Сварочная дуга и её применение

Сварочная дуга представляет собой поток газа, ионизированного до высоких температур (от 50000С и более), и являющегося одной из форм существования плазмы. Этот поток возбуждается между катодной и анодной областями электродов и характеризуется чрезвычайно высокими показателями плотности объёмной тепловой мощности. Такая природа физического явления (см. фото) позволяет широко использовать его для создания прочных неразъёмных соединений металлов, а также для размерной их обработки.

Как происходит формирование дугового разряда

Дуга  производится пробоем межэлектродного промежутка между неподвижным и подвижным электродами (см. рис. 1). В процессе ионизации среды между электронами, плотность их потока по длине возрастает, а диэлектрические свойства среды остаются постоянными. Простейший способ ионизации столба  – увеличение разности потенциалов между электродами при одновременном росте тока и температуры межэлектродного промежутка.

Сварочная дуга

Эти факторы, действующие совместно, ионизируют среду, превращая её из диэлектрика в проводник. Таким образом, в течение короткого времени поток электронов становится непрерывным, поддерживая в промежутке ток короткого замыкания.

Определение стабильности существования процесса производится следующими факторами:

  1. Диэлектрической прочностью среды.
  2. Степенью ионизации, т.е. количеством электронов, которые находятся в ионизированном потоке
  3. Длиной: при увеличении данного параметра сопротивление дуги возрастает.
  4. Поперечным сечением разряда, чем оно меньше, тем выше сопротивление дуги.
  5. Необходимым временем разделения: с его увеличением мощность снижается.

В процессе возбуждения разряда дальнейшим условием стабильности существования является требование правильно настроить все вышеперечисленных параметров. Такие пределы классифицируются по назначению устройства, использующего сварочную дугу – для целей сварки, наплавки или размерной обработки требования будут различными.

Схема сварочной дуги        
Рисунок 1 — Схема сварочной дуги

Виды сварочной дуги

Сварочная дуга с неконтролируемым поперечным сечением, предназначенным для соединения нескольких токопроводящих материалов между собой, использует  два разных типа сварочных аппаратов  – с расходуемыми и нерасходуемыми электродами. К первому типу относятся:

  1. Сварка металла газом: инертным (MIG по международной классификации) или активным (MAG, но чаще используется буквосочетание GMAW – сварка с применением защитного газа, предохраняющего основной металл от активного окисления).
  2. Экранированная дуговая сварка (MMA). Представляет собой процесс ручной электродуговой сварки, при котором разряд возбуждается между металлическим стержнем (электрод покрыт флюсом или содержит его) и обрабатываемой деталью. Поверхность стержня и заготовки плавятся, образуя сварочную ванну. При одновременном плавлении флюсового покрытия на стержне образуются газ и шлак, который впоследствии защищает сварочную ванну от окружающей атмосферы. Это – универсальный процесс, идеально подходящий для соединения черных и цветных металлов с различной толщиной и при всех положениях заготовки.
  3. Дуговая сварка порошковой проволокой (FCAW) использует электрод с сердечником из флюсового сердечника с непрерывной подачей и источник постоянного напряжения, обеспечивающий постоянную длину разряда. В этом процессе используется либо защитный газ, либо газ, образующийся при термическом испарении флюса с целью защиты зоны шва от загрязнений.
  4. Сварка под флюсом (SAW). Часто применяемый процесс с расходуемым электродом (который непрерывно подаётся к зоне расплава) и защитным слоем из плавкого флюса. Флюс становится токопроводящим при расплавлении, обеспечивая току лёгкий путь между деталью и электродом. Поток помогает также предотвратить разбрызгивание металла и искры, поскольку подавляет пары и ультрафиолетовое излучение.
  5. Электрошлаковая сварка (ESW). Вертикальный процесс, используемый для сварки толстых листов (более 25 мм) за один проход. Сварочная дуга при этом способе зажигания возбуждается ещё до того, как добавление флюса погасит её. В результате плавления флюса, когда расходные материалы для проволоки подаются в расплавленную ванну, на поверхности ванны образуется расплавленный шлак. Тепло, необходимое для плавления торцов сварочной проволоки и заготовки, генерируется за счет сопротивления расплавленного шлака прохождению электрического тока. Для предотвращения вытеканию расплавленного шлака, в конструкции предусматриваются два подвижных медных башмака, которые постоянно охлаждаются водой.

Ко второму типу относят сварку неплавящимся вольфрамовым электродом (TIG), который используется для возникновения дугового разряда. Защита сварного шва и ванны  состоит в применении защитного инертного газа (чаще – аргона).

Сварочная дуга может легко управляться, для этого достаточно ограничить размеры её поперечного сечения.

