Температура и другие важные характеристики сварочной дуги

Электрическая дуга: сила разряда в действии

Наш сайт сварак.ру публикует сатью по данной теме. Впервые явление вольтовой дуги наблюдал русский академик Петров, получив искровой разряд.

Вольтова дуга характеризуется двумя свойствами:

• выделением большого количества теплоты
•  сильным лучеиспусканием.

И то и другое свойство электрической дуги использовано в технике.

Для сварочной техники первое свойство является- положи-тельным фактором, второе — отрицательным.

В качестве электропроводов для электрического разряда могут служить любые электропроводные материалы. Чаще всего в качестве проводников употребляют угольные и графитные стержни круглого сечения (дуговые фонари).

Типичный вариант между двумя углями изображена на рисунке.

Верхний электрод присоединен к положительному полюсу машины (анод). Второй уголь соединен с отрицательным полюсом (катод).

Электрическая сварочная дуга

Температура электрической дуги, ее воздействие .

Выделение теплоты неодинаково в различных точках дуги. У положительного электрода выделяется  43%  всего количества, у отрицательного 36% и в самой дуге (между электродами) остальные 21%.

Схема зон и их температуры в сварочной дуге

В связи с этим и температура на электродах неодинакова. Анод имеет около 4000° С, а катод 3400°. В среднем считают температуру электрической дуги 3500° С.

Благодаря различной температуре на полюсах вольтовой дуги угольные проводники

берутся различной толщины. Положительный уголь берется толще, отрицательный —

Окружающий его зеленоватый ореол является  местом химических реакций, происходящих между парами вещества электродов и атмосферой, в которой горит вольтова дуга.

Процесс возникновения сварочной дуги

Возникновение электрической дуги

Процесс образования вольтовой дуги представляется в следующем виде. В момент соприкосновения электродов проходящий ток выделяет большое количество тепла в месте стыка, так как здесь имеется большое электрическое сопротивление (закон Джоуля).

Благодаря этому концы проводников раскаляются до светлого накала, и после разъединения электродов катод начинает испускать электроны, которые, пролетая через воздушный промежуток между электродами, расщепляют молекулы воздуха на положительно и отрицательно заряженные частички (катионы и» а н и о н ы).

В сварочной технике наибольшее применение имеет разряд между металлическими электродами, причем одним электродом являйся металлический стержень, который в то же время служит и присадочным материалом, а вторым электродом является сама свариваемая деталь.

Процесс остается тот же, что и в случае угольных электродов, но здесь появляется новый фактор. Если в угольной дуге проводники постепенно испарялись (сгорали), то в металлической дуге электроды весьма интенсивно плавятся и частично испаряются. Благодаря наличию металлических паров между электродами сопротивление (электрическое) металлической дуги ниже, чем угольной.

Длина дуги, кратер, провар.

Сам процесс дуговой электросварки протекает следующим образом.

Как только мы коснемся находящимся под напряжением электродом изделия и тотчас же отведем его на некоторое расстояние, образуется вольтова дуга и сейчас же начинается плавление основного металла и металла проводника.

Следовательно, конец электрода все время находится в расплавленном состоянии, и жидкий металл с него в виде капель переходит на свариваемый шов, где металл электрода смешивается с расплавленным металлом свариваемого изделия.

Хотя вольтова дуга и развивает очень высокую температуру, выделение тепла ею производится на очень небольшом пространстве как раз под дугой.

Схема длинны дуги

Получается такое впечатление, что это углубление образовано как бы выдуванием жидкого металла дугой. Это углубление называется сварочной ванной.

Она окружена металлом, нагретым до белого каления, причем температура нагрева области, прилегающей, быстро падает до красного цвета и уже на небольшом расстоянии, величина которой колеблется в зависимости от диаметра электрода и силы тока, температура сравнивается с температурой самого свариваемого предмета.

Хорошая и плохая сварочная дуга, как отличить? Полезные советы

Расстояние между концом электрода и дном ванны, т. е. поверхностью расплавленного  металла, называется длиной дуги. Эта величина имеет очень большое значение в технике сварки. Для получения хорошей сварки необходимо длину дуги брать как можно меньше, т. е. держать дугу короче, причем длина ее не должна превосходить 3—4 мм.

Конечно, длина дуги не является величиной постоянной, так как конец электрода все время плавится и, следовательно, расстояние между ним и кратером увеличивалось бы; если бы электрод держать неподвижно до тех пор, пока связь не оборвалась.

Поэтому при сварке необходимо все время электрод приближать по мере его плавления к основному металлу, чтобы поддержать длину дуги приблизительно постоянной в пределах 2—4 мм.

Необходимость поддержать короткую дугу (т. е.

