при каких условиях сварочная дуга горит устойчиво

Что называют сварочной дугой и какие её характеристики?

Современная промышленная сфера подразумевает под собой сварочные процессы, которые используются в разных направлениях.

Для того чтобы провести эту работу качественно, надежно, быстро и без затрат особых усилий, необходимо разобраться в понятии сварочная дуга – что это такое, каковы её особенности и другие моменты, пригодившиеся в работе.

Что собой представляет сварочная дуга?

Характеризуется рассматриваемый элемент для сварки повышенной температурой, плотностью тока, за счет чего механизм может расплавить любой металл с температурой плавления больше, чем 3000 градусов.

Кроме этого данная деталь в сварочном инструменте выступает газовым проводником, c помощью которого преобразовывается тепловая энергия из электрической. Электрический заряд, в свою очередь, – это прохождение тока под напряжением сквозь газы.

Можно выделить несколько основных типов электрического заряда, при помощи которого происходит процесс горения:

Природа и строение

По своим особенностям, характеристика сварочной дуги и её природа достаточно легкие в понимании. Максимальная температура в электрическом рассматриваемом элементе для сварки может быть до 10 тысяч градусов.

Это получается за счет прохождения электрического тока через катоды, куда он попадает в ионизированный газ, а затем, после разряда с яркой вспышкой, дает возможность разогреться до необходимой температуры.

После ток попадает на металл, который подвергается сварке и дальнейшей обработке.

Поскольку температура достаточно большая, то данный элемент для сварки излучает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, которые является опасными для организма человека. От этого может нарушиться зрение, либо возникнуть сильный ожог на кожном покрове.

Чтобы защитить себя от негативных последствий необходимо изучить ее свойства, характеристики, а также обеспечить себя или мастера надежной защитой.

Ещё одним немаловажным аспектом является строение сварочной дуги. Вопрос о том, из скольких частей состоит сварочный элемент, достаточно интересный и познавательный. В первую очередь стоит отметить, что она обладает тремя главными зонами: анодной, катодной и столбом.

Когда горит механизм на катоде или аноде, появляются небольшого размера пятна – места, где температура имеет максимальное значение. Сквозь эти области и протекает электрический ток, а анодное и катодное места на поверхности подразумевают под собой пониженное действие напряжения.

Столб зачастую находится посреди этих локаций, и напряжение может незначительно спадать в нем. За счет этого сварочный элемент имеет длину, которая включает в себя все перечисленные области.

Самым оптимальным размером длины детали является 5 миллиметров, благодаря чему температура горения становиться постоянной, благоприятной и стабильной.

Разновидности

Существует несколько классификаций рассматриваемого элемента, которые имеют различные схемы подвода тока и среды, где он появляется.

Помимо этого, можно поделить по принципу атмосферы, где появляется сварочная дуга:

Помимо перечисленных классификаций можно также выделить виды по длительности действия:

Также можно выделить разновидности в зависимости от материала, применяемого электрода – уголь, вольфрам, плавящийся либо неплавящийся электрод соответственно.

Одним из самых востребованных деталей является стальной, т.е. плавящийся электрод. Однако на сегодняшний день большинство профессионалов отдают предпочтение неплавящемуся, из чего можно сделать вывод, что типы рассматриваемых элементов достаточно различны между собой.

Условия горения

Со стандартными условиями температура в столбе сварочной дуги достигает 7000 градусов, в максимальном своем значении. Используя катод, необходимо добиться постоянной температуры, при которой будет возникать и горечь дуга. В этом случае также учитываются такие факторы, как диаметр, размер и температура окружающей среды.

Классификация сварочной дуги.

Важно следить за тем, чтобы значение не колебалось, благодаря чему можно сваривать абсолютно любой материал. Исправный источник питания – залог постоянного показателя температуры элемента, именно это дает влияние на свойство работы элемента.

Основные области сварочной дуги – это работа ионизированного газа, а также применение щелочной либо щелочно-земельной группы в виде калия или кальция, чтобы способствовать надежному и хорошему горению сварочной дуги. Вопрос, в какой среде может гореть сварочная дуга достаточно актуальный.

Необходимо учитывать много физических и химических факторов, уметь рассчитывать, сколько энергии затрачивается для отрыва электрона от атома, в зависимости от природы газового новообразования и т.д.

Исходя из всего сказанного, можно сделать вывод, что при сварке дуговой металлические конструкции скрепляются надежнее всего. Сварочные работы сильно влияют на промышленную сферу сегодняшнего дня, из-за возможности под высокой температурой сварочной дуги припаивать различные материалы друг к другу.

