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.

Условия образования

Основными условиями образования сварочной дуги являются следующие этапы:

Первичное короткое замыкание между электродом и изделием.
Появление расплавленного металла в зоне между электродом и изделием.
После отведения электрода образуется вытягивание металла – образуется “шейка”
Происходит обрыв “шейки” с образованием ионизированного газа.
Возникновение стабильно горящей дуги.

Для поддержания и стабильного горения столба дуги нужно непрерывная ионизация газа. Для этого применяют либо защитные газы, которые имеют высокую степень ионизации такие как аргон и гелий.

Если сварка выполняется с помощью электродов, то в состав обмазки включаются добавки из щёлочноземельных и щелочных металлов таких как калий, натрий и других. За счёт этого происходит повышение ионизации в процессе горения и плавления обмазки электрода.

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.

Требования к сварочным швам

Требования, которые могут предъявляться к сварочным швам, по большей мере зависят от конечного назначения готовой конструкции. Тем не менее можно выделить несколько общих требований, которым должны удовлетворять соединения такого типа. Твёрдость и предел прочности сварного соединения должны иметь такие же показатели (или близкие), как и показатели основного металла. Испытания проводят на специальном оборудовании с образцом готового изделия.

Визуально контроль качества шва проверяют следующим образом. После завершения сварочных работ, производится очистка швов от шлака и окислов, также убираются все вспомогательные приспособления. Шов должен быть однородным, мелкочешуйчатым и иметь равномерную ширину. Наплывы, прожоги, сужения или перерывы должны отсутствовать. Металл, который наплавлен должен быть однородным, не иметь пор или поверхностных трещин.

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.

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:

При толщине металла равном или меньшем 50 мм расчетное значение не должно быть более 50 мм от сварного соединения.
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:

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.
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.
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.

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.

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.

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?

Открытый способ. В данном случае горение разряда осуществляется в атмосфере.
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.
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.

Область применения

Применяется при всех видах дуговой сварки таких как:

Ручной (штучными электродами, неплавящимся электродом в среде аргона или других инертных газах).
Механизированные и полуавтоматические способы в среде инертных, активных газов, под слоем флюса, а также с использованием специализированных порошковых проволок.
Автоматические способы (плазменная, под слоем флюса, роботизированный с использованием активных и инертных газов и т.д.).
Плазменное напыление.
Плазменная и дуговая резка металла.
Воздушно дуговая строжка.
Реновация поверхностей.

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.

Техника безопасности

Сварочные работы — одни из самых опасных. Большие температуры; яркий свет, негативно воздействующий на глаза; испарения как от металла, так и от электрода, губящие легкие.

Для предотвращения вреда здоровью следует придерживаться правил безопасности.

Вопрос «Как правильно сваривать металл» включает в себя и меры предосторожности для сварщика.

Работайте в спецодежде. Разбрызгивание металла некоторых электродов доходит до больших значений. Также часто вытекает металл из ванны. Всё это приводит к ожогам у сварного. Спецодежда включает: краги, костюм сварщика, шапку (искры попадают на голову), кожаные ботинки, маску.

Если сварные работы ведутся в помещении, не забывайте его проветривать. Оно должно быть сухим, так как влажность приводит к отсыреванию расходных материалов, а также негативно сказывается на сварочном инвентаре. Например, инвертор из-за конденсата часто выходит из строя, отсыревают шланги горелок. Кроме того, работа в задымленном помещении нередко сопровождается головными болями. Спертый воздух, насыщенный газами, может привести к раку легких.

Маска сварщика не должна иметь повреждений светофильтра. Иначе после нескольких минут работы глаза начнет «резать». А по прошествии нескольких часов они покраснеют, а веки опухнут. Со временем это может привести к проблемам со зрением. Приятного мало.
Чтобы правильно сваривать металл, нужно соблюдать дистанцию от места сварочных работ до газовых баллонов.
Легковоспламеняемые и взрывоопасные предметы убрать как можно дальше.
На баллоны с кислородом НЕ ДОЛЖНО попадать масло. Иначе возможен взрыв.
Электрооборудование для сварки должно быть заземлено.

Это лишь те основы, которые предотвратят сварщика от риска травмы.

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.

Что влияет на мощность электродуги

Если рассмотреть формулу мощности дуги – Qэф = ηIUд, можно сделать вывод что на неё влияет (она определяется) напряжение дуги и сила тока, а также сам способ сварки. Потому как в зависимости от способа изменяется коэффициент полезного действия дуги – η.

Его значение для ручной сварки колеблется от 0,5 до 0,85, для сварки в среде защитных газов колеблется в диапазоне 0,6-0,7. Для сварки под флюсом значение коэффициента от 0,8 до 0,92.

Мощность электродуги влияет на скорость прохождения процесса. Она характеризует количество теплоты вводимой в изделии. Чем больше вводимой теплоты, тем более производительно можно вести процесс. Простая логика: чем больше мощности, тем быстрее можно вести сварку.