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:
- анодную, она не более 10 микрон;
- катодную, она в 10 раз меньше анодной;
- столб – видимая светящаяся полоска.
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.
Строение сварочной дуги
Виды сварочной дуги
Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По типу сварочного тока и положению электрода относительно свариваемых элементов выделяют следующие разновидности:
- прямого действия, разряд перпендикулярен заготовке, параллелен электроду;
- косвенного действия, разряд возникает между двух электродов, наклоненных друг к другу под углом от 40 до 60°, и металлом.
Классификация состава плазмы столба:
- открытого типа возникает в воздушной атмосфере благодаря испаряемым из обмазки и металла компонентам;
- закрытая, возникающая под слоем флюса за счет газообразной фазы, образовавшейся из частиц электрода, металла, компонентов флюса при прохождении разряда;
- с подачей газовой смеси или однокомпонентного защитного газа.
Природа возникновения явления
Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:
В момент контакта происходит короткое замыкание, металл в точке прикосновения плавится. Каждый этап длится миллисекунды, разряд возникает практически мгновенно. Далее ток поддерживается эмиссией электронов на катоде. По пути к аноду они ионизируют газ и пары металла, увеличивая число свободных носителей заряда.
Современные сварочные аппараты оснащаются генератором высокочастотных колебаний (осциллятором). Это устройство позволяет возбуждать дугу бесконтактным способом.
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.
Реальные характеристики сварочных инверторов-2.
Добрый день всем!
Как и следовало ожидать, очередь пользователей и производителей инверторов, жаждущих протестировать на нашем регистраторе и, таким образом, узнать реальные характеристики своих замечательных аппаратов, не выстроилась.
И вот, наконец, вчера принесли китайца. Причем принес не пользователь и не производитель, а продавец и достаточно крупный.
И это отрадно. Уже вторая фирма начинает задумываться о контроле качества того «вторичного продукта», которым они заполонили страну.
Этот китаец заявлен как профессиональный на 200А. Имеет две ручки для регулировки тока (20-200А) и форсажа (0-100). Согласно методике первый пункт испытаний: измерение ВАХ на статической нагрузке.
До обсуждения результатов испытаний по этому пункту, надо договориться о некоторых критериях. Ранее я утверждал, что ВАХ сварочного аппарата ММА должна быть штыковой и качестве аргумента в пользу своей правоты приводил ВАХ зарубежных брендов. Этим я не убедил многих, включая такого авторитета, как Чукча:
чукча написал : Но нет такого определения сварочника для ММА, по которому он должен быть стабилизатором тока. Видимо потому, что таки и не должен.
Я перерыл горы статей по ВАХ, пока не нашел независимое подтверждение своего тезиса: «При ручной сварке, когда возможны изменения длины дуги, она должна обладать достаточным запасом устойчивости. При прочих равных условиях запас устойчивости возрастает с ростом крутизны внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной сварки применяют источники с крутопадающими характеристиками: сварщик может удлинить дугу, не опасаясь, что она оборвется, или укоротить ее, не боясь чрезмерного увеличения тока.» (()
В пределе крутопадающая ВАХ – это ШТЫКОВАЯ, т.е. на рабочем участке инвертор должен работать именно как стабилизатор тока. Еще хотелось бы определиться с термином «Форсаж дуги»(ФД). В общем, случае ФД – это увеличение тока при уменьшении дугового промежутка и, сооветственно, напряжения на дуге. В этом смысле, все ВАХ, отличающиеся от штыковой, обладают как бы естественным ФД, который присутствует всегда. Это, с одной стороны, повышает комфортность сварки так, как препятствует прилипанию, а с другой стороны, приводит к тому самому увеличению тока (чем меньше наклон, тем ближе к «чрезмерному»), которого согласно приведенной цитате сварщик должен бояться. Связь между крутизной ВАХ и ФД еще в прошлом веке уловили разработчики «Технотрона», которые вот так пишут о своем ДС-250:
*»Имеет возможность регулировки «форсирования» сварочной дуги, которое определяет поведение сварочного тока в момент уменьшения и далее замыкания дугового промежутка (рис.1). Уменьшение «форсирования» снижает разбрызгивание металла, а увеличение «форсирования» уменьшает вероятность залипания электрода, увеличивая проплавление и давление дуги.
Позволяет плавно регулировать наклон вольтамперной характеристики от 0.4В/А до 1.25В/А, управляя переносом металла, в зависимости от конкретных условий сварки и типа электрода, что особенно важно при сварке целлюлозными электродами (рис.2).
Из всего этого я делаю предположение, что ФД с точки зрения качества шва штука вредная. В чем вредность – не знаю, не физик и не технолог. Возможно, имеет место неоднородность шва и его прочности или что-то в этом роде. Поэтому, бренды и делают штыковую характеристику, а ФД формируют не всегда, а только при необходимости предотвратить прилипание. Момент наступления такой необходимости определяется снижением напряжения на дуге ниже некоторого порога. А вот значение порога зависит от массы факторов. Придя к согласию к этому выводу можно приступить к оценке ВАХ китайца. С нетерпением жду ответов возмущенных оппонентов
Чем определяется мощность сварочной дуги
На мощностные параметры электродуги влияют несколько факторов:
- напряжение, возрастание приводит к увеличению мощности только в небольшом диапазоне, существуют ограничения по размеру электрода;
- сила тока, большой ампераж обеспечивает стабильное горение;
- величина напряжения плазмы, пропорциональна мощности.
