Зварювальною дугою вважається дуже великий за величиною потужності та тривалості електричний розряд, який існує між електродами, на які подано напругу, у суміші газів. Її властивості відрізняються високою температурою та щільністю струму, завдяки яким вона здатна розплавляти метали, що мають температуру плавлення понад 3000 градусів. Взагалі можна сказати, що електрична дуга – це провідник із газу, який перетворює електричну енергію на теплову. Електричним зарядом називається проходження електричного струму через газове середовище.

Існує кілька видів електричного розряду:

  • Тліючий розряд. Виникає в низькому тиску, застосовується в люмінесцентних лампах та плазмових екранах;
  • Іскровий розряд. Виникає, коли тиск дорівнює атмосферному, відрізняється переривчастою формою. Іскровому розряду відповідає блискавка, також застосовується для запалювання двигунів внутрішнього згоряння;
  • Дуговий розряд. Застосовує при зварюванні та для освітлення. Відрізняється безперервною формою, що виникає при атмосферному тиску;
  • Коронний. Виникає, коли тіло електрода шорстке і неоднорідне, другий електрод може бути відсутнім, тобто виникає струмінь. Застосовується для очищення газів від пилу;

   Природа зварювальної дуги не така вже й складна, як може здатися на перший погляд. Електричний струм, проходячи через катод, потім проникає в іонізований газ, відбувається розряд з яскравим світінням та дуже високою температурою, тому температура електричної дуги може досягати 7000 – 10000 градусів. Після цього струм перетікає на оброблюваний матеріал, що зварюється. Так як температура настільки висока дуга виділяє шкідливе для людського організму ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання, воно може нашкодити очам або залишити світлові опіки на шкірі, тому при проведенні процесу зварювання необхідний належний захист.

  Будова зварювальної дуги є три основні області: анодна, катодна і стовп дуги. Під час горіння дуги на катоді та аноді утворюються активні плями – області, в яких температура досягає найвищих значень, саме через дані області проходить весь електричний струм, анодні та катодні області є більшими падіннями напруги. Сам стовп розташовується між цими областями падіння напруги в стовпі дуже незначно. Таким чином, довжина зварювальної дуги являє собою суму перелічених вище областей, зазвичай довжина дорівнює кільком міліметрам, коли анодні і катодні області, відповідно, рівні 10-4 і 10-5 см. Найсприятливіша довжина приблизно дорівнює 4-6мм, при такій довжині забезпечується постійна та сприятлива температура.

    Дуговий проміжок – це відстань між двома електродами. Довжина такого проміжку визначає довжину електродуги. При малих температурах в стандартних умовах гази складаються з молекул і атомів з нейтральними характеристиками. Про їх електропровідності мови не йде. Домогтися проходження через газове середовище електроструму можна виключно тоді, коли в ній присутні іони і електрони – елементи з певним зарядом. Процес формування даних елементів прийнято називати іонізацією.

  Заряджені частинки утворюються в дуговому проміжку в результаті того, що з поверхні катода починається випускання електронів. Це призводить до іонізації парів і газів, що знаходяться в проміжку. Електрична дуга може бути:

  • стислою;
  • вільною (прямої дії).

  У першому випадку перетин електричної дуги можуть зменшувати за допомогою регулювання газового потоку, зміни сопла пальника зварювального апарату, електромагнітного поля. Вільна ж дуга незмінна.