С этой целью можно применять, например, концентрированный поток любой рабочей среды, обладающий минимальными электроизоляционными свойствами (например, масло или керосин).  При условии контролируемого перемещения по поверхности такая сжатая дуга обладает особенностью высокопроизводительной размерной обработки металлов (см. рис.2).

Размерная обработка металлов дуговым разрядом
Рисунок 2 – Размерная обработка металлов дуговым разрядом: 1 – Дуговой разряд; 2 – Поперечный поток рабочей среды; 3 —  Верхний электрод; 4 – Источник возбуждения дугового разряда; 5 – Гидропривод; 6 – Бак с рабочей средой; 7 – Нижний электрод

Строение и главные условия возбуждения разряда

В области разряда дуга представляет собой  проводник электрического тока, который протекает через ионизированный газовый столб. Для стабильного существования этого столба необходима весьма значительная разность потенциалов, при которой в зоне дугового разряда формируются две зоны — отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. Полярность протекания тока при этом значения не имеет, поскольку разряд может возбуждаться и при  прямой, и при обратной полярности.

Для сварки и размерной обработки твёрдых сплавов используется преимущественно прямая полярность, а при размерной обработке металлов – обратная. Зависимость между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой  (ВАХ) сварочной дуги. У каждой модели сварочного аппарата характеристики ВАХ различны.

Строение предполагает, что между катодным и анодным пятном  располагается зона плазменного столба с повышенной яркостью, что обусловлено высокими скоростями перемещения электронов.

При сварке дуга не только обеспечивает тепло, необходимое для плавления электрода и основного металла, но — при определенных условиях – является средством транспортировки расплавленного металла от электрода к заготовке. Основных способов перемещения расплава может быть два:

  • Механическое натяжение, когда преобладающая часть капель расплавленного металла касается ванны и втягивается в нее силами поверхностного натяжения;
  • Электродинамические силы, когда выброс расплавленного металла происходит во время его выталкивания из сварочной ванны

При простом соединении холодного электрода с устройством, генерирующим большие токи, ионизированный канал отсутствует.  Тогда дуга зажигается плохо. Поджиг дуги в сварочных инверторах вызывается либо подачей начального напряжения, достаточно высокого, чтобы вызвать разряд, либо прикосновением электрода к заготовке для создания короткого замыкания.

Во втором случае говорят о явлении форсажа дуги, когда область контакта быстро и сильно нагревается. В результате инициируется поток ионизированного газа, после чего контакт ликвидируется, а  горение продолжается «естественным» образом.

Дуговая сварка может выполняться постоянным или переменным током. Выбор жёсткости схемы и её вида зависит от процесса, типа электрода, атмосферы дуги и свариваемого металла.

Как подобрать параметры для устойчивого горения

Четырьмя важными свойствами процесса являются: величина сварочного тока, зазор между электродами, напряжение рабочего и холостого циклов и скорость перемещения дуги. Эти параметры будут в значительной степени влиять на характеристики сварного шва.

Поскольку эти факторы могут варьироваться в широком диапазоне, они считаются основными настройками для любой сварочной операции. Пример использования ВАХ источника питания  представлен на рис. 4.

Сварочный ток определяется характеристиками источника питания и напрямую связан со скоростью подачи электрода/проволоки.  В нижнем диапазоне токов для каждого размера проволоки кривая является почти линейной.

Однако при более высоких сварочных токах, особенно с проволокой малого диаметра, кривая теряет линейность, что сопровождается повышенным расходом проволоки (особенно при длительной работе на больших токах).

Эксплуатационные характеристики приведены в таблице:

Статическая сварочная дуга приПлощадь пятна, м2Плотность электрической мощности, Вт/м2Градиент энергии по длине столба, Вт/м
-ручной дуговой сваркеДо 10-6До 1×1011До 2,3×106
-сварке в среде защитного газаДо 10-7До 1×1012До 1,3×104
-автоматизированной сваркеДо 10-7До 1×1012До 8,0×105

При увеличении зазора между электродами нагрев зоны столба увеличивается. Это имеет особое значение для процессов полуавтоматической или автоматической сварки, когда протяжённость участка контакта возрастает и дуга становится менее стабильной.

Настройка напряжения напрямую контролирует длину дуги. Кроме того, для условия устойчивого горения на любом заданном уровне сварочного тока требуется определенный диапазон.

Выбор требуемых значений
Рисунок 4- Выбор требуемых значений тока и напряжения на сварочной дуге

Скорость перемещения дугового разряда обычно выражается в метрах в минуту. При управлении данным параметром следует учитывать следующее:

  • По мере увеличения толщины материала скорость должна быть уменьшена;
  • Для заданной толщины материала по мере увеличения сварочного тока увеличивается и скорость перемещения. Обратное также верно.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector