Все о сварке

Сварочная дуга и ее свойства


Pereosnastka.ru

Электрическая дуга и ее свойства

Категория:

Сборка металлоконструкций

Электрическая дуга и ее свойства

Электрическая дуга представляет собой длительный электрический разряд, происходящий в газовом промежутке между двумя проводниками — электродом и свариваемым металлом при значительной силе тока. Непрерывно возникающая под действием стремительного потока положительных и отрицательных ионов и электронов в дуге ионизация воздушной прослойки создает необходимые условия для продолжительного устойчивого горения сварочной дуги.

Рис. 1. Электрическая дуга между металлическим электродом и свариваемым металлом: а — схема дуги, б — график напряжений дуги длиной 4 мм; 1 — электрод, 2 — ореол пламени, 3 — столб дуги, 4 — свариваемый металл, 5 — анодное пятно, 6 — расплавленная ванна, 7 — кратер, 8 — катодное пятно; h — глубина проплавления в дуге, А — момент зажигания дуги, Б — момент устойчивого горения

Дуга состоит из столба, основание которого находится в углублении (кратере), образующемся на поверхности расплавленной ванны. Дуга окружена ореолом пламени, образуемым парами и газами, поступающими из столба дуги. Столб имеет форму конуса и является основной частью дуги, так как в нем сосредоточивается основное количество энергии, соответствующее наибольшей плотности проходящего через дугу электрического тока. Верхняя часть столба, расположенная на электроде 1 (катоде), имеет небольшой диаметр и образует катодное пятно 8. Через катодное пятно излучается наибольшее количество электродов. Основание конуса столба дуги расположено на свариваемом металле (аноде) и образует анодное пятно. Диаметр анодного пятна при средних значениях сварочного тока больше диаметра катодного пятна примерно в 1,5 … 2 раза.

Для сварки применяют постоянный и переменный ток. При использовании постоянного тока минус источника тока подключают к электроду (прямая полярность) или к свариваемому изделию “”{обратная полярность). Обратную полярность применяют в тех случаях, когда нужно уменьшить выделение теплоты на свариваемом изделии: при сварке тонкого или легкоплавкого металла, чувствительных к перегреву легированных, нержавеющих и высокоуглеродистых сталей, а также при пользовании некоторыми видами электродов.

Выделяя большое количество теплоты и имея высокую темпе-оатуру. электрическая дуга вместе с тем дает очень сосредоточенный нагрев металла. Поэтому металл во время сварки остается сравнительно мало нагретым уже на расстоянии нескольких сантиметров от сварочной дуги.

Действием дуги металл расплавляется на некоторую глубину h называемую глубиной проплавления или проваром.

Возбуждение дуги происходит при приближении электрода к свариваемому металлу и замыкании им сварочной цепи накоротко. Благодаря высокому сопротивлению в точке соприкосновения электрода с металлом конец электрода быстро нагревается и начинает излучать поток электронов. Когда конец электрода быстро отводят от металла на расстояние 2…4 мм, возникает электрическая дуга.

Напряжение в дуге, т. е. напряжение между электродом и основным металлом, зависит в основном от ее длины. При одном и том же токе напряжение в короткой дуге ниже, чем в длинной. Это обусловлено тем, что при длинной дуге сопротивление ее газового промежутка больше. Возрастание же сопротивления в электрической цепи при постоянной силе тока требует увеличения напряжения в цепи. Чем выше сопротивление, тем выше должно быть и напряжение для того, чтобы обеспечить прохождение в цепи того же тока.

Дуга между металлическим электродом и металлом горит при напряжении 18… 28 В. Для возбуждения дуги требуется более высокое напряжение, чем то, которое необходимо для поддержания ее нормального горения. Это объясняется тем, что в начальный момент воздушный промежуток еще недостаточно нагрет и необходимо придать электронам большую скорость для расцепления молекул и атомов воздуха. Этого можно достичь только при более высоком напряжении в момент зажигания дуги.

График изменения тока I в дуге при ее зажигании и устойчивом горении (рис. 1, б) называется статической характеристикой дуги и соответствует установившемуся горению дуги. Точка А характеризует момент зажигания дуги. Напряжение дуги V быстро падает по кривой АБ до нормальной величины, соответствующей в точке Б устойчивому горению дуги. Дальнейшее увеличение тока (вправо от точки Б) увеличивает нагрев электрода и скорость его плавления, но не оказывает влияния на устойчивость горения дуги.

Устойчивой называется дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания. Если дуга горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, то такая дуга называется неустойчивой. Устойчивость дуги зависит от многих причин, основными из которых являются род тока, состав покрытия электрода, вид электрода, полярность и длина дуги.

При переменном токе дуга горит менее устойчиво, чем при постоянном. Это объясняется тем, что в тот момент, когда ток п, дает до нуля, ионизация дугового промежутка уменьшается и дуга может гаснуть. Чтобы повысить устойчивость дуги переменного тока, приходится наносить на металлический электрод ио-крытия. Пары элементов, входящих в покрытие, повышают ионизацию дугового промежутка и тем способствуют устойчивому горению дуги при переменном токе.

Длину дуги определяют расстоянием между торцом электрода и поверхностью расплавленного металла свариваемого изделия. Обычно нормальная длина дуги не должна превышать 3…4 мм для стального электрода. Такая дуга называется короткой. Короткая дуга горит устойчиво и при ней обеспечивается нормальное протекание процесса сварки. Дуга длиной больше 6 мм называется длинной. При ней процесс плавления металла электрода идет неравномерно. Стекающие с конца электрода капли металла в этом случае в большей степени могут окисляться кислородом и обогащаться азотом воздуха. Наплавленный металл получается пористым, шов имеет неровную поверхность, а дуга горит неустойчиво. При длинной дуге понижается производительность сварки, увеличивается разбрызгивание металла и количество мест непровара или неполного сплавления наплавленного металла с основным.

Перенос электродного металла на изделие при дуговой сварке плавящимся электродом является сложным процессом. После зажигания дуги (положение /) на поверхности торца электрода образуется слой расплавленного металла, который под действием сил тяжести и поверхностного натяжения собирается в каплю (положение //). Капли могут достигать больших размеров и перекрывать столб дуги (положение III), создавая на непродолжительное время короткое замыкание сварочной цепи, после чего образовавшийся мостик из жидкого металла разрывается, дуга возникает вновь, и процесс каплеобразования повторяется.

Размеры и количество капель, проходящих через дугу в единицу времени, зависят от полярности и силы тока, химического состава и физического состояния металла электрода, состава покрытия и ряда других условий. Крупные капли, достигающие 3…4 мм, обычно образуются при сварке непокрытыми электро-дами, мелкие капли (до 0,1 мм)—при сварке покрытыми электл родами и большой силе тока. Мелкокапельный процесс обеспечивает стабильность горения дуги и благоприятствует условиям переноса в дуге расплавленного металла электрода.

Рис. 2. Схема переноса металла с электрода на свариваемый металл

Рис. 3. Отклонение электрической дуги магнитными полями (а—ж)

Сила тяжести может способствовать или препятствовать переносу капель в дуге. При потолочной и частично при вертикальной сварке сила тяжести капли противодействует переносу ее на изделие. Но благодаря силе поверхностного натяжения жидкая ванна металла удерживается от вытекания при сварке в потолочном и вертикальном положениях.

Прохождение электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создает магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Газовый столб электрической дуги является гибким проводником электрического тока, поэтому он подвержен действию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре. В нормальных условиях газовый столб дуги, открыто горящей в атмосфере, расположен симметрично оси электрода. Под действием электромагнитных сил происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении, что по внешним признакам подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. Это явление называют магнитным дутьем.

Присоединение сварочного провода в непосредственной близости к дуге резко снижает ее отклонение, так как собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздействие на столб дуги. Подвод тока к изделию в отдалении от Дуги приведет к отклонению ее вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода.

