Зажигание (возбуждение) и горение электрической дуги
Процесс зажигания электрической дуги можно разделить на три этапа (рис. 4):
— короткое замыкание электрода на заготовку;
— отвод электрода на расстояние 3-6 мм;
— возникновение устойчивого дугового разряда.
Короткое замыкание (рис. 4а) выполняется для разогрева
торца электрода I и заготовки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис.46) с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектрическая эмиссия электронов 3.
Столкновение быстро движущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги (рис. 4в) заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда 6 с возникновением катодной области 5 и анодной области 7.
Рис. 4. Схема процесса зажигания дуги
Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающий его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь подключают на
короткое время источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор).
В зависимости от длины дугового разряда различают:
— короткую дугу, если ее длина 2-4 мм;
— нормальную дугу, если ее длина 4-6 мм;
— длинную дугу, при ее длине более 6 мм.
Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой
дуге. При длинной дуге процесс сварки протекает неравномерно, с неустойчивым горением и разбрызгиванием металла. Металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется.
Специалисты рекомендуют длину дуги определять по звуку, издаваемому ею при горении. Дуга нормальной длины издает менее громкий и равномерный звук. Длинная дуга издает неравномерный и потрескивающий, более громкий звук, что легко определяется опытным путем.
Различают технологические условия горения дуги, такие как зажигание, чувствительность к изменениям длины в определенных пределах, быстрое повторное зажигание после обрыва и необходимое проплавление металла.
Условия зажигания электрической дуги:
— наличие электрического источника питания дуги достаточной мощности, позволяющего быстро нагреть катод до высокой температуры при вЬзбуждении дуги;
— наличие ионизации столба дуги (в электрод вводятся элементы с низким потенциалом ионизации или применяют осцилляторы для возбуждения дуги);
— стабилизация горения столба дуги (например, вводят дроссель в цепь питания). Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-ам — перной характеристикой дуги.
Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области (рис. 5):
— падающая область I (при токах до 100 А);
— жесткая область II (при токах 100-1000 А);
— возрастающая область III (при токах свыше 1000 А).
Напряжение, необходимое для возбуждения дуги, зависит от
рода тока (переменный или постоянный), дугового промежутка, материала электрода и его покрытия, свариваемого металла.
Рис. 5. Статическая волът-амперная характеристика дуги
Дуга с падающей характеристикой (I) малоустойчива и имеет ограниченное применение, т. к. требует включения в сварочную цепь осциллятора.
Самое широкое применение нашла дуга с жесткой (II) и возрастающей (Ш) характеристикой. Каждому участку дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну:
-1 и II участок — крупнопанельный,
— Ш участок — мелкокапельный или струйный. t Для сохранения неизменного напряжения на дуге необходимо длину дуги поддерживать постоянной.
— источник питания сварочной дуги;
— сварочный и питающий кабели, электрододержатель;
— принадлежности сварщика—спецкостюм, маска с защитным стеклом;
— сварочный стол или приспособления для сборки и фиксации деталей;
— инструменты для измерения и разметки;
— инструменты для зачистки швов и удаления шлаковой корки;
— высокая технологичность процесса;
— возможность автоматизации и механизации процессов сварки;
— меньшая по сравнению с газовой сваркой зона термического влияния;
— простота регулирования процесса сварки;
— дешевые расходные материалы (электроды);
— высокая скорость соединения деталей.
— необходимость использования специальных сварочных трансформаторов или инверторов (преобразователей);
— энергозависимость (необходима электрическая сеть или генераторы);
— подготовка деталей для сборки (разделка кромок, фиксация элементов).
- Электрошлаковоя сварка (ЭШС)
- Электрическая дуговая сварка
- Рекомендации по выбору бизнеса
- Строительное оборудование МСД
- Тепловые насосы
Сварочные работы: современное оборудование н технология работ
Сварочный кабель
Сварочный кабель подбирают соответственно силе тока. Обычно для малых токов до 200 А рекомендуется провод сечением 25 мма. Провод марки типа ПРГ — «провод резиновый гибкий» или типа ПРНГ — …
Инструменты и принадлежности
Молоток, зубило, металлические щетки, зажимы типа струбцин, пенал для электродов диаметром 50-70 мм, длиной 300 мм. Понадобятся также углошлифовальная машинка («болгарка»)и электродрель. Далее при профессиональной работе вы сами определите необходимый …
Электрододержатели
Электрододержатели применяют для закрепления электрода и подвода к нему тока при ручной дуговой электросварке. Они должны прочно удерживать электрод, обеспечивать удобное и прочное крепление сварочного кабеля. Электрододержатель должен обеспечивать возможность …
Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:
+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua
Сварочная дуга, строение и условия устойчивости горения.
Одним из условий устойчивости горения дуги при сварке является включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления, что позволяет вести сварочные работы металлическими электродами на переменном токе при напряжении сварочного трансформатора порядка 60 — 65 В и стандартной частоте тока. При питании дуги переменным током полярность электрода и изделия и условия существования дугового разряда периодически изменяются. Дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц гаснет при переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым затуханием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через нуль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания. Затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей длине дуги, чем при сварке на постоянном токе. При наличии в дуговом промежутке паров легкоионизирующихся элементов напряжение повторного зажигания снижается и устойчивость горения дуги переменного тока повышается. С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания — важная характеристика дуги перемен-ного тока, оказывающая существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги и выше пик зажигания. Однако увеличение амплитудных значений синусоиды напряжения ограничивается правилами техники безопасности, по которым максимальное эффективное значение напряжения источника переменного тока для питания сварочных постов допускается не выше 80 В.
Сварочные электроды в Москве
Автор: Татьяна Сварочная дуга должна иметь определенные технологические условия, которые обеспечат ее устойчивое горение, быстрое зажигание, малую чувствительность к изменениям ее длины в определенных пределах, быстрое вторичное возбуждение после обрыва, необходимое проплавление основного металла.
