Меню

Дуга переменного тока при сварке

ОСОБЕННОСТИ ДУГИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

При сварке на постоянном токе в установившемся режиме все про­цессы в дуге протекают с определенной скоростью и горение дуги отли­чается высокой стабильностью.

При питании дуги переменным током полярность электрода и из­делия, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. Так, дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц погасает и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каж­дый период. Поэтому особо возникает вопрос об устойчивости горения дуги переменного тока. В первую очередь, 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 погасанием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением темпе­ратуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько от­стает по фазе при переходе тока через ноль, 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. В следующий за пога­санием дуги момент меняется полярность напряжения на дуговом про­межутке (рис. 2.4).

Одновременно изменяется и направление движения заряженных час­тиц в дуговом промежутке. В условиях пониженной температуры актив­ных пятен и степени ионизации в дуговом промежутке повторное зажига­ние дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышен-

Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному режиму ее горения. При этом величина пика зажигания не­сколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основ­ном металле. 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 и влечет снижение устойчивости дуги. Поэтому затухание и обрыв дуги пере­менного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. При наличии в дуго­вом промежутке паров легкоионизующихся элементов пик зажигания уменьшается и устойчивость горения дуги переменного тока повышает­ся.

ном напряжении между электродами, именуемым пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги.

ОСОБЕННОСТИ ДУГИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Рис. 2.4. Изменение полярности при горении дуги на переменном токе

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 является важной характеристикой дуги переменного тока и оказы­вает существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем больше разница между пиком зажи­гания и напряжением дуги. Чем выше пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги током. При сварке на переменном токе неплавящимся электродом, когда мате­риал его и изделия резко различаются по своим теплофизическим свой­ствам, проявляется выпрямляющее действие дуги. Это характеризуется протеканием в цепи переменного тока некоторой составляющей посто­янного тока, сдвигающей в определенном направлении кривые напря­жения и тока от горизонтальной оси (рис. 2.5). Наличие в сварочной це­
пи составляющей постоянного тока отрицательно сказывается на каче­стве сварного соединения и условиях процесса: уменьшается глубина проплавления, увеличивается напряжение дуги, значительно повышает­ся температура электрода и увеличивается его расход. Поэтому прихо­дится применять специальные меры для подавления действия постоян­ной составляющей.

При сварке плавящимся электродом, близким по составу к основ­ному металлу, на режимах, обеспечивающих устойчивое горение дуги, выпрямляющее действие дуги незначительно и кривые тока и напряже­ния располагаются практически симметрично относительно оси абс­цисс.

ОСОБЕННОСТИ ДУГИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Рис. 2.5. Постоянная составляющая тока в сварочной цепи при горении дуги на переменном токе

Источник

Что такое сварочная дуга

Сварочная дуга используется человечеством для неразъемного, герметичного соединения металлов более века назад. Ее изучением занимался физик Вольт. Затем появились устройства для сварки. Электрический разряд возникает в момент короткого замыкания между электродом и свариваемой деталью. Электрическая энергия преобразуется в тепловую, образуется ванна расплава. Создается диффузный однородный слой металла на месте свариваемого стыка.

Изучив вольт-амперные характеристики процесса, ученые усовершенствовали процесс сварки, создали сварочные аппараты, поддерживающие стабильное горение дуги.

Сварочная дуга

Что такое сварочная дуга, определение

Что можно назвать сварочной дугой – это, по сути, длительный проводник, состоящий из ионизированных частиц, существующий во времени благодаря поддерживающему электрическому полю. Дуговой разряд характеризуется непрерывной формой, высокой температурой, возникает в газовой среде, способной к ионизации.

В учебниках сварщика определение сварочной электродуги звучит следующим образом: это длительный электрический разряд в плазме, состоящей из смеси ионизированных воздушных или защитных газов, а также испарившихся компонентов присадочного и основного металла.

Природа и строение

За короткое время разогреть металл до температуры плавления можно мощной сварочной дугой. Ее свойства характеризуются плотностью тока, вольтамперными показателями. С точки зрения электротехники, дуговой столб – ионизированный газовый проводник между катодом и анодом с большим сопротивлением, способностью к свечению. Детальное рассмотрение строения сварочной дуги поможет понять сущность температурного воздействия. Длина электродуги в среднем составляет 5 мм, она делится на основные зоны:

  • анодную, она не более 10 микрон;
  • катодную, она в 10 раз меньше анодной;
  • столб – видимая светящаяся полоска.

За температуру сварочной дуги отвечает поток свободных электронов. Они образуются на катодном пятне. Оно разогревается до 38% температуры плазмы. В дуговом столбе электроны двигаются к аноду, а положительные частицы – к катоду. У столба нет собственного заряда, он остается нейтральным. Внутри частицы разогреваются до 10 000°С, металл при этом в среднем нагревается до 2350°С, стандартная температура ванны расплава составляет 1700°С.

Место входа и нейтрализации электронов называют анодным пятном. Его температура выше, чем катодного на 4–6%.

