Сварочная дуга

Сварочная дуга — это электрический разряд между электродами, создающий высокую температуру для плавления металлов.

Содержание статьи

• Определение и физика возникновения сварочной дуги
• Условия стабилизации сварочной дуги
• Методы поджига дуги
• Характеристики электрической сварочной дуги

Определение и физика возникновения сварочной дуги

Сварочная дуга — это явление электрического разряда, возникающего между электродом и металлом в результате ионизации газа под воздействием высокого напряжения. Этот процесс сопровождается выделением тепла, достаточного для плавления металла, и используется для создания сварного соединения.

Как это работает?

При включении сварочного аппарата и соприкосновении электрода с металлом образуется кратковременный электрический разряд. Электроны начинают движение от анода к катоду, ионизируя воздух, который становится проводником электричества. Когда электрод отводится на небольшое расстояние, возникает устойчивый электрический столб плазмы — сварочная дуга.

Физика возникновения и работы сварочной дуги

Сварочная дуга возникает между электродом и свариваемым материалом при замыкании электрической цепи. Этот процесс связан с ионизацией газа, в результате чего появляются свободные электроны и ионы, образуя проводящий канал. Сопротивление канала падает, и возникает стабильное горение дуги.

Температура в зоне дуги достигает значений порядка 7000 °C, что способствует быстрому плавлению металла. Важное условие стабильной работы — создание подходящей газовой среды, например, использование угольных или вольфрамовых электродов, а также защитных газов.

Этапы возникновения дуги:

1. Соприкосновение электрода с металлом.
2. Выделение тепла и локальное расплавление металла.
3. Разрыв контакта и ионизация воздуха.
4. Формирование устойчивого электрического разряда.
5. Стабилизация процесса за счет постоянного поступления заряженных частиц.

Строение сварочной дуги:

• Анодная зона: поверхность расплавленного металла, где электроны покидают дугу.
• Катодная зона: конец электрода, куда стремятся электроны.
• Столб дуги: канал ионизированного газа, по которому происходит движение заряженных частиц.
• Газовое облако: защитный слой ионизированного газа вокруг дуги, препятствующий воздействию атмосферных газов.

Видимость дуги

Сам разряд невидим, но яркое свечение плазмы хорошо заметно. Цвет свечения зависит от состава газа, а динамическое движение капель расплавленного металла добавляет эффект визуального горения.

Особенности работы и стабилизации сварочной дуги

Для стабильной работы сварочной дуги система питания должна обеспечивать постоянное значение напряжения и силы тока. Используются дуговые инверторы, которые способны быстро реагировать на изменения параметров дуги. Например, в режиме холостого хода напряжение может возрастать, чтобы гарантировать стабильный переход к рабочему состоянию.

Существует несколько фаз работы дуги:

1. Начальная фаза: Возникает разогрев и ионизация воздуха.
2. Фаза формирования: Происходит образование плазменного потока.
3. Стабильная фаза: Дуга поддерживается непрерывно за счет питания.

Для каждого материала и типа сварки необходимо учитывать особенности: плотность тока, углом падения дуги, а также падение напряжения на отдельных участках.

Условия стабилизации сварочной дуги

Для устойчивой работы дуги необходимо поддерживать оптимальную температуру и создать подходящую газовую среду.

Поддержание температуры

• Предварительный подогрев деталей повышает температуру окружающей среды.
• Стабилизация силы тока в зависимости от толщины электрода.

Создание ионизирующей среды

• Использование присадочных материалов, испаряющих ионизирующий газ.
• Подача ионизирующего газа из баллона.
• Применение флюса для защиты зоны сварки от атмосферного воздействия.

Методы поджига дуги

Контактный поджиг (Lift)

Электрод соприкасается с металлом, и в момент касания возникает разряд. Применяется при использовании плавящихся электродов. Для неплавящихся электродов метод менее предпочтителен.

Варианты контактного поджига:

• Касание: разряд формируется в одной точке.
• Чирканье: разряд возникает в нескольких точках.

Бесконтактный поджиг (HF)

Разряд образуется без непосредственного контакта электрода с металлом с помощью осциллятора, создающего высокочастотные импульсы. Метод эффективен для неплавящихся электродов.

Характеристики электрической сварочной дуги

Основные свойства:

• Высокая температура: достигает 7000 °C в столбе дуги.
• Четкие границы: благодаря защитному газу положение дуги стабильно.
• Неоднородность электрического поля: напряжение распределено неравномерно.

Длина дуги

• Короткая: (50-100% от диаметра электрода) обеспечивает высокое качество шва. Сопровождается характерным потрескиванием.
• Средняя: (100-120%) проще поддерживается и подходит для начинающих сварщиков.
• Длинная: (>150%) применяется редко из-за низкого качества шва.

Сила тока

Ток выбирается в зависимости от толщины металла:

Напряжение

• Для металлических электродов: 15-30 В.
• Для неметаллических: 30-35 В.
• При ручной сварке (MMA, TIG) напряжение зависит от силы тока, а при полуавтоматической (MIG/MAG) — от длины дуги.

Дополнительная информация о сварочной дуге

Сварочная дуга представляет собой светящуюся плазменной форму, которая горит в пространстве между электродом и заготовкой, создавая световое излучение в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового спектра. Это излучение влияет на глаз сварщика, поэтому всегда необходимо использовать специальные средства защиты, такие как маски с фильтрами.

Скорость плавления металла определяется параметрами дуги, включая мощность источника, частоту подаваемого напряжения и силу тока, которые выбираются в диапазоне, соответствующем толщине и химическим свойствам материала. Для более точного выбора параметров часто применяют регуляторы, позволяющие поддерживать устойчивость процесса.

Устойчивость дуги

Устойчивость сварочной дуги зависит от многих факторов, таких как размеру пятна расплавленного металла, наличие защитного газа и внешней атмосферы. Для минимизации воздействия атмосферных факторов используют покрытия электродов или подают защитный газ, который создает нейтральную или активную среду вокруг рабочей области. В случае использования открытой дуги важно правильно определить скорость подачи тока, чтобы избежать нежелательных изменений в структуре металла.

Виды дуги

Существует два основных типа сварочных дуг: с прямой и обратной полярностью. Прямая полярность характеризуется положительным зарядом на заготовке и отрицательным на электроде, что обеспечивает глубокий нагрев материала. Обратная полярность, напротив, чаще используется для работы с тонкими заготовками, так как имеет меньшее тепловое воздействие.

Также дуга бывает постоянного и переменного тока: первый тип используется для более стабильных условий, а второй позволяет сделать процесс гибче при сварке различных металлов.

Методы поджига

Методы зажигания дуги бывают контактными и бесконтактными. Контактный способ подразумевает замыкание электрической цепи путем касания электрода к металлу, после чего происходит возбуждение дуги. Бесконтактный способ, основанный на высокочастотных импульсах, позволяет мгновенно зажечь дугу, даже не касаясь заготовки. Этот метод обычно применяется для профессиональной сварки, где требуется точность и стабильность.

Заключение

Сварочная дуга является мощным инструментом, который обладает широкими возможностями для соединения металлов. Она остается незаменимой в производстве благодаря своей универсальности, высокой скорости работы и способности поддерживать качество соединений на высоком уровне. Правильный выбор параметров, оборудования и соблюдение техники безопасности помогут повысить эффективность сварки и избежать нежелательных последствий.