У сучасній промисловості зварювання має велике значення, воно має дуже широку сферу застосування у всіх галузях промисловості. Для здійснення зварювального процесу потрібна зварювальна дуга.
Що таке зварювальна дуга, її визначення
Зварювальною дугою вважається дуже великий за величиною потужності та тривалості електричний розряд, який існує між електродами, на які подано напругу, у суміші газів. Її властивості відрізняються високою температурою та щільністю струму, завдяки яким вона здатна розплавляти метали, що мають температуру плавлення понад 3000 градусів. Взагалі можна сказати, що електрична дуга – це провідник із газу, який перетворює електричну енергію на теплову. Електричним зарядом називається проходження електричного струму через газове середовище.
Існує кілька видів електричного розряду:
- Тліючий розряд. Виникає в низькому тиску, застосовується в люмінесцентних лампах та плазмових екранах;
- Іскровий розряд. Виникає, коли тиск дорівнює атмосферному, відрізняється переривчастою формою. Іскровому розряду відповідає блискавка, також застосовується для запалювання двигунів внутрішнього згоряння;
- Дуговий розряд. Застосовує при зварюванні та для освітлення. Відрізняється безперервною формою, що виникає при атмосферному тиску;
- Коронний. Виникає, коли тіло електрода шорстке і неоднорідне, другий електрод може бути відсутнім, тобто виникає струмінь. Застосовується для очищення газів від пилу;
Природа та будова
Природа зварювальної дуги не така вже й складна, як може здатися на перший погляд. Електричний струм, проходячи через катод, потім проникає в іонізований газ, відбувається розряд з яскравим світінням та дуже високою температурою, тому температура електричної дуги може досягати 7000 – 10000 градусів. Після цього струм перетікає на оброблюваний матеріал, що зварюється. Так як температура настільки висока дуга виділяє шкідливе для людського організму ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання, воно може нашкодити очам або залишити світлові опіки на шкірі, тому при проведенні процесу зварювання необхідний належний захист.
Будова зварювальної дуги є три основні області: анодна, катодна і стовп дуги. Під час горіння дуги на катоді та аноді утворюються активні плями – області, в яких температура досягає найвищих значень, саме через дані області проходить весь електричний струм, анодні та катодні області є більшими падіннями напруги. Сам стовп розташовується між цими областями падіння напруги в стовпі дуже незначно. Таким чином, довжина зварювальної дуги являє собою суму перелічених вище областей, зазвичай довжина дорівнює кільком міліметрам, коли анодні і катодні області, відповідно, рівні 10-4 і 10-5 см. Найсприятливіша довжина приблизно дорівнює 4-6мм, при такій довжині забезпечується постійна та сприятлива температура.
Зварювальна дуга – різновиди
Види зварювальної дуги відрізняються схемою підведення зварювального струму та середовищем, в якому вони виникають, найбільш поширеними варіантами є:
- Пряма дія. При такому способі зварювальний розташовується металевої конструкції, що паралельно зварюється, і дуга виникає під кутом дев’яносто градусів по відношенню до електрода і металу;
- Зварювальна дуга непрямої дії. Виникає, коли використовується два електроди, які розташовуються під кутом 40-60 градусів до поверхні деталі, що зварюється, дуга виникає між електродами і зварює метал;
Також існує класифікація залежно від атмосфери, де вони виникають:
- Відкритий тип. Дуга даного типу горить на повітрі і навколо неї утворюється газова фаза, що містить пари матеріалу, що зварюється, електродів та їх покриттів;
- Закритий тип. Горіння такої дуги відбувається під шаром флюсу, газову фазу, що утворилася навколо дуги входять пари металу, електрода і флюсу;
- Дуга з подачею газів. У дугу, що горить, подаються стислі гази – гелій, аргон, вуглекислий газ, водень та інші різні суміші газів, подаються вони для того, щоб не окислювався метал, що зварюється, їх подача сприяє відновлювальному або нейтральному середовищу. У газову фазу навколо дуги входять – газ, що подається, пари металу і електрода;
Також розрізняють за тривалістю дії – стаціонарна (для тривалого застосування) і імпульсна (для одноразового), за матеріалом використовуваного електрода – вугільні, вольфрамові – електроди, що не плавляться, і металеві – плавляться. Найпоширеніший плавиться електрод – сталевий. На сьогоднішній день найчастіше застосовується зварювання з електродом, що не плавиться. Таким чином, види зварювальних дуг різноманітні.