Чтобы получить качественный и надежный шов нужно задействовать силы, действующие в сварочной дуге, изучить всю её характеристику, понимать каждое значение плотности тока, температуры, напряжения, что даст возможность провести процедуру быстро и без трудностей.

Источник

Что такое сварочная дуга

Сварочная дуга используется человечеством для неразъемного, герметичного соединения металлов более века назад. Ее изучением занимался физик Вольт. Затем появились устройства для сварки. Электрический разряд возникает в момент короткого замыкания между электродом и свариваемой деталью. Электрическая энергия преобразуется в тепловую, образуется ванна расплава. Создается диффузный однородный слой металла на месте свариваемого стыка.

Изучив вольт-амперные характеристики процесса, ученые усовершенствовали процесс сварки, создали сварочные аппараты, поддерживающие стабильное горение дуги.

Что такое сварочная дуга, определение

Что можно назвать сварочной дугой – это, по сути, длительный проводник, состоящий из ионизированных частиц, существующий во времени благодаря поддерживающему электрическому полю. Дуговой разряд характеризуется непрерывной формой, высокой температурой, возникает в газовой среде, способной к ионизации.

В учебниках сварщика определение сварочной электродуги звучит следующим образом: это длительный электрический разряд в плазме, состоящей из смеси ионизированных воздушных или защитных газов, а также испарившихся компонентов присадочного и основного металла.

Природа и строение

За короткое время разогреть металл до температуры плавления можно мощной сварочной дугой. Ее свойства характеризуются плотностью тока, вольтамперными показателями. С точки зрения электротехники, дуговой столб – ионизированный газовый проводник между катодом и анодом с большим сопротивлением, способностью к свечению. Детальное рассмотрение строения сварочной дуги поможет понять сущность температурного воздействия. Длина электродуги в среднем составляет 5 мм, она делится на основные зоны:

За температуру сварочной дуги отвечает поток свободных электронов. Они образуются на катодном пятне. Оно разогревается до 38% температуры плазмы. В дуговом столбе электроны двигаются к аноду, а положительные частицы – к катоду. У столба нет собственного заряда, он остается нейтральным. Внутри частицы разогреваются до 10 000°С, металл при этом в среднем нагревается до 2350°С, стандартная температура ванны расплава составляет 1700°С.

Место входа и нейтрализации электронов называют анодным пятном. Его температура выше, чем катодного на 4–6%.

Напряжение в анодной и катодной зонах существенно снижается, свечения не возникает. Видима только плазма, излучающая ультрафиолетовые, инфракрасные и световые волны. Они вредны для органов зрения, кожи. Поэтому сварщики используют индивидуальные средства защиты.

Виды сварочной дуги

Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По типу сварочного тока и положению электрода относительно свариваемых элементов выделяют следующие разновидности:

Классификация состава плазмы столба:

Классифицируют дуговую сварку по материалу разжигающего электрода. Используют электроды:

По длительности воздействия различают стационарную (постоянную) электродугу и импульсную, применяемую при контактной сварке.

Условия горения

Сущность сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.

Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали прогревают, чтобы воздух вокруг них был теплым, или подают в рабочую зону газ, способный ионизироваться. Легче всего ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.

Чтобы дуговой столб не угасал, важно поддерживать постоянную температуру в катодной области. Она напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужная температура поддерживается источником тока, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.

Как возникает электрическая сварочная дуга

Как и любой электрический разряд, сварочная электродуга появляется при замыкании цепи. Возникновение тока при касании электрода к свариваемому металлу приводит к выработке большого количества тепла. В точке замыкания появляется расплав, он тянется за кончиком электрода, образуется шейка, которая мгновенно распыляется из-за сильного тока. Происходит ионизация молекул воздуха и защитного облака, они переносят поток электронов.

Направленность потока зависит от рода тока. Дуга разжигается на постоянном токе обратной и прямой полярности, на переменном. Частота угасания и розжига электродуги зависит от параметров рабочего тока.

Чем определяется мощность сварочной дуги

На мощностные параметры электродуги влияют несколько факторов:

Длиной сварочной дуги называют расстояние от сварного кратера до кончика электрода. От этой величины зависит объем выделившегося тепла.