Условия зажигания и устойчивого горения дуги во многом зависят от таких составляющих, как состав обмазки при сварке штучными электродами, прямая или обратная полярность при сварке на стабильном токе, вид тока ( переменный или постоянный ), температура окружающей среды, диаметр электрода.
Для зажигания дуги требуется напряжение большее по величине, чем напряжение для горения дуги. Напряжение, подводимое от источника питания к электродам при разомкнутой сварочной цепи, является напряжением холостого хода. При сварке на постоянном токе напряжение холостого хода не превосходит 90 В, а на переменном токе — 80 В. В момент горения, дуги напряжение, подаваемое от источника питания, значительно снижается и достигает величины, необходимой для устойчивого горения дуги. В ходе горения дуги ток и напряжение находятся в определенной зависимости. Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи, при условии постоянной длины дуги, называют статической вольт-ампернной характеристикой дуги.
С увеличением тока напряжение значительно уменьшается, так как при повышении силы тока увеличивается поперечное сечение столба дуги и его проводимость. Вольт-амперная характеристика будет падающей и дуга горит неустойчиво. При увеличении тока напряжение сохраняет постоянную величину, так как поперечное сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Вольт-амперная характеристика будет жесткой, дуга горит устойчиво, и обеспечивается нормальный процесс сварки. Увеличение тока вызывает возрастание напряжения, так как увеличение плотности тока больше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна из-за ограниченного поперечного сечения электрода, при этом вольт-амперная характеристика будет возрастающей. Дуга с вольт-амперной характеристикой применяется при сварке под флюсом и в защитных газах.
Читайте также: Сварка чугунного выпускного коллектора электродами
Таким образом, первым условием зажигания и горения дуги является наличие электрического источника питания дуги достаточной мощности, позволяющего быстро нагревать катод до высокой температуры при возбуждении дуги. Более полная стабилизация горения дуги достигается также при достаточной степени ионизации столба дуги, поэтому вторым условием для зажигания и горения дуги является наличие ионизации столба дуги за счет введения в состав покрытия штучных электродов или в состав флюсов таких элементов, как алюминий, натрий, барий, калий, литий, кальций и др. Эти элементы обладают низким потенциалом ионизации и в момент зажигания дуги способствуют быстрому ее появлению. Третьим условием устойчивости горения дуги при сварке на переменном токе является наличие в сварочной цепи дросселя (повышенной индуктивности). Это объясняется тем, что в сварочной цепи переменного тока, имеющей только омическое сопротивление, в процессе горения дуги образуются обрывы (100 обрывов дуги в секунду при промышленной частоте переменного тока 50 Гц). При включении дросселя в сварочную цепь переменного тока наблюдается сдвиг фаз между напряжением источника питания и током, горение дуги относительно стабилизируется. При сварке на постоянном токе зажигание и горение дуги протекают несколько лучше, чем при сварке на переменном токе.
В сварочную цепь постоянного тока также включают дроссели для улучшения стабильности горения дуги. Но полная стабилизация горения дуги происходит в точке пересечения вольт-амперных характеристик дуги и источника питания. Эта точка будет определять устойчивое горение дуги. Для улучшения возбуждения дуги используют специальные высокочастотные устройства — осцилляторы, а для более надежного вторичного возбуждения дуги применяют стабилизаторы — специальные генераторы импульсов высокого напряжения. Зажигание и устойчивое горение дуги при любом роде тока зависит от динамической характеристики источника питания дуги. Источник питания должен поддерживать горение дуги при наличии возмущений в виде изменения напряжения в сети и обеспечивать регулирование сварочного процесса в зависимости от состояния поверхности свариваемого изделия и скорости подачи сварочной проволоки.
Технические особенности горения дуги на постоянном или переменном токе выражаются в том, что дуга, как гибкий газовый проводник, может отклоняться от обычного положения под воздействием магнитных полей, создаваемых вокруг дуги и в свариваемом изделии. Магнитные поля воздействуют на движущиеся заряженные частицы столба дуги и тем самым воздействуют на всю дугу. Такое явление принято называть магнитным дутьем. Магнитные поля оказывают отклоняющее воздействие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги, особенно при сварке на постоянном токе. Присутствие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс также нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс.
Магнитное дутье ухудшает стабилизацию горения дуги и затрудняет процесс сварки. Для снижения влияния магнитного дутья на сварочную дугу необходимо применять специальные меры. К таким мерам относятся: сварка короткой дугой; подвод сварочного тока к точке, максимально близкой к дуге; наклон электрода в сторону действия магнитного дутья; размещение у места сварки дополнительных ферромагнитных масс. Если невозможно избавиться от влияния магнитного дутья указанными способами, то следует заменить источник питания и производить сварку на переменном токе, при котором влияние магнитного дутья значительно меньше.
https://www.rusarticles.com/promyshlennost-statya/usloviya-zazhiganiya-i-ustojchivogo-goreniya-svarochnoj-dugi-905171.html
Об авторе
Промышленная сварка
| Судовое Топливо. Сортовое Судовое Топливо, Его Использование | Следующая> Телефонны Воронежа И Справочник Воронежа |
Физика процесса.
Электрическая дуга имеет высокую, до 5000 С, температуру и, соответственно, выделяет большое количество тепловой энергии. Не смотря на это, выделяемая тепловая энергия имеет высокую степень концентрации, то есть даже на небольшом расстоянии от места сварки температура металла изделия остаётся относительно низкой. Под действием высоких температур электрической дуги металл изделия расплавляется на определённую глубину, которую называют «глубиной проплавления» или же «проваром». Глубина провара (см. рис.1) зависит от нескольких факторов, в том числе и от состава свариваемого сплава, и от мощности подаваемого электрического тока.
