Температура сварочной дуги: описание, длина дуги и условия ее появления

Принцип электродуговой сварки основан на использовании температуры электрического разряда, возникающего между сварочным электродом и металлической заготовкой.

Дуговой разряд образуется вследствие электрического пробоя воздушного промежутка. При возникновении этого явления происходит ионизация молекул газа, повышение его температуры и электропроводности, переход в состояние плазмы.

Горение сварочной дуги сопровождается выделением большого количества световой и особенно тепловой энергии, вследствие чего резко повышается температура, и происходит локальное плавление металла заготовки. Это и есть сварка.

Общее описание

Возникает дуга между электродом и металлической заготовкой, с которой ведется работа. Образование данного разряда возникает из-за того, что происходит электрический пробой воздушного промежутка. Когда возникает такой эффект, происходит ионизация молекул газа, повышается не только его температура, но и электропроводность, сам газ переходит в состояние плазмы. Сварочный процесс, а точнее горение дуги, сопровождается такими эффектами, как выделение большого количества тепла и световой энергии. Именно из-за резкого изменения этих двух параметров в сторону их большого увеличения происходит процесс плавления металла, так как в локальном месте температура увеличивается в несколько раз. Совокупность всех этих действий и называется сваркой.

Методы применения электрических углеродистых сталей

Углеродистые стали делятся на группы в зависимости от процентного содержания углерода в сплавах:

• Высокоуглеродистые – 0,6-2,07%;
• Среднеуглеродистые – 0,25-0,6%;
• Низкоуглеродистые – меньше 0,25%.

В зависимости от группы проводится процедура дуговой сварки. Но есть и общие подходы к процессу. Стыковые швы в данном случае чаще свариваются, когда детали находятся в подвешенном состоянии. Оборудование нацелено на то, чтобы шов был прочно проварен, но без прожига металла. Электродуговая сварка позволяет проделать работы с двух сторон, швы могут быть наложены в несколько слоев. Если детали имеют достаточно большую по размерам толщину, то подойдет именно этот вид работ. Но расположение изделий и листов на весу приводит к допущению брака в работе. Для устранения его используют повторно электродуговой способ:

• Удаляется металл в месте дефекта;
• Кромки и поверхности зачищаются;
• Проводится повторное заваривание дефектных мест.

Если выбран электрошлаковый способ, то используется скобы. Они закрепляют детали и провариваются затем сверху на месте входа в металлические детали. Иногда для закрытия шва при этом способе привариваются планки. Они закрепляют шов, устраняя возможность разрыва конструкции.

Свойства дуги

Для того чтобы появилась дуга, необходимо кратковременно прикоснуться электродом к заготовке, с которой нужно работать. Таким образом происходит короткое замыкание, вследствие которого появляется сварочная дуга, температура ее довольно быстро растет. После касания необходимо разорвать контакт и установить воздушный зазор. Так можно подобрать необходимую длину дуги для дальнейшей работы.

Если разряд получится слишком коротким, то, возможно, что электрод прилипнет к обрабатываемому материалу. В этому случае плавка металла будет проходить слишком быстро, а это вызовет образование наплывов, что крайне нежелательно. Что касается характеристик слишком длинной дуги, то она неустойчива в плане горения. Температура сварочной дуги в зоне сварки в таком случае также не будет достигать требуемого значения. Довольно часто можно увидеть кривую дугу, а также сильную неустойчивость, когда работа проводится сварочным агрегатом промышленного назначения, особенно если ведется работа с деталями, имеющими большие габариты. Это часто называют магнитным дутьем.

Магнитное дутье

Суть такого метода состоит в том, что сварочный ток дуги способен создать небольшое магнитное поле, которое вполне может вступить во взаимодействие с магнитным полем, которое создается током, протекающим сквозь обрабатываемый элемент. Другими словами, отклонение дуги происходит за счет того, что появляются некоторые магнитные силы. Этот процесс называется дутьем потому, что отклонение дуги со стороны выглядит так, будто оно происходит из-за сильного ветра. Реальных способов избавиться от этого явления нет. Для того чтобы минимизировать влияние этого эффекта, можно пользоваться укороченной дугой, а сам электрод должен быть расположен под определенным углом.

Структура дуги

В настоящее время сварка — это процесс, который разобран достаточно детально. Благодаря этому известно, что существует три области горения дуги. Те участки, которые прилегают к аноду и катоду, соответственно анодный и катодный участок. Естественно, что температура сварочной дуги при ручной дуговой сварке также будет отличаться в этих зонах. Существует третий участок, который находится между анодным и катодным. Это место принято называть столбом дуги. Температура, необходимая для плавления стали, примерно 1300-1500 градусов по Цельсию. Температура столба сварочной дуги может достигать 7000 градусов по Цельсию. Хотя здесь справедливо будет отметить, что она не полностью передается на металл, однако и того значения хватает, чтобы успешно плавить материал.

