющие циркуляцию газа в околодуговом пространстве, или задерживающие излучение дуги. В случае полного ограждения дуги от окружающего пространства она становится закрытой. Примером такой дуги является дуга под флюсом. Ее атмосфера состоит только из паров электродов и ограждения — флюса. Циркуляция газовых потоков в такой дуге ограничена, излучение дуги в пространство не проникает. Возможны полузакрытые дуги и т. д.       7. Для дуг постоянного тока характерны неизменность направления тока и, как правило, небольшие колебания его силы, обусловливаемые процессами в дуге.       В дугах переменного тока происходят непрерывные изменения направления и силы тока в соответствии с изменениями э. д. с. источника и процессами в дуге. Такие дуги угасают каждый раз при переходе тока через нуль и возобновляются снова в начале каждого полупериода питающего их переменного тока.       Реальные сварочные дуги характеризуются одновременно несколькими перечисленными особенностями.       Для примера на рис. 1 приведены фотографии дуг с плавящимися электродами в аргоне (я) и углекислом газе (б) и типичная осциллограмма (в). На концах электродов видны капли, меняющиеся, как показывают наблюдения, в объеме и по положению       Рис. 1. Сварочные дуги с плавящимися электродами и типичная осциллограмма тока и напряжения дуги       в пространстве. Периодически они перекрывают весь разрядный промежуток, вызывая короткое замыкание электродов и устранение разряда. При этом напряжение падает почти до нуля, а ток растет по законам, определяемым свойствами электрической цепи. Частота коротких замыканий и их длительность не постоянны После замыканий снова возбуждается дуга и т. д.       Рисунок показывает, что, строго говоря, сварочная дуга с плавящимися электродами является неустановившейся дугой как по длине разрядного промежутка, так по режиму питания и положению в пространстве. В рассматриваемом случае она, возможно, несколько сжата струями защитных газов и содержит в своем составе некоторую часть паров электродов и т. д.» Естественно, что изучение таких дуг весьма затруднительно. При их описании и, тем более, изложении теории неизбежна некоторая схематизация и идеализация процессов и условий существования разряда.

Электрическая дуга–основа РДС | Сварка и сварочное оборудование

---

Рубрика: Сварка и сварочное оборудование

---

Использование любых установок для дуговой сварки металлов, от недорогого сварочного инвертора до огромных специализированных/компьютеризированных машин, основано на тепловом воздействии дугового факела на свариваемый металл. Что же такое электрическая дуга вообще и сварочная дуга в частности?

 

 

Дуга является частным случаем электрического разряда в газообразной среде, отличающаяся устойчивостью, большой мощностью и удовлетворительной управляемостью. В общем виде разряд бывает коронный, тлеющий, искровой. Их сравнение с дуговым «собратом» выявляет технологические преимущества последнего:

• Искровой разряд обладает невысокой мощностью и протекает кратковременно;
• Коронный разряд возникает при высокой неоднородности электрического поля, значительная часть его энергии расходуется на свечение;
• Тлеющий разряд стабилен во времени и пространстве, но его образование связано с низким давлением ионизируемой среды.

Для целей практической сварки из всего «ассортимента» электрических разрядов подходит только дуговой. Это касается любого оборудования для РДС, Mig/Mag/Tig установок, стационарных EWM сварочных аппаратов и мобильного переносного оборудования. Только дуга обладает приемлемой длительностью, высокой плотностью рабочего тока и сравнительно малыми потерями напряжения – что позволяет создавать установки с высоким КПД, хорошей управляемостью и широким диапазоном обрабатываемых металлов и сварочных режимов.

Зажигание сварочной дуги

Поджиг дугового факела при MMA-сварке производится двумя основными способами:

1. Выполняется замыкание цепи электродным торцом, после чего он отводится на рабочее расстояние (обычно от 3 до 6 миллиметров). При быстроте замыкания и точности отвода возникает стабильный факел. Практически все современные РДС аппараты снабжаются удобным функционалом «легкого поджига», и недорогой сварочный инвертор, и высокопрофессиональный специализированный агрегат. За счет простоты реализации, опций «Antistick» и «Hot start» данный метод является основным.
2. Электродный торец только приближается к заготовке на то же расстояние оптимальной длины факела (3…6 мм), но короткого замыкания не происходит. Вместо него в питающую цепь кратковременно включают осциллятор либо другое устройство для инициирования высокочастотного импульса переменного напряжения. Происходит пробой дугового зазора, соответственно возникает дуговой разряд. Метод сложен ввиду потребности дополнительного источника импульсов, чаще используется для работы неплавящимся электродным стержнем.

Физика процесса «дуга+металл»

При первом контакте (т.е. при коротком замыкании) электродного торца со свариваемой деталью ток в области соприкосновения достигает огромных величин. Выделяется такое количество тепла, что металл заготовки (и в определенной степени сердечник электрода) плавятся сразу, мгновенно. Между плавно отводимым электродом и свариваемой кромкой возникает перемычка из композитного расплава «металл детали + материал электродного стержня». В этот момент дуги еще нет! Стабильный дуговой разряд образуется, как только жидкая перемычка разрывается, он обусловлен высокой концентрацией паров газа, металла и обмазки в узком зазоре и значительным напряжением, приложенным к заготовкам и оборудованию.

Столб дуги горит между ванной расплава и торцом электрода, захватывая электроны из области свариваемых кромок. Энергетические затраты на эмиссию электронов, «вырываемых» из области катодного пятна, составляют значительные 30-40 % от всего расхода энергии РДС-инвертора. При этом температура самого столба значительно выше, чем его «рабочей», катодной части.

Если говорить о сварке железа и стали, то бюджетное оборудование способно нагреть металл в области катода (электродного торца) до 2.200…2.300  °С. Модели от Linkoln или EWM – сварочных аппаратов премиального класса – способны «выдавать» до 2.500  °С на катоде. Между тем сам дуговой столб имеет температуру до 7.000 – 8.000 °С! На него приходится порядка 20 % падения напряжения всего процесса.

Остальная часть рабочего напряжения приходится на анодную область – поверхность детали, свариваемые кромки, область наплавки и т.д. Для стали ее прогрев составляет 2.500~2.600 °С. Область расплава шире электродного торца, имеет вогнутый профиль, падение напряжения на нем меньше, чем в других областях дуги.