По мощности сварочной дуги определяют скорость плавления металла. От этой характеристики зависит время выполнения сварочных работ. Регулировка силы тока производится для корректировки температуры в рабочей зоне, даже на длинном столбе электродуга не будет затухать при большом ампераже. Напряжение редко изменяют в процессе сварки.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ описывает зависимость токовых параметров. С помощью этого графика определяют:

Динамическая ВАХ описывает неустановившееся состояние электродуги, когда ее длина колеблется. Статическая вольт-амперная характеристика отражает зависимость вольтажа от ампеража при постоянной дуговой длине. График делится на три области:

ВАХ процесса обычной ручной сварки с использованием плавящихся и неплавящихся электродов на воздухе или в облаке защитного газа ограничена двумя первыми областями, до третьей ампераж не доходит. Механизированной сварки с использованием флюсов соответствует графику II и III областей, сварка плавящимся электродом в облаке защитной атмосферы – III.

При использовании оборудования, генерирующего переменный ток, возбуждение сварочной дуги происходит в каждом полупериоде, на пике зажигания. При переходе через ноль электродуга затухает, нагрев активных пятен прекращается. Покрытия электродов, содержащие активные щелочные металлы, повышают устойчивость ионизации. Защитное облако затрудняет розжиг на переменном токе, но поддерживают горение на постоянном. Между полюсами возникает ионизация молекул газа.

При выборе оборудования необходимо это учитывать, что вольт-амперная характеристика электродуги зависит от внешней ВАХ. Работу сварочного аппарата рассматривают как наложение графиков. Для ручной сварки необходимы источники питания с падающими областями ВАХ (повышенным напряжением холостого хода), чтобы была возможность изменять длину дуги, регулируя ампераж. Сила тока короткого замыкания во время падения капли с плавящегося электрода на свариваемый металл на 20–50% выше дугового тока. Для сварки плавящимся электродом используют дугу размыкания. Для розжига дуги вольфрамовым или угольным электродом желателен вспомогательный разряд.

При высоких значениях тока короткого замыкания возрастает риск прожогов металла. При падении капли происходит замыкание, затем резко возрастает до первоначальных значений – ампераж возрастает до величины тока короткого замыкания, образовавшийся мостик перегорает, дуга возбуждается снова. Изменения тока и напряжения в столбе происходят моментально, за доли секунды. Сварочное оборудование должно быстро реагировать на колебания, стабилизировать напряжение.

Особенности дуги

Благодаря особым свойствам, электрическая дуга используется при сварке с тугоплавкими и плавящимися электродами. Она быстро разогревает металл, образуя ванну расплава. Электрический ток эффективно преобразуется в тепловую энергию с минимальными потерями.

По природе происхождения электрическую сварочную дугу можно сравнить с другими видами электрических зарядов. Основные отличительные характеристики дуги:

Зажигание производится двумя способами:

Источник

Условия загорания, стабильного горения и гашения электрической дуги. Перенапряжение

Условия горения сварочной дуги

Одним из условий устойчивости горения дуги при сварке является включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления, что позволяет вести сварочные работы металлическими электродами на переменном токе при напряжении сварочного трансформатора порядка 60 — 65 В и стандартной частоте тока. При питании дуги переменным током полярность электрода и изделия и условия существования дугового разряда периодически изменяются. Дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц гаснет при переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым затуханием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через нуль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания. Затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей длине дуги, чем при сварке на постоянном токе. При наличии в дуговом промежутке паров легкоионизирующихся элементов напряжение повторного зажигания снижается и устойчивость горения дуги переменного тока повышается. С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания — важная характеристика дуги перемен-ного тока, оказывающая существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги и выше пик зажигания. Однако увеличение амплитудных значений синусоиды напряжения ограничивается правилами техники безопасности, по которым максимальное эффективное значение напряжения источника переменного тока для питания сварочных постов допускается не выше 80 В.
Сварочные электроды в Москве

Условия загорания, стабильного горения и гашения электрической дуги. Перенапряжение

При размыкании контактов контактных аппаратов обычно образуется эл. дуга.

Сразу после начала перемещения подвижного контакта начинается процесс ионизации.

(ИОНИЗАЦИЯ, превращение атомов и молекул в ионы и свободные электроны; процесс, обратный рекомбинации. Ионизация в газах происходит в результате отрыва от атома или молекулы одного или нескольких электронов под влиянием внешних воздействий. В некоторых случаях возможно прилипание электронов к атому или молекуле и образование отрицательного иона. Происходит ионизация при поглощении электромагнитного излучения (фотоионизация), при нагревании (термическая ионизация), при воздействии сильного электрического поля (полевая ионизация), при столкновении частиц с электронами и возбужденными частицами (ударная ионизация) и др.)

Процессы ионизации бывают:

1.автоэлектронная эмиссия (за счет эл. поля и напряженности)

2.термоэлектронная эмиссия (за счет тепла)

3.толчковая (ударная) ионизация (за счет того, что электроны последующие выбивают предыдущих)

4.термическая ионизация (за счет большого кол-ва тепля, энергии).