Напряжение в анодной и катодной зонах существенно снижается, свечения не возникает. Видима только плазма, излучающая ультрафиолетовые, инфракрасные и световые волны. Они вредны для органов зрения, кожи. Поэтому сварщики используют индивидуальные средства защиты.

Строение сварочной дуги

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.

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.

Как возникает электрическая сварочная дуга

Как и любой электрический разряд, сварочная электродуга появляется при замыкании цепи. Возникновение тока при касании электрода к свариваемому металлу приводит к выработке большого количества тепла. В точке замыкания появляется расплав, он тянется за кончиком электрода, образуется шейка, которая мгновенно распыляется из-за сильного тока. Происходит ионизация молекул воздуха и защитного облака, они переносят поток электронов.

Направленность потока зависит от рода тока. Дуга разжигается на постоянном токе обратной и прямой полярности, на переменном. Частота угасания и розжига электродуги зависит от параметров рабочего тока.

Чем определяется мощность сварочной дуги

На мощностные параметры электродуги влияют несколько факторов:

  • напряжение, возрастание приводит к увеличению мощности только в небольшом диапазоне, существуют ограничения по размеру электрода;
  • сила тока, большой ампераж обеспечивает стабильное горение;
  • величина напряжения плазмы, пропорциональна мощности.

Длиной сварочной дуги называют расстояние от сварного кратера до кончика электрода. От этой величины зависит объем выделившегося тепла.

По мощности сварочной дуги определяют скорость плавления металла. От этой характеристики зависит время выполнения сварочных работ. Регулировка силы тока производится для корректировки температуры в рабочей зоне, даже на длинном столбе электродуга не будет затухать при большом ампераже. Напряжение редко изменяют в процессе сварки.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ описывает зависимость токовых параметров. С помощью этого графика определяют:

  • мощность дуги;
  • время горения,
  • условия гашения.

Динамическая ВАХ описывает неустановившееся состояние электродуги, когда ее длина колеблется. Статическая вольт-амперная характеристика отражает зависимость вольтажа от ампеража при постоянной дуговой длине. График делится на три области:

  • падающая – при подъеме силы тока напряжение резко спадает, это связано с формированием столба: площадь сечения плазменного потока возрастает, электропроводность плазмы изменяется;
  • жесткая, это участок стабильной плотности тока и падения напряжения, с ростом ампеража от 100 до 1000 А пропорционально увеличивается диаметр дугового столба (анодное и катодное пятна, соответственно, изменяются);
  • возрастающая, характеризуется постоянным размером катодного пятна, она ограничена диаметром электрода, при увеличении ампеража по закону Ома увеличивается U, R дугового столба.
Читайте также:  Подключение симистора в цепи переменного тока

Статическая вольт-амперная харакетиристика сварочной дуги

ВАХ процесса обычной ручной сварки с использованием плавящихся и неплавящихся электродов на воздухе или в облаке защитного газа ограничена двумя первыми областями, до третьей ампераж не доходит. Механизированной сварки с использованием флюсов соответствует графику II и III областей, сварка плавящимся электродом в облаке защитной атмосферы – III.

При использовании оборудования, генерирующего переменный ток, возбуждение сварочной дуги происходит в каждом полупериоде, на пике зажигания. При переходе через ноль электродуга затухает, нагрев активных пятен прекращается. Покрытия электродов, содержащие активные щелочные металлы, повышают устойчивость ионизации. Защитное облако затрудняет розжиг на переменном токе, но поддерживают горение на постоянном. Между полюсами возникает ионизация молекул газа.

При выборе оборудования необходимо это учитывать, что вольт-амперная характеристика электродуги зависит от внешней ВАХ. Работу сварочного аппарата рассматривают как наложение графиков. Для ручной сварки необходимы источники питания с падающими областями ВАХ (повышенным напряжением холостого хода), чтобы была возможность изменять длину дуги, регулируя ампераж. Сила тока короткого замыкания во время падения капли с плавящегося электрода на свариваемый металл на 20–50% выше дугового тока. Для сварки плавящимся электродом используют дугу размыкания. Для розжига дуги вольфрамовым или угольным электродом желателен вспомогательный разряд.

При высоких значениях тока короткого замыкания возрастает риск прожогов металла. При падении капли происходит замыкание, затем резко возрастает до первоначальных значений – ампераж возрастает до величины тока короткого замыкания, образовавшийся мостик перегорает, дуга возбуждается снова. Изменения тока и напряжения в столбе происходят моментально, за доли секунды. Сварочное оборудование должно быстро реагировать на колебания, стабилизировать напряжение.

Особенности дуги

Благодаря особым свойствам, электрическая дуга используется при сварке с тугоплавкими и плавящимися электродами. Она быстро разогревает металл, образуя ванну расплава. Электрический ток эффективно преобразуется в тепловую энергию с минимальными потерями.