Зварювальна дуга – різновиди

   Види зварювальної дуги відрізняються схемою підведення зварювального струму та середовищем, в якому вони виникають, найбільш поширеними варіантами є:

  • Пряма дія. При такому способі зварювальний розташовується металевої конструкції, що паралельно зварюється, і дуга виникає під кутом дев’яносто градусів по відношенню до електрода і металу;
  • Зварювальна дуга непрямої дії. Виникає, коли використовується два електроди, які розташовуються під кутом 40-60 градусів до поверхні деталі, що зварюється, дуга виникає між електродами і зварює метал;

Також існує класифікація залежно від атмосфери, де вони виникають:

  • Відкритий тип. Дуга даного типу горить на повітрі і навколо неї утворюється газова фаза, що містить пари матеріалу, що зварюється, електродів та їх покриттів;
  • Закритий тип. Горіння такої дуги відбувається під шаром флюсу, газову фазу, що утворилася навколо дуги входять пари металу, електрода і флюсу;
  • Дуга з подачею газів. У дугу, що горить, подаються стислі гази – гелій, аргон, вуглекислий газ, водень та інші різні суміші газів, подаються вони для того, щоб не окислювався метал, що зварюється, їх подача сприяє відновлювальному або нейтральному середовищу. У газову фазу навколо дуги входять – газ, що подається, пари металу і електрода;

  Також розрізняють за тривалістю дії – стаціонарна (для тривалого застосування) і імпульсна (для одноразового), за матеріалом використовуваного електрода – вугільні, вольфрамові – електроди, що не плавляться, і металеві – плавляться. Найпоширеніший плавиться електрод – сталевий. На сьогоднішній день найчастіше застосовується зварювання з електродом, що не плавиться. Таким чином, види зварювальних дуг різноманітні.

Умови горіння

   За стандартних умов, тобто температури в 25 градусів і тиску в 1 атмосферу гази не здатні проводити електричний струм. Для того щоб утворилася зварювальна дуга необхідно, щоб гази між електродами були іонізовані, тобто мали у своєму складі різні заряджені частинки – електрони або іони (катіони або аніони). Процес утворення іонізованого газу називатиметься іонізацією, а робота, яку необхідно витратити на відрив електрона у атомної частки для утворення електрона та іона – роботою іонізації, яка вимірюється в електрон-вольтах і називається потенціалом іонізації. Яку енергію необхідно витратити для відриву електрона від атома залежить від природи газової фази, значення можуть бути від 3,5 до 25 еВ. Найменший потенціал іонізації мають метали лужної та лужно-земельної групи – калій, кальцій та, відповідно, їх хімічні сполуки. Такими сполуками покривають електроди для того, щоб вони сприяли стійкому існуванню і горінню зварювальної дуги.

   Також для виникнення та горіння дуги необхідна постійна температура на катод, яка залежить від природи катода, його діаметра, розміру та температури навколишнього середовища. Температура електричної дуги тому має бути постійною і не вагатися, завдяки величезним значенням сили струму температура може досягати 7 тисяч градусів, таким чином зварюванням можна приєднувати абсолютно всі матеріали. Постійна температура забезпечується за допомогою справного джерела живлення, тому його вибір при конструюванні зварювального апарату дуже важливий, він впливає на властивості дуги.

Виникнення дуги

  Зварювальна дуга виникає при швидкому замиканні, тобто коли електрод стикається з поверхнею матеріалу, що зварюється, за колосальної температури поверхня матеріалу розплавляється, а між електродом і поверхнею утворюється невелика смуга з матеріалу, що розплавився. До моменту розбіжності електрода і матеріалу, що зварюється, утворюється шийка з матеріалу, яка моментально розривається і випаровується через високе значення щільності струму. Газ іонізується та виникає електрична дуга. Порушити її можна за допомогою торкання або цвіркання.

Особливості дуги

Вона має такі особливості порівняно з іншими електричними зарядами:

  • Висока щільність струму, що досягає кількох тисяч ампер на квадратний сантиметр, завдяки чому досягається дуже висока температура;
  • Нерівномірність розподілу електричного поля у просторі між електродами. Поблизу електродів падіння напруги дуже велике, коли у стовпі – навпаки;
  • Величезна температура, яка досягає найбільших значень у стовпі через високу щільність струму. При збільшенні довжини стовпа температура зменшується, а при звуженні навпаки збільшується;
  • За допомогою зварювальних дуг можна отримувати різні вольт-амперні характеристики – залежності падіння напруги від щільності струму при постійній довжині, тобто горінні, що встановилося. На даний момент існує три вольтамперні характеристики.

