Сварочная дуга

Ручная дуговая сварка

Параметры ручной электродуговой сварки указаны в межгосударственном стандарте ГОСТ 5264-80, действующим взамен принятого в СССР в 1981 году ГОСТ 5264-69. В нём учтены:

• тип соединения;
• форма подготовленных кромок;
• характер сварного шва;
• поперечное сечение шва и кромок;
• толщина свариваемых деталей.

Принцип действия

Источником нагрева соединения является сварочная дуга – концентрированная лучистая энергия в промежутке между электродом и изделием. Питание происходит от трансформатора при переменном токе или преобразователя – при постоянном. От источника питание подаётся проводами на электрод, зажатый в держателе, и на изделие. При контакте между ними возникает дуга. Шов образуется от расплавления электрода и соединяемой кромки.

Создание дуги

Дуга возникает от нагревания торца электрода, являющийся в электрической цепи катодом. Он соприкасается с изделием, цепь замыкается. При прохождении тока через контакт с большим сопротивлением выделяется большое количество тепловой энергии. При отрыве электрода на расстояние 1-2 миллиметра зажигается дуга, и начинается термоэлектронная эмиссия. Зажигание и горение возможны при наличии трёх компонентов:

1. Электрический источник питания, у которого напряжение холостого хода выше напряжения дуги.
2. Ионизация в столбе дуги.
3. Реактивное сопротивление в сварочной цепи – это повышает стабильность горения.

Схема сварочной дуги

Области сварочной дуги

Сварочная дуга включает в себя три основные зоны:

1. Катодная – находится между столбом дуги и поверхностью катода.
2. Столб дуги – между катодной и анодной зонами.
3. Анодная – состоит из анодного пятна и приэлектродной части. Ток в ней образуется потоком электронов из столба.

Под влиянием высокой напряжённости возле катода с его пятна вырываются свободные электроны, которые летят к аноду. За счёт бомбардировки электронов происходит интенсивное нагревание катода.

Источники питания

Трансформатор – источник питания электрической дуги. Напряжение подаваемого из сети тока изменяется регулировкой расстояния между первичной и вторичной обмоткой: приближение уменьшает индуктивное сопротивление и увеличивает ток. Удаление уменьшает его. Обмотка, подключенная к сети – первичная, к держателю и свариваемому изделию – вторичная.

Примерная стоимость трансформаторов. Яндекс.Маркет

Используемые электроды

При сварке постоянным и переменным током электроды применяют разные, маркировка первых имеет в маркировке буквенную аббревиатуру УОНИ, вторых — МР. И те, и другие покрываются специальной обмазкой для сварки сталей:

• углеродистых и низкоуглеродистых конструкционных;
• легированных конструкционных;
• легированных теплоустойчивых;
• высоколегированных с особыми свойствами;
• для наплавки поверхностных слоёв с особыми свойствами.

По толщине обмазки в прямой зависимости от соотношения диаметра электрода к диаметру стального сердечника:

• с тонким покрытием, соотношение меньше 1,20;
• со средним, D/d между 1,20 и 1,45;
• с толстым, D/d между 1,45 и 1,80;
• с особо толстым, D/d больше 1,80.

По составу покрытия маркируются:

• кислое – А;
• целлюлозное – Ц;
• рутиловое – Р;
• основное – Б;
• прочие – П.

Ещё одна маркировка – по положению электрода по отношению к поверхности детали:

• для всех – 1;
• для всех, кроме вертикального – 2;
• для нижнего, горизонтального к вертикальной плоскости сварки и вертикального снизу вверх – 3;
• для нижнего и нижнего в лодочку (свариваемые поверхности под прямым углом) – 4.

Примерная стоимость электродов. Яндекс.Маркет

Выпрямитель

Преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный, необходимый для сварки.

Выпрямители бывают однофазные и трехфазные, стационарные или мобильные. Иметь возможность изменять вольт-амперную характеристику на жёсткую или падающую, а также полярность при сварке.