По природе происхождения электрическую сварочную дугу можно сравнить с другими видами электрических зарядов. Основные отличительные характеристики дуги:

  • высокая температура, создаваемая плотным током (ампераж зависит от длины столба, достигает тысяч А на см 2 );
  • небольшие значения анодного и катодного падения напряжения, слабо зависящие от первоначально заданного вольтажа;
  • неравномерность распределения напряжения электрического поля между полюсами;
  • пространственная устойчивость;
  • саморегулирование мощности, ВАХ;
  • четко очерченные границы, ясно видимые в окружающей среде.

Зажигание производится двумя способами:

  • коротким касанием (электрод подводится впритык, повышается риск залипания);
  • чирканьем (невозможен в труднодоступных местах).

Источник

Разница между сваркой переменным и постоянным током

сварка переменным током

О СВАРКЕ

  1. Что такое переменный ток
  2. Что такое постоянный ток
  3. Особенности применения
  4. Влияние сварочного тока на сварку
  5. Факторы, влияющие на выбор показателей
  6. Выбор тока для сварки материалов
  7. Электрод 4 мм
  8. Электрод 3 мм
  9. Электрод 2 мм
  10. Сварочное оборудование переменного и постоянного тока
  11. Что такое электроды постоянного и переменного тока
  12. Отличия электродов постоянного и переменного тока
  13. Марки электродов для переменного и постоянного тока
  14. Разница между сваркой переменным и постоянным током
  15. Обозначения сварочного тока для электродов
  16. Дополнительная информация

Сварка переменным током обходится дешево и применяется в случаях, когда к качеству шва предъявляют низкие требования. Некоторые электроды для такого вида работ не подходят.

Работа сварщика

Что такое переменный ток

Данный вид тока представляет собой организованное колебательное движение заряженных частиц. Причиной явления выступает электрическое напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону. Электроток связан с ним прямой зависимостью: I=U/R. Значит, он постоянно меняется таким же образом.

Ток и напряжение этого вида характеризуются следующими параметрами:

  1. Мгновенным значением. Это сила тока i и напряжение u в текущий момент времени.
  2. Максимальной величиной. Это наибольшее отклонение от нулевого значения (Imax и Umax).
  3. Амплитудой. Это разница между наибольшими отклонениями.
  4. Частотой. Это число колебаний в единицу времени (f). Для сетевого тока показатель составляет 50 Гц (циклов в секунду).
  5. Периодом. Это длительность одного цикла колебаний в секундах (T). Величина связана с частотой: Т=1/f.

Тот факт, что электроток и напряжение постоянно меняются, сильно усложняет расчеты. Для их упрощения вводят т.н. действующее значение. Это постоянный ток (напряжение), эквивалентный данному переменному, т.е. вызывающий выделение такого же количества тепла в линейном проводнике.

Например, действующим значением является вольтаж 220 В в бытовой розетке. По факту, напряжение в ней постоянно меняется по синусоидальному закону от +311 до -311 В.

Что такое постоянный ток

Постоянным током называют упорядоченное движение заряженных частиц, отвечающее 2 условиям:

  • направление не меняется;
  • ампераж варьируется столь плавно, что индуктивные свойства цепи никак себя не проявляют.

Один полюс источника постоянного напряжения является отрицательным (-), другой – положительным (+). Принято считать, что ток движется в направлении от «+» к «-». Но в металлах, где свободными частицами являются отрицательно заряженные электроны, они перемещаются наоборот – от «-» к «+».

Постоянный электроток для сварки получают путем выпрямления переменного. Используют схему из диодов (вентилей) – полупроводниковых приборов, пропускающих электричество только в одном направлении. Для сглаживания пульсаций диодный мост дополняют емкостным фильтром.

схема сварочного аппарата постоянного тока

Особенности применения

Работа электрического тока в проводниках заключается в 2 явлениях:

  1. Выделении тепла. Его количество пропорционально квадрату силы тока: Q=(I^2)*R, где R – сопротивление проводника.
  2. Создании магнитного поля. Его интенсивность возрастает, если проводник смотан в катушку.

Сварка основана на первом явлении. При движении электротока через воздушный промежуток образуется дуговой разряд, характеризующийся высокой температурой. Он вызывает плавление металла, вследствие чего кромки заготовок сливаются воедино.

Способность электротока создавать магнитное поле используют для понижения напряжения с помощью трансформатора. Он состоит из 2 не связанных между собой катушек. Первичная подключается к сети, и протекающий в ней электроток посредством переменного магнитного поля наводит ЭДС во вторичной. Коэффициент понижения напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках.

Влияние сварочного тока на сварку

Согласно формуле Q=I²хR, тепловложение в процессе электросварки зависит от силы тока. Чем выше ее значение, тем глубже плавится металл.

Необходимо подобрать оптимальную величину, иначе возникают следующие дефекты:

  1. При заниженном токе – непровар.
  2. При завышенном – прожог металла, обширная сварочная ванна, деформация заготовок.

В обоих случаях шов становится менее прочным.

Факторы, влияющие на выбор показателей

Величину сварочного тока выбирают по 2 критериям:

  1. Диаметру электрода. Чем толще расходник, тем выше ампераж.
  2. Материалу обмазки. Например, рутиловыми электродами варят на меньшем электротоке, чем основными.