Величина напряжения в электрической дуге зависит, прежде всего, от расстояния между катодом и анодом. Увеличение расстояния при той же силе тока ведёт к снижению величины напряжения в дуге. Это связано с тем, что газовая атмосфера между концами дуги обладает собственным электрическим сопротивлением, а увеличение сопротивления требует соответствующего увеличения напряжения в сети. Тем не менее, для поддержания горения дуги между сварочным электродом и деталью достаточно довольно низкого напряжения. Значительно больший импульс требуется для первичного образования дуги, «поджига» — дело в том, что для образования ионизированного канала (т.н. «пробоя») между электродами цепи требуется значительная энергия. Физику процесса легче продемонстрировать при помощи графика (см. рис. 2). В момент поджига напряжение дуги составляет значительную величину, но быстро падает до показателей, необходимых для поддержания устойчивого горения. Последующее увеличение силы тока влияет на температуру в точке сварки, но не на устойчивость горения дуги.
Стабилизация электрической дуги
Промышленные дуговые печи питаются, как правило, переменным током. Преимущественное использование переменного тока для питания печей объясняется более низкой стоимостью его получения и возможностью передачи на значительные расстояния со сравнительно небольшими потерями. Постоянный ток используют для питания дуговых печей лишь в исключительных случаях, когда применение переменного тока либо невозможно, либо не обеспечивает необходимого качества металла.
По сравнению с дугой постоянного тока дуга в цепи переменного тока менее устойчива. В течение каждого периода напряжение источника переменного тока и значение силы тока в дуге дважды переходят через нулевое значение. Это означает, что в цепи переменного тока дуга дважды за период исчезает и возбуждается вновь. Непрерывное горение дуги отличается от прерывистого лишь длительностью пауз, в течение которых дуга отсутствует. При непрерывном горении значение силы тока плавно переходит через нулевое значение, и длительность пауз равна нулю. Конечное значение длительности пауз отвечает прерывистому, но устойчивому горению дуги. При неустойчивом горении пауза стремится к бесконечности и происходит гашение дуги.
Неспокойная, прерывистая дуга в электропечах нежелательна, так как в этом случае мощность трансформатора используется неполностью, вследствие чего замедляется плавление металла, снижается производительность установки.
Появление пауз при смене полярности связано с деионизацией разрядного промежутка и с потерей эмиссионной способности катода. Ферросплавные и сталеплавильные дуговые электропечи являются печами прямого действия, в которых дуга горит между электродом и поверхностью нагреваемого металла. Тепловое состояние электрода в таких печах бывает достаточно стабильным, а температура металла может изменяться в значительных пределах, особенно в печах периодического действия. В зависимости от периода плавки дуга горит между электродом и твердой холодной шихтой, электродом и прогретой твердой шихтой и, наконец, между электродом и поверхностью жидкой ванны.
Наименее устойчивое горение дуги наблюдается в первом случае, когда электрическая дуга горит на поверхности твердой холодной шихты. При переходе напряжения источника через нуль шихта в зоне дуги благодаря высокой теплопроводности металла успевает остыть и в тот полупериод, когда она служит катодом, эмиссия электронов оказывается недостаточной для получения необходимой степени ионизации газов в разрядном промежутке при нормальном напряжении на дуге. Ионизация начинается при более высоком напряжении; напряжение на дуге сильно колеблется даже в течение полупериода. На осциллограмме напряжения появляются «пики».
По мере разогрева шихты и появления озерка жидкого металла горение дуги становится более устойчивым, уменьшается напряжение зажигания, пики напряжения сглаживаются, сокращается продолжительность пауз. После полного расплавления металла осциллограмма напряжения дуги приближается по форме к синусоиде, а значение силы тока плавно переходит через нуль. Горение дуги стабилизируется, паузы практически отсутствуют.
Читайте также: Рукава для газовой сварки ГОСТ 9356-75 диаметром 9 мм
Для повышения стабильности горения дуги необходимо принимать меры по теплоизоляции зоны разряда с тем, чтобы поддерживать требуемую степень ионизации газа в разрядном промежутке и улучшить условия эмиссии электронов катодом.
Возможности активного воздействия на тепловое состояние разрядной зоны в промышленных электропечах, особенно в период наименее устойчивого горения дуги (в период проплавления шихты) практически отсутствуют. Холодная шихта хорошо поглощает тепло и благодаря высокой теплопроводности быстро отводит его от зоны горения дуги.
Несколько уменьшить отвод тепла в шихте от зоны электрической дуги и тем самым несколько улучшить условия ее возбуждения можно рациональным подбором и укладкой шихты. Для этого под электродами шихту надо расположить таким образом, чтобы в начале плавления дуга горела на мелких кусках шихты, которые быстрее нагреваются и оплавляются. В этом случае горение дуги стабилизируется сравнительно быстро. Если же под электродом окажется массивный кусок шихты, на прогрев которого требуется много тепла, то дуга горит неустойчиво в течение длительного периода времени.
Повысить устойчивость горения дуги можно в результате изменения условий ионизации газа в межэлектродном промежутке. Обычно дуга горит в газах, характеризуемых довольно высоким потенциалом ионизации. Если под электроды поместить материал, содержащий легкоионизируемый элемент, то в разрядном промежутке появятся пары этого элемента, суммарная степень ионизации газа при прочих равных условиях увеличится, и дуга станет более устойчивой.
Наиболее распространенным в металлургических цехах элементом со сравнительно низким потенциалом ионизации является кальций, потенциал ионизации которого в два с лишним раза меньше, чем у основных компонентов воздуха (U2 = 15,8 В; U= 12,5 В). Присадка под электроды кальцийсодержащих материалов, например извести или силикокальция, оказывает на дугу стабилизирующее действие.
Источник [4] → список литературы.
Читать далее: Основы стабилизации дуги
Теоретические основы дуговой и электрошлаковой сварки
Для сварки весьма важным условием является устойчивое, без перерывов, горение электрической дуги.