Плавное регулирование сварочного тока осуществляется блоком управления, а ступенчатое за счёт переключения обмоток.

Массовое применение их на производстве говорит о их универсальности и производительности. Высокое КПД и возможность применения при сварки различных металлов делает их одними из популярнейших источников питания.

Природа возникновения явления

Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:

1. Сварщик на долю секунды касается электродом металлической заготовки.
2. В момент контакта происходит короткое замыкание, сопровождающееся протеканием тока большой силы и, как следствие, мощным выделением тепла.
3. Металл в точке прикосновения плавится. Он становится вязким, тягучим.
4. В момент отрыва расходника от заготовки за ним тянется капля расплава.
5. Удлиняясь, она утоньшается с образованием т.н. шейки. В какой-то момент та испаряется и превращается в облако заряженных частиц. Одновременно вследствие высокой температуры в данной зоне ионизируется воздух или защитный газ.
6. Под действием электрического поля носители отрицательного заряда устремляются к аноду, положительного – к катоду. Начинается процесс протекания тока в плазме.

В момент контакта происходит короткое замыкание, металл в точке прикосновения плавится. Каждый этап длится миллисекунды, разряд возникает практически мгновенно. Далее ток поддерживается эмиссией электронов на катоде. По пути к аноду они ионизируют газ и пары металла, увеличивая число свободных носителей заряда.

При каких условиях начинается горение

Электрическая сварочная дуга возникает при силе тока от 10 до 1000 А и разности потенциалов 15-40 В. В холодном воздухе розжиг затрудняется, поскольку тот слабо ионизируется. В таких условиях прогревают заготовку либо подают теплый защитный газ.

Источники питания дуги

Для создания разряда используют и постоянное, и переменное напряжение. В первом случае сварной шов получается более качественным, а металл разбрызгивается меньше.

Ток из сети 220 В преобразуется трансформатором, дающим на выходе 15-40 В.

С целью уменьшения его габаритов в современных сварочных аппаратах используют схему, состоящую из таких узлов:

1. Входного выпрямителя.
2. Инвертора – электронного устройства с быстропереключающимися транзисторами, управляемого микросхемой.
3. Трансформатора.
4. Выходного выпрямителя.

Инвертор является источником питания дуги. Инвертор превращает постоянный ток в переменный с частотой до 80 кГц. Это позволяет не только уменьшить размеры трансформатора, но и повысить КПД аппарата.

Параметры источника подбирают с учетом способа выполнения работ. Например, при ручной сварке длина дуги колеблется, поэтому нужен аппарат с крутопадающей вольт-амперной характеристикой. Благодаря ему разряд при растягивании не гаснет, а при его укорочении ток не становится слишком большим.

При сварке плавящимся электродом с него стекают на заготовку капли металла. В такие моменты возникает ток короткого замыкания, превышающий дуговой на 20%-50%. Он пережигает образовавшийся металлический мостик, и плазменный разряд образуется снова. Эти колебания происходят в короткие моменты времени, поэтому источник должен быстро реагировать на них, стабилизируя разность потенциалов.

Рекомендуем к прочтению Как разделывать металлические кромки под сварку

Чем и как определяется мощность

Плазма представляет собой проводник с протекающим по нему электрическим током. Значит, на вопрос о том, чем определяется мощность сварочной дуги, дается тот же ответ, что и для любого резистора: напряжением и амперажем. Скорость выделения тепла равна произведению этих величин.

Мощность варьируют силой тока, которая зависит от длины дуги.

Чаще мощность варьируют силой тока, которая, в свою очередь, зависит от длины дуги. Одновременно меняется и температура нагрева металла, а с ней и скорость выполнения работ.

Подготовка к ручной дуговой сварке

Чтобы соединение получилось качественным и надежным, следует придерживаться целого комплекса условий.