Диаметр расходника выбирают в зависимости от толщины заготовок.

Таблица влияния сварочного тока

Выбор тока для сварки материалов

Рекомендуемый диапазон приводится на упаковке с расходниками. Точное значение определяют опытным путем.

Электрод 4 мм

Такими расходниками варят заготовки толщиной 4-6 мм. Устанавливают силу электротока в пределах 120-200 А.

Электрод 3 мм

Расходники с такой толщиной используют для соединения деталей со стенкой в 3-4 мм. Оптимальные значения сварочного тока находятся в диапазоне 80-160 А.

Электрод 2 мм

Тонким расходником варят сталь толщиной 2-3 мм. Выбирают ампераж между 40 и 80 А.

Сварочное оборудование переменного и постоянного тока

Работы по сварке производят с применением следующих аппаратов:

  1. Трансформаторов. Наиболее простые, дешевые и надежные устройства. Дают на выходе переменное напряжение.
  2. Выпрямителей. Отличаются от предыдущих наличием диодного или тиристорного моста, преобразующего переменный электроток в постоянный. По сравнению с предыдущим вариантом имеют большие размеры и вес, сложнее устроены и стоят дороже.
  3. Инверторов. Дают на выходе постоянный электроток. Отличаются компактными размерами.

Инвертор преобразует сетевой ток в следующем порядке:

  1. Выпрямляет.
  2. Превращает в переменный с высокой частотой (60-80 кГц). Эту функцию выполняет специальный электронный узел с быстропереключающимися транзисторами, управляемый микросхемой.
  3. С помощью преобразователя понижает напряжение до рабочей величины.
  4. Опять выпрямляет.

Повышение частоты электротока позволяет существенно уменьшить размеры и вес трансформатора. В результате сокращаются стоимость устройства и потери в нем.

Оснащение инвертора электроникой дает дополнительные преимущества в виде следующих функций:

  1. Горячий старт. Облегчает розжиг дуги путем кратковременного увеличения напряжения.
  2. Антизалипание. Сброс напряжения в ситуациях, когда расходник надолго коснулся заготовки (часто наблюдается при розжиге).
  3. Форсаж дуги. Состоит в кратковременном увеличении силы электротока в случае, когда есть риск затухания дуги. Чаще всего это происходит при замыкании электрода и заготовки каплей расплавленного металла.
  4. Стабилизация. Обеспечивает сохранение параметров режима сварки в условиях колебания напряжения на входе.

Инверторы стоят дороже прочих видов, но удобство работы и высокое качество шва разницу в цене оправдывает.

Различают аппараты для следующих видов электросварки:

  1. Тугоплавким расходником в среде защитного газа. Используют горелку с вольфрамовым или графитовым электродом и соплом для нагнетания аргона. В зону сварки подают присадочный материал в виде проволоки. Возможна работа устройства без подачи газа. Тогда в качестве присадочного материала используют полую проволоку, заполненную флюсом. Тот при выгорании превращается в газ.
  2. Плавящимся электродом. Такие расходники снабжены собственным флюсом в виде покрытия (обмазки). Помимо защитных компонентов, оно содержит легкоионизируемые, улучшающие горение дуги.

Аппараты для сварки плавящимися расходниками оснащены электрододержателем.

По назначению устройства делятся на виды:

  1. Для ручной сварки – аргонной и плавящимся электродом.
  2. Полуавтоматы. Предназначены для сварки тугоплавким расходником, присадочный материал подается механизированным способом.
  3. Автоматы. Работа ведется без участия человека в соответствии с заданными пользователем настройками. Агрегат оснащается тугоплавким электродом.

Что такое электроды постоянного и переменного тока

Электродом называют отрезок металлической проволоки, предназначенный для подведения электричества к заготовке. Изделия делятся на 2 вида:

  • плавящиеся;
  • тугоплавкие.

Изделия первого типа снабжены обмазкой. Она выполняет следующие функции:

  1. Образует защитный газ.
  2. Служит источником легирующих элементов.
  3. Поддерживает горение дуги за счет легкоионизируемых элементов. Для протекания электротока нужны свободные носители заряда. Присутствие в промежутке между расходником и заготовкой, помимо электронов, прочих ионов стабилизирует процесс.

Плавящиеся электроды делятся на виды:

  • универсальные – работают на любом виде электричества;
  • для сварки на постоянном напряжении.

Тугоплавкие электроды тоже относятся к универсальным.

Сварочные электроды

Отличия электродов постоянного и переменного тока

По виду обмазки расходники делятся на виды:

  1. Кислые.
  2. Целлюлозные.
  3. Рутиловые.
  4. Основные (фтористо-кальциевые).

Первые 3 вида являются универсальными, четвертый – предназначен для сваривания только на постоянном напряжении. Основные и рутиловые электроды наиболее распространены.

