Сварочная дуга

Сварочная дуга

Сварочная дуга представляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной смеси газов, паров металлов и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и других средств.

Физические и электрические свойства сварочной дуги

Для возникновения электрического разряда газовый промежуток между электродами должен быть ионизирован. Процесс ионизации протекает в следующем порядке. При соприкосновении торца электрода и свариваемого изделия выступы шероховатых поверхностей мгновенно разогреваются током до температуры плавления и испарения вследствие большого омического сопротивления контакта. После отрыва электрода от изделия разогретый торец электрода (отрицательный полюс) начинает испускать электроны, устремляющиеся к аноду под действием разности потенциалов между электродами. При столкновении с электродными частицами металлов, которые в виде паров имеются в межэлектродном промежутке, электроны ионизируют их. Ионизация мгновенно охватывает весь межэлектродный промежуток, и он становится электропроводным. В процессе горения дуги ионизация поддерживается благодаря высокой температуре.

Напряжение на дуге равно сумме падений напряжений в трех ее основных (рис. 1) областях:

U_д=U_к+ U_c+ U_a =f(I_д),

где U_д - напряжение на дуге, В; U_K - падение напряжения на катоде, В; U_с-падение напряжения в столбе дуги, В; U_а - падение напряжения на аноде, В; I_д - сила тока в дуге.

Рис.1. Распределение падения напряжения в дуге

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока называют статической (вольтамперной) характеристикой дуги.

В общем виде статическая характеристика дуги показана на рис. 2. При малых значениях силы тока в электроде (область 1) статическая характеристика дуги падающая. При средних значениях силы тока (при ручной и автоматической дуговой сварке под флюсом) напряжение на дуге не зависит от силы тока (область 2, жесткая характеристика). В этом случае с достаточной точностью статическая характеристика может быть выражена уравнением

U_д= a+ bl_д,

где l_д - длина дуги, мм; а, b - постоянные коэффициенты, зависящие от материала электродов, давления и свойств газовой среды.

Рис.2. Общий вид статической характеристики дуги

Из этого уравнения следует, что напряжение на дуге, при всея прочих равных условиях, будет зависеть от длины столба дуги.

Возрастающая статическая характеристика дуги (область 3, см. рис. 2) получается при большой силе тока (при автоматической сварке под флюсом или при сварке в среде защитных газов).

Сварочная дуга переменного тока

Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока 100 раз в секунду переходят через нуль, причем меняет также свое местонахождение катодное пятно, являющееся источником вылета электронов, ионизация дугового промежутка получается менее стабильной и сварочная дуга менее устойчива, при прочих равных условиях, по сравнению с дугой постоянного тока.

Если дуга включена в цепь переменного тока последовательно с активным сопротивлением, то мгновенные значения напряжения источника и сварочного тока совпадают по фазе. В каждый полупериод дуга угасает и вновь зажигается (восстанавливается) через некоторый промежуток времени, пока напряжение источника тока поднимается до некоторой величины, называемой напряжением повторного зажигания.

Зажигание, дуги характеризуется началом прохождения тока в сварочной цепи. В каждый полупериод имеется перерыв в прохождении тока при угасаниях дуги. Эти перерывы называют временами угасания дуги. Момент угасания происходит при несколько меньшем мгновенном значении напряжения источника, чем в момент зажигания, для которого требуются более высокие значения для получения ионизации остывшего промежутка. Время угасания дуги зависит от максимального значення напряжения зажигания дуги и частоты переменного тока.

Время восстановления дуги снижается при повышении напряжения холостого хода и при использовании повышенных частот. Это время уменьшается также и при снижении напряжения зажигания. Из указанных мер повышения устойчивости горения дуги наиболее распространено снижение напряжения зажигания, чего достигают применением электродов с ионизирующими обмазками.

Величина напряжения зажигания зависит от целого ряда факторов, в первую очередь от величины силы тока дуги. С увеличением силы сварочного тока напряжение зажигания дуги снижается.

Для сварки открытой дугой напряжение зажигания U_з и напряжение горения дуги U_д имеют следующую зависимость:

U_з = (1,3 – 2,5) U_д

При сварке на больших силах тока под флюсом напряжение зажигания почти равно напряжению горения дуги.

Повышение напряжения холостого хода источника питания ограничено правилами техники безопасности, а использование высоких частот требует применения специальной аппаратуры. Общепринятой мерой повышения стабильности сварочной дуги переменного тока является включение в сварочную цепь катушек со стальным сердечником (дросселей), которые позволяют вести сварочные работы металлическими электродами при напряжении сварочного трансформатора порядка 60 - 65В и стандартной частоте. При этом в обмазке электродов должно быть достаточное количество ионизирующих компонентов.