Выбор режима дуговой сварки

Эффективность процесса зависит от правильного выполнения технологических моментов, поэтому важно выбрать режим сварки. Для этого нужно точно знать конфигурацию и толщину заготовок, химсостав металла и конструкцию сварочного соединения

В результате будет подобран подходящий диаметр электрода и величина тока.

Разные факторы имеют различное влияние на процесс, поэтому их поделили на 2 вида.

Основные параметры (они связаны с характером горения дуги), которые нужно учитывать:

• количество проходов;
• быстрота дуговой сварки – зависит от толщины металла и шва, оптимальная скорость перемещения должна быть такой, чтобы шов оказался в 2 раза шире диаметра электрода;
• длина дуги сварки – связана с диаметром электрода, от нее зависит прочность свариваемого соединения;
• полярность и род тока – бывает прямой и полярной, в зависимости от того, из какого металла сделано изделие;
• сила тока – влияет на качество шва и производительность сварки;
• диаметр электрода – зависит от кромок свариваемых изделий и способа сварки.

Дополнительные параметры:

• наклон и длина электрода – от этих показателей зависит степень и скорость его нагревания;
• температура металла для сварки начальная;
• расположение изделия в процессе – электрод удерживают вертикально, это имеет значение для ширины и глубины шва.

Зная особенности всех параметров режима сварки, можно настроить свой сварочный аппарат на максимально продуктивную и эффективную работу.

Сварочное оборудование и типы электродов

Основное оборудование для ручной дуговой сварки – разного рода трансформаторы, которые способствуют непрерывности электродуги и являются источником питания. Эту же функцию выполняет и сварочная установка.

Рабочим инструментом сварщика для дуговой ручной сварки есть электрический держатель. Его цель – удержание электрода и подвод к нему электрического тока. Им выполняются все манипуляции в процессе, со стороны специалиста не прикладываются длительные усилия.

Держатели надежно крепят электрод в любых положениях, перпендикулярно и под углом, что позволяет не деформировать изделие при работе в труднодоступных местах. Электродержатели производят смену не более 4 секунд. По способу закрепления электрода их делят на специализированные и универсальные.

Для ручной дуговой сварки электроды подбирают неплавящиеся и плавящиеся, которые изготавливают из легированной, высоколегированной и углеродистой стали.

Обработка стыков трубопровода

Сборка стыков под сварочные работы заключена в совмещении торцов труб, чтобы их поверхности совпали, а ось трубопровода не была нарушена. Обрабатывают концы механическим способом – фрезой, резцом, абразивным кругом.

Обработка стыков необходима для холодного натяга, который компенсируется при последующем прогревании трубопровода его удлинением. Холодный натяг дает возможность разгрузить конструкцию от температурных напряжений.

Обработка стыков после натяга грозит образованием в них трещин после нагревания. При рабочей или комнатной температуре прочность стыка выше, чем при температуре отпуска. При отпуске первого стыка, который выполняет функцию пластического шарнира, часть натяга снимается.

Предварительный подогрев трубы

При сварочных работах со сталями среднелегированными, с повышенным содержанием углеводорода, которые склонны к резкой закалке, обязателен предварительный нагрев труб. Из-за чувствительности к термическому циклу сварки, область околошовная становится резко закаленной и непластичной при любом виде сварки. Шов формируется неудовлетворительно.

Предварительный подогрев приводит к снижению скорости остывания зоны возле шва, в ней образуются структуры с запасом пластичности. Они служат защитой от образования трещин под воздействием цикла термодеформации.

Температуру подогрева рассчитывают с учетом толщины стали и ее химического состава. После чего корректируют, определив реальную скорость охлаждения и сопоставив эти показатели.

Как регулировать длину дуги

От этого параметра зависят не только электрические величины, но и качество сварки. Дугу стремятся делать как можно более короткой, в пределах 3-4 мм.