не длиннее 3—4 мм) вызывается тем, что расплавленный металл электрода поглощает при своем переходе с электрода в кратер кислород и азот из окружающего дугу воздуха, что ухудшает его механические качества (относительное удлинение и сопротивление удару). Понятно, что вредное действие воздуха будет  тем меньше, чем меньше времени жидкий металл будет проходить через воздух.

Короткая:

При короткой дуге это время будет меньше, чем при длинной и, следовательно, металл электрода не успеет поглотить столько кислорода и азота, сколько  могли бы, проходя большой путь из-за длинной дуги.

Так как стремление каждого сварщика должно всегда заключаться в том, чтобы получить наилучший по своим качествам шов, то поэтому подержанно короткой дуги является Обязательным условием хорошей сварки.

Короткую дугу можно отличить не только по виду, но также и по слуху,  так как короткая дуга издает характерное сухое потрескивание, напоминающее по звуку треск масла, вылитого на раскаленную сковороду. Этот звук короткой дуги каждый сварщик должен хорошо знать.

Длинная:

При длинной дуге (т. е. при длине больше 4 мм) мы никогда не получим хорошего шва. Не говоря уже о том, что при длинной дуге будет происходить сильное окисление металла шва, сам шов также имеет очень неровный вид.

Происходит это оттого, что длинный разряд является менее устойчивым, чем короткий, искра  имеет стремление как бы блуждать и отклоняться в стороны от места сварки, вследствие чего нагрев от нее создается не такой, как при короткой  дуге, а распространяется на большую площадь.

Благодаря этому тепло, излучаемое дугой, не все идет на расплавление металла в месте сварки, а рассеивается частично напрасно  по большой поверхности.

По внешнему виду всегда можно сразу отличить шов,  сваренной короткой или длинной дугой. Правильно проваренный короткой дугой шов имеет правильные очертания, гладкую выпуклую поверхность и чистый, блестящий вид. Шов, сваренный длинной дугой, имеет неровный бесформенный вид и окружен многочисленными каплями и брызгами застывшего металла с электрода. Такой шов, конечно, совершенно негоден.

Защита от электрической дуги

Примеры защитных костюмов против электрической дуги

Если сварочные аппараты применяют дугу, то многие другие аппараты и кроме того человек должен ее избегать. Риск появления дуги на оборудовании зависит от не скольких параграфов:

• частотностью использования оборудования работником;
• опыт и знаниями работников имеющих дело с аппаратной частью
• уровень износа оборудования;

Если на человеке нет необходимого индивидуально-защитного костюма и он попадает в зону действия электрической дуги, шансы выжить довольно резко уменьшаются. Возможность получить  тяжелые ожоги крайне высока.

Таблица

Таблица: степень воздействия электрической дуги

Какие возможности защиты от эл. Дуги?

1. соблюдайте все необходимые правила и нормы безопасности;
2. в случае длительного использования защитного материала, частых стирок, костюм не должен ухудшаться; (все зависит от модели);
3. ткань  должна иметь максимум 2 секунды остаточного возгорания;
4. вы должны надевать специальную обувь, обладающих антистатическим действием а также иметь костюм для защиты от электрической дуги.

Источник: http://svarak.ru/osnovyi-svarki/elektricheskaya-duga-sila-razryada-deystvii/

Электрическая дуга

Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла.

Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги.

С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров.

Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е.

Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной.

Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов.

Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей.

Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается.

В момент разрыва перемычки происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется ионами и электронами возникающими при этом.

Благодаря тому, что к электроду и изделию приложено напряжение электроны и ионы начинают двигаться: электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду, и таким образом возбуждается сварочная дуга.

После возбуждения дуги концентрация свободных электронов и положительных ионов в дуговом промежутке продолжает увеличиваться, так как электроны на своем пути сталкиваются с атомами и молекулами и «выбивают» из них еще больше электронов (при этом атомы, потерявшие один и более электронов, становятся положительно заряженными ионами). Происходит интенсивная ионизация газа дугового промежутка и дуга приобретает характер устойчивого дугового разряда.

Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла.

И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну.

Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой.

Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт.

Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм.

Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона).

Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной).

Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно.

Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной.

Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду).

В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде.

Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева).

При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга.

Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном).

Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию.

Строение дуги
Lк — катодная область; Lа — анодная область (Lа = Lк = 10-5-10-3см); Lст — столб дуги; Lд — длина дуги; Lд = Lк + Lа + Lст

К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию.

Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).

Влияние на дугу магнитных полей

При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками:

— столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения; — дуга горит неустойчиво, часто обрывается;

— изменяется звук горения дуги — появляются хлопки.

Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами.

Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.

В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода.

Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела.

Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах.

Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:

— выполнением сварки короткой дугой; — наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;

— подведением токоподвода ближе к дуге.

Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше.

Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду.

Источник: http://weldering.com/elektricheskaya-duga

Сварочная дуга и ее характеристики

Сварочная дуга по своей сути представляет электрический разряд в среде различных газов. Газ не является проводником электричества, однако при большой разнице потенциалов в нем образуется множество заряженных частиц: с отрицательным зарядом – свободные электроны, с положительным – ионы газа.

Сварочная дуга, состоящая из электронов, нейтральных атомов и ионов, имеет различную температуру по своей протяженности. Условно сварочную дугу можно поделить на несколько областей. Область около сварочного электрода называется катодной.

Температура дуги в ней приблизительно равна 24000С. В середине столба дуги – 5500 0С и выше. В анодной области, находящейся вблизи свариваемой поверхности, достигает 2600 0С.

В результате влияния массопереноса металла электрода и теплоты дуги, температура сварочной ванны достигает 2000 0С.

Влияние различных параметров на стабильность сварочной дуги

Сварочная дуга считается стабильной в том случае, когда происходит непрерывный процесс её образования между электродом и свариваемой поверхностью деталей.

Критерии, определяющие устойчивость горения дуги.

1. Величина сварочного тока.
2. Полярность.
3. Вид тока (постоянный, переменный).
4. Частота тока.
5. Материал электрода, включая материал обмазки.
6. Наличие защитной среды.

Совокупность этих факторов является определяющей для стабильности сварочной дуги. Также непременным условием считается оптимальное расстояние между сварочным электродом и свариваемой поверхностью. Для ручной дуговой сварки расстояние, обеспечивающее стабильное горение дуги, принимается равным от 0,5 до 1,1 диаметра электрода.

В настоящее время применение новых инверторных источников сварочного тока дает возможность нивелировать отклонение от оптимального расстояния, благодаря механизму обратной связи. В результате этого достигаются оптимальные динамические вольтамперные характеристики, позволяющие изменять напряжение и силу тока в соответствии с длиной дуги в докритических пределах.

Зависимость качества сварного шва от длины дуги

Оптимальной для процесса сварки считается короткая дуга. При этом высока ее стабильность, меньше контакт металла с воздухом в процессе массопереноса от электрода к поверхности деталей. К тому же время прохождения через высокотемпературную область дуги невысоко и в результате этого в сварочной ванне уменьшается пористость.

При длинной дуге переносимый расплавленный металл электрода намного более подвержен отрицательному влиянию окружающей среды, происходит азотирование металла и связывание его отдельных частиц с ионами кислорода, то есть, окисление. Также нужно отметить, что длинная дуга характеризуется нестабильностью. То есть, в процессе сварки происходит кратковременное прерывание процесса образования дуги. Это отрицательно влияет на качество сварного соединения.

Эффект магнитного дутья

Данный процесс возникает при большой величине сварочного тока, как правило, превышающей 150А. Так как при дуговой сварке образуется электромагнитное поле, то при его неравномерности образуется отклонение столба дуги. Такое отклонение называется магнитным дутьем. Оно отрицательно влияет на качество сварного соединения.

На равномерность магнитного поля влияет форма и расположение свариваемых поверхностей, место подключения контакта к деталям, наличие больших масс ферромагнетиков вблизи зоны сварки.

Снижение влияния магнитного поля на форму дуги может производиться путем переноса места контакта, компенсации несимметричности масс размещением дополнительных металлических плит. Также с этим явлением можно бороться наклоном электрода в сторону, противоположную отклонению дуги. При этом обеспечивается соосность электрода и сварочной дуги.

Источник: http://www.Smart2Tech.ru/svarochnaya-duga

Pereosnastka.ru

Сварочной дугой называется длительный электрический разряд между двумя электродами в ионизированной смеси газов и паров, характеризующийся высокой плотностью тока и малым напряжением.

Под электрическим разрядом понимают прохождение тока через газовую среду. Существует несколько форм или видов электрического разряда: дуговой, тлеющий, искровой, молния и др.

Один разряд отличается от другого длительностью, напряжением, силой тока и др.

В зависимости от схемы подвода сварочного тока, рода тока и других признаков различают следующие виды сварочных дуг: – дуга прямого действия (рис.

1, б), когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемый металл не включен в электрическую цепь; – дуга между двумя плавящимися электродами и свариваемым изделием при питании переменным трехфазным током (рис. 1, в);

– сжатая дуга (рис. 1, г) и др.

Рис. 12. Схемы сварочных дуг: а — прямого действия, б — косвенного действия, в— прямого действия двумя электродами при трехфазном токе, г — сжатая дуга

Условия горения сварочной дуги. В обычных условиях газы не проводят электрического тока.

