Электрическая дуга и ее применение при сварке

Источником тепла служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие виды сварки:

сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла либо с применением присадочного металла

сварка плавящимся (металлическим) электродом дугой прямого действия с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом

сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами, при этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги

сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором – к положительному (анод)

Кроме того, различные способы дуговой сварки классифицируют также по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

59. Строение и свойства электрической дуги. Статическая вольт-амперная характеристика дуги.

Дуга – мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Характеризуется: высокой плотностью тока 1-100 А/мм 2 , низким напряжением 8-50В, высокой температурой 5000-50000К. Процесс зажигания дуги включает в себя 3 этапа: короткое замыкание электрода на заготовку (для разогрева торца электрода и заготовки в зоне контакта с электродом), отвод электрода на расстояние 3-6 мм (начинается термоэлектронная эмиссия электродов, что приводит к ионизации в результате которой дуговой промежуток становится электропроводным), возникновение устойчивого дугового разряда.

Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода, с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающего его ионизацию. Для этого применяют осциллятор (при сварке плавящимся электродом).

Электрические свойства дуги описываются статической вольт-амперной характеристикой, представляющей собой зависимость между напряжением и током дуги в состоянии устойчивого горения. Характеристика состоит из 3 участков: 1-характеристика падающая, 2-жесткая, 3-возрастающая. Самое широкое применение нашла дуга с жесткой и возрастающей характеристиками. 1,2 – крупнокапельный перенос металла, 3 – мелкокапельный или струйный. Для дуги с жесткой характеристикой напряжение пропорционально ее длине. U=ά+βL Видно, что для сохранения напряжения дуги неизменным необходимо длину дуги поддерживать постоянной.

60. Внешняя характеристика источников питания сварочной дуги. Сварочный трансформатор с вынесенным дросселем.

Внешней характеристикой источника называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характеристики могут быть следующих основных видов: падающая, полого-падающая, жесткая, возрастающая и идеализированная. Источник тока выбирают в зависимости от вольт-амперной характеристики дуги, соответствующей принятому способу сварки.

Для питания дуги с жесткой характеристикой применяют источники с падающей или пологопадающей внешней характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом).

Для дуги с возрастающей характеристикой применяют источники с жесткой или возрастающей характеристикой (сварка в защитных газах плавящимся электродом и автоматическая под флюсом током повышенной плотности)

Сварочные трансформаторы как правило имеют падающую внешнюю характеристику. Широко применяют трансформаторы с вынесенным дросселем. В этих трансформаторах первичная и вторичная обмотки раздвинуты относительно друг друга, что обуславливает их повышенное индуктивное сопротивление вследствие появления магнитных потоков рассеяния.

Издавна люди имеют дело с металлическими изделиями: предметы быта, украшения, оружие, техника и т.д. Люди научились делать кованые изделия, плавить и штамповать чугун. А когда появилась сталь, то из металлических изделий стали строить трубопроводы, корабли, дома, автомобили и другие конструкции. В настоящее время из всего объема расходуемого металла сталь составляет 90%. В черной металлургии научились выплавлять конструкционные материалы высокого качества.

Уже в то время необходимо было создать надежный способ соединения крупных металлических элементов, болты и заклепки уже не могли справиться с большими нагрузками. В 1882 году русский инженер Бенардос создал дуговую сварку металлических деталей с помощью угольного электрода. А через четыре года он оформил патент на технологию сварки металлов. Так появился первый сварочный аппарат.

Инженер Славянов в 1888 году показал публично дуговую сварку плавящимся электродом под флюсом, которая получила название электрической отливки металла. Славянов доказал, что дуговая сварка дает возможность сваривать черные и цветные металлы. В последующие годы металлы стали сваривать уже трехфазным переменным током, и использовать эту технологию в масштабах промышленного производства.

Особенности процесса сварки

Дуговая технология сваривания распространена очень широко, так как с помощью этой технологии образуется прочное неразъемное соединение металлических деталей. Высокая прочность соединения объясняется непрерывностью полученных молекулярных структур и сцеплений металла.

Главный фактор процесса сварки — высокая температура. В теории такие соединения между атомами металла достигаются повышенным механическим давлением. Однако такой способ не подходит для стали, а годится только для металлов с низкой твердостью, например, свинца.

Как возникает электрическая дуга

Сварочный аппарат способен создать высокую температуру для плавления металла с помощью электрической дуги. Она образуется при коротком замыкании двух электродов, которые находятся на близком расстоянии. Напряжение на электродах постепенно повышают до тех пор, пока не возникает воздушный пробой. При этом возникает эмиссия электронов катода, которые повышают температуру от воздействия электрического тока, и перемещаются к ионизированным атомам анода.

Далее события развиваются с большой скоростью: возникает электрическая дуга и цепь замыкается. В результате воздушный зазор ионизируется и формируется плазма, которая является особым свойством газа. Воздушный зазор уменьшает свое сопротивление, в результате чего ток повышается, и температура дуги увеличивается, дуга начинает проводить ток и замыкает цепь. Это явление называют розжигом. Путем регулировки необходимого зазора между электродами дуга стабилизируется.

Процесс сварки

Если электрический разряд создается между электродами, независимыми от свариваемых деталей, то она действует при сварке косвенным путем. Обычно дуга разжигается непосредственно между электродом и деталью, являющейся частью цепи. От сварочного аппарата электрический ток подключают к заготовке, температура электрической дуги повышается и оплавляет детали. При этом создается «сварочная ванна», в которой металл какое-то время находится в жидком виде. В эту же ванну попадает расплавленный металл электрода.

В процессе сварки горящее покрытие электрода создает вокруг дуги газовую оболочку и жидкую шлаковую ванну. При постепенном удалении из рабочей зоны электрической дуги, создается сварочный шов, на поверхности которого образуется корка из шлака в виде своеобразного панциря.

Существуют методы сварки с неплавящимся электродом, изготовленным из вольфрама или графита. Например, во время аргоновой сварки шов наполняется расплавленной сварочной проволокой. Выбор качественных электродов для сварки является важным фактором, обуславливающим надежность и прочность будущего шва. Здесь имеется ввиду не диаметр электрода, а состав его материала. Проволока и электроды разных марок могут лучше сочетаться с различной глубиной плавки, длиной дуги. Обмазка электродов способна в значительной степени влиять на ход сварки, а также менять химический состав и параметры шва.

В процессе сварки место сваривания должно защищаться от воздуха для предотвращения окисления металла. Поэтому вокруг рабочей зоны необходимо формировать защитную среду.

Для решения этой задачи существуют два варианта:

1. Технология MIG – MAG, при которой в зону сварки подается инертный газ.
2. Сгорание оболочки электрода. При этом вокруг зоны сварки создается газовый купол, защищающий ее от воздуха. Оболочка электрода во время сгорания выводит кислород из зоны шва. В покрытии электрода имеются вещества, ионизирующие электрическую дугу, очищающие и легирующие шовный металл, чем улучшают его физические параметры.

Сварка металла является своеобразным процессом, так как необходимый режим температуры зависит непосредственно от параметров электроэнергии. Чтобы получить качественный шов, необходимо создать условия для устойчивой электрической дуги. Постоянная равномерная дуга способна избежать дефектов шва. Чем больше размер свариваемых деталей, тем электроды для сваривания требуются толще, а также необходима большая сила тока.

Особенностью сварки является то, что при постоянном токе электрическая дуга более стабильная, так как нет изменения полярности тока. При этом шов формируется более качественным. Хотя алюминий и его сплавы лучше сваривает сварочный аппарат переменного тока. Навык работы сварщика при сварке играет большую роль, так как сварщик должен выбирать длину дуги, поддерживать ее горение и правильно двигать электрод по шву, аккуратно расплавляя металл деталей. От профессиональных качеств сварщика зависит прочность, качество и внешний вид шва.

Виды и особенности устройства

Любой сварочный аппарат электродуговой сварки должен принять электрический ток из сети и уменьшить его напряжение, повысив силу тока до необходимой величины (от 100 до 200 ампер). При этом может изменяться частота тока, либо из переменного образуется постоянный ток. Исключением являются только аппараты, в которых электрическая дуга создается от энергии батарей аккумуляторов, либо генераторов с двигателем внутреннего сгорания.

Другими словами, каждый сварочник является своеобразным преобразователем энергии. Существует несколько различных устройств для сварки металлов электрической дугой. Каждый из них имеет свои особенности устройства, достоинства и недостатки, которые следует учитывать при выборе аппарата в торговой сети.

Трансформаторный сварочный аппарат

Это наиболее распространенный вид сварочных аппаратов. Такие устройства недорого стоят, надежны в эксплуатации и имеют простое устройство. Электрическая энергия в этом устройстве преобразуется с помощью трансформатора, действующего на бытовой частоте тока 50 герц. Величина тока настраивается механическим устройством изменения магнитного потока в магнитопроводе.