При большей длине наблюдаются следующие негативные явления:

1. Капли расплавленного металла с электрода на пути к сварочной ванне успевают вобрать в себя из воздуха много кислорода и азота. В результате шов теряет прочность, пластичность и ударную вязкость.
2. Разряд перемещается по поверхности заготовки (блуждание), вследствие чего тепло распределяется по относительно большой площади. Глубина провара уменьшается; капли расплава с расходника, попадая на непрогретый металл, не сливаются с ним, а отскакивают.

Короткая дуга издает сухой треск, напоминающий шипение масла на горячей сковороде.

При большой длине сварочной дуги наблюдаются негативные явления.

Выполненный ей шов выглядит аккуратным и имеет следующие признаки:

1. Правильную форму.
2. Гладкую выпуклую поверхность.

Шов, выполненный длинной дугой, имеет неровные очертания, вдоль него налипают капли расплавленного металла.

Условия горения

При стандартных условиях, то есть температуре в 25 градусов и давлении в 1 атмосферу газы не способны проводить электрический ток. Для того, чтобы образовалась дуга необходимо, чтобы газы между электродами были ионизированы, то есть имели в своем составе различные заряженные частицы – электроны или ионы (катионы или анионы). Процесс образования ионизированного газа будет называться ионизацией, а работа, которую необходимо затратить на отрыв электрона у атомной частицы для образования электрона и иона – работой ионизации, которая измеряется в электрон-вольтах и называется потенциалом ионизации. Какую именно энергию необходимо затратить для отрыва электрона от атома зависит от природы газовой фазы, значения могут быть от 3,5 до 25 эВ. Самый маленький потенциал ионизации имеют металлы щелочной и щелочно-земельной группы – калий, кальций и, соответственно, их химический соединения. Такими соединениями покрывают электроды, для того, чтобы они способствовали устойчивому существованию и горению сварочной дуги.

Также для возникновения и горения дуги необходима постоянная температура на катод, которая зависит от природы катода, его диаметра, размера и температуры окружающей среды. Температура электрической дуги поэтому должна быть постоянной и не колебаться, благодаря огромным значениям силы тока температура может достигать 7 тысяч градусов, таким образом, сваркой можно присоединять абсолютно все материалы. Постоянная температура обеспечивается с помощью исправного источника питания, поэтому его выбор при конструировании сварочного аппарата очень важен, он оказывает влияние на свойства дуги.

Основные требования

На сегодняшний день все источники питания должны соответствовать следующим основным требованиям:

• иметь в наличии плавную регулировку режимов сварки во всём диапазоне;
• иметь в наличии приборы для контроля режимов сварки;
• обеспечивать стабильное горение дуги;
• иметь высокие динамические характеристики;
• соответствовать основным требованиям по электробезопасности.

Наличие плавной регулировки и приборов контроля, обеспечивает точную настройку необходимых режимов сварки.

Динамические свойства сварочного аппарата определяются временем восстановления напряжения холостого хода после короткого замыкания в процессе сварки.  Чем быстрее восстанавливается напряжение, тем лучше его динамические характеристики. Восстановление не должно превышать 0,05с.

Для повышения стабильности горения дуги дополнительно могут применяться осцилляторы. Они преобразующие низкое напряжение промышленной частоты в импульсы высокого напряжения и высокой частоты. Наложение этих импульсов на дуговой промежуток повышает устойчивость горения дуги.

Что такое сварочная дуга и почему так называется

По определению сварочная дуга это электрический разряд, который может стабильно гореть благодаря действию электрического поля. Сварочная дуга возникает только вы ионизированный смеси газов и паров металла. Она используется как инструмент обработки металла, являясь концентрированным источником тепловой энергии. Температура на дуге может достигать 20000 градусов Цельсия, что используется не только для сварки, но и для резки металла большой толщины.

Само название дуга появилась в 1802 году при экспериментах, описанных В. В. Петровым. Эксперимент выполнялся со столбчатыми разрядами, которые изгибались в “Дугу” под действием тёплого воздуха ими же разогретого.