Читать далее:

Процесс сварки металла

Статьи по теме:

pereosnastka.ru

Лекция№2 Свойства сварочной дуги

Лекция № 2

Физические явления, протекающие в сварочной дуге

Сварочная дуга представляет собой один из видов устойчи­вого электрического разряда через газовый промежуток, в котором на­ходится смесь нейтральных атомов, электронов и ионов. Этот разряд ха­рактеризуется высокими плотностью тока и температурой. Электрод, соединенный с отрицатель­ным зажимом источника, называется катодом, а электрод, соединенный с положительным зажимом — анодом. Под действием напряжения, имею­щегося между электродами, электроны и отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду. В дуговом разряде наблюдается неравномерное распределение электриче­ского поля в межэлектродном пространстве, состоящем из трех областей: катодной, анодной и столба дуги. Такая структура связана с тем, что столб дуги не может граничить непосредственно с металлом электродов, так как в большинстве случаев точка кипения последних значительно ниже температуры столба. В приэлектродных областях, соединяющих столб дуги с электродами, происходит постепенное снижение температуры и степени термической ионизации газа. На поверхности электродов часто наблюдаются пятна — катодное и анодное, на границе которых с соответ­ствующими областями дуги наблюдаются скачки потенциалов. Поэтому процессы образования заряженных частиц и переноса тока в этих обла­стях существенно отличаются от соответствующих процессов в столбе, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и анодной областях.

Катодная область. Большую роль в обеспечении проводимости дуго­вого промежутка играет поток эмитированных катодом электронов. Этот процесс обеспечивается как за счет нагрева поверхности катода (термо­электронная эмиссия), так и за счет создания у его поверхности электри­ческого поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). При термоэлектронной эмиссии электроны за счет нагрева приобретают необ­ходимый запас кинетической энергии для преодоления потенциального барьера, ограждающего поверхность катода. Эту энергию характеризу­ют работой выхода электрона UBЫX, величина которой для разных ме­таллов составляет от 2 до 5 В. При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов из катода, сообщается внешним электрическим полем, которое вытягивает их за пределы воздействия электростатического поля металла. Определенный вклад вносит и бом­бардировка катода движущимися частицами. Электроны, прошедшие барьер, ускоряются в поле катодного потенциала в сторону столба дуги и, отдавая свою кинетическую энергию в столкновениях с нейтральными атомами, поддерживают ионизацию и нагрев газа на гра­нице между столбом дуги и катодной областью. Внешнее электрическое поле положительных ионов, скопившихся в катодной области, умень­шает работу выхода электронов UBЫX на 1-2 В. Данное явление называ­ется эффектом Шоттки. Поскольку реальная работа выхода электронов UBЫXР и катодное падение напряжения UKАТ имеют разные знаки, то в об­щем случае потенциальный барьер для выхода электронов уменьшается, что может быть выражено так; UKАТ - UBЫXР. При малых размерах катод­ной области экспериментально можно определить именно эту величину, которая и принимается за катодное падение напряжения. Протяжен­ность lKАТ катодной области электрической дуги очень мала и составляет 10-4-10-3 мм. Величина катодного падения напряжения UKАТ лежит в пределах 5-20 В. Тогда градиент падения напряжения (UKАТ / lKАТ) равен 104-105 В/мм. Исследования показывают, что в катодной области доля электронного тока составляет около 60% от полного тока Iд, а плотность тока на стальном катоде близка к 25 А/мм2.

Анодная область. Анод не эмитирует положительно заряженных ио­нов, поэтому анодный ток обусловлен переносом к нему отрицательно заряженных частиц — электронов. В связи с этим вблизи анода образуется избыток отрицательных зарядов, в результате чего у поверх­ности анода возникает дополнительный потенциальный барьер, величина напряжения которого равна работе выхода электронов UBЫX. Электроны не могут выйти из анода и за счет энергии теплового движения, так как анодное падение напряжения Uан создает для них непреодолимый барьер. Общее значение потенциала в анодной области равно Uан + UBЫX. Электро­ны, выходящие из плазмы столба дуги и попадающие в анодную область, ускоряются в поле анодного падения потенциала и приобретают допол­нительную энергию, которой оказывается достаточно для ионизации ато­мов, сталкивающихся с электронами. Появившиеся ионы также ускоря­ются под действием анодного падения напряжения в сторону столба дуги и отдают плазме свою избыточную энергию посредством деионизации и соударений. Протяженность анодной области сопоставима с длиной сво­бодного пробега электрона и составляет около 10-3 мм. В зависимости от материала анода и типа ионизирующих присадок Uан ле­жит в пределах 2-10 В. Градиент напряжения имеет порядок 104 В/мм, т. е. ниже, чем в катодной области. Доля ионного тока в анодной области составляет около 20% от общего тока Iд , а плотность тока для стальных электродов в анодной области приблизительно равна 15 А/мм2.