   Перша – падаюча, коли зі збільшенням сили і, відповідно, щільності струму, напруга падає. Друга – жорстка, коли зміна сили струму ніяк не впливає на значення величини напруги і третя – зростаюча, коли при збільшенні сили струму напруга також збільшується.

  Таким чином, зварювальну дугу можна назвати найкращим та надійним способом скріплення металевих конструкцій. Зварювальний процес дуже впливає на сьогоднішню промисловість, тому що тільки висока температура зварювальної дуги здатна скріплювати більшість металів. Для отримання якісних та надійних швів необхідно правильно та правильно враховувати всі характеристики дуги, стежити за всіма значеннями, завдяки цьому процедура пройде швидко та найбільш ефективно. Також необхідно враховувати властивості дуги: щільність струму, температуру та напругу.

Вольт-амперна характеристика зварювальної дуги.

  Статична вольт-амперна характеристика дуги показує залежність між усталеними значеннями струму і напруги дуги при постійній її довжині.

  Перша область I характеризується різким падінням напруги Uд на дузі зі збільшенням струму зварювання Iсв. Така характеристика називається падаючої і викликана тим, що при збільшенні струму зварювання відбувається збільшення площі, а отже, і електропровідності стовпа дуги.

  У другій області II характеристики збільшення струму зварювання не викликають зміни напруги дуги. Характеристика дуги на цій ділянці називається жорсткою. Такий стан характеристики на цій ділянці відбувається за рахунок збільшення перерізу стовпа дуги, анодного і катодного плям пропорційно величині зварювального струму. При цьому щільність струму і падіння напруги на протязі всього ділянки не залежать від зміни струму і залишаються майже незмінними.

  У третій області III зі збільшенням зварювального струму зростає напруга на дузі Uд. Така характеристика називається зростаючою. При роботі на цій характеристиці щільність струму на електроді збільшується без збільшення катодного плями, при цьому зростає опір стовпа дуги і напруга на дузі збільшується.

  Рід струму при зварюванні - постійний або змінний, полярність на постійному струмі може бути прямий (мінус від джерела на електроді), або зворотного (мінус від джерела приєднується до деталі).

  Струм зворотної полярності застосовують при зварюванні тонкого металу легкоплавких сплавів, легованих, спеціальних та високовуглецевих сталей, чутливих до перегріву, при напівавтоматичному зварюванні арматури і металоконструкцій легованої дротом суцільного перетину, при зварюванні електродами з фтористо-кальцієвим покриттям.

  При зварюванні на змінному струмі полярність електродів і умови існування дуги періодично змінюються відповідно до частоти струму.

  У кожному напівперіод струм і напруга змінюють полярності при переході синусоїди через нульове значення. Дуга при цьому згасає, температура активних плям і дугового проміжку знижується. Повторне запалювання дуги в новому напівперіоді відбувається при підвищеній напрузі - піку запалювання, яке вище напруги на дузі.

  Для підвищення стійкості дуги змінного струму додають в покриття електродів і зварювальні флюси такі матеріали, як крейда, мармур, польовий шпат і ін. Містять калій, натрій, кальцій та інші елементи.

  Гази, що вводяться в зону горіння дуги для захисту розплавленого металу, впливають на запалювання дуги змінного струму. При зварюванні з інертними газами (гелій, аргон) запалювання дуги утруднено, але збуджена дуга горить стійко.

  При зварюванні вольфрамовим електродом в середовищі аргону відбувається випаровування частинок металу з поверхні зварювальної ванни і найближчих холодних зон, разом з якими видаляються і окисні плівки, що покращує умови зварювання і якість шва.

