Образование, строение и схема сварочной дуги

Образование, строение и схема сварочной дуги

Дуговая сварка плавлением основана на использовании тепла электрической дуги, которая представляет собой длительный электрический разряд в газе, выделяющий значительное количество энергии. Сварочная дуга образуется между электродом и изделием или между двумя электродами, имеющими разность потенциалов. При соприкосновении электрода с изделием разогреваются и сгорают мелкие выступы между ними, образуя пары металла и ионизированный газ, в котором при напряжении 20-30 В образуется электрический разряд. Длительность разряда и образование дуги достигаются отрывом электрода от изделия на расстояние 2-5 мм.

Зажигание дуги

При высокой разности потенциалов между электродом и изделием (несколько тысяч вольт) при их сближении происходит зажигание дуги. Под действием разности потенциалов, высокой температуры и светового излучения электроны двигаются с большой скоростью, отрываясь первоначально с поверхности отрицательного электрода (эмиссия электронов). Ударяясь об атомы и молекулы газа испаряющегося материала, электроны добавляют или отнимают у них отрицательные заряды, превращая в положительные и отрицательные ионы, которые в свою очередь двигаются в дуговом пространстве, усиливая его ионизацию. Таким образом воздух, который в обычном состоянии не является проводником электричества, ионизируясь в дуговом пространстве, становится проводником электрического тока, вследствие чего достигается длительное горение дуги. Движение электронов и ионов в дуговом пространстве происходит при наличии двух полюсов: отрицательного — катода и положительного — анода, которые в известной степени упорядочивают движение этих частиц, так как электроны, имеющие отрицательный заряд, а также отрицательные ионы, двигаются к положительному полюсу, а положительные ионы — к отрицательному.

Рис. 3.1. Схема дуги: 1 — электрод (катод); 2 — катодное пятно; 3 — катодная область; 4 — столб дуги; 5 — анодная область; б — анодное пятно; 7 — изделие (анод).

На рис. 3.1 показана схема строения дуги постоянного тока. Электрод 1 является катодом, а изделие 7 — анодом, и в данном случае играет роль второго электрода.

Приэлектродные области

В дуговом пространстве различают приэлектродные области, характеризующиеся значительным падением напряжения, вызванным затратой электрического потенциала на образование пространственных зарядов — электронов и ионов. Это отрицательная катодная 3 и положительная анодная 5 области, между которыми расположен столб дуги, представляющий собой высокотемпературную плазму ионизированного газа. На поверхности катода и анода находятся яркие катодные 2 и анодные 6 пятна, через которые проходит сварочный ток. Падение напряжения анодной области обозначено на рисунке буквой а, столба дуги — 6 и катодной области -в. Их сумма является падением напряжения дуги Ва и при ручной дуговой сварке плавящимся электродом составляет 16-30 В. Плотность тока наибольшая в катодном пятне, из которого первоначально отрываются электроны, ионизируют дуговое пространство и бомбардируют анодную область.

Дуга переменного тока

Дуга переменного тока не имеет выраженной катодной и анодной областей, так как в течение одной секунды происходит многократное изменение направления тока и смена катода на анод и обратно. Падение напряжения дуги переменного тока такое же, как дуги постоянного тока, и составляет 16-30 В. Устойчивость горения и зажигания дуги переменного тока хуже, чем дуги постоянного тока, так как в начале и конце каждого полупериода прохождения тока дуга угасает, падает температура активных пятен, и для зажигания

Рис. 3 2. Схемы дуг различного действия: а — прямого действия, б — косвенного действия, в — комбинированная