Особенность сварки на переменном электротоке заключается в менее стабильном горении дуги. Она крайне чувствительна к числу свободных носителей заряда. В обмазке основного типа содержится фтор, выступающий деионизирующим элементом. Он затрудняет горение дуги, поэтому на переменном напряжении такие расходники работают плохо.

Преимущество фтористо-кальциевой обмазки состоит в отсутствии органики, что исключает насыщение металла водородом и обеспечивает ему хорошую защиту от окисления. В результате шов получается прочным и пластичным.

Необходимо обращать внимание и на характеристики сварочного аппарата. Для старта дуги на переменном токе некоторые электроды требуют повышенного напряжения холостого хода – 70 или 90 В против стандартных 50. Это особенно необходимо при повторном розжиге, когда расходник покрыт шлаком. У большинства трансформаторов напряжение холостого хода составляет 50 В. Есть модели с дополнительным выходом, генерирующим напряжение холостого хода в 70 (В). Они стоят дороже. Для инвертора этот показатель составляет 89-93 (В).

Читайте также:  Картинки электрический ток в газе

Типы сварочных аппаратов

Марки электродов для переменного и постоянного тока

На переменном токе можно варить расходниками:

  1. ОЗС-4, ОЗС-6, ОЗС-12 (рутиловыми). Предназначены для сварки углеродистых сталей.
  2. МР-3. Созданы для соединения низкоуглеродистых сталей. Рекомендованы начинающим сварщикам. Обеспечивают высокое качество соединения даже при наличии на заготовках грязи, ржавчины и влаги. Разновидность МР-3С предназначена для высокоуглеродистых и низколегированных сталей.
  3. АНО-4, АНО-6, АНО-21. Первая марка создана для низкоуглеродистых сталей, средняя – для углеродистых, третья – для высокоуглеродистых и низколегированных.
  4. WP. Вольфрамовые расходники.
  5. WL-15 и WL-20. Легированные вольфрамовые расходники.

Следующими электродами варят только на постоянном электротоке:

  1. УОНИ-13/55. Считаются лучшими для изготовления ответственных конструкций из углеродистой стали. При затухании дуги расплавленная обмазка сразу застывает на торце электрода, поэтому для повторного розжига его следует зачистить.
  2. ОЗЛ-8. Предназначены для сталей, легированных хромом и никелем. Используются при изготовлении узлов, испытывающих высокие нагрузки; создают прочный, устойчивый к окислению шов. Необходимо обеспечить плавное остывание металла, иначе возможно его растрескивание.
  3. Kobelco LB-52U (Япония). Созданы для изготовления ответственных конструкций из низкоуглеродистой стали. Часто применяются при отсутствии возможности выполнить двухстороннее обваривание, например при монтаже трубопроводов. Чувствительны к влажности обмазки, потому нуждаются в предварительной прокалке при температуре 300°С.
  4. ESAB OK 61.30 (Швеция). Электрод для нержавеющей стали.

Разница между сваркой переменным и постоянным током

Трансформаторы переменного тока имеют следующие преимущества:

  • низкую стоимость;
  • простую конструкцию;
  • высокий КПД;
  • надежность;
  • большой ресурс.
  1. Низкое качество шва. Он получается широким и неровным из-за колебаний дуги.
  2. Большие потери металла из-за сильного разбрызгивания.
  3. Плохое горение дуги.
  4. Возможность варить только углеродистую сталь.

Сварку переменным током используют в следующих ситуациях:

  1. К качеству предъявляются низкие требования.
  2. Необходимо большое тепловложение, например при строительстве судов.

Аппараты постоянного электротока сложнее, дороже. Они характеризуются относительно большими потерями мощности, но обеспечивают высокое качество соединения и стабильность дуги. Помимо углеродистой стали, ими можно варить нержавеющую, а также цветные металлы (используют соответствующие электроды).

В сварке на постоянном электротоке различают 2 способа подключения:

Токи

  1. С прямой полярностью. Отрицательный полюс (катод) подключается к электроду, положительный (анод) – к заготовке.
  2. С обратной полярностью. Анод подключают к расходнику, катод – к заготовке.

Обозначения сварочного тока для электродов

Маркировка расходников имеет вид дроби. Последняя цифра в знаменателе обозначает род тока. «0» расшифровывается как «только постоянный с обратной полярностью». Прочие цифры означают, что расходник является универсальным, т.е. может варить любым видом тока. При этом для постоянного зашифрована полярность, для переменного – минимально требуемое значение вольтажа холостого хода.

Данные сведены в таблицу:

Рекомендуемая полярность постоянного электротока Разность потенциалов холостого хода источника переменного электротока, В Обозначение
Обратная
Любая 50±5 1
Прямая 2
Обратная 3
Любая 70±10 4
Прямая 5
Обратная 6
Любая 90±5 7
Прямая 8
Обратная 9

Таким образом, цифра «5» в маркировке означает, что электродом можно варить:

  1. Постоянным током прямой полярности.
  2. Переменным, если напряжение на холостом ходу источника составляет не менее 70 В.