Падение напряжения на электрической сварочной дуге

В технической литературе приняты следующие обозначения этого важного рабочего параметра:

U_К – катодное падение;

U_А – анодное;

U_С – на самом столбе.

При этом сумма U_К+U_А слабо зависит от изменения настрое сварочного аппарата. Эта сумма в гораздо большей степени определяется характерными свойствами свариваемого металла, электродным материалом и спецификой газовой среды в межэлектродном зазоре. Поэтому гораздо удобнее следующая эмпирическая формула:

U_Д= К+С*L_Д , где:

К – сумма катодного и анодного падения напряжения;

С – коэффициент, характеризующие снижение потенциала на единицу длины дугового столба;

L_Д – длина дуги в стабильном рабочем режиме.

Как видно, U_Д непосредственно и однозначно определяется дуговым зазором при условии стабильной сварки с подобной длиной дуги. Отсюда следуют характерные значения данного параметра при основных режимах работы:

• При обычной MMA-сварке электродами с обмазочным слоем U_Д = 18…29 Вольт.
• При сваривании заготовок неплавящимися электродами процесс устойчив при U_Д =30…36 Вольт.
• При инициации дугового столба электродом с металлическим сердечником значения напряжения пробоя (зажигания) лежит в пределах 30…50 вольт.

Важной рабочей характеристикой РДС-сварки является характер переноса расплава от электродного торца в сварочную ванну. Различают мелкокапельный, крупнокапельный и струйный перенос металлического расплава. Каждый тип обладает рядом достоинств, с точки зрения производительности и качества швов чаще предпочтителен струйный перенос расплавленного металла.

Информация предоставлена интернет-гипермаркетом сварочного оборудования Тиберис — tiberis.ru

 

Многофункциональные сварочные инверторы для изготовления теплообменного и емкостного оборудования

 

На нашем заводе мы используем различные типы сварочных инверторов для изготовления теплообменных аппаратов и емкостей. Основное это сварка кожухов и корпусов оборудования, приварка патрубков и фланцев приварных для соединения с масло и водопроводами.

И конечно все емкостное оборудование изготавливаем используя многие виды инверторов в особенности для производства емкостных аппаратов вээ где корпус выполняется только сварным и к нему привариваются штампованные эллиптические днища.

 

Наш завод по производству теплообменников, емкостей, трубных пучков желает вам отличного настроения и покупок качественного и надежного оборудования!

 

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА, Основные понятия

Основы сварочного дела

Электрическая сварочная дуга представляет собой устойчивый дли­тельный электрический разряд в газо­вой среде между твердыми или жид­кими электродами при высокой плот­ности тока, сопровождающийся выде­лением большого количества теплоты. Электрический разряд в газе есть электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ио­нов, способных перемещаться между электродами под действием приложен-
ного электрического поля (разности потенциалов между электродами).

Электрон — это частица весьма малой массы, несущая элементарный (наименьший, неделимый) электричес­кий заряд отрицательного знака. Мас­са электрона равна 9,1 • Ю~28г; эле­ментарный электрический заряд равен 1,6 • 10~19 Кл. Ионом называется атом или молекула вещества, имею­щая один или несколько элементарных зарядов. Положительные ионы имеют избыточный положительный заряд; они образуются при потере нейтраль­ным атомом или молекулой одного или нескольких электронов из своей на­ружной (валентной) оболочки (элект­роны, вращающиеся в валентной обо­лочке атома, связаны слабее, чем электроны внутренних оболочек, и по­этому легко отрываются от атома при столкновениях или под действием об­лучения). Отрицательные ионы имеют избыточный отрицательный заряд; они образуются, если атом или молекула присоединяет к своей валентной обо­лочке лишние электроны.

Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положи­тельные и отрицательные ионы, назы­вается ионизацией. Ионизация, вызван­ная в некотором объеме газовой среды, называется объемной ионизацией. Объемная ионизация, полученная бла­годаря нагреванию газа до очень высо­ких температур, называется терми­ческой ионизацией.

При высоких температурах значи­тельная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы; кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекула­ми газа. При очень высоких темпера­турах на процесс ионизации начинает влиять также и излучение газа и рас­каленных электронов. При обычных температурах ионизацию можно вы­звать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить с помощью электрического поля боль­шие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовы­ми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.

В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняет1 ся малой концентрацией свободных электронов и ионов. Поэтому, для того чтобы вызвать в воздухе или в газе мощный электрический ток, т. е. элект­рическую дугу, необходимо ионизиро­вать воздушный промежуток (или дру­гую газообразную среду) между электродами. Ионизацию можно про­извести, если приложить к электро­дам достаточно высокое напряжение; тогда имеющиеся в газе (в малом количестве) свободные электроны и ионы будут разгоняться электричес­ким полем и, получив большие энер­гии, смогут разбить нейтральные ато­мы и молекулы на ионы.

При сварке из соображений тех­ники безопасности нельзя пользовать­ся высокими напряжениями. Поэтому используют явления термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. При этом имеющиеся в металле в большом коли­честве свободные электроны, обладая достаточной кинетической энергией, переходят в газовую среду межэлект — родного пространства и способствуют ее ионизации.

При термоэлектронной эмиссии благодаря высокой температуре сво­бодные электроны «испаряются» с по­верхности металла. Чем выше тем­пература, тем большее число свобод­ных электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления потен­циального барьера в поверхностном слое и выхода из металла. При авто­электронной (холодной) эмиссии со­здается внешнее электрическое поле, которое изменяет потенциональный барьер у поверхности металла и облег­чает выход тех электронов, которые имеют достаточную энергию для пре­одоления этого барьера.

Ионизация газовой среды характеризу­ется степенью ионизации, т. е. отноше­нием числа заряженных частиц в дан­ном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации).

Рис. 6

При полной ионизации степень ионизации равна единице. На рис. 6 представлен график зависимости сте­пени ионизации от температуры нагре­ва некоторых веществ. Из графика видно, что при температуре

6000.. .8000 К такие вещества, как ка­лий, натрий, кальций, обладают доста­точно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуго­вом промежутке, обеспечивают лег­кость возбуждения и устойчивое горе­ние дуги. Это свойство щелочных ме­таллов объясняется тем, что атомы

Элементы. К Na Ва Li

Р, 4,32 5,12 5,19 5,37 5

Как видно, наименьшим потенциа­лом ионизации обладают калий, нат­рий, барий, литий, алюминий, кальций и др. Поэтому для повышения устой­чивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.