Есть несколько условий, которые необходимо создать, чтобы обеспечить стабильную дугу. Необходим стабильный ток с силой около 10 А. При таком значении можно поддерживать стабильную дугу с напряжением от 15 до 40 В. Стоит отметить, что значение тока в 10 А минимальное, максимальное может достигать 1000 А. Распределение напряжения по участкам неравномерно и больше всего оно в анодном и катодном. Падение напряжение также происходит в дуговом разряде. После проведения определенных экспериментов было установлено, что, если проводить сварку плавящимся электродом, то наибольшее падение будет в катодной зоне. В таком случае распределение температуры в сварочной дуге также меняется, и наибольший градиент приходится на этот же участок.

Зная эти особенности, становится понятно, почему важно правильно выбирать полярность при сварке. Если соединить электрод с катодом, то можно достичь наибольшего значения температуры сварочной дуги.

Наплавка алюминия

Очень часто требуется не сварить детали, а отремонтировать. В ходе эксплуатации детали стираются, требуется нарастить на отдельные части дополнительные наплывы из металла. Наплавка требуется при различных ситуациях:

• Разбитость крепежных частей;
• Появление истертости;
• Выбитость кромок;
• Сколы;
• Разрушение кромок металлорежущих инструментов;
• Изношенность подшипниковых втулок и внутренних поверхностей.

Наплавкой в сварочной терминологии называется процесс восстановление утерянных форм, первоначальных размеров. Наплавка удобна тем, что ее можно расположить на любой поверхности, меняется ее толщина и объемы, происходит ремонт изношенного и дефектного оборудования.

Температурная зона

Несмотря на то, каким именно электродом проводится сварка, плавящимся или же неплавящимся, максимальный показатель температуры будет именно у столба сварочной дуги, от 5000 до 7000 градусов по Цельсию.

Область с наименее низкой температурой сварочной дуги смещается в одну из его зон, анодную или же катодную. На этих участках наблюдается от 60 до 70 % от максимального значения температуры.

Где применяется сварка с подогревом металла и какое оборудование необходимо

Предварительному нагреву чаще всего подвергается основной материал на расстоянии от сварного соединения. Рассмотрим пример. А является определенным участком углового шва.

Для расчета расстояния от него до места, где следует проводить предварительный нагрев, потребуется решить две проблемы:

1. При толщине металла равном или меньшем 50 мм расчетное значение не должно быть более 50 мм от сварного соединения.
2. При толщине материала более 50 мм расстояние от шва для предварительного нагрева берется меньше 75 мм. Это указано в инструкции сертификации работников, осуществляющих проверку качества сварных соединений – CSWIP 23.4.

На сегодняшний день производителями предлагается несколько видов различного оборудования для определения контроля, индикации и измерения температуры предварительного подогрева металла. Его используют в ряде коммерческих отраслей промышленности.

Рассмотрим основные измерительные приборы и датчики температуры, используемые с этой целью:

1. Контактный термометр – применятся с целью замера температуры не выше +350 °С. В основе прибора лежит «термистор» – измеритель температуры. Сопротивление последнего понижается при нагревании, следовательно, оно обратно пропорционально температуре. Сложностью данного прибора является «периодическая калибровка», которую нужно проводить для получения точных результатов измерений.
2. Термокарандаш и термопаста, в составе которых находится материал, изменяющий цвет и плавящийся под воздействием разной температуры нагрева. Их достоинствами стали низкая стоимость и простота использования. А недостатком – не очень точный результат измерений.
3. Термопара. Принцип, применяемый в данном приборе, – расчет термоэлектрической разности потенциалов свариваемого материала и разогретого металла шва с целью расчета температуры. Использовать прибор следует во время и после сварки, а также для термической обработки. Он проводит постоянный мониторинг температуры охлаждения и нагрева в большом диапазоне. Однако требует регулярной калибровки, что считается достаточно большим его недостатком.

Сварка переменным током

Все описанное выше касалось процедуры проведения сварки с постоянным током. Однако для этих целей можно использовать и переменный ток. Что касается отрицательных сторон, то здесь заметно ухудшение устойчивости, а также частые скачки температуры горения сварочной дуги. Из преимуществ выделяется то, что можно использовать более простое, а значит более дешевое оборудование. Кроме того, при наличии переменной составляющей практически пропадает такой эффект, как магнитное дутье. Последнее отличие — это отсутствие необходимости в выборе полярности, так как при переменном токе смена происходит автоматически с частотой около 50 раз за секунду.

Можно добавить, что при использовании ручного оборудования, кроме высокой температуры сварочной дуги при ручном дуговом методе, будет происходить излучение инфракрасных и ультрафиолетовых волн. В данном случае их испускает разряд. Это требует максимальных средств защиты для работника.

Режимы установки

Дуговая сварка подразделяется на режимы:

с покрытыми электродами – режим MMA;

Для аргонодуговой сварки с помощью неплавящихся электродов – TIG.

Оба режима предполагают работу на постоянном токе – DC и на переменном – АС.

Оба режима обеспечивают плавное регулирование величины поступающего тока, индикацию тока дуги, возможность смены режима. TIG выполняет длинные и короткие швы, продувку тракта газового прохода, плавное снижение величины тока. Возможен бесконтактный поджиг на любом виде тока, регулирование способностей дуги. Она будет проплавлять, очищать поверхности. Режимы легко устанавливаются, не меняются без изменения настроек сварщиком.