Столб дуги. Эта часть дуги расположена между катодной и анодной областями и имеет длину, на несколько порядков превышающую размеры указанных областей, lст = 1-40 мм. Заряженные частицы поступают в столб дуги из катодной и анодной областей, а также возникают в нем за счет термической ионизации нейтральных частиц. Последний процесс играет подчиненную роль. Так, степень диссоциации в парах железа у сварочных дуг не превышает 4%, что свидетельствуете слабой ионизации плазмы столба дуги. В столбе электронная составляющая тока намного больше ионной. Падение напряжения в столбе UCT достигает 40 В, что обеспечивает градиент напряжения εст = 1-4 В/мм. При этом падение напряжения прямо пропорционально длине столба 1СТ. Плотность тока в столбе дуги со стальными электродами достигает 20 А/мм2.

Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравне­нию с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис. 2.1. Из приведенного графика следует, что падение напряжения на дуге для точных расчетов можно записать так:

При использовании экспериментальных данных зависи­мость упрощается:

Вся мощность, выделяемая в катодной области Ркат = Iд (UKАТ - UBЫXР), идет в катод на плавление, испарение и теплоотвод. Мощность тепловыделения на аноде вычисляется по соотношению Ран = 1д(Uан + UBЫX). Знание соотношения мощностей, выделяемых на ка­тоде и аноде, необходимо для выбора полярности дуги при сварке на по­стоянном токе. Для большинства покрытых электродов Ран больше РкаТ в 1,3-1,5 раза. Поэтому при ручной дуговой сварке для увеличения ско­рости плавления электрода используют обратную полярность (+ на элек­троде). Такая же полярность используется при механизированной свар­ке плавящимся электродом. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом для уменьшения его перегрева и износа применяют прямую полярность (– на электроде).

studfiles.net

Сварочная дуга – как же она работает?

x

Check Also

1 Ремонт болгарок не начнешь, не разобравшись в механизме Основных узлов в угловой шлифовальной машине всего три: это якорь, статор и редуктор. При этом якорь представляет собой вращающийся элемент, он ...

1 Выбор электролобзика – приобретаем инструмент самостоятельно Чтобы знать, какой электролобзик выбрать, стоит учесть, что хотя основным назначением этого «трудяги» является фигурное резание материалов до шестидесяти пяти миллиметров толщиной, он ...

1 Лобзик лазерный: основные характеристики Лобзик электрический с лазером не зря считается инструментом, имеющим большой круг применения. При помощи данного аппарата можно работать со многими материалами, среди которых стоит отметить: ...

1 Задачи и применение магнитной дрели Дрель на магнитной станине специально придумана для того, чтобы просверливать разнообразнейшие отверстия, нарезать резьбу, работать со спиральными и корончатыми сверлами, делать зенковку и развертку, ...

1 Виды машин для штукатурки На сегодняшний день, на рынке строительных материалов предлагается широкое разнообразие аппаратов и машин. Каждые из них имеют свои  характерные особенности и преимущества. К примеру, машина ...

1 Все начинается с планировки Перед работой необходимо составить планировку верстака с местами размещения на нем всех необходимых элементов. Первым делом надо продумать размещение тисков. Если вы правша, то они ...

1 Что такое теодолит? Применяется теодолит в строительстве, топографии, геодезии и во многих других областях, где точность очень важна. Как и название устройства, так и его применимость пока что нам ...