Чем устойчивее (стабильнее) горит дуга, тем легче сварщику выполнять сварку и тем лучше качество сварного шва. Устойчивость горения дуги обеспечивается достаточно высокой степенью ионизации газа в дуговом промежутке.
Степень ионизации газа характеризуется отношением количества заряженных (ионизированных) частиц к нейтральным в данном объеме дугового промежутка.
Степень ионизации в дуге зависит от температуры газа и паров металла в зоне сварки, рода сварочного тока, питающего дугу, и потенциала ионизации веществ, находящихся в дуговом промежутке и на поверхности электрода и изделия.
Чем выше температура и чем ниже потенциал ионизации материала электрода и газа в дуге, тем выше степень ионизации и тем устойчивее (стабильнее) горит дуга.
Температура дуги в свою очередь находится в прямой зависимости от величины сварочного тока и потенциала ионизации веществ, находящихся в дуге.
где Тст — температура столба дуги, °К, a Ut — потенциал ионизации газа в столбе дуги, электрон-вольт. По расчетам эта зависимость несколько иная:
Читайте также: Техника выполнения сварных швов
Тст = (1050 ÷ 1100)Ui
Установлено также, что с уменьшением диаметра электрода при той же величине сварочного тока сечение дуги уменьшается, а температура ее и, следовательно, степень ионизации газа возрастают.
Так, при сварке под флюсом переменным током 450 А при диаметре электрода 5 мм температура столба дуги составляет 6000°К, а при диаметре электрода 2 мм — 7800°К.
Дуга, питающаяся постоянным током, горит более устойчиво, чем питающаяся переменным током. Это обусловлено тем, что в каждом полупериоде (100 раз в секунду) переменный ток падает до нуля (рис. 8), вследствие чего резко уменьшаются температура катода и эмиссия электронов с него, а также скорость перемещения заряженных частиц, температура и степень ионизации газа в межэлектродном промежутке.
Дуга при этом гаснет и мгновенно падает электропроводимость межэлектродного промежутка. Повторно дуга может возбуждаться (при возрастании тока обратного направления в каждом полупериоде) только при повышенном напряжении, называемом напряжением зажигания дуги, или пиком зажигания (см. рис. 8).
Это вызывает необходимость повышения напряжения холостого хода источника питания дуги до 80—100 В, что связано с ухудшением условий техники безопасности. Поэтому в сварочной практике прибегают к другим способам повышения устойчивости горения дуги переменного тока при напряжении холостого хода источника 60—70 В.
Наиболее эффективные результаты дает введение в дугу веществ, обладающих более низким потенциалом ионизации по сравнению с железом. Такими веществами являются химические соединения калия, натрия, кальция, окислы железа и др.
При наличии в дуге паров легкоионизирующихся элементов снижается эффективный потенциал ионизации газа в межэлектродном промежутке.
В результате этого в каждом полупериоде тока после угасания дуги электропроводимость межэлектродного промежутка сохраняется более продолжительное время (до более низких температур), пик зажигания становится меньше, дуга возбуждается легче и горит устойчивее.
Известно, например ,что стабильность горения дуги при сварке на переменном токе непокрытым стальным электродом поддерживать невозможно, в то время как при сварке в тех же условиях электродом с тонким слоем ионизирующего мелового (стабилизирующего) покрытия дуга горит довольно устойчиво.
Введение в зону сварки (через покрытие электрода или флюс) плавикового шпата (СаF2), обладающего высоким потенциалом ионизации, ухудшает стабильность горения дуги, особенно при питании дуги переменным током.
Рис. 8. Кривые изменения тока и напряжение дуги во времени при сварке переменным током: Iд —ток в дуге, Uд —напряжение на дуге, U3 — напряжение повторных зажиганий дуги
Устойчивость горения дуги переменного тока значительно ухудшается, если столб дуги, конец электрода и сварочная ванна дополнительно охлаждаются внешней средой (например, при сварке холодного металла на морозе, сварке в углекислом газе).
В этом случае благодаря более быстрому охлаждению катода и газа в межэлектродном промежутке при снижении тока до нуля значительно быстрее прекращается эмиссия электронов с катода и падает проводимость межэлектродного промежутка после угасания дуги (быстрее наступает деионизация газа), вследствие чего повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде переменного тока затрудняется.
Особенно сильно охлаждается дуга струей углекислого газа. При этом тепло расходуется как на нагрев, так и на диссоциацию газа. В подобных условиях для устойчивого горения дуги переменного тока необходимо в ее зону вводить повышенное количество ионизирующих веществ.
Это успешно применяется при ручной сварке покрытыми электродами, автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом, но практически пока не находит применения при сварке в углекислом газе. Вследствие этого сварка в углекислом газе выполняется исключительно на постоянном токе.
Следует отметить также, что между эффективным потенциалом ионизации газа в дуговом промежутке (устойчивостью горения дуги) и энергией, выделяемой на катоде, а следовательно, и скоростью плавления катода существует определенная связь.
С понижением эффективного потенциала ионизации уменьшается падение напряжения в прикатодной области дуги, вследствие чего снижаются скорость плавления катода и производительность сварки.
Из практики, например, хорошо известно, что при введении в дугу переменного тока легко ионизирующихся веществ скорость плавления электрода при неизменном токе уменьшается. Поэтому введение этих веществ в дугу для повышения ее стабильности ограничивают минимально необходимым количеством.
Сказанное о дуге, горящей в углекислом газе, в некоторой мере относится и к дуге, горящей в инертных газах. Но благодаря использованию дополнительных генераторов импульсов высокого напряжения (стабилизаторов) при сварке неплавящимся электродом на переменном токе в инертных газах повторное возбуждение дуги не вызывает трудностей.
Причем необходимость подключения в сварочную цепь генераторов импульсов высокого напряжения при аргоно- и гелиедуговой сварке объясняется не только охлаждающим действием газа, но и тем, что потенциал ионизации аргона и гелия выше, чем кислорода и паров металла.