Рис. 7

Таким образом, электропровод­ность воздушного промежутка между электродами, а отсюда и устойчивое горение дуги обеспечивается эмиссией катода и объемной ионизацией газов в зоне дуги, благодаря которым в дуге

этих металлов обладают малым потен­циалом ионизации.

Потенциалом ионизации называется от­ношение работы выхода электрона из атома вещества к заряду этого элект­рона:

V = W / е,

где V — потенциал ионизации, В; W — работа, выхода электрона, Дж; е — заряд электрона, Кл.

Сложные атомы, содержащие в своем составе много электронов, име­ют несколько потенциалов ионизации. Первый потенциал ионизации соответ­ствует выходу электрона, находяще­гося в наружной оболочке атома и слабее других связанного с ним. Вы­ход следующих электронов, располо­женных ближе к ядру и сильнее связанных с ним, требует большей работы. Поэтому вторые и последую­щие потенциалы ионизации, соответ­ствующие выходам второго и последу­ющих электронов, будут больше. Пер­вые потенциалы V, ионизации некото­рых элементов:

М Са Сг Мп С Н О N,96 6,08 6,74 7,40 11,22 13,53 13,56 14,50

перемещаются мощные потоки заря­женных частиц.

Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при сопрйкоснове — нии торца электрода и кромок свариваемых деталей. Контакт в на­чальный момент возникает между мик­ровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали (рис. 7, а). Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих вы­ступов и образованию пленки жид­кого металла (рис. 7, б), которая замыкает электрическую цепь на

участке «электрод — свариваемая де­таль». При последующем отводе элект­рода от поверхности детали на 2…4 мм (рис. 7, в) пленка жидкого металла растягивается, а сечение ее уменьша­ется, вследствие чего возрастает плот­ность тока и повышается температура металла. Эти явления приводят к раз­рыву пленки и испарению вскипевшего металла. При этом интенсивные термо — и автоэлектронная эмиссии обеспечи­вают ионизацию паров металла и га­зов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной сре­де возникает электрическая сварочная дуга (рис. 7, г). Процесс возбуж­дения дуги кратковременен и осуще­ствляется сварщиком в течение долей секунды.

В установившейся сварочной дуге (рис. 7, г) различают три зоны: катодную /, анодную 3 и столба дуги

2. Катодная зона глубиной около 10-5 см, так называемое катодное пятно, расположена на торце катода (на рис. 7 электрод является катодом, а деталь—анодом). Отсюда вылетает поток свободных электронов, ионизи­рующих дуговой промежуток. Плот­ность тока на катодном пятне дости­гает 60…70 А/мм2. К катоду устрем­ляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют его и отдают свою энергию, нагревая его до тем­пературы 2500…3000°С.

Анодная зона, называемая анод­ным пятном, расположена на ‘торце анода. К анодному пятну устремляют­ся и отдают свою энергию потоки электронов, накаляя его до температу­ры 2500…4000°С. Столб дуги, распо­ложенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных и ио­низированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000…7000° С в зависимости от плотности сварочного тока.

В начальный момент для возбужде­ния дуги необходимо несколько боль­шее напряжение, чем при ее последую­щем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный за­зор недостаточно нагрет, степень иони­зации невысокая и необходимо напря­жение, способное сообщить свободным

Рис. 8

электронам такую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти иониза­ция. Увеличение концентрации свобод­ных электронов в объеме дуги приво­дит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение падает до значения, необходимого для устойчивого горе­ния дуги.

Зависимость напряжения дуги от тока и сварочной цепи называют статической волът-амперной характеристикой дуги.

Вольт-амперная характеристика дуги (рис. 8, а) имеет три области: падающую /, жесткую 2 и возрастаю­щую 3. В области 1 (до 100 А) с уве­личением тока напряжение значитель­но уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. В области 2 (100… 1000 А) при увеличении тока напряжение сохра­няется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются про­порционально току. +| у/Щт

Рис. 9

Вольт-амперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке низко­
углеродистой стали (рис. 8, б) пред­ставлена в виде кривых а (длина дуги 2 мм) и б (длина дуги 4 мм). Кривые в (длина дуги 2 мм) и г (длина дуги 4 мм) относятся к автоматической сварке под флюсом при высоких плотностях тока.

Напряжение, необходимое для воз­буждения дуги, зависит: от рода тока (постоянный или переменный), длины дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, по­крытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обе­спечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2…4 мм, находятся в пределах 40…70 В. На­пряжение (В) для установившейся сварочной дуги может быть определе­но по формуле

Uд = о —|- Ыц

где а — коэффициент, по своей физи­ческой сущности представляющий сумму падений напряжений в катодной и анодной зонах, В Ь — коэффициент, выражающий среднее падение напря­жения на единицу длины дуги, В/мм; /д — длина дуги, мм.

Длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и поверх­ностью сварочной ванны. «Короткой» называют дугу длиной 2…4 мм. Длина «нормальной» дуги — 4…в мм. Дугу длиной более в мм называют «длинной».

Оптимальный режим сварки обе­спечивается при короткой дуге. При. длинной дуге процесс протекает нерав­номерно, дуга горит неустойчиво, ме­талл, проходя через дуговой промежу­ток, больше окисляется и азотирует­ся, увеличиваются угар и разбрызги­вание металла.

Электрическая сварочная дуга мо­жет отклоняться от своего нормально­го положения при действии магнит­ных полей, неравномерно и несим­метрично расположенных вокруг дуги и в свариваемой детали. Эти поля действуют на движущиеся заряжен­ные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явле­ние называется магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату си­лы тока и становится заметным при сварочных токах более 300 А.

На отклонение дуги влияют место подвода тока к свариваемой детали (рис. 9, а, б, в) и наклон электрода (рис. 9, г). Наличие вблизи свароч­ной дуги значительных ферромагнит­ных масс также нарушает симметрич­ность магнитного поля дуги и вызы­вает отклонение дуги в сторону этих масс.