Для загорания дуги нужно что бы наблюдался 1 и 2 процессы, для ее горения нужны 3 и 4.

Характер процессов отключения переменного тока в активно-индуктивной цепи можно изобразить в виде кривых (рис. 1-7, а).

Характер процессов отключения переменного тока в активно-индуктивной цепи можно изобразить в виде кривых (рис. 1-7, а).

Рис.1-6. Соотношение кривых и Uв и Uв.п из условия отключения цепи повременного тока (а) и кривые восстанавливающейся прочности (б)

Перенапряжения, образующиеся в процессе отключения цепи на перемен токе и на постоянном токе, имеют различный характер.

Перенапряжения, образующаяся в процессе отключения цепи на перемен токе:

На высоком напряжении:

За моментом размыкания контактов аппарата (t = 0) в момент времени t1 происходит первый переход тока дуги через нулевое значение. Восстанавливающаяся прочность Uв.п может быть еще недостаточно высокой и за первым полупериодом тока дуги следует ее повторное зажигание при напряжении зажигания Uз.

Во втором полупериоде горения дуги (

t1
—
t2
)
ее сопротивление значительно возрастает. В результате ток iд ограничивается этим сопротивлением и угол сдвига фаз между током и напряжением сети к моменту времени i2 уменьшается.

За вторым переходом тока дуги через нуль столб дуги разрушается, кривая Uв.п находится выше кривой Uв..

После этого перехода межконтактный промежуток может сохранить так называемую
остаточную проводимость,
присущую той или иной стадии газового разряда. В этом случае в процессе восстановления напряжения по нему проходит остаточный ток iост. Рациональным условием гашения дуги переменного тока следует считать такое, когда гашение осуществляется в первый после размыкания контактов переход тока через нулевое значение.

Коммутационные возможности электрической дуги отключения определяются характером роста ее активного сопротивления.

Коэффициент амплитуды восстанавливающегося напряжения

активное сопротивление (Ом) и индуктивность нагрузки отключаемой цепи, Гн;
С—
электрическая емкость, параллельная коммутирующему элементу аппарата, Ф; Rш — сопротивление, шунтирующее коммутирующий орган (или сопротивление самого коммутирующего элемента в процессе восстановления напряжения), Ом.

Обычно коэффициент Ка

== 1,0 — 2,0 и перенапряжения при отключении активно индуктивных цепей не превышают двукратной величины относительно амплитуды напряжения источника питания.

На низком напряжении:

Снижение амплитудного значения тока дуги ведет к увеличению восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка, а уменьшение сдвига между моментом перехода через нулевое значение тока дуги и напряжения источника— к снижению мгновенных значений, восстанавливающегося на­пряжения. Эти факторы облегчают условия отключения цепи и проявляются тем сильнее, чем ниже напряжение сети и чем больше отключаемый ток. В этом существенное отличие усло­вий гашения дуги в сетях низкого напряжения по сравнению с высоковольтными сетями, где указанные факторы не играют никакой роли.

Перенапряжения, образующиеся в процессе отключения цепи на постоянном токе:

Рассмотрим баланс напряжений в цепи (рис. 4.3, а) при дуге неизменной длины

В стационарном режиме ток в цепи не меняется и di/dt = 0.

На рис. 4.3. совместно с ВАХ дуги построена прямая U—iR = f(i).

отрезок
аb
соответствует напряжению на дуге, отрезок cd— падению напряжения на резисторе R и отрезок b
с
соответствует L di/dt
.
Очевидно, что в точках
1 и 2
L di/dt
=0.
В этих точках возможен стационарный режим. Рассмотрим более подробно равновесие напряжений вблизи этих точек. Если по каким-либо причинам напряжение источника питания снизится, то точка равновесного состояния перейдет в
2′,
при этом ток уменьшится до значения i2
‘,
определяемого пересечением ВАХ с прямой U
‘,
— iR.

Пусть теперь напряжение источника восстановится до прежней величины U.

