Электрическая сварочная дуга, схемы и особенности

Сварочной дугой называется мощный устойчивый электрический разряд в газовой среде, образованной между электродами, либо между электродами и изделием. Сварочная дуга характеризуется выделением большого количества тепловой энергии и сильным световым эффектом. Она является концентрированным источником теплоты и применяется для расплавления основного и присадочного материалов.

В зависимости от того, в какой среде происходит дуговой разряд, различают:

- открытую дугу, горящую в воздухе, где составом газовой среды зоны дуги является воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электрода и электродных покрытий;

- закрытую дугу, горящую под флюсом, где составом газовой среды зоны дуги являются пары основного металла, проволоки и зашитого флюса;

-дугу, горящую в среде защитных газов — закрытую дугу (в состав газовой среды зоны дуги входят атмосфера защитного газа, пары расплавленного металла проволоки и основного металла)

Сварочная дуга классифицируется по роду применяемого тока (постоянный, переменный, трехфазный) и по длительности горения (стационарная, импульсная). При применении постоянного тока различают дугу прямой и обратной полярности. При прямой полярности отрицательный полюс силовой цепи — катод — находится на электроде, а положительный полюс — анод — на основном металле. При обратной полярности плюс на электроде, а минус на изделии.

В зависимости от типа применяемого электрода дуга может возбуждаться между плавящимся (металлическим) и неплавящимся (угольным, вольфрамовым и др.) электродами. По принципу работы дуги бывают прямого, косвенного и комбинированного действия

Рис. 1.Электрическая дуга: а — прямого действия, б — косвенного действия, в — комбинированного действия

Строение сварочной дуги. Сварочная дуга состоит из катодной области, столба дуги и анодной области.

Рис. 2. Схема строения сварочной дуги: 1 — катодная область, 2 — столб дуги, 3 — анодная область

Сварочная дуга по сравнению с другими электрическими разрядами имеет следующие особенности:
1. Неравномерное распределение электрического поля в междуэлектродном пространстве. Вблизи электродов создаются резкие изменения потенциала — это катодное и анодное падения напряжения, причем катодное падение напряжения (порядка 10 В) обычно значительно больше анодного. Такие скачки падений напряжения на участке весьма малой протяженности вызваны условиями прохождения тока из одной среды (металлический проводник) в другую (газ и пары сварочных материалов).
2. Высокая плотность тока в дуге, достигающая тысяч А/см2 на электродах и в столбе дуги. В настоящее время сжатую дугу широко применяют в производстве сварных изделий.
3. Высокая температура дуги. Наибольшая температура достигается в столбе дуги, наименьшая — на поверхности катода и анода. Температура на поверхности катода и анода достигает температуры испарения электродов независимо от вида дуговой сварки. Например, при сварке стали на прямой полярности угольным электродом температура катода может достигать температуры кипения углерода, т. е. ~ 3700° С.

Обычно величина эффективного ионизационного потенциала близка по величине к наименьшему ионизационному потенциалу одного из компонентов, участвующих в смеси дугового газа.

Особенно сильно возрастает температура столба дуги при его сжатии.

4. Возможность получения различных статических вольтамперных характеристик. Статической вольт-амперной характеристикой дуги называют зависимость падения напряжения в дуге от силы тока при постоянной длине дуги (установившемся горении). Дуга, применяющаяся в сварочной технике, может иметь падающую, жесткую и возрастающую характеристики в зависимости от условий сварки.

Падающая характеристика — с увеличением тока напряжение уменьшается, жесткая характеристика — увеличение тока не изменяет напряжения дуги, возрастающая характеристика — увеличение сварочного тока приводит к возрастанию напряжения дуги.