Магнитное дутье в некоторых слу­чаях затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по сниже­нию его действия на дугу. К таким мерам относятся: сварка короткой дугой, подвод сварочного тока в точ­ке, максимально близкой к дуге, на­клон электрода в сторону действия магнитного дутья, размещение у места сварки ферромагнитных масс.

При использовании переменного тока анодное и катодное пятна ме­няются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени на­пряжение t/д и ток / периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего, как показано на рис. 10 (t/x-x — напряжение зажигания дуги). При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деиони­зация газов и уменьшение электропро­водности столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сва­рочной ванны в связи с отводом теплоты в массу основного металла. Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода возможно толь­ко при повышенном напряжении, на­зываемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания не­сколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для снижения пика зажигания, облегчения повторного зажигания дуги и повыше­ния устойчивости ее горения применя­ют меры, снижающие эффективный по­тенциал ионизации газов в дуге. При этом электропроводность дуги после ее угасания сохраняется дольше, пик за­жигания снижается, дуга легче воз­буждается и горит устойчивее.

К этим мерам относится примене­ние различных стабилизирующих эле­ментов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электрод­ных покрытий или в виде флюсов.

Важное значение имеет сдвиг фаз между напряжением и током: необхо­димо, чтобы при переходе тока через нулевое значение напряжение было достаточным для возбуждения дуги.

Читайте о том как выбрать сварочный аппарат для дома или дачи. Чем такие устройства отличаются от полу- и профессиональных. Что необходимо знать перед покупкой.

В последнее время с появлением китайской техники на мировом рынке, сварочный аппарат стал наиболее популярным инструментом у владельцев частных домов, коттеджей, дач и гаражей. Учитывая соотношение цен на приобретение сварки …

Выполнение сварочных работ на строительно-монтажной площадке требует особо четкого выполнения всех правил безопасности производ­ства работ. Сварочные работы на высоте с лесов, подмостей и люлек разрешается производить только по­сле проверки этих …

Особенности сварочной дуги под водой, зажигание и поддержание дуги

Источником тепла при сварке под водой является электрический дуговой разряд, обычно называемый электрической дугой. Дуга горит между непрерывно оплавляющимся электродом и свариваемым изделием.

Дуга под водой обладает особенностями, существенно отличающими ее от дуги, горящей на воздухе, и влияющими па характеристики процесса сварки.

Если на воздухе температура сварочной дуги, горящей между двумя железными электродами, колеблется в пределах 5000—6000 °К, то под водой температура сварочной дуги в пределах глубин, не превышающих 10 м, составляет ориентировочно 7000—9000 °К.

Под водой дуга заключена в замкнутый парогазовый пузырь, поддерживаемый за счет испарения и разложения воды, продуктов сгорания металла изделия, электрода и его минерального покрытия.

При горении дуги в парогазовом пузыре создается противодавление. Дуга как бы сама создает условия для своего существования. Парогазовый пузырь, по данным исследований, состоит из водорода, углекислого газа, окиси углерода и в незначительном количестве углеводородов и кислорода. Как показали исследования, с увеличением давления содержание водорода в пузыре растет и доходит на глубине 100 м при сварке покрытыми электродами до 77,5%.

Повышенное давление газов в парогазовом пузыре, а также наличие значительного количества водорода обладающего высокой теплопроводностью, оказывает охлаждающее действие на дугу. Стенки пузыря подвижны, так как часть газов периодически покидает пузырь вырываясь на поверхность.

Возбуждение сварочной дуги под водой осуществляется так же, как и на поверхности, путем соприкосновения электрода с изделием.

Схема горения дуги под водой представлена на рис. 1. Под воздействием тепла дуги металл изделия расплавляется, образуя сварочную ванну. Размер ее зависит от диаметра электрода и силы сварочного тока. В центре ванны создается углубление, называемое кратером. Между дном кратера и электродом располагается столб дуги. Глубина, на которую расплавляется металл изделия под воздействием тепла дуги, называется глубиной провара.

Рис. 1. Схема горения сварочной дуги под водой

По глубине провара судят о качестве сварки. Принято считать, что, чем больше глубина провара, тем выше качество сварки. Поэтому рекомендуется сварку вести короткой дугой, чтобы получить большую глубину провара. Дуга длиной, равной диаметру электрода, называется короткой. Обычно длина дуги не превышает 3—5 мм.

В процессе сварки оплавляющийся металл электрода перемешивается с расплавленным металлом изделия и образует сварной шов, поверх которого откладывается шлак. При сгорании стержня электрода плавится покрытие (обмазка), образуя козырек, а продукты сгорания образуют облачка мути и пузырьки газа. Горение дуги сопровождается разбрызгиванием жидкого металла, обычно связанным с переходом капель в сварочную ванну.

В зависимости от состава покрытия электрода (обмазки) при ручной сварке и состава электродного стержня перенос металла с электрода в шов приобретает различные формы. Наилучшей формой, обеспечивающей высокие механические свойства, является мелкокапельный перенос, которым и характеризуется подводная аварка вручную. Схема переноса металла при электродуговой сварке представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема переноса металла в дуге:
а — горение дуги; б — образование капли; в — переход капли в ванну; г — первоначальное положение

В первый момент горения дуги происходит расплавление торца электрода и металла изделия. Затем под воздействием тепла дуги на торце электрода образуется капля. Под действием силы тяжести за счет ослабления сил поверхностного натяжения, а также под действием электродинамических сил, направленных вдоль оси столба дуги, капля отрывается от электрода и переходит на изделие. Затем дуга возбуждается вновь и цикл повторяется.

Сварка под водой осуществляется на постоянном токе на прямой (минус на электроде) или обратной полярности (минус на изделии) в зависимости от марки электродов и вида выполняемой работы. Возможна сварка под водой и на переменном токе, но применение его нежелательно, так как на постоянном токе ведение процесса сварки и резки легче и горение дуги более устойчивое.

Сварочная дуга является проводником электрического тока, она так же, как всякий электрический провод-пик, окружена магнитным полем. Магнитное поле дуги

При сварке крупных изделий, например суДов, коТлОв и т. д., приходит во взаимодействие с массой изделия и вызывает отклонение его от оси электрода. Дуга начинает гореть неустойчиво (блуждать), и сварка становится невозможной. Это явление носит название магнитного дутья дуги.