Поэтому для повторных возбуждений дуги в каждом полупериоде переменного тока нужно повышенное напряжение. Вместе с тем при наличии стабилизатора нормальный дуговой разряд и устойчивое горение дуги в струе аргона и гелия протекают при меньшем напряжении, чем в углекислом газе.
Это обусловлено тем, что при горении дуги в углекислом газе часть кинетической энергии электронов расходуется на диссоциацию многоатомных молекул углекислого газа, в то время как при сварке в одноатомных газах — аргоне и гелии — такие затраты энергии исключены.
В связи с этим напряжение дуги при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом меньше, чем при сварке в углекислом газе угольным электродом.
Род тока и полярность при аргонодуговой сварке выбирают в зависимости от химического состава свариваемого материала и типа электрода.
Читайте также: Технология и оборудование сварки плавлением, Акулов А.И.
Для стабильного горения дуги (особенно при ручной сварке) необходимо поддерживать постоянство ее длины, так как чрезмерное укорочение дуги может вызвать замыкание электрода, а удлинение — обрывы, что ухудшает качество шва.
При автоматической и полуавтоматической сварке скорость подачи проволоки при заданном сварочном токе и напряжении дуги должна соответствовать скорости ее плавления. При этом ток и напряжение, определяемые по амперметру и вольтметру, должны быть неизменными (минимальное колебание стрелок амперметра и вольтметра).
Факторы, влияющие на процесс.
Под устойчивым горением принято понимать такой режим электрической дуги, при котором процесс сварки проходит равномерно, без скачков и тем более срывов, требующих повторного поджига дуги. Устойчивость зависит от многих факторов, включая полярность и род тока, размер промежутка между электродом и деталью, состав сплава детали, вид и состав покрытия электрода. К примеру, при использовании переменного тока устойчивость горения ниже, что вызвано наличием фазовых переходов. Это обстоятельство компенсируется специальным покрытием электрода — газы, выделяемые при его нагреве, наоборот, способствуют правильному горению дуги.
В обычных условиях электрическая дуга при сварке проходит по кратчайшему расстоянию между электродом и сварочной поверхностью. Но прохождение электрического тока по элементам цепи, включая металл детали, вызывает возникновение электромагнитного поля, которое способно вызвать отклонение столба дуги от прямой. Образно этот процесс можно сравнить с колебанием пламени на ветру. Для того чтобы минимизировать такие проявления, следует присоединять сварочный электрод ближе к точке сварки, что снижает напряжение поля и, соответственно, силу его воздействия.
Как выглядит разряд?
При значительной силе подаваемого тока потоки положительно и отрицательно заряженных частиц между оконечностями разряда вызывают сильную ионизацию воздушной прослойки, что обуславливает устойчивое непрерывное горение сварочной дуги. Визуально сварочную дугу можно представить в виде сияющего столба, верхний край которого касается сварочного электрода, а основание расположено в небольшом углублении, которое образуется на поверхности расплавленного разрядом металла — так называемой ванны. При сварке постоянным током прямой полярности, когда к детали подключён положительный, а к электроду — отрицательный полюс выходов сварочного аппарата, вполне логично называть место соединения электрода и столба — катодным пятном, а основание — анодным. При этом диаметр анодного пятна больший в сравнении с катодным в полтора-два раза, то есть столб разряда имеет, грубо говоря, форму усечённого конуса с более широким основанием (см. рис.1).
Сварочная дуга (столб) окружена ореолом пламени, который образуется раскалёнными газами, образующимися в зоне сварки под действием сверхвысоких температур и вызванных ими химических процессов. Пламя вокруг дуги и сама электрическая дуга при сварке производят световое излучение широкого спектра (в том числе ультрафиолетового) и большой мощности, что делает необходимым использование защитных средств: светофильтров, лицевых масок и спецодежды.
Основные сведения о сварочной дуге. Вольтамперная характеристика дуги
Электрические свойства дуги. Сварочная дуга представляет собой длительный самостоятельный разряд электричества в атмосфере газов и паров металла между двумя электродами, проводящими большой ток — (5-4000) А — при относительно низком напряжении – (10-60)В.
В обычных условиях газы не являются проводником, но при наличии заряженных частиц, электронов и ионов становятся электропроводными.
Включенные в цепь два электрода при соприкосновении дают ток короткого замыкания. При этом они сильно нагреваются и выделяют тепло. Металл катода сильно накаляясь, приобретает способность излучать свободные электроны в пространство — термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия (кинетическая энергия электронов становится больше энергии, необходимой для преодоления электростатического притяжения электрода)
Наиболее важным свойством для сварки являются тепловые свойства дуги. Температура сварочной дуги очень высокая — около 5500°С и зависит от диаметра электрода, плотности тока, материала электродов и состава газовой среды. На катоде она более низкая, чем на аноде, и максимального значения достигает в столбе дуги. При ручной сварке на постоянном токе разница температур на катоде и аноде используется для увеличения расплавления электрода или изделия. Тепловые возможности сварочной дуги измеряются ее тепловой мощностью.
Неиспользуемая на нагрев основного и присадочного металла часть полной тепловой мощности уходит в атмосферу, на световое излучение, уносится с каплями металла при разбрызгивании.
Читайте также: Пластмассовые электроды для сварки и пайки
Для определения затраты тепла при сварке пользуются понятием погонной энергии сварки, которой называют количество теплоты, вводимой в металл в процессе сварки в единицу времени, отнесенное к единице длины шва.
Статической вольтамперной характеристикой дуги
называют зависимость электрического напряжения от тока при постоянной длине дуги.