Дополнительная информация

При сварке постоянным током наблюдается неравномерное распределение тепловой энергии между заготовкой и электродом:

  1. Для плавящихся расходников. Анодное пятно холоднее катодного. Поэтому для соединения тонкостенных заготовок используют прямую полярность (чтобы не прожечь их), для толстостенных – обратную (для более глубокого проплавления).
  2. Для тугоплавящихся расходников. Анодное пятно, наоборот, горячее катодного.

Сварку тугоплавким электродом ведут только на прямой полярности, независимо от толщины заготовок. При обратном подключении, когда разряд бьет в расходник, он быстро засоряется.

Источник



Описание строения сварочной дуги постоянного и переменного тока.

Сварочная дуга – мощный, стабильный, светящийся электрический разряд в ионизированной атмосфере газов, паров металла и веществ, входящих в состав электродных покрытий. Сварочная дуга загорается и поддерживается энергией, получаемой от источника питания постоянного или переменного тока. Приоритет в практическом использовании сварочной дуги принадлежит российским инженерам (приложение).

Для протекания электрического тока через газ необходимы заряженные частицы: электроны и ионы. Образование таких частиц в газовом промежутке между электродами происходит следующим образом. В начале необходимо зажечь дугу. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа.

1. Осуществляют короткое замыкание электрической цепи соприкосновением конца электрода на заготовку. При этомв месте контакта выделяется значительное количество теплоты Q согласно закону Джоуля – Ленца:

Q = I 2 · R ∙τ, Дж, (1.1)

где I – сила тока, А;

R – сопротивление, Ом;

τ – время прохождения тока, с.

Ток короткого замыкания практически мгновенно расплавляет металл в месте контакта.

2. Для горения дуги, после короткого замыкания, электрод и изделие необходимо раздвинуть друг от друга на расстояние 3…6 мм. При этом благодаря тепловой энергии, с поверхности электрода происходит испускание электронов (термическая эмиссия). Под действием электрического поля эти электроны устремляются к изделию и на своём пути сталкиваются с нейтральными частицами воздуха. При столкновении происходит отрыв от нейтрального атома или молекулы одного или нескольких электронов, что и называется ионизацией.

3. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

3. Схема опыта, применяемого при изучении стабильности горения дуги, и табл. 1.2. с результатами опытов.

При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному ‒ катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Строение дуги постоянного тока и распределение потенциалов по длине дугового промежутка представлены на рис. 1.1.

В сварочной дуге четко выражены три области:

1) катодная область lк, прилегающая к катоду К (–) с разогре-тым катодным пятном 1. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400 … 2700 °С;

2) столб дуги lст – это ионизированный газ, который содержит атомы газов, паров металла и покрытия, нейтральные молекулы, свободные электроны и ионы. Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка и располагается между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц (электронов, положительных ионов и отрицательных ио­нов) здесь является ионизация газа.

Температура столба дуги зависит от состава газов, величины сварочного тока (с увеличением величины тока температура повышается), типа электродных покрытий и полярности. При обратной полярности температура столба дуги выше и она достигает от 6000 и более 8000 °С;

3) анодная область lа включает анодное пятно 2 и часть дугового промежутка, примыкающего к аноду А (+).Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Электрон, попавший на анодную поверхность, отдает металлу не только запас кинетической энергии, но и энергию в виде теплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.

Длиновые размеры приэлектродных областей очень малы и составляют: катодной области lк ≈10 -5 …10 -7 м; анодной области lа ≈10 -4 …10 -5 м. Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги lд.

Сварочная дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. Распределение падения напряжения по длине дугового промежутка (напряжения дуги Uд) зависит от физических условий, в которых горит сварочная дуга, и является суммой падения напряжений в приэлектродных областях Uк + Uа и столба дуги Uст (см. рис. 1. 1):

Для сварочной дуги при плавящемся электроде характерно

Для большинства практически используемых режимов сварки принимают Uк=10…20 В, Uа=2…5 В и они не зависят от длины дуги и тока, а зависят от концентрации заряженных частиц в приэлектродных областях. Падение напряжения столба дуги Uстсущественным образом зависит от величины сварочного тока Iд, защитной среды, материала электродов и может изменяться от 6 до 40 В. Выражение (1.2) падения напряжения в дуговом промежутке можно записать в виде:

Uд= а + в· lд, (1.3)

где а = Uк + Uа; – градиент напряжения в столбе, рав-ный 1…4 В/мм или в среднем – 2,5 В/мм. Таким образом, падение напряжения в столбе дуги длиной 4 мм составляет:

Основным свойством любой электрической цепи, в том числе и сварочной дуги, является способность проводить ток, которая оценивается с помощью вольт-амперной характеристики (ВАХ). Зависимость напряжения на дуге от её тока в установившемся режиме (при постоянстве длины и проводимости дугового промежутка) называется статической вольт-амперной характерис-тикой дуги, т. е. Uд= f (Iсв) при lд = const.