1 Сварочные работы аргоном – в чем принцип такой операции? Разновидность сваривания, которая проходит в среде газа аргона (защитного) с одновременным использованием электрической дуги в качестве источника нагрева, называется аргонодуговой. В этом ...

1 Сварочные очки – свойства и назначение Кроме химического на сетчатку глаза оказывает чрезвычайно неблагоприятное воздействие слишком яркий, неблагоприятный по спектральному составу, свет. Такое световое излучение может наблюдаться при обычной, ...

1 Реечный домкрат – краткий обзор устройства В повседневной жизни с домкратами мы сталкиваемся при замене колес на автомобиле. Как пользоваться реечным домкратом знают многие, но не все представляют, что ...

1 Знакомство со строительным феном Строительный фен может пригодиться там, где требуется изменить структуру материала под действием горячего воздуха. Он ничем не отличается от бытового фена, за исключением температуры вырабатываемого ...

1 Сделать бетономешалку самому – сложно ли это? Бетономешалка – это устройство, предназначенное для смешивания цемента, воды, песка и других наполнителей. Результатом такого смешивания становится бетон, используемый для заливки фундамента, ...

1 Как работать ручным фрезером – изучаем инструмент Существуют три типа инструмента: вертикальный, кромочный и комбинированный. Вертикальный еще называется погружным и применяется для всех типов фрезеровки. В таком фрезере двигатель ...

1 Общие сведения Дрели пневматические – это инструменты, которые используются для сверления на линиях конвейера в разных сферах промышленности. Их разделяют по мощности, исполнению, наличию реверса и максимально возможному диаметру ...

1 Что такое плазменная сварка? Чтобы разобраться с этим термином, нужно понять, что такое плазма. Ионизированный газ, который состоит из нейтральных атомов и электрически заряженных ядер и электронов, называется плазмой. ...

1 Пиление столярной ножовкой – как сделать процесс приятным? Монотонное движение пилы взад-вперед через полчаса, а то и уже через 10 минут, начинает становиться в тягость. Впрочем, как раз для ...

1 Что представляет собой лебедка ЛМ? С давних времен люди применяют различные механизмы для перемещения грузов. Большая их группа, получившая название лебедок, имеет общую особенность передачи усилия с помощью цепи, ...

1 Виды лазерных нивелиров Нивелир – это инструмент для определения разности высот между разными точками поверхности. Первоначально нивелир использовался в геодезии, им измеряли высоты местности. Сегодня это самый востребованный инструмент ...

1 Различия инструментов Главным отличием лобзика для металла является его разделение на бытовые и профессиональные инструменты. Бытовые инструменты имеют слабую мощность и применяются для несложной домашней работы. Профессиональные же, наоборот, ...

1 Из чего придется выбирать? Дрель бывает: ударная – сверлит все твёрдые материалы, кроме высокомарочного бетона; безударная – для дерева, пластика и металла, обладает высокой точностью; дрель-шуруповёрт – есть ограничивающий ...

1 Виды бетономешалок Сегодня на рынке имеется огромный выбор смесителей. Разнятся они ценами, объемами смесительных барабанов, самим устройством. Среди такого разнообразия непросто выбрать именно то, что нужно. Эта статья расскажет ...

1 Долото трехшарошечное в перфоратор не поставишь! Если вы решили начать собственное дело, и основным направлением выбрали буровые работы, к примеру, для обустройства артезианских скважин, то в боекомплекте у вас ...

Если у вас есть свой сварочный аппарат, то вам рано или поздно придётся им по пользоваться. Страх перед первым использованием сварки — дело обычное, поэтому не стоит сильно нервничать и ...

1 Режем плитку – от простого к сложному Довольно часто можно услышать вопросы о том, как обрезать керамическую плитку правильно. Эти вопросы не случайны, так как при нарезке она часто ...

wheelnews.ru

Сварочная дуга – как же она работает?