Рис. 3. Схема присоединения обратного провода к изделию с двух сторон:
1 — электрод; 2 — прямой провод; 3 — генератор; 4 — обратный провод; 5 — разветвление обратного провода; 6 — свариваемый металл

Блуждание дуги зависит от концентричности и толщины покрытия электродов, от распределения тока и других причин. Магнитное дутье проявляется сильнее при сварке на постоянном токе.

Один из способов борьбы с магнитным дутьем — изменение наклона электрода или изменение направления сварки, например от кромки к середине листа. Хорошие результаты дает перенесение места присоединения обратного кабеля к изделию поближе к месту сварки. Также хорошие результаты дают разветвление обратного провода и присоединение его К изделию с двух сторон.

Заметно уменьшают магнитное дутье тщательная подгонка свариваемых листов и уменьшение зазоров. Схема поста при сварке под водой приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема поста для сварки под водой:
1 — реостат; 2 — сварочный генератор типа СГП-3-VI; 3 — электродо-держатель; 4 — электрод; 5 — изделие

Электрическая сварочная дуга — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Электрическая сварочная дуга

Cтраница 1

Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд в газовой среде. Газ при низкой температуре не проводит электрический ток. Газ может проводить ток только при наличии в нем электрически заряженных частиц — ионов, и в этом случае его называют ионизированным. При дуговом разряде выделяется значительное количество тепла, происходит ионизация газа.  [2]

Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный эдактрй ескии даз щд в лжльно ионизированной среде, состоящей из положительных и отрицательных ионов и свободных электронов. Дуговой разряд характеризуется выделением большого количества теплоты и света. Температура сварочной дуги достигает QQQ C. Дуга состоит из трех областей — катодной, анодной и столба дуги.  [4]

Электрическая сварочная дуга представляет собой процесс протекания электрического тока через газовый промежуток между двумя электропроводными телами и относится к устойчивому электрическому разряду в сильно ионизированной смеси газов и паров свариваемых металлов.  [6]

Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд, протекающий в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется выделением большого количества тепла и света.  [7]

Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд, протекающий в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется двумя основными особенностями: выделением значительного количества тепла и сильным световым эффектом.  [8]

Электрическая сварочная дуга является разновидностью мощного дугового разряда в сильно ионизированной среде газов и паров различных материалов. Общие свойства различных видов сварочных дуг характеризуют следующие параметры: напряжение Us, ток / д и длина / д дуги. Дуга — нелинейный элемент электрической цепи, у которого отсутствует пропорциональная зависимость между током и напряжением.  [10]

Электрическая сварочная дуга является разновидностью мощного дугового разряда в сильно ионизированной среде газов и паров различных материалов. Дуга — нелинейный элемент электрической цепи, у которого отсутствует пропорциональная зависимость между током и напряжением.  [12]

Электрическая сварочная дуга является разновидностью мощного дугового разряда в сильно ионизированной среде газов и паров различных материалов. Общие свойства различных видов сварочных дуг характеризуют следующие параметры: напряжение [ / Д) ток / д и длина / д дуги. Дуга — нелинейный элемент электрической цепи, у которого отсутствует пропорциональная зависимость между током и напряжением.  [14]

Страницы:      1    2    3    4    5

Основы дуговой сварки

Дуговая сварка — это один из нескольких способов соединения металлов плавлением. Под воздействием сильного тепла металл на стыке между двумя частями расплавляется и смешивается — непосредственно или чаще с промежуточным расплавленным присадочным металлом. После охлаждения и затвердевания образуется металлургическая связь. Поскольку соединение представляет собой смесь металлов, окончательная сварка потенциально имеет те же прочностные свойства, что и металл деталей. Это резко контрастирует с процессами соединения без слияния (т.е. пайка, пайка и т. д.), в которых механические и физические свойства основных материалов не могут быть воспроизведены в месте соединения.

Рис.1 Базовая схема дуговой сварки

При дуговой сварке сильное тепло, необходимое для плавления металла, вырабатывается электрической дугой. Дуга образуется между реальной работой и электродом (стержнем или проволокой), который вручную или механически направляют вдоль соединения.Электродом может быть стержень, который просто пропускает ток между наконечником и изделием. Или это может быть специально подготовленный пруток или проволока, которая не только проводит ток, но также плавит и подает присадочный металл к стыку. В большинстве сварочных работ при производстве стальных изделий используется электрод второго типа.

Базовая сварочная цепь
Базовая схема дуговой сварки показана на рис. 1. Источник переменного или постоянного тока, оснащенный любыми элементами управления, которые могут потребоваться, подключается рабочим кабелем к заготовке и «горячим» «кабель к электрододержателю какого-либо типа, который обеспечивает электрический контакт со сварочным электродом.

Дуга возникает в зазоре, когда цепь под напряжением и наконечник электрода касаются заготовки и извлекаются, но все еще находятся в тесном контакте.

Дуга создает температуру около 6500 ° F на конце. Это тепло плавит и основной металл, и электрод, образуя лужу расплавленного металла, которую иногда называют «кратером». Кратер затвердевает за электродом по мере его перемещения по стыку. В результате получается сплавление.

Дуговое экранирование
Однако для соединения металлов требуется нечто большее, чем просто перемещение электрода по стыку.Металлы при высоких температурах склонны химически реагировать с элементами воздуха — кислородом и азотом. Когда металл в ванне расплава вступает в контакт с воздухом, образуются оксиды и нитриды, которые снижают прочность и ударную вязкость сварного соединения. Поэтому многие процессы дуговой сварки обеспечивают некоторые средства для покрытия дуги и ванны расплава защитным экраном из газа, пара или шлака. Это называется дуговой защитой. Эта защита предотвращает или сводит к минимуму контакт расплавленного металла с воздухом. Экранирование также может улучшить сварной шов.Примером может служить гранулированный флюс, который фактически добавляет в сварной шов раскислители.

Рис. 2 Это показывает, как покрытие на покрытом (стержневом) электроде обеспечивает газовый экран вокруг дуги и шлаковое покрытие на горячем сварном шве.

На рис. 2 показано экранирование сварочной дуги и сварочной ванны стержневым электродом. Экструдированное покрытие стержня присадочного металла обеспечивает защитный газ в точке контакта, а шлак защищает свежий сварной шов от воздуха.

Сама по себе дуга — очень сложное явление. Глубокое понимание физики дуги не имеет большого значения для сварщика, но некоторые знания ее общих характеристик могут быть полезны.