дуги вновь требуется повышенное напряжение. Для улучшения условий горения дуги переменного тока применяют покрытия, способствующие повышенной ионизации. Различают открытые и закрытые дуги. Открытая дуга, горящая в воздухе, имеет в своей зоне смесь паров металла и электродного покрытия. Она окружена газовым ореолом и дает яркое световое излучение, опасное для незащищенных глаз. Закрытая дуга горит под слоем флюса, в ее зоне находятся пары металла и флюса. Дуга, горящая в среде защитных газов, закрыта от проникания воздуха в ее зону. Она также дает яркое световое излучение, опасное для глаз. Большое значение при ручной дуговой сварке имеет длина дуги. При длинной дуге увеличивается Возможность контакта столба дуги и расплавляемого металла с воздухом, который вредно влияет на качество сварки, увеличивается напряжение дуги. В зависимости от применяемых электродов устанавливают длину дуги, которую необходимо выдерживать для получения качественного сварного шва Сварочные дуги различают по принципу работы: дуга прямого действия (рис 3.2, а) горит между электродом и изделием, ее широко применяют при ручной дуговой сварке; дуга косвенного действия горит между двумя электродами (рис. 3.2, б) и нагревает изделие своим пламенем, дуга комбинированная (рис 3 2, в) горит между электродами и изделием, она образуется при сварке трехфазным током.

Природа и строение

Природа сварочной дуги не так уж и сложна, как может показаться на первый взгляд. Электрический ток, проходя через катод, затем проникает в ионизированный газ, происходит разряд с ярким свечением и очень высокой температурой, поэтому температура электрической дуги может достигать 7000 – 10000 градусов. После этого ток перетекает на обрабатываемый свариваемый материал. Так как температура настолько высока дуга выделяет вредное для человеческого организма ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, оно может навредить глазам или оставить световые ожоги на коже, поэтому при проведении сварочного процесса необходима надлежащая защита.

Строение сварочной дуги представляет собой три главные области: анодная, катодная и столб дуги. Во время горения дуги на катоде и аноде образуются активные пятна – области, в которых температура достигает самых высоких значений, именно через данные области проходит весь электрический ток, анодные и катодные области представляют собой более большие падения напряжения. А сам столб располагается между этими областями падение напряжения в столбе очень незначительно. Таким образом, длина сварочной дуги представляет собой сумму вышеперечисленных областей, обычно длина равна нескольким миллиметрам, когда анодные и катодные области, соответственно, равны 10-4 и 10-5 см. Самая благоприятная длина примерно равна 4-6мм, при такой длине обеспечивается постоянная и благоприятная температура.

Суть и строение дуги

Суть сварочной дуги крайне проста. Давайте разделим процесс на несколько пунктов:

  • Сначала электрический ток проходит через катодную и анодную область и проникает в газовую среду. Формируется электрический разряд с сильным свечением.
  • Образуется дуга. Температура сварочной дуги может доходить до 10 тысяч градусов по Цельсию, а этого достаточно, чтобы расплавить практически любой материал.
  • Затем ток с дуги переходит на свариваемый металл. Вот и все ее характеристики.

Свечение и температура разряда настолько сильны, что могут нанести ожоги и лишить сварщика зрения. Поэтому мастера используют сварочные маски, защитные перчатки и костюм. Ни в коем случае не занимайтесь сваркой без надлежащей защиты .

Строение сварочной дуги представлено на картинке ниже.

В области катода и анода во время горения дуги образуются пятна, где температура достигает своего предела. Именно через анодные и катодные области проходит электрический ток, при этом в этих областях напряжение значительно падает, а на столбе напряжения сварочной дуги сохраняется, поскольку столб располагается между анодом и катодом. Многие новички спрашивают, как измерить длину дуги. Достаточно посмотреть на катодную и анодную область, а также на сварочный столб. Их совокупность и называется длинной сварочной дуги. Средняя длина составляет 5 миллиметров. В этом случае температура получаемой тепловой энергии оптимальна и позволяет выполнить большинство сварочных работ. Теперь, когда мы узнали, что сварочная дуга представляет собой, обратимся к разновидностям.

Читайте также  Виды светодиодных лент

Виды сварочной дуги

Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По типу сварочного тока и положению электрода относительно свариваемых элементов выделяют следующие разновидности:

  • прямого действия, разряд перпендикулярен заготовке, параллелен электроду;
  • косвенного действия, разряд возникает между двух электродов, наклоненных друг к другу под углом от 40 до 60°, и металлом.

Классификация состава плазмы столба:

  • открытого типа возникает в воздушной атмосфере благодаря испаряемым из обмазки и металла компонентам;
  • закрытая, возникающая под слоем флюса за счет газообразной фазы, образовавшейся из частиц электрода, металла, компонентов флюса при прохождении разряда;
  • с подачей газовой смеси или однокомпонентного защитного газа.