Более легкому получению разряда способствует разогрев материалов, смыкание на короткое время и постепенное раздвигание электродов. Качественным методом получения разряда может считаться достижение в электрическом разрядном промежутке пробоя в результате короткого резкого повышения межэлектродного напряжения. Такой стабилизатор сварочной дуги возникает при условиях нормы атмосферного давления, благодаря искровому разряду.

Сварочная, или электрическая, дуга, образуется благодаря прохождению электротока через газовую среду в зоне сварки или резки. Разряд между электродами является наиболее развитой формой разряда в газах. Для него характерно невысокое напряжение и большая величина тока. Строение сварочной дуги таково, что в ее пространстве имеет место очень высокая ионизация газов.

При этом в роли катода выступает сварочный электрод, анода – обрабатываемый материал, между ними столбом проходит дуговой разряд, окруженный пламенем сварки.

Ионизируемый газ в столбе разряда имеет яркое свечение, вредное для глаз. В осевой части такого столба развивается температура сварочной дуги от шести до десяти тысяч градусов по Цельсию. Основным фактором ионизации является именно такая высокая температура, поддерживается она за счет притока энергии запитывающих цепей.

Напряжение разряда – по сути, межэлектродное напряжение – напрямую зависит от межэлектродного расстояния, то есть от того, какие имеются показатели длины дуги, силы тока, размеров сварочных электродов, физических свойств и характера (состава) газа среды в зоне дуги.

Сварочная дуга и ее свойства управляются регулированием межэлектродного расстояния (от 0,01 до 10 мм), силой тока источника напряжения (от половины до трех тысяч ампер), давления газа (до одного кгс/см2), формой и размером электродов, защитой зоны горения инертными газами, сжиманием дуги и многими другими способами.

Тепловая мощность, которой обладает электрическая дуга, просто невероятна, она занимает диапазон от десяти до сотен тысяч ватт. И концентрация ее достигает от одной сотни до сотен тысяч ватт на кубический сантиметр. Мощности в таком широком диапазоне позволяют применять разряд для сварки и резки различных металлов при толщине от сотых долей миллиметров до десятков сантиметров за один или несколько проходов.

Формы и виды сварочных дуг чрезвычайно разнообразны. Разряд может возникать при любом давлении газов, напряжение может иметь значения от нескольких до нескольких тысяч вольт. Дуга возникает между электродами независимо от того, постоянное или переменное напряжение подается. И это понятно, поскольку время возникновения разряда чрезвычайно мало, в каждый положительный полупериод один из электродов работает как катод, а второй – анод. При смене полупериодов электроды «меняют» полярность.

Дуговой разряд может возникнуть при любом давлении газа, разности потенциалов электродов, постоянном или переменном межэлектродном напряжении. Особенностью, характерной для дуги, является очень высокая катодная плотность тока наряду с малым напряжением.

Вообще, зависимость, которую показывает напряжение сварочной дуги и ток в разряде, имеет удивительную особенность: с ростом тока падает напряжение. Говорят о падающей вольт-амперной характеристике, это значит, что с увеличением тока в разряде падает и сопротивление в дуговом промежутке, и напряжение, что объясняет необходимость применения балластных сопротивлений для стабилизации разряда.

И самое главное – практическое применение. Источники питания сварочной дуги, или аппараты для сварки, как уже понятно, могут работать на постоянном и переменном токе, поэтому и бывают соответствующего типа. При этом катодом (электродом с отрицательной полярностью) будет электрод, а вот рабочая поверхность выступит в роли анода.

При обратной полярности на электроде оказывается плюсовой потенциал. В технике сварки могут применяться плавящиеся и неплавящиеся (уголь, вольфрам) электроды. Защита сварочной зоны может осуществляться парами электродных флюсов, подаваемыми газами, порошковыми составами на проволоках.

И о способах: до сих пор широко применяется ручная сварка, полуавтоматическая механизированная сварка, полный автомат. По аббревиатуре это, соответственно: ММА (ручная), MIG/MAG (полуавтоматы), TIG (аргонно-дуговая). Но об этом можно написать еще пару-тройку статей, а о сварочной дуге, пожалуй, изложено все.

ogodom.ru


Смотрите также