Классификация сварочной дуги – основные виды

Существует несколько различных классификаций сварочной дуги:

1. В зависимости от подключения к сварочному аппарату.
2. По используемым в процессе электродам.
3. В зависимости от тока.
4. По степени сжатие.
5. В зависимости от защиты.
6. В зависимости от длины.

От подключения к сварочному аппарату

Тут уже идёт внутренний классификация: прямого действия; косвенного и комбинированная.

• Прямого действия – дуга горит между деталью и одним электродом;
• Косвенного – разряд горит между несколькими электродами, на изделия ток не подаётся (как пример атомно-водородная наплавка и сварка)
• Комбинированный способ включает в себя симбиоз методов прямого и косвенного. Дуга горит как между электродами, так и между изделиями (выполняется на трёхфазном токе)

По используемым в процессе электродам

При сварке могут использоваться следующий виды электродов, от которых будет отличаться дуга и её свойства:

• плавящиеся электроды – штучные электроды с обмазкой и металлическим стержнем внутри, порошковая проволока и проволока сплошного сечения;
• неплавящиеся электроды угольные или графитовые;
• неплавящиеся электроды из вольфрама и различными тугоплавкими добавками лантана, иттрия, тория и прочих.

От тока

В зависимости от тока существует следующая классификация:

• Дуга постоянного тока;
• Переменного тока;
• Импульсная.

Свою очередь дуга постоянного тока подразделяется на:

• прямая полярность;
• обратная полярность.

По степени сжатие

Дуга может быть:

• свободногорящая – дуговой разряд горит в защитной атмосфере без мероприятий по увеличению давления и сжатия.
• Сжатая – дуговой разряд сжимается за счёт воздуха или инертного газа с использованием специальных сопел и плазмотронов или с помощью электромагнитного поля.

В зависимости от защиты

Здесь выделяют три следующих в классификации:

• открытая – защита осуществляется газовой средой образующиеся от испарения обмазки электрода;
• открытая в среде инертного газа – защита осуществляется подачей инертного Газа;
• закрытая под слоем флюса – защита осуществляется за счёт плавления флюса, под которым и происходит ее горение.

В зависимости от длины

Классификация в зависимости от расстояния между электродом и изделием:

1. Короткая – длинной 1,5-2,0 мм.
2. Нормальная 2,0 – 3,0 (максимум 3,5 мм).
3. Длинная – более 3,5 мм.

Внешняя характеристика источников питания сварочной дуги

Внешняя характеристика источников питания (сварочного трансформатора, выпрямителя и генератора) — это зависимость напряжения на выходных зажимах от величины тока нагрузки. Зависимость между напряжением и током дуги в установившемся (статическом) режиме называется вольт-амперной характеристикой дуги.

Внешние характеристики сварочных генераторов, показанные на рис. 1 (кривые 1 и 2), являются падающими. Длина дуги связана с ее напряжением: чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. При одинаковом падении напряжения (изменении длины дуги) изменение сварочного тока неодинаково при неодинаковых внешних характеристиках источника. Чем круче характеристика, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток. При изменении напряжения на величину δ при крутопадающей характеристике изменение тока равно а1, при пологопадающей — а2.

Рис. 1. Внешняя характеристика источников питания: 1 — крутопадающая внешняя характеристика; 2 — пологопадающая; 3 — жёсткая; 4 — пологовозрастающая

Рис. 2. Внешняя характеристика источников питания и сварочной дуги: а — сплошная линия — генератора, штрихованная — дуги в момент возбуждения; штрихпунктирная — дуги при горении; б — характеристика источников питания сварочной дуги.

Для обеспечения стабильного горения дуги необходимо, чтобы характеристика сварочной дуги пересекалась с характеристикой источника питания (рис. 2).