Классифицируют дуговую сварку по материалу разжигающего электрода. Используют электроды:

  • вольфрамовые тугоплавкие
  • угольные или графитовые;
  • стальные с различным типом обмазки, в состав которой входят ионизирующие компоненты.

По длительности воздействия различают стационарную (постоянную) электродугу и импульсную, применяемую при контактной сварке.

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Статья для участия в VI Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России «Регионы России 2014».

ТЕСТ«Источники питания сварочной дуги»МДК 02.01. Оборудование, техника и технология электросварки ПМ.02. Сварка и резка деталей из различных сталей, цветных металлов и их сплавов, чугунов .

Вводная тема по источникам питания дуги.

В данной методической разработке вы можете ознакомиться с планом урока, технологической картой, анкетой для обратной связи с учеником, а также с презентацией лабораторной работы.

Цели работы:ознакомление с многообразием и особенностями строения клеток разных представителей живых организмов (в том числе по готовым микропрепаратам) в связи с выполняемыми функциями, способом пита.

Тема урока: «Сварочная дуга» Цели урока: Обучение: Повторить тему «Сварочный пост для дуговой сварки»;Понять смысл электродуговой сварки.

Защита от электрической дуги

Примеры защитных костюмов против электрической дуги

Если сварочные аппараты применяют дугу, то многие другие аппараты и кроме того человек должен ее избегать. Риск появления дуги на оборудовании зависит от не скольких параграфов:

  • частотностью использования оборудования работником;
  • опыт и знаниями работников имеющих дело с аппаратной частью
  • уровень износа оборудования;

Если на человеке нет необходимого индивидуально-защитного костюма и он попадает в зону действия электрической дуги, шансы выжить довольно резко уменьшаются. Возможность получить тяжелые ожоги крайне высока.

Таблица: степень воздействия электрической дуги

Какие возможности защиты от эл. Дуги?

  1. соблюдайте все необходимые правила и нормы безопасности;
  2. в случае длительного использования защитного материала, частых стирок, костюм не должен ухудшаться; (все зависит от модели);
  3. ткань должна иметь максимум 2 секунды остаточного возгорания;
  4. вы должны надевать специальную обувь, обладающих антистатическим действием а также иметь костюм для защиты от электрической дуги.

Виды электродуговой сварки

По уровню автоматизации электродуговая сварка подразделяется на четыре вида:

Классификация и способы

Электродуговая сварка классифицируется по методу защиты сварочной ванны:

  • не защищена – процесс происходит при свободном доступе воздуха;
  • в вакууме – воздух откачивается;
  • шов делается в защитном газе – инертном или активном;
  • процесс под флюсом – жидкий металл защищается от воздуха расплавленным шлаком, образующимся при плавлении флюса;
  • комбинированные способы защиты.

По виду тока подразделяется на сварку:

  • переменным – от трансформатора;
  • постоянным – от сети с помощью выпрямителя или генератора;
  • импульсно-дуговым – электричество подаётся импульсами, это позволяет контролировать дугу при условии регулирования тока.

Разновидности

Типы процессов различают по типу дуги:

  • прямого действия – возникает между электродом и свариваемой деталью;
  • косвенного действия – дуга горит между анодом и катодом, а металл не входит в электрическую цепь;
  • дуга горит между плавящимися электродами и соединяемыми кромками, электропитание переменным трёхфазным током;
  • сжатая дуга – радиус горения ограничивают подающиеся к месту сваривания струи газа.

Электроды бывают плавящимися (стальными, чугунными, алюминиевыми, медными) и неплавящимися. Первые выполняют и функцию присадочного материала. Для ручной дуговой – электроды в виде стержней круглого сечения различного диаметра. Состав материала обмазки выбирается в зависимости от металла свариваемых частей и особенностей техпроцесса.

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.

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.

Условия горения

Сущность сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.

Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали прогревают, чтобы воздух вокруг них был теплым, или подают в рабочую зону газ, способный ионизироваться. Легче всего ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.

Чтобы дуговой столб не угасал, важно поддерживать постоянную температуру в катодной области. Она напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужная температура поддерживается источником тока, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.