Строение сварочной дуги: три зоны дугового промежутка

превышает температуру плавления любого конструкционного метал
Строение сварочной дуги: три зоны дугового
промежутка
Дуговой разряд физически неоднороден. Сварочная дуга разделяется на три
последовательные зоны с принципиально разными условиями прохождения тока и
распределением тепловыделения. Суммарная длина приэлектродных областей на
несколько порядков меньше длины столба, поэтому длину дугового промежутка
принято считать равной длине столба.
Катодная область
Катодная область — тончайший слой у поверхности катода (порядка 10−4–10−5 см).
Здесь происходит эмиссия электронов: нагретый катод испускает электроны в
направлении анода за счёт термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии. Падение
напряжения в катодной области составляет 10–20 В и при заданных условиях сварки
практически не зависит от тока дуги. Температура катодного пятна для стальных
электродов достигает 2400–2700 °C, на нём выделяется около 38 % суммарной теплоты
дуги.
Столб дуги
Столб дуги — центральная, наиболее протяжённая зона. Ионизированный газ (плазма)
является здесь проводником тока. Температура в осевой части столба достигает 6000–
7000 °C при сварке стальными электродами и зависит от состава газовой среды,
материала и диаметра электрода, плотности тока. Падение напряжения в столбе
пропорционально его длине: напряжение дуги при стабильном горении
пропорционально длине дугового промежутка.
Состав газовой среды в столбе определяет степень ионизации и электрическую
проводимость плазмы. Газы с низким потенциалом ионизации — пары калия (K),
натрия (Na), кальция (Ca) из покрытий электродов — значительно повышают
стабильность горения дуги, облегчая поддержание ионизированного состояния столба.
Анодная область
Анодная область — тонкий слой у поверхности анода (порядка 10−3–10−4 см). Ускоренные
электроны тормозятся в анодном пятне, передавая кинетическую энергию металлу.
Падение напряжения в анодной области составляет 2–12 В. Температура анодного пятна
близка к температуре катодного пятна, однако вследствие интенсивной бомбардировки
электронами на нём выделяется больше теплоты.
Суммарное напряжение дуги складывается из трёх составляющих: Uд = Uк + Uс + Uа, где
Uк — падение напряжения на катоде (10–20 В), Uс — падение напряжения в столбе
(пропорционально длине), Uа — падение на аноде (2–12 В). При ручной дуговой сварке
плавящимся электродом суммарное напряжение дуги составляет 16–30 В в зависимости от
длины дуги и условий горения.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) сварочной дуги
Статическая вольт-амперная характеристика дуги — зависимость установившегося
напряжения на дуге от сварочного тока при постоянной длине дугового промежутка. В
отличие от активного сопротивления, дуга обладает нелинейной ВАХ: между током и
напряжением нет пропорциональной связи. Это ключевое свойство, определяющее
выбор источника питания.
1
Три участка ВАХ и их практическое значение
Участок ВАХ
Диапазон
токов
Характер зависимости
U(I)
I — Падающая
До 80 А
С ростом тока напряжение
резко снижается из-за
расширения катодного
пятна и столба
РДС покрытыми
электродами, TIG-сварка
вольфрамовым электродом
(оба процесса работают в
зоне I–II)
II — Жёсткая
80–800 А
Напряжение практически
не меняется при
изменении тока; сечение
столба и активных пятен
растёт пропорционально
РДС и TIG при средних
токах; механизированная
сварка под флюсом (II–III);
основной рабочий диапазон
большинства способов
III —
Возрастающая
Свыше
800 А
С ростом тока напряжение
повышается; катодное
пятно занимает весь торец
электрода и не может
расширяться
MIG/MAG-сварка при
высоких токах со струйным
переносом в
аргонсодержащих смесях;
автоматическая сварка под
флюсом на больших токах
Применение
На падающем участке (I) рост тока резко увеличивает сечение столба дуги и площадь
активных пятен, что снижает плотность тока и падение напряжения. Дуга на этом
участке неустойчива при работе с источниками с жёсткой характеристикой.
Практически стабильное горение обеспечивается на II и III участках.
На жёстком участке (II) увеличение тока компенсируется пропорциональным
расширением столба и активных пятен: плотность тока и падение напряжения остаются
постоянными. Этот участок — основной рабочий диапазон при ручной дуговой сварке
и механизированных процессах.
На возрастающем участке (III) катодное пятно перекрывает весь торец электрода.
Дальнейшее расширение становится невозможным, плотность тока нарастает, а
напряжение возрастает вместе с током. Этот режим реализуется при высоких токах,
характерных для автоматических процессов.
Согласование ВАХ дуги с характеристикой источника питания
Устойчивое горение дуги достигается в точке пересечения ВАХ дуги и внешней
характеристики источника питания. Для ручной дуговой сварки (РДС) и TIG необходимы
источники с крутопадающей внешней характеристикой — это ограничивает изменение
тока при колебаниях длины дуги, обеспечивая устойчивость процесса. Для MIG/MAGсварки при высоких токах в аргонсодержащих смесях (струйный перенос, зона III)
рационально применять источники с жёсткой характеристикой — это обеспечивает
саморегулирование длины дуги.
Длина дуги и её влияние на качество шва
Длина дуги — расстояние от поверхности расплавленного металла в сварочной ванне до
торца электрода. Это один из важнейших оперативных параметров, непосредственно
влияющих на форму шва, провар и стабильность процесса.