Природа дуги
Дуга — это электрический ток, протекающий между двумя электродами через ионизированный столб газа. Отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод создают интенсивный нагрев сварочной дуги. Отрицательные и положительные ионы отскакивают друг от друга в плазменном столбе с ускоренной скоростью.

При сварке дуга не только обеспечивает тепло, необходимое для плавления электрода и основного металла, но при определенных условиях также должна обеспечивать средства для транспортировки расплавленного металла от кончика электрода к изделию. Существует несколько механизмов переноса металла. Два (из многих) примеров включают:

1. Surface Tension Transfer® — капля расплавленного металла касается ванны расплавленного металла и втягивается в нее за счет поверхностного натяжения
2. Spray Arc — капля выбрасывается из расплавленного металла на кончике электрода с помощью электрического пинцета, толкающего ее в ванну расплава (отлично подходит для сварки над головой)

Если электрод расходный, наконечник плавится под действием тепла дуги а расплавленные капли отделяются и транспортируются к работе через столб дуги.Любая система дуговой сварки, в которой электрод расплавляется, чтобы стать частью сварного шва, описывается как металлическая дуга. При сварке углеродом или вольфрамом (TIG) капли расплава не попадают в зазор и не попадают на изделие. Присадочный металл вплавляется в стык из отдельного прутка или проволоки.

Большая часть тепла, выделяемого дугой, передается сварочной ванне с плавящимися электродами. Это обеспечивает более высокую термическую эффективность и более узкие зоны термического влияния.

Поскольку должен быть ионизированный путь для проведения электричества через зазор, простое включение сварочного тока с электрически холодным электродом, расположенным над ним, не вызовет зажигания дуги.Дуга должна быть зажжена. Это вызвано либо подачей начального напряжения, достаточно высокого, чтобы вызвать разряд, либо прикосновением электрода к изделию, а затем его извлечением по мере того, как область контакта нагревается.

Дуговая сварка может выполняться постоянным током (DC) с электродом либо положительным, либо отрицательным, либо переменным током (AC). Выбор тока и полярности зависит от процесса, типа электрода, атмосферы дуги и свариваемого металла.

Дуговая сварка: 5 процессов, которые необходимо знать

Дуговая сварка — это процесс плавления двух металлов вместе.Он использует электричество для создания интенсивного тепла, которое плавит два металла вместе в ванне расплава, фактически делая их одним материалом. Это называется сваркой плавлением, и именно поэтому сварные конструкции являются такими прочными.

Дуговая сварка использует электричество для создания цепи между двумя металлами: основным металлом и электродом, прикрепленным к сварочному пистолету. Когда цепь разрывается путем снятия электрода с основного металла, возникает электрическая дуга, которая очень горячая — может быть достигнута температура 11000 по Фаренгейту!

Эта расплавленная металлическая ванна создает сварной шов, но на нее могут влиять газы и другие загрязнители в воздухе.Сварочный щиток из инертного газа используется для защиты сварного шва во время его выполнения. В зависимости от типа процесса дуговой сварки, который вы используете, этот газ будет подаваться извне (через сварочный аппарат) или через электрод (через флюсовое покрытие).

Существует несколько способов выполнения дуговой сварки, и наиболее распространенные из них:

• Сварка металла в инертном газе (MIG)
• Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG)
• Дуговая сварка порошковой проволокой (FCAW)
• Сварочный экран для дуговой сварки металлическим экраном (SMAW)
• Плазменная сварка

Основы дуговой сварки

В дуговой сварке есть несколько вещей, которые не меняются независимо от используемого вами процесса:

• Свариваемые материалы должны иметь одинаковую температуру плавления, в противном случае один будет плавиться раньше другого, что приведет к повреждению сварного шва.
• Электропитание обычно может подаваться переменным (AC) или постоянным (DC) током. Тип источника питания может повлиять на настройки сварного шва, поэтому всегда проверяйте их перед началом.
• Чем больше мощность, тем выше температура дуги. Производители обычно предоставляют стандартные настройки для оборудования, но напряжение следует изменять в соответствии с выполняемой работой.
• Выбор электрода может сильно повлиять на результат сварки.
• Перед началом работы всегда очищайте основной металл металлической щеткой или шлифовальной машиной, даже если вы используете процесс сварки, совместимый с загрязненными основными металлами.
• Безопасность важна! Вы имеете дело с очень мощным электричеством и чрезвычайно высокими температурами. Защити себя. Надевайте защитное снаряжение и держите поблизости подходящий огнетушитель.

Ниже представлена ​​основная схема работы дуговой сварки.

Изображение предоставлено: https://www.cromweld.com/welding-guide

Терминология дуговой сварки

Если вы новичок в сварке, вам необходимо знать несколько технических терминов.

Электрод — материал, который передает дугу на основной металл и контролирует сварку

Дуга — электрическая дуга между основным металлом и электродом, которая создает тепло, необходимое для сварки

Газовая защита — защита от инертного газа, окружающего сварной шов, обычно двуокиси углерода, аргона, гелия или их комбинации

Сварочная ванна — ванна расплавленного металла, образованная из основного металла и электрода, и присадочного материала, если он используется

Основной металл — металл, обрабатываемый по

Сварка МИГ

• Универсальный
• Легко учиться
• Полуавтоматический процесс
• Не подходит для использования на открытом воздухе
• Может использоваться с металлами различной толщины

Сварка MIG, возможно, является наиболее распространенным и самым простым в освоении видом сварки.MIG означает металлический инертный газ, хотя иногда его называют дуговой сваркой металла в газе (GMAW). Сварка MIG — это полуавтоматический процесс, который лучше всего подходит для использования внутри помещений, где есть укрытие от ветра.

Сварочный процесс MIG

Сварочная горелка MIG использует сплошной проволочный электрод с непрерывной подачей для создания электрической дуги, соединяющей два металла вместе. Электрический ток подается на электрод, который при сварке MIG также действует как присадочный материал для улучшения сварного шва.Электрод управляет дугой, которая производит тепло для плавления электрода, присадочного материала и основного металла. Защитный газ подается извне через сварочный аппарат для защиты процесса.