Умови горіння
За стандартних умов, тобто температури в 25 градусів і тиску в 1 атмосферу гази не здатні проводити електричний струм. Для того щоб утворилася зварювальна дуга необхідно, щоб гази між електродами були іонізовані, тобто мали у своєму складі різні заряджені частинки – електрони або іони (катіони або аніони). Процес утворення іонізованого газу називатиметься іонізацією, а робота, яку необхідно витратити на відрив електрона у атомної частки для утворення електрона та іона – роботою іонізації, яка вимірюється в електрон-вольтах і називається потенціалом іонізації. Яку енергію необхідно витратити для відриву електрона від атома залежить від природи газової фази, значення можуть бути від 3,5 до 25 еВ. Найменший потенціал іонізації мають метали лужної та лужно-земельної групи – калій, кальцій та, відповідно, їх хімічні сполуки. Такими сполуками покривають електроди для того, щоб вони сприяли стійкому існуванню і горінню зварювальної дуги.
Також для виникнення та горіння дуги необхідна постійна температура на катод, яка залежить від природи катода, його діаметра, розміру та температури навколишнього середовища. Температура електричної дуги тому має бути постійною і не вагатися, завдяки величезним значенням сили струму температура може досягати 7 тисяч градусів, таким чином зварюванням можна приєднувати абсолютно всі матеріали. Постійна температура забезпечується за допомогою справного джерела живлення, тому його вибір при конструюванні зварювального апарату дуже важливий, він впливає на властивості дуги.
Виникнення
Зварювальна дуга виникає при швидкому замиканні, тобто коли електрод стикається з поверхнею матеріалу, що зварюється, за колосальної температури поверхня матеріалу розплавляється, а між електродом і поверхнею утворюється невелика смуга з матеріалу, що розплавився. До моменту розбіжності електрода і матеріалу, що зварюється, утворюється шийка з матеріалу, яка моментально розривається і випаровується через високе значення щільності струму. Газ іонізується та виникає електрична дуга. Порушити її можна за допомогою торкання або цвіркання.
Особливості
Вона має такі особливості порівняно з іншими електричними зарядами:
- Висока щільність струму, що досягає кількох тисяч ампер на квадратний сантиметр, завдяки чому досягається дуже висока температура;
- Нерівномірність розподілу електричного поля у просторі між електродами. Поблизу електродів падіння напруги дуже велике, коли у стовпі – навпаки;
- Величезна температура, яка досягає найбільших значень у стовпі через високу щільність струму. При збільшенні довжини стовпа температура зменшується, а при звуженні навпаки збільшується;
- За допомогою зварювальних дуг можна отримувати різні вольт-амперні характеристики – залежності падіння напруги від щільності струму при постійній довжині, тобто горінні, що встановилося. На даний момент існує три вольтамперні характеристики.
Перша – падаюча, коли зі збільшенням сили і, відповідно, щільності струму, напруга падає. Друга – жорстка, коли зміна сили струму ніяк не впливає на значення величини напруги і третя – зростаюча, коли при збільшенні сили струму напруга також збільшується.
Таким чином, зварювальну дугу можна назвати найкращим та надійним способом скріплення металевих конструкцій. Зварювальний процес дуже впливає на сьогоднішню промисловість, тому що тільки висока температура зварювальної дуги здатна скріплювати більшість металів. Для отримання якісних та надійних швів необхідно правильно та правильно враховувати всі характеристики дуги, стежити за всіма значеннями, завдяки цьому процедура пройде швидко та найбільш ефективно. Також необхідно враховувати властивості дуги: щільність струму, температуру та напругу.