Среда горения дуги

На сегодняшний день существует несколько разных технологий, которые можно использовать во время сварки. Все они отличаются своими свойствами, параметрами и температурой сварочной дуги. Какие существуют методы?

1. Открытый способ. В данном случае горение разряда осуществляется в атмосфере.
2. Закрытый способ. Во время горения образуется достаточно высокая температура, вызывая сильное выделение газов, из-за сгорания флюса. Этот флюс содержится в обмазке, которая используется для обработки сварочных деталей.
3. Способ с применением защитных летучих веществ. В данном случае к зоне сварки подается газ, который представлен обычно в виде аргона, гелия или же углекислого газа.

Наличие такого способа оправдано тем, что он помогает избежать активного окисления материала, которое может возникать во время сварки, когда на металл воздействует кислород. Стоит добавить, что в некоторой мере распределение температуры в сварочной дуге идет таким образом, что в центральной части создается максимальное значение, создающее небольшой собственный микроклимат. В данном случае образуется небольшая область с повышенным значением давления. Такая область способна в некотором роде препятствовать поступлению воздуха.

Использование флюса позволяет избавляться от кислорода в области действия сварки еще эффективнее. Если использовать при защите газы, то данный дефект удается устранить практически полностью.

Технология процесса

Принцип дуговой сварки основан на следующих действиях: От инвертора к электроду идет ток. Он образует дугу за счет создания замкнутого контура между свариваемой поверхностью и электродом. Дуга оплавляет электрод, получается сварочная ванна. Весь процесс точно и строго регламентирован. Он одинаков для всех видов ручной сварки:

Электрод имеет металлический стержень, покрытый силикатом, флюсом, стеклом. Любой слой при сгорании на высокой температуре образует газовое облако, шлаковые выбросы. Они защищают от проникновения в рабочую среду воздуха, который разрушает металл. В процессе работы образуется связь: электрод – свариваемая деталь. Стержень плавится, двигаясь по месту склейки или дефекта, образуя шов.

Классификация по продолжительности

Существует классификация сварочных дуговых разрядов по их продолжительности. Некоторые процессы осуществляются, когда дуга находится в таком режиме, как импульсный. Такие устройства проводят сварку короткими вспышками. На короткий промежуток времени, пока происходит вспыхивание, температура сварочной дуги успевает возрасти до такого значения, которого хватит, чтобы произвести локальную плавку металла. Сварка происходит очень точечно и только в том месте, где происходит касание устройства заготовки.

Однако подавляющее большинство сварочных приборов использует сварочную дугу продолжительного действия. В течение такого процесса осуществляется непрерывное перемещение электрода вдоль тех кромок, которые нужно соединить.

Есть области, которые называются сварочными ваннами. В таких участках температура дуги значительно повышена, и он следует за электродом. После того как электрод проходит участок, сварочная ванна уходит вслед за ним, из-за чего участок начинает довольно быстро охлаждаться. При охлаждении происходит процесс, который называют кристаллизацией. Вследствие этого и возникает сварочный шов.

Какие бывают сварочные аппараты?

Аппаратов для сварки металла сегодня на рынке представлено очень много. Ранее об этом мы уже писали на страницах нашего блога. Поэтому затронем здесь эту тему кратко. Все они классифицируются на 3 основных вида:

• полуавтоматы;
• инверторные;
• аргонодуговые установки;

Например, модель EWM Pico 180 puls с импульсной функцией является одним из лучших устройств для сварки.

Кроме самого аппарата сварщику следует заранее позаботиться о наличии всех расходников и аксессуаров. Это:

• электроды;
• порошковая проволока;
• разъемы;
• фиксаторы;
• клеммы заземления.

Все эти «мелочи» обеспечивают комфорт в работе и качественное выполнение производственной задачи.

Эластичность дуги

Во время сварки необходимо очень пристально следить за длиной дуги еще и потому, что от нее зависит такой параметр, как эластичность. Чтобы в результате получить качественный и прочный сварной шов, необходимо чтобы дуга горела стабильно и бесперебойно. Эластичность сварной дуги и является характеристикой, описывающей бесперебойность горения. Достаточная эластичность просматривается в том случае, если удается сохранить устойчивость процесса сварки при увеличении длины самой дуги. Эластичность сварочной дуги прямо пропорционально зависит от такой характеристики, как сила тока, использующаяся для проведения сварки.

Вольт-амперная характеристика

На графике представлены кривые зависимости напряжения источника питания от величины сварочного тока, называемые вольт–амперными характеристиками сварочного процесса.

Кривые красного цвета отображают изменение напряжения между электродом и заготовкой в фазах возбуждения сварочной дуги и устойчивого ее горения. Начальные точки кривых соответствуют напряжению холостого хода источника питания.

В момент возбуждения сварщиком дугового разряда, напряжение резко снижается вплоть до того периода, когда параметры дуги стабилизируются, устанавливается значение тока сварки, зависящее от диаметра применяемого электрода, мощности источника питания и установленной длины дуги.

С наступлением этого периода, напряжение и температура дуги стабилизируются, и весь процесс приобретает устойчивый характер.