Сварка

MIG подходит для различных металлов различной толщины, включая сталь, алюминий, никель и различные сплавы. Защитный газ также можно изменить в зависимости от используемых металлов. Обычно защитный газ MIG представляет собой смесь CO2, кислорода и углерода. Напряжение также можно предварительно настроить с помощью сварочного аппарата MIG в соответствии с областью применения.

Для чего используется сварка MIG?

Сварка

MIG — это универсальный процесс, который можно использовать в самых разных областях. Это наиболее часто используемые проекты, такие как ремонт автомобилей, металлоконструкций и производство различных объектов, таких как мебель, компьютерные компоненты и оборудование для сельского хозяйства или горнодобывающей промышленности.

Сварка TIG

• Использует заостренный электрод для точности
• Обеспечивает высококачественные и привлекательные сварные швы
• Медленный процесс
• Требуется минимальная очистка
• Присадочный материал опционально
• Лучшее исполнение в помещении
• Выучить сложнее
• Подходит для сварки круглых предметов

Сварка TIG, также известная как дуговая сварка вольфрамовым электродом (GTAW).В нем используется нерасходуемый заостренный вольфрамовый электрод, что обеспечивает превосходную точность. Сварка TIG позволяет получить высококачественные сварные швы, если она сделана правильно, но овладеть этим навыком довольно сложно. Сварку TIG непросто освоить, но результат того стоит!

Процесс сварки TIG

Сварочная горелка TIG оснащена заостренным вольфрамовым электродом, соединителем и защитным газом. Дуга возникает, когда электрод прикладывают к основному металлу, а затем снимают.Это небольшая интенсивная дуга, которая идеально подходит для высококачественной прецизионной сварки.

Сварка

TIG — это один из немногих процессов, для которого не требуется присадочный металл, но при необходимости его можно использовать. Отсутствие наполнителя делает сварку TIG чистой, практически не требуя очистки после завершения сварки. Если вы все же используете наполнитель, вам придется подавать его вручную.

Доступны различные вольфрамовые электроды для различных типов сварных швов. Электроды из чистого вольфрама являются наиболее распространенными и применимы для металлов, таких как алюминий.Защитный газ также следует менять в зависимости от используемых металлов — наиболее распространенным является аргон. Как и при сварке MIG, при сварке TIG подача газа из внешнего источника означает, что ее лучше всего проводить в помещении, вдали от ветра и сквозняков.

Где используется сварка TIG?

Сварка TIG с высокой точностью и минимальным беспорядком идеально подходит для тонких листовых металлов и проектов, которые будут представлены на выставке. Он обычно используется в художественной скульптуре из металла.

Сварка палкой

• Электрод фиксированной длины
• Может использоваться на грязных, окрашенных и ржавых поверхностях
• Сложно освоить
• Требуется некоторая очистка

Ручная сварка — наиболее широко используемый вид дуговой сварки.Он также известен как дуговая сварка металлическим экраном (SMAW) и подходит как для внутренних, так и для наружных сред. Сварку палкой можно использовать с большинством распространенных металлов и сплавов, включая сталь, алюминий и железо. Его также можно использовать на грязных и ржавых поверхностях, что делает его невероятно популярным при ремонте и техническом обслуживании.

А вот

Сварка палкой — непростая задача. Это высококвалифицированный процесс — умение зажигать дугу может быть трудным, а процесс обучения обычно долгий, но оно того стоит!

Процесс сварки штангой

«Палочка» для сварки штангой представляет собой электрод фиксированной длины, покрытый флюсом из порошковых металлов.При нагревании с помощью электричества флюс создает защитный газ, а плавящийся электрод создает присадочный материал для создания сварного шва с основным металлом. Таким образом, нет необходимости во внешнем источнике газа, поэтому сварка штучной сваркой обычно является предпочтительным методом для удаленных и сложных условий.

Сварка палкой может быть немного грязной и привести к разбрызгиванию, поэтому обычно после нее нужно что-то очистить. Конечный результат зависит от квалификации сварщика, но следует сказать, что сварка штучной сваркой обычно не дает самых привлекательных сварных швов.

Характеристики сварного шва можно изменить, выбрав другое покрытие из флюса и изменив угол сварного шва.

Где применяется сварка штучной сваркой?

Оборудование для ручной сварки легко транспортируется, поэтому его можно использовать практически в любом месте. Поскольку нет необходимости во внешней подаче газа, сварка штучной сваркой идеально подходит для наружных и труднодоступных мест. Вы даже можете сваривать сварку на ветру и под дождем.

Дуговая сварка порошковой проволокой (FCAW)

• Высокая производительность
• Внешняя подача газа не требуется
• Легко транспортировать
• Не рекомендуется для тонких металлов
• Подходит для грязных недрагоценных металлов
• Требуется некоторая очистка

Процесс сварки порошковой сердцевиной похож на комбинацию сварки MIG и сварки штангой.Он быстр, как MIG, и не требует защитного газа, как сварка штучной сваркой.

Процесс дуговой сварки порошковой проволокой

Как следует из названия, с FCAW электрод имеет флюсовую сердцевину, состоящую из различных соединений и порошковых металлов. Электричество передается через электрод к основному металлу, образуя дугу. При нагревании дугой флюс создает газовый экран вокруг расплавленного электрода, присадочного металла и основного металла в сварочной ванне. Сварной шов будет покрыт остаточным шлаком, который также обеспечивает защиту, и при необходимости его можно легко удалить.

Сварка порошковой проволокой

обычно выполняется методом торможения, когда сварочный пистолет направлен назад в сварочную ванну и отводится от завершенного шва.

Где применяется сварка порошковой проволокой?

Дуговая сварка сердечником под флюсом обычно используется для тяжелых промышленных процессов изготовления и производственных процессов. Как правило, не рекомендуется для новичков и людей с небольшим опытом, поскольку эту технику сложно освоить.

Поскольку нет необходимости в защитном газе, порошковая сварка может использоваться на открытом воздухе.

Плазменная сварка

• Подходит для обработки очень тонких и толстых недрагоценных металлов
• Использует неплавящийся остроконечный вольфрамовый электрод
• Высокая производительность
• Точность и точность
• Обеспечивает высококачественные и привлекательные сварные швы
• Сложно освоить

Плазменно-дуговая сварка (PAW) похожа на сварку TIG тем, что в ней используется заостренный вольфрамовый электрод и не требуется присадочный материал. В отличие от сварки TIG, электрод располагается внутри горелки.Это позволяет отделить плазму от защитного газа, который окружает дугу и сварной шов.