Для тока i2
‘,
отрезок U—iR>uд поэтому в этой точке L di/dt>0
.
Таким образом, при токе i2
‘,
на индуктивности возникает напряжение L di/dt>0
,
кото

Напряжение на контактах в момент достижения током нулевого значения называется напряжением гашения дуги. При 1 = 0 (4.6) имеет вид

Таким образом, в момент гашения дуги напряжение на контактах равно сумме напряжения источника и модуля напряжения на индуктивности. Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания называется перенапряжением. Чем больше индуктивность и скорость спада тока в момент гашения, тем больше перенапряжение. Скорость спада тока di/dt зависит от скорости роста сопротивления дугового промежутка и скорости его деионизации. Поэтому в быстродействующих аппаратах, отключающих цепь постоянного тока за сотые доли секунды, возможны большие перенапряжения. Для оценки перенапряжения вводится понятие коэффициента перенапряжений

Следует отметить, что напряжение L di/dt приложено к индуктивности отключаемой нагрузки. Это напряжение может в десятки раз превышать номинальное напряжение источника и приводить к пробою изоляции нагрузки. Для ограничения перенапряжений при отключении больших ин-дуктивностей применяются устройства с дугогасительной решеткой.

Условия зажигания и горения дуги.

Условия зажигания и горения дуги.

Условия зажигания и горения дуги зависят от рода тока, полярности, химического состава электродов, газового промежутка и его длины.

Зажигание и горение дуги протекают лучше на постоянном токе.

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

Дуга зажигается от нагревания торца электрода (катода). Когда электрод соприкасается с изделием, создается замкнутая сварочная цепь, торец катодного электрода нагревается за счет выделения теплоты при прохождении тока через контакт, имеющий большое электросопротивление, и при отрыве электрода от изделия на расстояние 1 мм (или несколько более) дуга зажигается. В момент отрыва электрода от изделия с нагретого от короткого замыкания катода начинается термоэлектронная эмиссия. Электронный ток ионизирует газы и пары металла, находящиеся в межэлектродном промежутке, и с этого момента в дуге появляются электронный и ионный токи.

Поддержание непрерывного горения дуги будет осуществляться, если приток энергии в дугу превышает потери в ней на излучение, конвекцию, диссоциацию, электромагнитные потери и др.

В случае коротких замыканий каплями электродного материала, образующимися на конце плавящего электрода и переносимыми на изделие, повторные зажигания дуги происходят самопроизвольно, если температура катода остается достаточно высокой. Эта температура зависит от состава материала катода, плотности тока в нем и др.

Таким образом, первым условием для зажигания и горения дуги является наличие специального электрического источника питания дуги, позволяющего быстро производить нагревание катоду до необходимой температуры.

Вторым условием для зажигания и горения дуги является наличие ионизации в столбе дуги. Дуга с плавящимся электродом — это в основном дуга в парах металла, а не в газе. Это происходит по той причине, что потенциал ионизации паров металла значительно ниже, чем у газов; например, потенциалы ионизации газов Не, F, Аг, Н2, N2, СО2, О2 соответственно равны 24,5 — 12,5, а у металлов Fe, Al, Na, К — 7,83-4,32 эВ.

Горящую дугу можно растянуть до определенной длины, после чего она гаснет. Чем выше степень ионизации, тем длиннее будет дуга.

Длина горящей без обрыва дуги характеризует стабильность дуги.

Стабильность функционирования дуги зависит от ряда ее характеристик, например от температуры катода, его термоэлектронной способности, степени ионизации атмосферы и т. д. Стабильность дуги повышается с увеличением в ее атмосфере элементов с низким потенциалом ионизации, например калия, натрия и др.

Стабильные дуги устанавливаются в газах, обладающих относительно низкой теплопроводностью (аргон, криптон), а в газе с относительно высокой теплопроводностью (гелий, водород, азот) для устойчивого горения необходимо повышенное напряжение на дуге. В последнем случае сварка выполняется более короткой дугой неплавящимся электродом.

Третьим условием для сварки на переменном токе является наличие в сварочной цепи реактивного сопротивления (повышенной индуктивности), что повышает стабильность горения дуги. В сварочной цепи переменного тока, имеющей только омическое сопротивление, при горении дуги образуются обрывы (100 обрывов в секунду при частоте переменного тока 50 Гц).

При реактивном сопротивлении, включенном в сварочную цепь переменного тока, обрывы в горении дуги отсутствуют.

Электрическую индуктивность включают не только в сварочную цепь переменного тока, но даже в цепь постоянного тока. В настоящее время некоторые сварочные выпрямители изготовляют с включением в сварочную цепь индуктивности, с тем чтобы улучшить стабильность дуги и качество сварочных работ. Это особенно необходимо, если производить полуавтоматическую шланговую сварку в СО; чем больше диаметр сварочной проволоки и ток, тем большая величина индуктивности должна быть в сварочной цепи.

Четвертым условием для зажигания и горения дуги на любом роде тока зависит от характеристики источника питания дуги: источник питания должен поддерживать горение дуги при наличии возмущений в виде изменения напряжения в сети, рельефа поверхности свариваемого изделия, скорости подачи сварочной проволоки и др.

Источник