Электрическая сварочная дуга и ее свойства

Электрическая сварочная дуга и ее свойства

 
Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд, протекающий в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется двумя основными особенностями: выделением значительного количества тепла и сильным световым эффектом. Температура обычной сварочной дуги около 6000°С. 
 
Свет дуги ослепительно яркий и используется в различных осветительных устройствах. Дуга излучает большое количество видимых и невидимых тепловых (инфракрасных) и химических (ультрафиолетовых) лучей. Невидимые лучи вызывают воспаление глаз и обжигают кожу человека, поэтому для защиты от них сварщики применяют специальные щитки и спецодежду. 
 
В зависимости от среды, в которой происходит дуговой разряд, различают следующие сварочные дуги:

1. Открытая дуга. Горит  в воздухе. Состав газовой среды  зоны дуги— воздух с примесью  паров свариваемого металла, материала  электродов и электродных покрытий. 
2. Закрытая дуга. Горит под слоем флюса. Состав газовой среды зоны дуги — пары основного металла, материала электрода и защитного флюса. 
3. Дуга с подачей защитных газов. В дугу подаются под давлением различные газы — гелий, аргон, углекислый газ, водород, светильный газ и различные смеси газов. Состав газовой среды в зоне дуги — атмосфера защитного газа, пары материала электрода и основного металла. 
 
Питание дуги может осуществляться от источников постоянного или переменного тока. В случае питания постоянным током различают дугу прямой полярности (минус источника питания на электроде, плюс — на основном металле) и обратной полярности (минус на основном металле, плюс на электроде). В зависимости от материала электродов дуги различают с плавким (металлическим) и неплавким (угольным, вольфрамовым, керамическим и др.) электродами.

 
При сварке дуга может быть прямого действия (основной металл участвует в электрической цепи дуги) и косвенного действия (основной металл не участвует в электрической цепи дуги). Дуга косвенного действия применяется сравнительно мало.

 
Плотность тока в сварочной дуге может быть различна. Применяются дуги с нормальной плотностью тока — 10—20 а/мм2 (обычная ручная сварка, сварка в некоторых защитных газах) и с большой плотностью тока — 80—120 а/мм2 и больше (автоматическая, полуавтоматическая сварка под флюсом, в среде защитных газов).

 
Возникновение дугового разряда возможно только в случае, когда газовый столб между электродом и основным металлом будет ионизирован, т. е. будет содержать ионы и электроны. Это достигается тем, что газовой молекуле или атому сообщается соответствующая энергия, называемая энергией ионизации, в результате чего из атомов и молекул выделяются электроны. Среду дугового разряда можно представить газовым проводником электрического тока имеющим кругло-цилиндрическую форму. Состоит дуга из трех областей — катодная область, столб дуги, анодная область.

 
Во время горения дуги на электроде и основном металле наблюдаются активные пятна, которые представляют собой нагретые участки на поверхности электрода и основного металла; через эти пятна проходит весь ток дуги. На катоде пятно именуется катодным, на аноде — анодным. Сечение средней части столба дуги несколько больше размеров катодного и анодного пятен. Его размер соответственно зависит от размеров активных пятен. 
 
Напряжение дуги изменяется в зависимости от плотности тока. Эта зависимость, изображенная графически, называется статической характеристикой дуги. При малых значениях плотности тока статическая характеристика имеет падающий характер, т. е. напряжение дуги уменьшается по мере увеличения тока. Это обусловлено тем, что с увеличением тока площадь сечения столба дуги и электропроводность увеличиваются, а плотность тока и градиент потенциала в столбе дуги уменьшаются. Величина катодного и анодного падений напряжений дуги не изменяется от величины тока и зависит только от материала электрода, основного металла, газовой среды и давления газа в зоне дуги.

 
При плотностях тока сварочной дуги обычных режимов, применяемых при ручной сварке, напряжение дуги не зависит от величины тока, так как площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току, а электропроводность изменяется весьма мало, и плотность тока в столбе дуги практически остается постоянной. При этом величина катодного и анодного падений напряжений остается неизменной. В дуге большой плотности тока при увеличении силы тока катодное пятно и сечение столба дуги не могут увеличиваться, хотя плотность тока возрастает пропорционально силе тока. При этом температура и электропроводность столба дуги несколько повышаются. 
 