Плазменная дуга невероятно мощная, вырывается из электрода почти со скоростью звука! Плазменная сварочная дуга может достигать температуры выше 55 000 по Фаренгейту — это более чем в 5 раз выше температуры обычной сварочной дуги!

Сварочная горелка PAW использует сжатый газ для создания плазмы, которая создает невероятно точные и прочные сварные швы, которые также отлично выглядят. Плазменная дуговая сварка также обеспечивает высокую производительность.

Процесс плазменно-дуговой сварки

Внутри сопла для плазменной сварки давление газа создается для создания плазмы. Затем эта плазма ионизируется, поэтому она может проводить электричество, которое создает дугу от неплавящегося вольфрамового электрода, который направлен для повышения точности. Возникающая дуга небольшая и невероятно мощная. Мощность дуги можно регулировать, изменяя напряжение на станке. Защитный газ — обычно аргон или водород — окружает сварной шов.

Где применяется плазменная сварка?

Плазменно-дуговая сварка может использоваться в различных областях, но чаще всего используется в электронике. В аэрокосмической, морской и медицинской отраслях также используется PAW из-за высокой точности.

Начало работы Сварка

Только приступаете к сварке? YesWelder позаботится о вас. Ознакомьтесь с нашим руководством по началу работы со сваркой, в котором более подробно описан процесс сварки и оборудование, необходимое для успешной и безопасной сварки.Вы также можете узнать больше о карьерных возможностях, которые предлагает сварка — вы можете работать где угодно, от моря до Международной космической станции.

Если вам нужно именно то оборудование, мы предлагаем фантастический ассортимент сварочных аппаратов по недорогим ценам, так что если вы хотите попробовать свои силы в сварке, это не будет стоить вам целого состояния. Вы также можете запастись сварочным оборудованием, таким как пистолеты, фонари, каски и аксессуары.

В YesWelder мы создаем оборудование на основе отзывов наших клиентов.А если вы хотите выделиться, ознакомьтесь с нашим потрясающим ассортиментом привлекательных сварочных шлемов.

Вы когда-нибудь задумывались, какова температура сварочной дуги?

Дуговая сварка

Дуговая сварка считается наиболее экономичным методом соединения двух металлических деталей. Этот метод использует электричество для получения сильного тепла, которое помогает расплавить две части металла в одну цельную деталь. Сварочные аппараты используют трансформатор или инверторный источник питания для создания электрической дуги между «электродом» или присадочным материалом и основным материалом, чтобы создать достаточно тепла для плавления металлов прямо в точке контакта, что делает его эффективным и точным.

Температура сварочной дуги обычно находится в диапазоне 6000-8000 градусов по Цельсию, который в пересчете на градусы Фаренгейта будет примерно между 10000-15000 градусов, но точная температура зависит от множества факторов, таких как тип тока, тип защитного газа, сила тока и т. Д. . Я не физик, поэтому я не могу объяснить это более подробно, однако мы можем изучить некоторые факторы более глубоко.

Сварщики используют постоянный — постоянный или переменный — переменный ток, а также неплавящиеся или расходуемые электроды в зависимости от метода.И важно знать, что зона сварки всегда защищена защитным газом или облаком флюса, создаваемым некоторыми присадочными металлами.

Источники питания

Для дуговой сварки можно использовать несколько источников питания , но наиболее часто используется источники питания постоянного тока (из розетки в нашей стене) рядом с с источником постоянного напряжения (от станка) либо постоянным — постоянным, либо переменным — переменным током Текущий. Напряжение также напрямую связано с длиной дуги, в то время как ток к количеству теплового вклада.

При дуговой сварке источники постоянного тока обычно используются для ручных методов сварки, таких как дуговая сварка металлическим электродом и дуговая сварка газом вольфрамовым электродом , поскольку они поддерживают постоянный ток, несмотря на небольшие колебания напряжения. Эта особенность имеет решающее значение, потому что может быть довольно сложно удерживать электрод стабильно при сварке штангой, поэтому длина дуги и напряжение будут часто колебаться . С другой стороны, источники постоянного напряжения постоянно поддерживают напряжение при колебаниях тока, и по этой причине они применяются в автоматизированных процессах дуговой сварки в промышленных масштабах, таких как FCAW, сварка под флюсом и GMAW.В этих сварочных процессах длина дуги остается постоянной, потому что любое изменение длины между основным материалом и проволокой немедленно корректируется огромным изменением тока. Это означает, что если расстояние между основным материалом и проводом слишком мало, ток будет быстро увеличиваться, что увеличивает тепло, возвращая его к исходному разделительному расстоянию.

По крайней мере, это теория.

При дуговой сварке направление используемого тока также имеет значение и в зависимости от материала влияет на температуру сварочной дуги, проплавление и качество сварного шва.В процессах с плавящимися электродами, включая газовую дугу и дуговую сварку в среде защитного металла, используется постоянный ток, в то время как электроды могут заряжаться как отрицательно, так и положительно.

Типы методов защиты, влияющих на температуру дуги

Насколько я понимаю, тримикс (гелий, аргон, СО2) или аргон / СО2 или даже чистый СО2 не имеют большого значения, если вы свариваете довольно тонкие материалы дома. Да, с чистым CO2 вы можете получить лучшее проникновение, то есть дуга будет более горячей, но большая разница проявляется, когда вы используете самозащитные присадочные металлы с противоположной полярностью.

Температура разбрызгивания при сварке

Сварочные искры образуются, когда электрод приводится в контакт с заготовкой, а затем удаляется, позволяя воздуху ионизироваться между двумя металлами, а электроны переходить через зазор. В результате генерируется тепло и яркий свет. Температура сварочных брызг может составлять от 550 до 1200 градусов Цельсия.

Интересное чтиво о сварочных брызгах: сварочные брызги — 11 вещей, которые вы должны знать об этом

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что температура сварочной дуги составляет 10000-15000 градусов, и, поскольку я не физик, я не знать точную температуру и точное воздействие различных защитных газов, длины дуги и силы тока.Это практически невозможно определить, если я не проверил это сам, но я думаю, что диапазона от 10 000 до 15 000 достаточно, чтобы знать, что это чертовски жарко.