В момент зажигания дуги (рис. 2, а) напряжение падает по кривой от точки 1 до точки 2 — до пересечения с характеристикой генератора, т. е. до положения, когда электрод отводится от поверхности основного металла. При удлинении дуги до 3 — 5 мм напряжение возрастает по кривой 2—3 (в точке 3 осуществляется устойчивое горение дуги). Обычно ток короткого замыкания  превышает рабочий ток,   но  не более чем в 1,5 раза. Время восстановления напряжения после короткого замыкания до напряжения дуги не должно превышать 0,05 с, этой величиной оцениваются динамические свойства источника.

На рис. 2,6 показаны падающие характеристики 1 и 2 источника питания при жесткой характеристике дуги 3, наиболее приемлемой при ручной дуговой сварке.

Напряжение холостого хода (без нагрузки в сварочной цепи) при падающих внешних характеристиках всегда больше рабочего напряжения дуги, что способствует значительному облегчению первоначального и повторного зажигания дуги. Напряжение холостого хода не должно превышать 75 В при номинальном рабочем напряжении 30 В (повышение напряжения облегчает зажигание дуги, но одновременно увеличивается опасность поражения сварщика током). Для постоянного тока напряжение зажигания должно быть не менее 30 — 35 В, а для переменного тока 50 — 55 В. Согласно ГОСТ 7012 —77Е для трансформаторов, рассчитанных на сварочный ток 2000 А, напряжение холостого хода не должно превышать 80 В.

Повышение напряжения холостого хода источника переменного тока приводит к снижению косинуса «фи». Иначе говоря, увеличение напряжения холостого хода снижает коэффициент полезного действия источника питания.

Источник питания для ручной дуговой сварки плавящимся электродом и автоматической сварки под флюсом должен иметь падающую внешнюю характеристику. Жесткая характеристика источников питания (рис. 1, кривая 3) необходима при выполнении сварки в защитных газах (аргоне, углекислом газе, гелии) и некоторыми видами порошковых проволок, например СП-2. Для сварки в защитных газах применяются также источники питания с пологовозрастающими внешними характеристиками (рис. 1, кривая 4).

Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме сварочной дуги

Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме характеризуют повторно-кратковременный режим работы источника питания.

Величина ПР определяется как отношение продолжительности рабочего периода источника питания к длительности полного цикла работы и выражается в процентах

где tp — непрерывная работа под нагрузкой; tц — длительность полного цикла. Условно принято, что в среднем tp = 3 мин, а tц = 5 мин, следовательно, оптимальная величина ПР %  принята 60%.

Различие между ПР% и ПВ% состоит в том, что в первом случае источник питания во время паузы не отключается от сети и при разомкнутой сварочной цепи работает на холостом ходу, а во втором случае источник питания полностью отключается от сети. 

Основные понятия

Сварочный ток, кроме своего абсолютного значения, выражаемого в амперах, характеризуется постоянством или периодическим изменением во времени величины и направления.

В первом случае ток называется постоянным. Его источниками являются сварочные выпрямители, автономные сварочные генераторы, а также современные аппараты для сварки, использующие инверторные технологии.

Если направление и (или) величина тока меняются во времени, то его называют переменным. Источниками переменного сварочного тока служат понижающие трансформаторы, первичная обмотка которых включается в сеть переменного тока 220 или 380 вольт.

На выбор параметров сварки, то есть ее режима, влияют следующие факторы, тесно между собой связанные:

• толщина свариваемой заготовки;
• вид металла или сплава, который предстоит варить;
• диаметр применяемого электрода;
• расположение и характер шва.

Выбираемый токовый режим работы сварочного аппарата определяет величину энергии электрической дуги. Чем больше значение этого параметра, тем больше тепла выделяется при горении дуги, а значит, более интенсивно и глубоко плавится заготовка и применяемый электрод.

Отсюда становится понятным, что чем толще и массивней свариваемый металл, тем большее значение тока должно быть установлено при его сварке. Кроме этого, существует прямая зависимость между толщиной заготовки, токовым режимом и диаметром электрода при ручной дуговой сварке.