Напряжение дуги при малых плотностях тока в электроде падает при увеличении тока (падающая статическая характеристика), далее при увеличении плотности тока в определенном интервале остается практически постоянным (жесткая характеристика), а затем увеличивается с ростом тока в дуге (возрастающая характеристика).Падение напряжения с ростом тока наблюдается только при малых токах (порядка до 50 А) и может быть отнесено за счет улучшения условий термической ионизации. После возбуждения дуги возникает большее число носителей заряда, проводимость столба дуги увеличивается и ток возрастает при уменьшении напряжения. Дальнейшее увеличение тока приводит к росту поперечного сечения столба дуги без изменения его проводимости, поэтому напряжение на дуге остается практически постоянным.
Источник сварочного тока выпрямитель трансфарматор
Внешняя х-та бывает крупной падающий жесткой и возврасающей внешней х-та источников питания должна соответствовать вольт-амперной х-тики сварочной дуги.
Источники питания должны обладать требованиями
1)она должна быть безопасным в работе иметь высокий КПД 2)повышение напряжения холостого хода. 3)величина тока короткого замыкания должна быть строго ограниченной , что бы не допустить перегрева источника питания
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами позволяет создать температуру в сварной ванне до 7000 градусов. Этого достаточно, чтобы сплавить практически любые известные металлы, а ручной способ позволяет добраться до самых труднодоступных мест. Благодаря простоте и практичности ручная сварка стала самой популярной. Недостаток заключается в том, что сварку должен производить человек с квалификацией, чтобы контролировать качество шва.
1. Сущность процесса ручной дуговой сварки
Сварку выполняют электродами, которые вручную подают в зону горения дуги и перемещают вдоль свариваемого изделия. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защиту вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла металлической сварочной ванны.
Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга. Дуга – мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа (рис.1):
Рис. 1. Схема процесса зажигания дуги
Читайте также: Регулятор индуктивности на сварочном полуавтомате
короткое замыкание электрода на заготовку (рис. 1, а) отвод электрода на расстояние 3-6 мм (рис. 1, б) и возникновение устойчивого дугового разряда (рис. 1, в). Без короткого замыкания дугу можно зажечь с помощью осциллятора (генератор высокочастотных колебаний).
Сварка металлов технологии сварочного производства
Условия зажигания и горения дуги зависят от рода тока, полярности, химического состава электродов, газового промежутка и его длины.
Зажигание и горение дуги протекают лучше на постоянном токе.
Напряжение холостого тока, подводимое к электродам, с учетом безопасности труда при сварке не превышает 80 В на переменном токе и 90 В на постоянном токе. Обычно напряжение зажигания дуги больше по величине напряжения горения дуги на переменном токе в 1,2 -2,5 раза, а на постоянном токе — в 1,2-1,4 раза.
Для зажигания дуги требуется напряжение большее по величине, чем для горения дуги.
Первое условие
Дуга зажигается от нагревания торца электрода (катода). Когда электрод соприкасается с изделием, создается замкнутая сварочная цепь, торец катодного электрода нагревается за счет выделения теплоты при прохождении тока через контакт, имеющий большое электросопротивление, и при отрыве электрода от изделия на расстояние 1 мм (или несколько более) дуга зажигается. В момент отрыва электрода от изделия с нагретого от короткого замыкания катода начинается термоэлектронная эмиссия. Электронный ток ионизирует газы и пары металла, находящиеся в межэлектродном промежутке, и с этого момента в дуге появляются электронный и ионный токи.
Поддержание непрерывного горения дуги будет осуществляться, если приток энергии в дугу превышает потери в ней на излучение, конвекцию, диссоциацию, электромагнитные потери и др.
В случае коротких замыканий каплями электродного материала, образующимися на конце плавящего электрода и переносимыми на изделие, повторные зажигания дуги происходят самопроизвольно, если температура катода остается достаточно высокой. Эта температура зависит от состава материала катода, плотности тока в нем и др.
Таким образом, первым условием для зажигания и горения дуги является наличие специального электрического источника питания дуги, позволяющего быстро производить нагревание катоду до необходимой температуры.
Второе условие
Вторым условием для зажигания и горения дуги является наличие ионизации в столбе дуги. Дуга с плавящимся электродом — это в основном дуга в парах металла, а не в газе. Это происходит по той причине, что потенциал ионизации паров металла значительно ниже, чем у газов; например, потенциалы ионизации газов Не, F, Аг, Н2, N2, СО2, О2 соответственно равны 24,5 — 12,5, а у металлов Fe, Al, Na, К — 7,83-4,32 эВ.
Горящую дугу можно растянуть до определенной длины, после чего она гаснет. Чем выше степень ионизации, тем длиннее будет дуга.
Длина горящей без обрыва дуги характеризует стабильность дуги.
Стабильность дуги
Стабильность функционирования дуги зависит от ряда ее характеристик, например от температуры катода, его термоэлектронной способности, степени ионизации атмосферы и т. д.
Стабильность дуги повышается с увеличением в ее атмосфере элементов с низким потенциалом ионизации, например калия, натрия и др.
Стабильные дуги устанавливаются в газах, обладающих относительно низкой теплопроводностью (аргон, криптон), а в газе с относительно высокой теплопроводностью (гелий, водород, азот) для устойчивого горения необходимо повышенное напряжение на дуге. В последнем случае сварка выполняется более короткой дугой неплавящимся электродом.
Читайте также: Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначение и определения
Третье условие
Третьим условием для сварки на переменном токе является наличие в сварочной цепи реактивного сопротивления (повышенной индуктивности), что повышает стабильность горения дуги. В сварочной цепи переменного тока, имеющей только омическое сопротивление, при горении дуги образуются обрывы (100 обрывов в секунду при частоте переменного тока 50 Гц).
При реактивном сопротивлении, включенном в сварочную цепь переменного тока, обрывы в горении дуги отсутствуют.
Электрическую индуктивность включают не только в сварочную цепь переменного тока, но даже в цепь постоянного тока. В настоящее время некоторые сварочные выпрямители изготовляют с включением в сварочную цепь индуктивности, с тем чтобы улучшить стабильность дуги и качество сварочных работ. Это особенно необходимо, если производить полуавтоматическую шланговую сварку в СО; чем больше диаметр сварочной проволоки и ток, тем большая величина индуктивности должна быть в сварочной цепи.