2
Оптимальная длина дуги для основных способов сварки
При ручной дуговой сварке (РДС) покрытыми электродами рекомендуемая длина дуги
составляет 0,5–1,0 диаметра электрода. При электроде диаметром 3 мм это
соответствует 1,5–3 мм. Для TIG-сварки вольфрамовым электродом оптимальная длина
составляет 1,5–3 мм. При MIG/MAG-сварке длина дуги зависит от режима: при сварке с
короткими замыканиями — 1–3 мм, при струйном переносе — до 6 мм.
 Короткая дуга (менее нижней границы оптимума) — высокая концентрация
тепла, глубокий провар, узкий шов. Возрастает риск прилипания электрода к
изделию и повторных коротких замыканий. При РДС сопровождается характерным
потрескиванием.
 Оптимальная длина — стабильное горение, равномерный провар, правильная
форма шва, минимальное разбрызгивание и минимальное насыщение металла шва
газами атмосферы.
 Длинная дуга (сверх оптимума) — нестабильное горение, широкий плоский шов
с уменьшенным проваром, повышенное разбрызгивание. Атмосферные газы —
азот и кислород — проникают в зону дуги, что ухудшает механические свойства
металла шва.
Зависимость напряжения дуги от её длины носит линейный характер: с увеличением длины
дугового промежутка напряжение возрастает пропорционально. При постоянной выходной
мощности источника питания рост длины дуги ведёт к снижению тока, уменьшению
тепловложения и ухудшению провара. Для стальных конструкций увеличение длины дуги
более чем на 30–40 % от оптимума влечёт видимое ухудшение формирования шва.
Перенос металла через дуговой промежуток
При сварке плавящимся электродом расплавленный металл переносится через столб
дуги в сварочную ванну. Форма и режим переноса принципиально влияют на качество
шва, величину разбрызгивания и пригодность процесса для сварки в различных
пространственных положениях.
Основные режимы переноса металла
1. Перенос с короткими замыканиями — характерен для малых токов и
напряжений при MIG/MAG-сварке (напряжение 15–22 В, проволоки диаметром
0,5–1,6 мм). Капля металла касается поверхности ванны до отделения от торца
электрода, образуя кратковременное короткое замыкание. Дуга при этом
периодически гаснет и повторно зажигается. Разбрызгивание умеренное, процесс
применим во всех пространственных положениях и наиболее подходит для сварки
тонколистового металла.
2. Крупнокапельный перенос без замыканий — переходный диапазон между
коротким замыканием и струйным переносом. Капли превышают диаметр
электрода, дуга не гаснет, однако разбрызгивание значительно повышается. Режим
нестабильный и нежелателен на практике.
3. Струйный (спрейный) перенос — достигается при превышении критического
тока и только в аргоне или аргонсодержащих смесях. В углекислом газе (CO₂)
получить струйный перенос без специальных мер невозможно. При струйном
переносе металл переносится непрерывной серией мелких капель. Разбрызгивание
минимальное, производительность высокая. Из-за высокого тепловложения и
большой сварочной ванны процесс применим преимущественно в нижнем
положении для металла толщиной от 3 мм.
Переход к струйному переносу связан с выходом дуги на возрастающий участок ВАХ.
Для источников с жёсткой характеристикой это обеспечивает саморегулирование: при
изменении длины дуги ток изменяется значительно, что восстанавливает заданную длину
дугового промежутка.
3
Стабильность горения дуги и факторы, на неё влияющие
Стабильность сварочной дуги — её способность непрерывно гореть при заданных
параметрах без самопроизвольного погасания или перехода в другие виды разряда.
Нестабильность дуги прямо ухудшает геометрию шва, повышает разбрызгивание и
увеличивает вероятность дефектов.
Факторы, повышающие стабильность





Постоянный ток — обеспечивает более стабильное горение по сравнению с переменным. При
переменном токе частотой 50 Гц дуга проходит через ноль 100 раз в секунду, что создаёт
условия для погасания при каждом переходе через нулевое значение тока.
Покрытие электрода и состав флюса — наличие соединений калия (K), натрия (Na), кальция
(Ca) снижает потенциал ионизации газовой среды. Это облегчает повторный поджиг дуги при
каждом переходе через ноль на переменном токе.
Осциллятор — устройство, накладывающее высокочастотный высоковольтный импульс на
сварочную цепь. Применяется для бесконтактного зажигания и стабилизации горения при
сварке на переменном токе, прежде всего при TIG-сварке алюминия.
Предварительный подогрев изделия — снижает теплоотвод из зоны дуги, облегчает
термоэмиссию катода и стабилизирует горение, особенно при сварке легированных и
высокоуглеродистых сталей.
Соблюдение оптимальной длины дуги — чрезмерное увеличение длины делает поддержание
ионизации столба невозможным, что приводит к обрыву дуги.
Прямая и обратная полярность постоянного тока
При прямой полярности (электрод — катод, изделие — анод) анодное пятно
формируется на поверхности изделия. Вследствие интенсивной бомбардировки
электронами тепловложение в изделие выше, что обеспечивает глубокий провар.
Прямая полярность применяется при сварке толстостенных конструкций из
углеродистых и низколегированных сталей.
При обратной полярности (электрод — анод, изделие — катод) анодное пятно
формируется на электроде. Тепловложение в изделие снижается, что используется при
сварке тонколистового металла. При TIG-сварке алюминия обратная полярность
обеспечивает катодное распыление — разрушение оксидной плёнки Al₂O₃
бомбардировкой тяжёлыми ионами, что является обязательным условием получения
качественного шва.
4