Статическая ВАХ сварочной дуги содержит три участка: падающий, жёсткий и возрастающий (рис. 1. 2). Для объяснения природы появления этих трех участков ВАХ сварочной дуги (газового проводника) можно воспользоваться с некоторой погрешностью законом Ома [1]:

где ρ – удельное электросопротивление дуги, мкмОм·м;

Sст – площадь сечения столба дуги, мм 2 ;

jст = – плотность тока, А/мм 2 ;

lст, lд – соответственно длина столба дуги и длина дуги, мм. Можно принять lcт ≈ lд, мм,ввиду малых значений lк и lа.

Рис. 1.2. Вольтамперные статические характеристики дуги [2]:

1 – падающий участок; 2 – жесткий участок; 3 – возрастающий участок

Падающую вольт-амперную характеристику имеет дуга при сварочном токе до 80…100 А (cм рис. 1.2 – участок 1). На этом участке в сварочной дуге с увеличением сварочного тока более интенсивно протекает ионизация, возрастает проводимость столба дуги γст и увеличивается площадь его поперечного сечения Sст, которые в уравнении (1.4) находятся в знаменателе и приводят к снижению напряжения дуги. Кроме того, увеличение силы тока в пределах этого участка сопровождается опережающим темпом роста площади катодного пятна с диаметром dк, что приводит к уменьшению плотности тока jст, а, следовательно, и к снижению напряжения на дуге. Сварочная дуга с падающей вольт-амперной характеристикой имеет малую устойчивость.

Жесткую вольт-амперную характеристику имеет сварочная дуга при токах от 80 до 350 А (cм. рис. 1.2– участок 2). На этом участке увеличение тока сопровождается пропорциональным в столбе дуги возрастанием его площади поперечного сечения и поэтому плотность тока jст не изменяется. Проводимость дугового промежут-ка γст при этом остается без изменения, поскольку температура дуги достигает своего максимального значения. В результате падение напряжения на дуге тоже не изменяется. Таким образом, в области практических режимов сварки напряжение на дуге не зависит от тока (жесткий участок), а зависит только от длины дуги (см. уравнение 1.5). Такая дуга широко применяется в сварочной технике.

Возрастающую вольт-амперную характеристику имеет сварочная дуга при токах от 300 А и выше (см. рис. 1. 2 – участок 3). На этом участке при увеличении сварочного тока напряжение дуги снова возрастает. Напряжение дуги в этом случае растет не за счет увеличения площади поперечного сечения активного пятна катода, которое занимает весь торец электрода, а вследствие увеличения плотности тока jст.

Особенности дуги переменного тока

Устойчивость горения сва­рочной дуги переменного тока, ниже, чем дуги постоянного тока. Это связано с тем, что переменный ток частотой 50 Гц в дуге 100 раз в секунду (через каждые 0,01 с) проходит через нуль (рис. 1.3). В про­цессе перехода тока через нуль и изменения полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает. При этом снижается температура дуги, снижается ионизация газовой смеси в приэлектродных областях и в столбе дуги, уменьшается проводимость дугового промежутка. До тех пор, пока напряжение источника тока Uи меньше напряжения повторного зажигания Uз (пика зажигания), дуга загореться не может. При синусоидальной кривой напряжения источника питания загорание дуги произойдёт через промежуток времени tв в точке А, когда величина напряжения источника Uи достигнет напряжения зажигания Uз. После зажигания дуги будет происхо-дить изменение напряжения на дуге Uд и в точке В, в которой напряжение источника станет ниже напряжения горения дуги, дуга погаснет. Синусоидальность напряжения приводит к тому, что при смене полярности дуга переменного тока загорается не сразу, а спустя некоторое время, соответствующее времени возбуждения дуги tв, пока синусоидальное напряжение источника Uи не достигнет значения зажигания дуги Uз в точке А1 (см. рис. 1.3).

Интервал времени от времени угасания τу до времени возбужде-ния τв называется временем перерыва tп в горении сварочной дуги. В этот интервал времени ток Iд, протекающий по сварочному контуру, не равен нулю. Это объясняется тем, что в дуговом промежутке в данный момент времени активное пятно катода еще способно излучать электроны, а также наличием плазменных потоков в столбе дуги. В дуговом промежутке в течение времени tп наблюдается тлеющий разряд, а не дуговой. В момент времени τ = τвнапряжение дуги Uддостигает необходимого значения напряжения повторного возбуждения сварочной дуги Uз и в дуговом промежутке создается напряженность электрического поля такого значения, при котором начинается интенсивное зарождение свободных электронов, приводящее к восстановлению дугового разряда.

Для повышения стабильности горения дуги переменного тока необходимо, чтобы время перерыва (τву) было по возможности меньше. Значение времени перерыва можно определить из закона синусоидальности переменного тока:

где ω – угловая частота тока, равная (ω=2 πf).