Ионы в газовом промежутке между электродами образуются в результате потери или присоединения к атомам электронов, а электроны испускаются сильно нагретым катодом.

Процесс образования электрически заряженных частиц в междуэлектродном пространстве называется ионизацией, а энергия, затраченная на отрыв электрона от атома, следовательно, и на образование положительного иона,— работой ионизации.

Эта работа выражается в электрон-вольтах (эВ) и называется потенциалом ионизации. Для отрыва электрона от атома требуется сообщить ему значительную скорость.

Величины потенциалов ионизации и возбуждения зависят от природы атома и колеблются от 3,9 до 24,5 эВ. Наименьшими потенциалами ионизации обладают щелочноземельные металлы (калий, кальций) и их соединения.

Элементы, обладающие малыми потенциалами ионизации и возбуждения, вводят в состав электродных покрытий, так как они способствуют устойчивому горению дуги. Это первое условие устойчивого горения дуги.

Второе условие — напряжение холостого хода источника питания должно быть больше напряжения дуги.

Третье условие горения дуги — поддержание постоянной температуры нагрева катода. Эта температура зависит от материала катода, состава газового промежутка между электродами, диаметра электрода и температуры окружающей среды.

Строение сварочной дуги. Сварочная дуга состоит из катодной области, столба дуги и анодной области.

Рис. 2. Схема строения сварочной дуги: 1 — катодная область, 2 — столб дуги, 3 — анодная область

Рис. 3. Падения напряжения в дуге: U Uс и Ua —падения напряжений в катодной области, в столбе дуги и анодной области. Uд —напряжение дуги, Кп и оп —диаметр катодного и анодного пятен: 1 и 2 — высота при-электродных областей, 3 и 4 — высота катодной и анодной областей

Катодная область распространяется на участок электродного материала и на приэлектродную часть дуги.

Выход первичных электронов объясняется несколькими факторами: термической эмиссией (испусканием) электронов, автоэлектронной эмиссией и ионизацией на катоде.

Термическая эмиссия электронов заключается в нагреве поверхности электрода до высокой температуры, при которой связь электрона с ядром атома ослабевает и под влиянием электростатического притяжения он отрывается с поверхности катода и с большой скоростью устремляется к аноду. С увеличением температуры нагрева электрода число вырываемых электронов увеличивается.

Автоэлектронная эмиссия состоит в том, что под влиянием высокой напряженности электрического поля с катода вырываются первичные электроны и летят к аноду. С увеличением разности потенциалов между электродами выход с катода первичных электронов возрастает.

https://www.youtube.com/watch?v=LFZO_g1QZyU

Ионизация на катоде происходит в результате соударений с электронами положительных ионов, которые образуются при ионизации в столбе дуги и летят к катоду. Ионизация также происходит в результате излучения (так называемая фотоионизация).

В столбе дуги происходит образование вторичных электронов, а также положительных ионов. Электроны устремляются к аноду, поддерживая ионизацию в анодной области.

Положительные ионы движутся к катоду, выбивают из него электроны; при этом часть положительных ионов, соединяясь с электронами, образует нейтральные атомы. Процесс образования нейтральных атомов называется рекомбинацией.

Вследствие рекомбинации уравновешиваются процессы исчезновения и образования заряженных частиц в дуге и степень ионизации нагретого газа остается неизменной.

Анодная область дуги состоит из анодного пятна и приэлек-тродной части. Анодное пятно подвергается бомбардировке потоком электронов, перемещающихся от катода, и электронов, образовавшихся при ионизации в столбе дуги. В результате бомбардировки анода возникают ионы. От сильной бомбардировки анодная область всегда имеет форму вогнутой сферы (чаши), которая называется кратером.

Особенности сварочной дуги.

Сварочная дуга по сравнению с другими электрическими разрядами имеет следующие особенности: 1. Неравномерное распределение электрического поля в междуэлектродном пространстве.

Вблизи электродов создаются резкие изменения потенциала — это катодное и анодное паденпя напряжения, причем катодное падение напряжения (порядка 10 В) обычно значительно больше анодного.

3. Высокая температура дуги. Наибольшая температура достигается в столбе дуги, наименьшая — на поверхности катода и анода. Температура на поверхности катода и анода достигает температуры испарения электродов независимо от вида дуговой сварки. Например, при сварке стали на прямой полярности угольным электродом температура катода может достигать температуры кипения углерода, т. е. ~ 3700° С.

Обычно величина эффективного ионизационного потенциала близка по величине к наименьшему ионизационному потенциалу одного из компонентов, участвующих в смеси дугового газа.