Четвертое условие
Четвертым условием для зажигания и горения дуги на любом роде тока зависит от характеристики источника питания дуги: источник питания должен поддерживать горение дуги при наличии возмущений в виде изменения напряжения в сети, рельефа поверхности свариваемого изделия, скорости подачи сварочной проволоки и др.
Краткая историческая справка
В предвоенные годы дуговая сварка начала развиваться на качественно новой основе. В 1939—1940 гг. в Институте электросварки АН УССР под руководством Б. О. Патона разработан метод автоматической сварки под флюсом. Он осуществляется с помощью электрической дуги, горящей под слоем специального вещества — флюса. Идея применения флюса для защиты разогретого металла от воздействия воздуха была предложена еще Н. Г. Славяновым. В современном виде этот способ усовершенствован благодаря фундаментальным исследованиям особенностей дуги под флюсом, условий формирования шва и металлургических процессов. Работами Б. Е. Патона и А. М, Макары [31] показано, что электрический процесс под флюсом представляет собой электрическую дугу, в то время как в американской литературе в 1942 г. утверждалось, что сварку под флюсом не следует смешивать с такими процессами, как ручная дуговая или автоматическая сварка открытой дугой. Дуга под флюсом сильно погружается в металл, вызывая более глубокое его проплавление, интенсивнее плавит и присадочный материал, обеспечивая повышение производительности в 5— 20 раз по сравнению с ручной дуговой сваркой. Трудами Б. Е. Патона, А. М. Макары, К. К. Хренова, И. В. Кирдо, И. И. Зарубы, Л. Н. Кушнарева, Н. Г. Остапенко, Б. И. Медовара, Д. М. Рабкина, Г. И. Лескова и др. [1, 2, 38] определены размеры газового пузыря под флюсом, в котором горит дуга, измерены распределение потенциала между электродами и температура столба, их зависимость от режима горения и состава флюсов и электродов, исследованы особенности плавления электродов и переноса металла, условия устойчивости и процессы повторного возбуждения после перехода переменного тока через нуль. Дуга под флюсом горит под слоем достаточно тугоплавких и трудно испаряемых веществ специального состава, подбираемых по требованиям не только устойчивого горения дуги, но и обеспечения благоприятного течения металлургических процессов. Они содержат, как правило, и фтор-электроотрицательный элемент с большой энергией сродства к электрону, который существенно влияет на физические процессы в дуге, захватывая свободные электроны. Дуга проплавляет во флюсе полость, радиальные размеры которой в 2—3 раза превышают радиус столба дуги. Как показали измерения, во всех дугах под флюсом напряженность поля столба выше, чем в открытых дугах, и составляет 32—43 В/см. Выше в них (кроме флюса АН-3) и сумма приэлектродных напряжений [20]. Это обусловливает более высокую концентрацию мощности в таких дугах и эффективное плавление ими свариваемых металлов и электродов. Тепловой баланс дуги под флюсом (в) и балансы открытых дуг с угольным (а) и металлическим (б) электродами по измерениям И. В. Кирдо [2] приведены на рис. 1.4. Дуга под флюсом отличается наиболее высоким КПД. Изучены и используются в сварочном производстве дуги в инертных газах — аргоне, гелии, в углекислом газе, дуга под водой и др. В настоящее время они классифицируются по следующим основным группам:
Рассмотренные дуги характеризуются прямым действием на электроды, поскольку им передается вся кинетическая и потенциальная энергия падающих на электроды заряженных частиц.
Учебные материалы
Устойчивое горение дуги, от которого непосредственно зависит качество сварного соединения, это такой режим, при котором дуга длительное время горит не прерываясь при заданной силе тока сварки Iсв и напряжения дуги Uд, т.е. это такая сварочная дуга, горение которой не сопровождается короткими замыканиями или обрывами.
На устойчивость горения дуги влияют следующие факторы:
а) Режим сварки – т.е. соотношение между током Iсв и напряжением дуги Uд.
Для обеспечения процесса устойчивого горения дуги эти параметры Iсв и Uд должны находиться в определенной зависимости. Такая зависимость называется статическая вольт – амперная характеристика дуги – график зависимости между напряжением и силой тока сварочной дуги (для переменного тока – между действующими значениями этих величин) при постоянных длине дуги lд и диаметре электрода dэл и при работе в статическом режиме (рисунок 3.5). Это связано с тем, что для дугового разряда сопротивление не является постоянным, так как количество заряженных частиц зависит от интенсивности ионизации и главным образом от тока.
Поле графика можно разделить на 3 области:
I – напряжение Uд резко падает с возрастанием силы тока, называют характеристику дуги падающей. Сварка при таких характеристиках дуги находит ограниченное применение из-за малой устойчивости горения дуги (трудно обеспечить стабильный режим сварки lд);
Рисунок 3.5 – Вольт – амперная характеристика дуги
II – напряжение Uд не изменяется существенно с возрастанием силы тока, называют жесткой характеристикой дуги, находит самое широкое применение. При увеличении Iсв = 80÷800 А площадь активных пятен увеличивается пропорционально току, поэтому и падение напряжения во всех участках дугового разряда Uд сохраняются постоянными;
III – напряжение увеличивается с возрастанием силы тока, такая характеристика дуги называется возрастающей; т.е. при условии увеличения тока, соответственно возрастает плотность тока и для обеспечения устойчивости горения дуги должно обеспечиваться увеличение напряжения дуги Uд. Это можно объяснить тем, что при данном диаметре электрода dэл активное пятно на конце электрода принимает свой физически предельный размер равный dэл и с увеличением плотности тока получаем увеличение Uд.