Отсюда тогда время перерыва составит

Из выражения (1.6) следует, что повысить стабильность горения дуги переменного тока, т. е. уменьшить время перерыва τв+τу в горе-нии сварочной дуги, можно осуществить:

1) увеличением амплитудного значения напряжения источника питания Uт, т. е. напряжения холостого хода Uх сварочного трансформатора. Однако повышение напряжения холостого хода ограничено условиями электробезопасности при проведении сварочных работ и технико-экономическими показателями источников питания (увеличение габаритных размеров источника питания, расход обмоточных материалов и т. д.). Поэтому для источников питания переменного тока принято отношение между напряжением холостого хода источника и напряжением дуги Uх/Uд > 1,8…2,5. Напряжение холостого хода не должно превышать 80…90 В;

2) увеличением частоты переменного тока, что требует дополнительных устройств (см. работу № 2 – инверторные источники);

3) снижением напряжения зажигания дуги за счет введения в состав покрытия электродов веществ с низким потенциалом ионизации.

В зависимости от толщины покрытия электроды разделяются на тонкопокрытые, с толщиной слоя обмазки 0,1…0,3 мм и толстопокрытые, с толщиной слоя обмазки до 2 мм.

Тонкие покрытия предназначаются для увеличения устойчи-вости горения дуги и поэтому часто называются ионизирующими покрытиями. Наиболее распространённым ионизирующим покры-тием является меловое, состоящее по массе из 80…85 % мелко просеянного мела СаСО3 и 15…20 % жидкого натриевого стекла Na2O·SiO2. Сварные швы, выполненные этими электродами, из-за отсутствия защиты расплавленного металла обладают низким пределом прочности и низкой пластичностью. Для получения сварных швов с высокими показателями прочности и пластичности пользуются электродами с толстым покрытием. Поэтому эти покрытия называют качественными.Качественное покрытие выполняет следующие функции: обеспечивает устойчивое горение дуги; защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха; раскисляет образующиеся в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак; изменяет состав наплавляемого металла вводом в него легирующих примесей; удаляет серу и фосфор из расплавленного металла шва.

К первой группе можно отнести ионизирующие вещества, которые вводятся для снижения эффективного потенциала ионизации (табл. 1.1). Они обеспечивают стабильное горение дуги.

Значение потенциалов ионизации металлов, применяемых в покрытиях

Элементы К Na Ba Li Al Ca Cr Ti Mn
U, В 4,32 5,12 5,19 5,37 5,96 6,03 6,74 6,81 7,4
Элементы Fe Si С Н* О* N* Ar* Не*
U, В 7,83 7,94 11,22 13,53 13,56 14,51 15,7 21,5
*) элементы, содержащиеся в воздухе (в межэлектродном промежутке)

В основном это соли щелочных и щелочноземельных металлов (К, Na, Ca, Ва, Li и др.). Они чаще применяются в виде:

1) углекислых солей: мел (мрамор) СаСО3, поташ К2СО3, углекислый барий ВаСО3, сода Na2CO3;

2) соединений: хромата калия K2CrO4, титанового концентрата (FeO∙TiO2), марганцевой руды (MnO2∙Mn2O3), полевого шпата (К2О∙Al2O3∙6SiO2), плавикового шпата (CaF2) и др.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионии-зации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации будет равна единице. Из рис. 1.4. вид-но, что при температурах 6000…8000 ºС такие вещества как калий, натрий, кальций и другие обладают достаточно высокой степенью ионизации.

Ко второй группе относятся газообразующие, и шлакообра-зующие вещества, которые создают в зоне дуги газовую защитную оболочку, а в зоне шва – шлаковую защиту расплавленного металла шва. К газообразующим можно отнести неорганические (мрамор СаСО3, магнезит МgСО3 и др.) и органические (крахмал, древесная мука и т. п.) вещества. Все эти вещества образуют защитный барьер из CO2 вокруг сварочной ванны.

При помощи шлакообразующих компонентов вокруг сварочной ванны создается защитная шлаковая пленка, препятствующая окисли-тельным процессам. Они представляют собой руды (титановые и марганцевые) и различные минералы (полевой шпат, гранит, кремнезем, плавиковый шпат).

Третью группу представляют легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических свойств. К этой же группе можно отнести раскисляющие вещества, которые благо-даря большому сродству к кислороду очищают металл шва от окис-лов и выводят их в шлак. Легирующие элементы и раскислители – кремний, марганец, титан, алюминий и другие, а также сплавы этих элементов с железом в виде ферромарганца, ферросилиция и ферро-титана. Их применяют для наполнения сварочной ванны легирую-щими элементами, придавая металлу нужный состав. Алюминий как раскислитель вводится в покрытие в виде порошка-пудры;

К четвёртой группе — связующие вещества для придания покрытию монолитности и определенной прочности после его высыхания. В качестве связующего вещества, как уже упоминалось, часто применяют водные растворы силикатов натрия, называемые жидким стеклом Na2O·SiO2.

Для повышения производительности (для увеличения количест-ва наплавляемого металла в единицу времени) и облегчения повтор-ного зажигания дуги в электродные покрытия вводят железный поро-шок. Его содержание может достигать до 60 % массы покрытия. Таким образом, во все группы веществ, образующих покрытие, входят элементы (см. табл. 1.1 и рис. 1.4) с низким потенциалом ионизации в виде различных химических соединений.

Источник