Особенно сильно возрастает температура столба дуги при его сжатии.

4. Возможность получения различных статических вольтамперных характеристик. Статической вольт-амперной характеристикой дуги называют зависимость падения напряжения в дуге от силы тока при постоянной длине дуги (установившемся горении). Дуга, применяющаяся в сварочной технике, может иметь падающую, жесткую и возрастающую характеристики в зависимости от условий сварки.

Падающий участок характерен для маломощной дуги, при сварочном токе менее 50 А и плотности тока на электроде 10—12 А/мм2. Жесткая характеристика соответствует сварочным токам 50—1000 А и плотностям тока на электроде от 12 до 80 А/мм2. Возрастающая характеристика дуги наблюдается при сварке тонкой сварочной проволокой с плотностями тока на электроде более 80 А/мм2.

Нагрев изделия и эффективный коэффициент полезного действия дуги. Количество тепла, вводимое дугой в свариваемое изделие в единицу времени, называют эффективной тепловой мощностью дуги qu.

Рис. 4. Статические вольт-амперные характеристики дуги: 1 — падающая, 2 — жесткая, 3 — возрастающая

Реклама:

Источник: http://pereosnastka.ru/articles/osnovnye-svedeniya-o-svarochnoi-duge

Условия зажигания и горения дуги | Сварка металлов

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.

Напряжение холостого тока, подводимое к электродам, с учетом безопасности труда при сварке не превышает 80 В на переменном токе и 90 В на постоянном токе. Обычно напряжение зажигания дуги больше по величине напряжения горения дуги на переменном токе в 1,2 -2,5 раза, а на постоянном токе — в 1,2-1,4 раза.

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

Первое условие

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.

Второе условие

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 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.

Третье условие

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.

Четвертое условие

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: http://www.svarkametallov.ru/content/usloviya-zazhiganiya-i-goreniya-dugi

Характеристики сварочной дуги — Страница 29

ПодробностиОпубликовано 25.05.2012 16:20Просмотров: 27095

Страница 29 из 30

При любом способе сварки напряжение дуги находится в определенной зависимости от сварочного тока при постоянной длине сварочной дуги. За длину дуги принимают длину столба дуги, пренебрегая при этом малой протяженностью приэлектродных областей. Зависимость напряжения дуги от сварочного тока при постоянной длине

дуги называют статической вольт — амперной характеристикой, т. е. С/д = /(/со) при /fl = const. Эта зависимость хорошо согласуется с внешней характеристикой источника питания, показывающей зависимость выходного напряжения источника питания от сварочного тока, т. е. Uaых = Si (/св.)

Сварочная дуга является нелинейным участком сварочного контура, поэтому для описания ее статической вольтамперной характеристики используют дифференциальное сопротивление, численно равное отношению бесконечно малого приращения напряжения дуги к бесконечно малому приращению сварочного тока.

В зависимости от значения дифференциального сопротивления при прочих равных условиях различают три типа статических вольтамперных характеристик (рис. 2): падающая, жесткая и возрастающая.

Снижение напряжения дуги при увеличении сварочного тока объясняется тем, что сумма падений напряжений в приэлектродных областях катода и анода не зависит от сварочного тока и определяется падением напряжения в столбе дуги.

В сварочной дуге, свободно горящей в воздухе, с увеличением сварочного тока более интенсивно протекает ионизация, возрастает проводимость столба дуги и увеличивается площадь его поперечного сечения.

В сварочной дуге, свободно горящей в среде аргона, рост проводимости столба дуги сопровождается интенсивно протекающей ионизацией защитного газа при повышении его температуры. На участке падающей вольтамперной характеристики дифференциальное сопротивление равно нулю.

Жесткую вольтамперную характеристику (рис. 2, б) имеют сварочные дуги при токах от 80 А и выше.

Напряжение дуги в этом случае определяется суммой падений напряжений в приэлектродных областях и в столбе дуги, площадь поперечного сечения которых пропорциональна увеличению сварочного тока, проводимость дугового промежутка при этом остается без изменения. На участке жесткой вольтамперной характеристики дифференциальное сопротивление равно нулю.

Возрастающую вольтамперную характеристику имеют сварочные дуги при токах от 300 А и выше. Напряжение дуги в этом случае

растет не за счет увеличения площади поперечного сечения активного пятна катода, которое занимает весь торец электрода, а вследствие увеличения концентрации зарядов в нем. Это приводит к  увеличению падения напряжения в приэлектродной области катода, которое является составной частью напряжения дуги.

При сварке под флюсом малыми диаметрами электродов и при больших сварочных токах вольтамперная характеристика дуги (рис. 2,6, штриховая линия).

При сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа и неплавящимся электродом в среде аргона сжатой дугой вольтамперная характеристика круто — возрастающая (рис. 2, в).

На участке возрастающей вольтамперной характеристики дифференциальное сопротивление больше нуля.

При описании сварочного процесса в реальном масштабе времени используют динамическую вольтамперную характеристику, которая показывает зависимость мгновенных значений напряжения дуги от сварочного тока.

Форма динамической вольтамперной характеристики определяется свойствами источника питания, от которых зависит устойчивость сварочного процесса при питании дуги как постоянным, так и переменным током.

При дуговой сварке происходит изменение длины сварочной дуги. Поэтому важное значение для устойчивого горения сварочной дуги имеет ее эластичность. Сварочная дуга считается эластичной, если при значительном увеличении длины дуги сварочный процесс является устойчивым.

Эластичность сварочной дуги зависит от сварочного тока, формы статической и динамической характеристик источника питания Увеличение сварочного тока приводит к увеличению эластичности дуги. Улучшение динамических свойств источника питания уменьшает время переходного процесса в сварочном контуре при различных возмущениях (изменение напряжения сети, сварочного тока и напряжения дуги).

Применение источников питания с полого падающей или жесткой внешней характеристикой при условии их согласования с жесткой и возрастающей вольтамперной характеристикой сварочной дуги для заданных параметров напряжения дуги и сварочного тока улучшает устойчивость горения сварочной дуги.

Вся электрическая мощность, без учета потерь, потребляемая сварочной дугой от источника питания, превращается в тепловую мощность. Тепловые процессы, происходящие при горении сварочной дуги, характеризуются основными параметрами — полной тепловой мощностью, действующей тепловой мощностью и КПД сварочной дуги.

Полная тепловая мощность сварочной дуги есть эквивалент электрической мощности, получаемой сварочной дугой от источника питания:

где Q — полная тепловая мощность сварочной дуги, Дж/с; д—-напряжение дуги, В; Iсв — сварочный ток, А.?

д. Тепловая мощность, расходуемая на непосредственный нагрев и плавление металла электрода и изделия, называется действующей тепловой мощностью сварочной дуги, где q — действующая тепловая мощность сварочной дуги, Дж/с; г — КПД сварочной дуги.

Откуда КПД сварочной дуги, для различных способов сварки КПД сварочной дуги имеет разное значение.

Источник: http://electrowelder.ru/index.php/duga.html?start=28

Физические и технологические свойства сварочной дуги

С в а р о ч н а я д у г а представляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной смеси газов, паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т. д.

Электрический дуговой разряд может быть постоянного, переменного или импульсного тока. В ряде современных сварочных процессов используют модуляцию (амплитудную, частотную или фазовую) тока дуги.

Классификация сварочных дуг наиболее часто производится: по подключению к источнику питания, по применяемым электродам, по степени сжатия дуги, по полярности постоянного тока, по длине.

По применяемым электродам различают дугу с плавящимся или неплавящимся электродом (рис.2.6). В качестве плавящихся электродов используют металлическую проволоку, ленту, стержни. Неплавящиеся электроды – угольные или из тугоплавкого металла (вольфрамовые).

Рис. 2.6. Дуговые разряды при плавящемся (а) и неплавящемся (б) электродах
а	б

По подключению к источнику питания выделяют дуги прямого действия, косвенного действия и комбинированные.

Электрическая дуга прямого действия горит между электродом 1 и изделием 2 (рис.2.7, а). Такая дуга применяется при дуговой сварке покрытыми электродами, при сварке неплавящимся электродом в защитных газах и при сварке плавящимся электродом под флюсом или в защитных газах.

а

б

в

Рис. 2.7. Сварочная дуга прямого действия (а), косвенного действия (б)

и комбинированная (в)

В сварочной дуге косвенного действия электрический разряд происходит между электродами 1 (рис. 2.7, б). Изделие 2 в электрическую цепь не включено. Это позволяет производить сварку и термическую резку неметаллических материалов. Для металлов дугу косвенного действия используют в специальных способах сварки.

Комбинированная дуга, в случае питания трехфазным током, представляет собой два дуговых разряда между электродами 1 и изделием 2 и третий – между электродами (рис.2.7, в). Комбинированная дуга используется в высокопроизводительных способах сварки под флюсом.

По полярности постоянного тока выделяют дуговые разряды прямой и обратной полярности (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Прямая (а) и обратная (б) полярности при сварке на постоянном токе
а	б

Для облегчения запоминания схем, представленных на рис.2.8, можно использовать следующую фразу: «Сварочный электрод – «прямой», похож на «минус», и если на электроде отрицательный потенциал, то сварка ведется на прямой полярности».