Например, при сварке плавящимся электродом в среде защитного газа характеристика дуги возрастающая.
б) Род тока – переменный или постоянный ток. Вначале считалось, что устойчивое горение сварочной дуги может быть достигнуто только при питании ее постоянным током.
Электрические и тепловые процессы, происходящие в дуге переменного тока действительно несколько отличаются от процессов, происходящих в дуге постоянного тока, что влияет на устойчивость дуги.
Так при сварке переменным током промышленной частоты f = 50 полярность электрода и изделия сто раз в сек. периодически изменяются. Соответственно при переходе тока I через нуль в начале и конце каждого полупериода дуга угасает и температура дугового промежутка снижается, падает температура активных пятен на аноде и катоде, происходит определенная деионизация газов из-за изменения полярности. Падение температуры несколько отстает по фазе от перехода тока I через нуль. Особенно интенсивно падает температура активного пятна сварочной ванны, обусловленная интенсивным отводом тепла в массу изделия. Поэтому повторное зажигание дуги переменного тока в начале каждого полупериода обычно происходит только при повышенном U между электродами. Это напряжение называют пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги Uз.
Необходимо указать, что затухания и обрыв дуги переменного тока происходят при прочих равных условиях, при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. Чем выше токи сварочные, тем Uз меньше и устойчивее горение.
Устойчивость горения дуги резко повышается с увеличением напряжения холостого хода Uо = Uхх; чем выше Uз повторного зажигания дуги, тем выше должно быть Uхх источника питания. В трансформаторах дуговой сварки принимают Uо/ Uд = 1,8÷2,5 (но Uо < 80 В).
При сварке на переменном ~ токе неплавящимся электродом проявляется также выпрямляющее действие дуги, что отрицательно сказывается на качестве сварного соединения (уменьшается глубина провара, увеличивается Uз), повышается также температура электрода и увеличивается его расход.
Однако, в некоторых случаях переменный ток, кроме экономических (дешевле электроэнергия, простота в обслуживании и меньшая стоимость оборудования) имеет и технологические преимущества:
- отсутствие магнитного дутья, затрудняющего сварку особенно при Iсв3 350÷400 А. Так при ручной электродуговой сварке это ведет отклонению дуги за счет влияния магнитных полей и соответственно происходит выдувание металла сварочной ванны и плохое формирование шва;
- разрушение оксидной пленки при сварке Аl и его сплавов.
в) Характеристика источников питания (рассматривается в вопросе ИП сварочной дуги).
г) Состав и свойства атмосферы дуги (см. вопрос электродные покрытия).
Читайте также: Индуктивные датчики: назначение и принцип работы, устройство индуктивного датчика
Ручная дуговая сварка > Теория по ТКМ >
Чем определяется мощность сварочной дуги
Для правильного определения нужной силы тока при ручной электродуговой электродной сварке необходимо учесть много факторов. Режим сварки определяют при анализе первоначальных данных. Чем больше данных, тем выше будет качество выполненной работы.
Режим сварки, факторы влияющие на его выбор
Для выбора нужного нам режима сварки требуется определить состав свариваемого материала, его геометрические размеры, конфигурацию и планируемый тип сварного шва. Только зная ответы на все эти вопросы мы сможем верно выбрать электрод и характеристики сварного тока.
Так как факторов множество и каждый из них по своему влияет на сам процесс сварки — рассмотрим их основные параметры:
- типоразмер электрода;
- значение тока;
- длина дуги;
- скорость провара;
- тип и полярность;
- количество швов.
Анализируя данный список мы видим, что главные критерии режима сварки связаны с условиями и характером горения сварочной дуги. Поэтому перед началом работ нужно выполнить подбор значений этих параметров для получения нужной конфигурации и, следовательно, отличного качества места сварки.
Хорошее увеличение производительности труда получают путем использования сварки, где применяется трехфазный ток.
Применяя трехфазную сварку КПД возрастает в 2—2,5 раза. Проходя сквозь дугу трех токов смещенных по фазе на 120 градусов качество и устойчивость дуги становится намного выше чем при применении однофазного тока. Данный тип сварки позволяет применять электроды с фтористо-кальциевыми покрытиями, которые не годятся при работе на однофазном переменном токе.
ТОК И ЭЛЕКТРОД
Одним из главных характеристик электродуговой сварки считается сварочный ток. В большей степени его сила определит характер шва и продуктивность сварки в общем. Чем выше значение тока-тем лучше дуга и глубже проплав.
Сила тока при сварке находится в прямой зависимости с размером электрода и вида взаимного размещения свариваемых деталей в пространстве. Наивысшие значения тока применяются для стыковки горизонтальных деталей.
При вертикальных проварах силу тока уменьшают на 15%, при потолочных – уменьшают на 20%.
Зачастую данные о силе тока нанесены на пачке от сварочных электродов. Вдобавок ее можно узнать с помощью расчетов или таблиц.
Рекомендуем! Как настроить сварочный полуавтомат
Диаметр электрода подбирается исходя из толщин скрепляемого металла, способа сварки и геометрических размеров шва.
Для каждого отдельного случая подбирается определенное количество Ампер:
- Электродом 1 мм. сваривают материал толщиной до 1 мм, сила тока выставляется в пределах 10-30 А.
- Электродом 1,5-2 мм. сваривают материал толщиной до 2 мм, подают на электрод 30-50 А.
- Электродом 3 мм. сваривают материал толщиной до 4 мм, подают на электрод 60-120 А.
- Электродом 4 мм. сваривают материал толщиной до 11 мм, подают на электрод 140-2000 А.
- Электродом 5 мм. сваривают материал толщиной до 15 мм, подают на электрод 150-270 А.
- Электродом 6 мм. сваривают материал толщиной до 16 мм, подают на электрод 210-340 А.
Такой разброс ампер существует из-за разности применяемых металлов и положения заготовок при сварке. При начале сварки советуют выставлять среднее значение силы тока.