Получая от электрической сети энергию, первичная обмотка намагничивает сердечник. В это время на вторичной обмотке образуется переменный ток низкого напряжения около 70 вольт, с большой силой тока, которая может достигать 200 ампер. Этот ток создает электрическую дугу для выполнения сварки деталей. Величина напряжения и тока на вторичной обмотке зависит от числа ее витков. Чем меньше витков, тем больше сила тока, и меньше напряжение.

Преимущества

• Неприхотливость и надежность в работе.
• Отсутствие электронных элементов.
• Удобное выполнение ремонта и обслуживания из-за простого устройства.
• Невысокая стоимость, нежели чем инверторный сварочный аппарат.

Недостатки

• Большие габаритные размеры и вес.
• Небольшой КПД, расходует много электроэнергии, что не позволяет подключать его к бытовой сети.
• При отсутствии опыта в сварочных работах трудно удерживать электрическую дугу.
• Качество шва невысокое, так как сварочный аппарат работает от переменного тока.

Из-за невысокой стоимости такой сварочный аппарат используется в промышленности, в бытовых условиях, где мощность сети достаточна.

Выпрямители для сварки

Такие устройства по своей конструкции схожи со сварочными трансформаторами. В них электрический ток не изменяет частоту, и формируется на обмотках трансформатора низкого напряжения. После понижения напряжения, электрический ток проходит по блоку селеновых или кремниевых выпрямителей, которыми являются полупроводниковые диоды, пропускающие электрический ток в одну сторону. В результате на сварочный электрод поступает постоянный ток. Поэтому при сварке деталей электрическая дуга стабильная, не прерывается и обеспечивает качественный шов.

Устройство выпрямителей сложнее, в отличие от трансформаторного сварочника, так как чаще всего необходимо создавать вентиляторное охлаждение полупроводниковых элементов. Обычно такие устройства оснащаются вспомогательными дросселями, что дает возможность создания необходимых параметров выходного тока – он фильтруется и сглаживается.

В комплект сварочных выпрямителей могут входить измерительные защитные и пускорегулирующие устройства. В работе выпрямителя для сварки важна токовая и температурная стабильность. Для этого в него встраивают плавкие предохранители, реле, термостаты и т.д. Наиболее популярными стали трехфазные выпрямители, как наиболее функциональные устройства.

Преимущества

• Качественный шов.
• Наименьшее разбрызгивание материала присадок.
• Легко удерживается дуга.
• Возможность сварки чугуна, цветных металлов и термостойкой стали.
• Значительная глубина плавления.
• Небольшие габаритные размеры и масса, в отличие от трансформаторных сварочников.

Недостатки

• Сложное устройство.
• Нельзя подключать к бытовой сети.
• Высокая стоимость, сравнимая с инверторами.
• Малый КПД.
• Необходимость постоянного контроля за работоспособностью системы охлаждения.

Популярными моделями сварочных выпрямителей стали зарубежные образцы. Например, итальянский сварочный аппарат Blue Weld SPACE 280 отличается своей универсальностью. Он может работать на постоянном и переменном токе в большом интервале 10-220 ампер. Это устройство имеет длительный срок службы, может сваривать детали из чугуна и нержавеющей стали, хорошо подходит для применения в частном хозяйстве.

Профессионалы обычно выбирают выпрямительный сварочник BLUE WELD KING TIG 280 / 1, который имеет высокую мощность и способен сваривать даже алюминий, титан и т.д. Он наиболее удобен и универсален в работе, имеет встроенный цифровой экран на передней панели.