Напряжение электрического поля и градиент потенциала столба дуги будут возрастать с увеличением силы тока. Катодное падение напряжения увеличивается, вследствие чего статическая характеристика будет носить возрастающий характер, т. е. напряжение дуги с увеличением тока дуги будет возрастать. Возрастающая статическая характеристика является особенностью дуги высокой плотности тока в различных газовых средах. Статические характеристики относятся к установившемуся стационарному состоянию дуги при неизменной ее длине.

 
Устойчивый процесс горения дуги при сварке может происходить при соблюдении определенных условий. На устойчивость процесса горения дуги влияет ряд факторов; напряжение холостого хода источника питания дуги, род тока, величина тока, полярность, наличие индуктивности в цепи дуги, наличие емкости, частота тока и др.

 
Способствуют улучшению устойчивости дуги увеличение тока, напряжения холостого хода источника питания дуги, включение индуктивности в цепь дуги, увеличение частоты тока (при питании переменным током) и ряд других условий. Устойчивость может быть также существенно улучшена за счет применения специальных электродных обмазок, флюсов, защитных газов и ряда других технологических факторов. 

Сварочной дугой называют мощный, длительно существующий электрический разряд между находящимися под напряжением электродами в смеси газов и паров. Дуга характеризуется высокой температурой и большой плотностью тока. Сварочная дуга как потребитель энергии и источник питания дуги (сварочный трансформатор, генератор или выпрямитель) образует взаимно связанную энергетическую систему. Различают два режима работы этой системы:

1) статический, когда величины  напряжения и тока в системе  в течение достаточно длительного  времени не изменяются;

2) переходной (динамический), когда величины напряжения и  тока в системе непрерывно  изменяются. Однако во всех случаях  режим горения сварочной дуги  определяется током (IД), напряжением (UД), величиной промежутка между электродами (так называемым дуговым промежутком) и связью между ними.

В дуговом промежутке IД (рис. 1,а) различают три области: анодную 1, катодную 2 и столб дуги 3. Падение напряжения в анодной и катодной областях постоянно для данных условий сварки. Падение напряжения в единице длины столба дуги — также величина постоянная. Поэтому зависимость напряжения дуги от ее длины имеет линейный характер (рис. 1,б).

Рис. 1. Сварочная дуга, горящая между неплавящимися электродами:

а — схема дуги, б — зависимость напряжения дуги (Уд) от величины дугового промежутка (/д): 1 — анодная область, 2 — катодная область, 3 — столб дуги

Устойчивость сварочной дуги определяется соотношением между током и напряжением. Графическое изображение этой зависимости (рис. 2) при постоянной длине дуги называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. На графике отчетливо видны три основных участка: увеличение тока на участке I сопровождается понижением напряжения на дуге; на участке II напряжение на дуге изменяется мало; на участке III напряжение возрастает. Режимы горения сварочной дуги, соответствующие первому участку, неустойчивы при напряжениях существующих источников питания. Практически сварочная дуга будет устойчивой на втором и третьем участках вольт-амперной характеристики. С увеличением или уменьшением длины дуги характеристики сместятся соответственно в положение 2 и 3 (см. рис. 2). Для электродов меньшего диаметра характеристики смещаются влево, большего диаметра — вправо.

Рис.2 Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ)

Показанная на рис. 2 вольт-амперная характеристика дуги снята при постоянной длине сварочной дуги. При сварке плавящимся электродом непрерывно меняется длина дугового промежутка. В этих случаях следует пользоваться характеристиками, определяющими зависимость между напряжением и током дуги при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 3, кривые 1 и 2). Каждой скорости подачи соответствует определенный диапазон токов, при котором устойчиво горит сварочная дуга и плавится электрод. В этом случае при малых изменениях тока напряжение изменяется в больших пределах. Эту зависимость принято называть характеристикой устойчивой работы. Она так же, как и вольт-амперная характеристика, зависит от длины вылета электрода и скорости подачи.

Эти закономерности справедливы для постоянного и переменного тока, так как род тока не влияет на форму вольт-амперных характеристик электрической дуги. На форму характеристики влияют геометрия и материал электродов, условия охлаждения столба дуги и характер среды, в которой происходит разряд.

Устойчивость сварочной дуги и режима сварки зависят от условий существования дугового разряда и свойств, параметров источников питания и электрической цепи. Внешней характеристикой источника питания (кривая 3 на рис. 3) называется зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки. Различаются следующие внешние характеристики источников питания (рис. 4): падающая 1, полого-падающая 6, жесткая 5, возрастающая 3 и вертикальная 2. Источник питания с той или иной внешней характеристикой выбирается в зависимости от способа сварки. Регулировочное устройство каждого источника дает ряд внешних характеристик («семейство характеристик»). Установившийся режим работы системы: «сварочная дуга — источник питания» определяется точкой пересечения А внешней характеристики источника питания (1, 2, 3, 5 или 6) и вольт-амперной характеристики 7 сварочной дуги.