  Вуглекислий газ при зварюванні на змінному струмі діє негативно, тому зварювання в вуглекислому газі застосовується переважно на постійному струмі зворотної полярності.

  Джерела живлення зварювальної дуги мають також свої вольт-амперні характеристики, які можуть бути падаючими, жорсткими і зростаючими.

  Для стабільного горіння дуги необхідно, щоб була рівність між напругою і струмами дуги (Uд, Iд) і джерела живлення (U п, Iп).

  Джерела живлення з падаючою і жорсткої характеристиками застосовують при ручного дугового зварювання, зі зростаючою характеристикою - при напівавтоматичному зварюванні, з жорсткою і зростаючої - при автоматичному зварюванні під флюсом і для наплавлення.

   Сталий горіння зварювальної дуги можливо тільки в тому випадку, коли джерело живлення зварювальної дуги підтримує постійним необхідну напругу при протіканні струму по зварювального кола.

  Роботу зварювального кола та дуги потрібно розглядати при накладенні статичної вольт-амперної характеристики (ВАХ) зварювальної дуги на статичну вольт-амперну характеристику джерела живлення (звану також зовнішньою характеристикою джерела живлення).

   Ручна електрозварювання зазвичай супроводжується значними коливаннями довжини дуги. При цьому дуга повинна горіти стійко, а струм дуги не повинен сильно змінюватися. Також часто потрібно збільшити довжину дуги, тому дуга повинна мати достатній запас еластичності при подовженні.

   Статична характеристика зварювальної дуги при ручному зварюванні звичайно є жорсткою, і відхилення струму при зміні довжини дуги залежить тільки від типу зовнішньої характеристики джерела живлення. За інших рівних умов еластичність дуги тим вище, а відхилення струму дуги тим менше, чим більше нахил зовнішньої характеристики джерела живлення. Тому для ручного електрозварювання застосовуються джерела живлення з падаючими зовнішніми характеристиками. Це дає можливість зварнику подовжувати дугу, не побоюючись її обриву, або зменшувати довжину дуги без надмірного збільшення струму. Також забезпечуються висока стійкість горіння дуги і її еластичність, стабільний режим зварювання, надійне початкове і повторне запалювання дуги завдяки підвищеному напрузі холостого ходу, обмежений струм короткого замикання.

  Обмеження цього струму має велике значення, так як при ручного дугового зварювання відбувається перехід краплі розплавленого металу електрода на виріб, і при цьому можливо коротке замикання.

  При великих значеннях струму короткого замикання відбуваються пропали металу, прилипання електрода, осипання покриття електрода і розбризкування розплавленого металу. Зазвичай значення струму короткого замикання більше струму дуги в 1,2-1,5 разів.

  Основними даними технічних характеристик джерел живлення зварювальної дуги є напруга холостого ходу, номінальний зварювальний струм, межі регулювання зварювального струму.

  Напруга холостого ходу джерела зварювального струму - напруга на його затискачах при відсутності дуги, номінальний зварювальний струм - допустимий за умовами нагріву джерела живлення струм при номінальній напрузі на дузі.

   У процесі зварювання безперервно змінюються значення струму і напруги на дузі в залежності від способу початкового збудження дуги і при горінні дуги - характеру перенесення електродного металу в зварювальну ванну.

   При зварюванні краплі розплавленого металу замикають дугового проміжок, періодично змінюючи силу струму і довжину дуги, відбувається перехід від холостого ходу до короткого замикання, потім до горіння дуги з утворенням краплі розплавленого металу, яка знову замикає дугового проміжок. При цьому струм зростає до величини струму короткого замикання, що призводить до стиснення і перегорання містка між краплею і електродом. Напруга зростає, дуга знову порушується, і процес періодично повторюється.

  Зміни струму і напруги на дузі відбуваються в частки секунди, тому джерело живлення зварювальної дуги повинен володіти високими динамічними властивостями

Остання зміна: субота 28 січня 2023 21:29 PM