Main Menu

Способы дуговой сварки — Электрическая дуга, строение и характеристики

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА, ЕЕ СТРОЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Электрическая дуга — это своеобразный проводник электрического тока. В отличие от металлических проводов дуга как проводник представляет собой газовый канал, содержащий в своем объеме по всей длине наряду с нейтральными атомами газа электрически заряженные частицы: электроны и ионы. Под действием разности потенциалов, которая приложена к электродам, в газовом проводящем канале устанавливается упорядоченное движение заряженных частиц электрический ток. Прохождение тока через газ получило название электрического разряда. Физические явления, возникающие при электрическом разряде, зависят от рода и давления газа, материала и геометрии электродов, а также от силы тока. Эти факторы обусловливают возникновение различных видов электрического разряда (тёмный разряд, корона, тлеющий разряд и т.д.). Электрической дугой принято считать конечную форму электрического разряда, развившегося при любых обстоятельствах, если сила тока, проходящего через газ, превышает 0,1 А. Характерной чертой дугового разряда является большая плотность тока в газе и на электродах по сравнению со всеми другими формами устойчивых разрядов при том же давлении газа. В зависимости от температуры проводящего канала дуговые разряды подразделяют на термические (температура таких разрядов может достигать нескольких десятков тысяч градусов Цельсия) и нетермические, температура которых может лишь немного превышать комнатную. Дуговой термический разряд, используемый для сварки, называют сварочной дугой (рис. 45). Сварочная дуга, образуя ярко светящийся высокотемпературный факел, в зависимости от силы тока и типа применяемых электродов может иметь длину газового промежутка (длину дуги) от одного до нескольких миллиметров. В дуге различают три области: прикатодную, газовый столб дуги и прианодную. Напомним, что катодом называют электрод, к которому подключен а анодом — электрод, к которому подключен "+" источника питания. Наиболее нагретые участки прикатодной и прианодной облаborder: 0px none currentColor;стей называют катодным и анодным активными пятнами. Высокая температура катодного пятна — это непременное условие существования дугового разряда. Дуга, как и любой проводник тока, обладает электрическим сопротивлением, чем и обусловлено падение напряжения на промежутке между электродами, когда по этому промежутку проходит ток (когда горит дуга). Это падение напряжения называют напряжением дуги (С/д). Падение напряжения на единицу длины дуги неодинаково на различных участках дугового промежутка. В катодной области, протяженность которой всего около 10"5 см, сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением напряжения (UK). В анодной области около анодного пятна на участке, равном > длине свободного пробега электрона, также наблюдается резкое падение напряжения, называемое анодным (Ua). Столб дуги расположен между катодной и анодной областями. Атмосфера столба дуги представляет собой смесь электронов, ионов (в основном положительных), а также нейтральных атомов. Вещ/trество в таком состоянии называют align= плазмой. Столб дуги в целом электрически нейтрален: в каждом его сечении одновременно находятся равные количества заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги (./ст) пропорционально его длине. Катодное и анодное падение напряжения не зависят от расстояния между электродами, если это расстояние превышает суммарную длину этих областей. Таким образом, напряжение дуги может быть представлено выражением Ua = а + Ы, где а — сумма падения напряжения в прикатодной и прианодной областях, В; Ъ — падение напряжения на единицу длины столба дуги, В/мм; * /-длина столба дуги, мм (обычно в расчетах / принимают равной длине всего дугового промежутка, так как суммарная длина прикатодной и прианодной областей намного меньше длины столба дуги). При различных способах дуговой сварки падение напряжения на дуге составляет 9. 45 В. Между падением напряжения на дуге и силой тока дуги существует зависимость, которую называют статической вольтамперной характеристикой дуги (рис. 46). При увеличении силы тока от некоторого минимального для устойчивого дугового разряда значения падение напряжения на дуге достаточно резко уменьшается (зона 7 ), далее с увеличением силы тока падение напряжения сначала незначительно (зона 2), а затем интенсивно (зона 5) возрастает. Крутизна каждого участка и количественные значения силы тока и напряжения каждой зоны для различных способов дуговой сварки различны. Однако для любого способа сварки вольтамперная характеристика дуги чувствительна к изменению длины дугового промежутка: при увеличении длины дуги она смещается вверх, при уменьшении — вниз, характер кривой при этом не изменяется. Таким образом, каждой вольтамперной характеристике соответствует определенная неизменная длина дугового промежутка. В ряде случаев при механизированной сварке плавящимся электродом удобнее пользоваться статической вольтамперной характеристикой дуги, снятой не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 47). Из рисунка видно, что каждой скорости подачи электродной проволоки соответствует очень небольшой диапазон токов, в котором происходит устойчивое горение дуги. При этом очень небольшое изменение силы сварочного тока вызывает значительное изменение напряжения дуги. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замыканию электрода на изделие, аtext/javascript src= слишком большой — к резкому возрастанию напряжения дуги и к ее обрыву. Сварочные дуги, используемые в технологических процессах сварки, классифицируют по ряду признаков. По составу материала электрода различают дугу с плавящимся и неплавящимся электродом; по степени сжатия столба — свободную и сжатую дугу; по роду тока дугу постоянного и дугу переменного тока; по полярности постоянного тока — дугу прямой полярности ("-" источника питания дуги подключен к электроду, "+" — к изделию) и обратной полярности ("+" — на электроде, — на изделии); на переменном токе различают дуги однофазную и трехфазную.