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.
Как регулировать длину дуги
От этого параметра зависят не только электрические величины, но и качество сварки. Дугу стремятся делать как можно более короткой, в пределах 3-4 мм.
При большей длине наблюдаются следующие негативные явления:
- Капли расплавленного металла с электрода на пути к сварочной ванне успевают вобрать в себя из воздуха много кислорода и азота. В результате шов теряет прочность, пластичность и ударную вязкость.
- Разряд перемещается по поверхности заготовки (блуждание), вследствие чего тепло распределяется по относительно большой площади. Глубина провара уменьшается; капли расплава с расходника, попадая на непрогретый металл, не сливаются с ним, а отскакивают.
Рекомендуем к прочтению Что делать, если от сварки болят глаза
Короткая дуга издает сухой треск, напоминающий шипение масла на горячей сковороде.
При большой длине сварочной дуги наблюдаются негативные явления.
Выполненный ей шов выглядит аккуратным и имеет следующие признаки:
- Правильную форму.
- Гладкую выпуклую поверхность.
Шов, выполненный длинной дугой, имеет неровные очертания, вдоль него налипают капли расплавленного металла.
Плавящийся электрод в процессе сварки уменьшается. Поэтому его постепенно приближают к заготовке, чтобы длина разряда оставалась постоянной.
Вольт-амперная характеристика
ВАХ описывает зависимость токовых параметров. С помощью этого графика определяют:
- мощность дуги;
- время горения,
- условия гашения.
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:
- падающая – при подъеме силы тока напряжение резко спадает, это связано с формированием столба: площадь сечения плазменного потока возрастает, электропроводность плазмы изменяется;
- жесткая, это участок стабильной плотности тока и падения напряжения, с ростом ампеража от 100 до 1000 А пропорционально увеличивается диаметр дугового столба (анодное и катодное пятна, соответственно, изменяются);
- возрастающая, характеризуется постоянным размером катодного пятна, она ограничена диаметром электрода, при увеличении ампеража по закону Ома увеличивается U, R дугового столба.
Статическая вольт-амперная харакетиристика сварочной дуги: 1 — падающая; 2 — жесткая; 3 — возрастающая.
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.
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:
- высокая температура, создаваемая плотным током (ампераж зависит от длины столба, достигает тысяч А на см2);
- небольшие значения анодного и катодного падения напряжения, слабо зависящие от первоначально заданного вольтажа;
- неравномерность распределения напряжения электрического поля между полюсами;
- пространственная устойчивость;
- саморегулирование мощности, ВАХ;
- четко очерченные границы, ясно видимые в окружающей среде.
Зажигание производится двумя способами:
- коротким касанием (электрод подводится впритык, повышается риск залипания);
- чирканьем (невозможен в труднодоступных местах).
Выбор источника питания для дуговой сварки
Разумеется, помимо силовых характеристик сварочное оборудование выбирают по мобильности, габариту, весу. Говоря о достоинствах и недостатках источников питания, стоит начать с самого первого вида сварочников.
Трансформатор
Оборудование с вторичной обмоткой преобразует напряжение, за счет индуктивных полей с 80 вольт можно опустить напряжение до 20-ти. Это самый простой и громоздкий тип сварочного аппарата. Зато очень надежный, мало зависит от условий внешней среды, не боится влажности, запыленности. Трансформатор можно соорудить самостоятельно, нужный вольтаж получают за счет определенного числа витков вторичной обмотки. Коэффициент полезного действия оборудования довольно высокий, стоимость небольшая. Когда объем работы небольшой, сварщики с опытом работы предпочитают для гаража, дома приобретать трансформаторы.
Выпрямитель
Уже из названия ясно, что речь пойдет об источнике постоянного тока. Для преобразования используются полупроводники, они пропускают электричество только в верхнем диапазоне синусоиды. Благодаря использованию полупроводников, наличию электросхемы, возможности у выпрямителей шире, чем у трансформаторов. При смене полярности можно регулировать температуру на контактах: при прямой полярности сильнее греется электрод, при обратной – металл. КПД у выпрямителей выше, чем у трансформаторов, малые потери на холостом ходу.
Большой минус – сварочные аппараты очень греются, им периодически требуется передышка, чтобы прийти в норму или дополнительная система охлаждения.
Генератор
Электричество вырабатывается вращением вала в постоянном магнитном поле. Работают устройства на бензине, дизтопливе, есть стационарные установки на угле, брикетированном топливе. Главные достоинства:
Минусы – изрядные габариты, низкий КПД, плюс выхлопные газы, шум, вибрация.