По степени сжатия дуги различают свободную и сжатую сварочные дуги (рис.2.9). Сжатие сварочной дуги осуществляют потоком газа в узком канале (рис.2.9, а). Сжатая дуга (прямого или косвенного действия) обеспечивает более высокий и концентрированный нагрев, чем свободная, и используется при плазменной сварке и резке.

Рис. 2.9. Свободная (а) и сжатая (б) сварочные дуги
а	б

По длине дугового разряда сварочные дуги делят на короткие (2 – 4 мм), нормальные (4 – 6 мм) и длинные (свыше 6 мм).

Возбуждение дуги осуществляется контактным (разведением короткозамкнутых электродов, промежуточной вставкой и т.д.) или бесконтактным (импульсом высоковольтного высокочастотного напряжения) методами.

Возбуждение дуги после короткого замыкания электродов связано со следующими явлениями. Короткозамкнутые электроды (электрод и изделие) контактируют по микровыступам на соприкасающихся поверхностях.

Проходящий через электроды электрический ток вызывает расплавление и испарение контактных мостиков. Основания испарившихся микровыступов, нагретые до температуры кипения, служат источниками термоэлектронной эмиссии.

При последующем удалении конца электрода с поверхности изделия (на расстояние 2 – 4 мм) поток электронов, обусловленный в основном термоэлектронной эмиссией, вызывает ионизацию газа в межэлектродном пространстве. Возникает дуговой разряд.

Во время горения дуги электропроводность газа увеличивается за счет паров металла электродов, нагрева газа, автоэлектронной эмиссии (эмиссии электронов под действием электрического поля) и других процессов.

Возбуждение дуги импульсом высоковольтного высокочастотного напряжения проходит через стадии лавинного и тлеющего разрядов, переходящих по мере роста тока в дуговой разряд. Высоковольтное высокочастотное напряжение, используемое для поджига сварочной дуги, создается специальными устройствами – осцилляторами.

Строение сварочной дуги.В сварочной дуге выделяют катодную и анодную приэлектродные области и дуговой промежуток между приэлектродными областями – с т о л б д у г и. Участки электродов, через которые проходит основной ток дуги, называются к а т о д н ы м и а н о д н ы м п я т н а м и (рис.2.10, а).

Рис. 2.10. Строение сварочной дуги (а) и падение напряжения U по оси дугового разряда X (б)

Катодная область имеет протяженность lк ~ 10–2 мм для неплавящегося (вольфрамового) катода и около 10–4 мм для плавящегося. Из катодного пятна происходит эмиссия электронов, которые, ускоряясь электрическим полем в прикатодной области, попадают в столб дуги. Из столба дуги к катодному пятну движутся положительные ионы.

Они создают объемный положительный электрический заряд, что обусловливает наличие катодного падения напряжения Uк (рис.2.10, б). Для тугоплавкого катода (вольфрамового) Uк = 1 … 4 В, а для плавящегося Uк = 6 … 21 В.

Величина Uк изменяется в зависимости от тока дуги, материала катода, состава атмосферы дуги и т.д.

Анодная область имеет протяженность, примерно равную длине свободного пробега электрона (lа ~ 10–3 мм). В ней образуется объемный отрицательный заряд, вызывающий резкое падение напряжения, называемое анодным Ua. Электроны, проходя анодную область, резко увеличивают скорость своего движения и, попадая на анодное пятно, тормозятся и нейтрализуются.

При этом поверхностные слои электрода в анодном пятне разогреваются до температуры кипения материала анода. Для неплавящегося (вольфрамового) анода Ua = 5 … 7 В, а для плавящегося Ua = 5 … 9 В.

Анод и анодная зона не являются источниками заряженных частиц в дугу и по этой причине слабо влияют на параметры дугового разряда по сравнению с катодной зоной и катодом.

Плазма столба дуги представляет собой смесь электронов, положительных ионов и нейтральных атомов. Падение напряжения в столбе дуги Uст линейно изменяется по длине дугового промежутка. Столб дуги можно считать электрически нейтральным. В каждом выделенном сечении столба дуги одновременно находятся примерно равные количества заряженных частиц противоположных знаков.

Таблица 2.2

Температура столба дуги при различных способах сварки сталей

Способ сварки	Tст, К
Сварка покрытыми электродами	5000 – 7000
Сварка под флюсом	6000 – 7500
Сварка в углекислом газе	8000 – 9000
Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом	10000 – 18000
Плазменная сварка (сварка сжатой дугой) с аргоном в качестве плазмообразующего газа	11000 – 24000
Сварка неплавящимся электродом в среде гелия	18000 – 25000

Длина дуги составляет. Напряжение на дуге. Для наиболее распространенных способов дуговой сварки в большинстве случаев lд = 2 … 8 мм, Uд = 10 … 40 В.