Рис.3 Вольт-амперная характеристика сварочной дуги (ВАХ) 1,2 при постоянной скорости подачи проволоки (характеристика устойчивой работы) и внешние характеристики источников питания 3, 4 и 5

Рис.4 Внешние характеристики источников питания 1, 2, 3, 5, 6 и вольт-амперные характеристики сварочной дуги 4, 7

Процесс сварки будет устойчив, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных значениях напряжения и тока. Как видно из рис. 4, в точках А и В пересечения внешних характеристик дуги 7 и источника питания  будет иметь место равновесие по току и напряжению. Если по какой-либо причине ток в сварочной дуге, соответствующий точке А, уменьшится, напряжение ее окажется меньше установившейся величины напряжения источника питания; это приведет к увеличению тока, т. е. к возврату в точку А. Наоборот, при случайном увеличении тока установившиеся напряжения источника питания оказываются меньше напряжения дуги; это приведет к уменьшению тока и, следовательно, к восстановлению режима горения сварочной дуги. Из аналогичных рассуждений ясно, что в точке Б сварочная дуга горит неустойчиво. Всякие случайные изменения тока развиваются до тех пор, пока он не достигнет величины, соответствующей точке устойчивого равновесия А или до обрыва дуги. При пологопадающей внешней характеристике (кривая 6) устойчивое горение дуги будет также происходить в точке А.

При работе на падающем участке вольт-амперной характеристики дуги внешняя характеристика источника в рабочей точке должна быть более крутопадающей, чем статическая характеристика сварочной дуги. При возрастающих характеристиках дуги внешние характеристики источника могут быть жесткими 5 или даже возрастающими 3.

При ручной сварке, когда возможны изменения длины дуги, она должна обладать достаточным запасом устойчивости.

При прочих равных условиях запас устойчивости возрастает с ростом крутизны внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной сварки применяют источники с крутопадающими характеристиками: сварщик может удлинить дугу, не опасаясь, что она оборвется, или укоротить ее, не боясь чрезмерного увеличения тока.

Саморегулирование сварочной дуги. При автоматической или полуавтоматической сварке плавящимся электродом скорость подачи его (va) равна скорости плавления. При случайном уменьшении дугового промежутка (кривая 4 на рис. 4) ток увеличивается и проволока начнет плавиться быстрее. В итоге дуговой промежуток постепенно увеличится и сварочная дуга достигнет первоначальной длины. То же произойдет при случайном удлинении дуги. Это явление называется саморегулированием сварочной дуги, так как восстановление исходного режима происходит без воздействия какого-либо регулятора. Саморегулирование происходит тем активнее, чем положе внешняя характеристика источника питания и больше скорость подачи электрода. Поэтому для механизированной сварки плавящимся электродом следует выбирать источники питания с пологопадающими внешними характеристиками. При сварке на постоянном токе в защитных газах, когда статическая характеристика сварочной дуги приобретает возрастающую форму, для систем саморегулирования рационально применять источники с жесткой характеристикой. Однако их напряжение холостого хода невелико и может быть даже меньше рабочего напряжения дуги, что затрудняет ее первоначальное возбуждение. В этих случаях желательно применение источников питания, у которых внешняя характеристика в рабочей части жесткая или полого-возрастающая вольтамперная характеристика, а напряжение холостого хода несколько повышенное, как это показано пунктиром на рис. 4.

Сварочная дуга переменного тока требует от источников питания надежного повторного возбуждения сварочной дуги. Это достигается правильным выбором соотношений между напряжениями холостого хода, зажигания и горения дуги и параметрами сварочной цепи. Наиболее простой способ получения устойчивой сварочной дуги — включение в сварочную цепь реактивного сопротивления. Благодаря этому, в момент повторного возбуждения дуги напряжение на дуге может резко увеличиться (рис. 5) до значения напряжения зажигания (U3). Пунктирная кривая t/xx изображает напряжение источника питания при холостом ходе. При нагрузке, в связи с наличием реактивного сопротивления, сварочный ток отстает по времени от напряжения.

При обрыве дуги напряжение на дуговом промежутке должно подняться до величины, соответствующей мгновенному значению напряжения холостого хода источника питания. Благодаря отставанию тока от напряжения, такое напряжение оказывается достаточным для повторного возбуждения сварочной дуги (Un).