Дуга – нелинейный элемент электрической цепи, у которого отсутствует пропорциональная зависимость между током и напряжением. Зависимость между установившимися значениями напряжения Uд и тока Iсв при постоянной длине дуги называют с т а т и ч е с к о й в о л ь т — а м п е р н о й х а р а к т е р и с т и к о й д у г и.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги имеет три характерные области (рис.2.11).

При малых значениях силы тока (участок I) возрастание тока вызывает увеличение площадей анодного и катодного пятен и рост числа заряженных частиц в межэлектродном промежутке. В результате сопротивление дуги снижается и напряжение на дуге уменьшается. Вольт-амперная характеристика дуги на участке I является крутопадающей.

Рис. 2.11. Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги

В горизонтальной области ВАХ (участок II – жесткая характеристика) площади активных пятен и столба дуги продолжают расти пропорционально току, а падения напряжения в приэлектродных областях и столбе дуги остаются практически постоянными и не зависят от тока.

Участки ВАХ I и II используются во всем диапазоне режимов сварки покрытыми электродами, неплавящимся электродом и под флюсом.

На участке III происходит интенсивное сжатие столба дуги и ВАХ становиться возрастающей. Данный участок ВАХ характерен для сварки плавящимся электродом в защитных газах и на форсированных режимах под флюсом.

Стабильное горение дуги обеспечивается при соответствии ВАХ дуги и внешней вольт-амперной характеристики источника питания.

Различают источники питания сварочной дуги с крутопадающей, пологопадающей, жесткой и возрастающей вольт-амперными характеристиками (рис.2.12).

Рис. 2.12. Внешние вольт-амперные характеристики источников питания сварочной дуги

При условии правильного соответствия (табл.2.3) в точке пересечения ВАХ дуги и источника питания выполняются условия:,,, где Rу – общее динамическое сопротивление дуги и источника питания; Uд, Uи – напряжение дуги и источника питания в установившемся режиме; Iд, Iи – ток дуги и источника питания в установившемся режиме.

Таблица 2.3

Соответствие источника питания

вольт-амперной характеристике сварочной дуги

ВАХ дуги	Внешняя ВАХ источника питания
Крутопадающая	Пологопадающая	Жесткая	Возрастающая
Падающая	+++	+++	–	–
Жесткая	+++	+++	–	–
Возрастающая	–	–	+++	+++

П р и м е ч а н и е: +++ – соответствует; – – не соответствует

М а г н и т н ы м д у т ь е м называют отклонения дуги от нормального положения во внешнем магнитном поле. Магнитное дутье обусловлено взаимодействием собственного магнитного поля дуги с магнитным полем сварочного контура или с ферромагнитными массами (рис.2.13).

Рис. 2.13. Магнитное дутье, обусловленное действием на дугу ферромагнитных масс (массивных стальных деталей)

Ориентация магнитного поля сварочного контура во многом определяется расположением места токоподвода к изделию, что обусловливает наличие (рис.2.14, а, б) или отсутствие (рис.2.14, в) магнитного дутья.

а

б

в

Рис. 2.14. Отклонения дуги при неправильно выбранном месте

токоподвода к изделию (а, б) и нормальное положение сварочной дуги (в)

При сварке наклонным электродом чем больше угол наклона, тем сильнее дуга выдувается в сторону, противоположную от наклона электрода (рис.2.15).

Рис. 2.15. Магнитное дутье при сварке наклонным электродом

При сварке на переменном или пульсирующем токе магнитное дутье выражено значительно более слабо, чем при сварке на постоянном токе.

Для предотвращения магнитного дутья применяют сварку короткой дугой; осуществляют подвод сварочного тока к изделию в точке, максимально близкой к дуге; регулируют наклон электрода; размещают у места сварки компенсирующие ферромагнитные массы (рис. 2.16); используют в качестве источников питания сварочной дуги трансформаторы (сварка на переменном токе) или инверторные источники питания (сварка на постоянном токе, имеющем высокочастотные пульсации).

Рис. 2.16. Использование компенсирующей ферромагнитной массы (1) для предотвращения магнитного дутья

Вопросы для самоконтроля

1. Как классифицируют сварочные дуги?

2. Дайте характеристику методов возбуждения дуги.

3. Приведите основные параметры областей дугового промежутка.

4. Как соответствуют различные участки статической вольт-амперной характеристики дуги внешним вольт-амперным характеристикам источников питания и чем обусловлено данное соответствие?

5. Предложите практические мероприятия по уменьшению или предотвращению магнитного дутья.

Источник: https://cyberpedia.su/14xb6eb.html