Что такое сварочная дуга и какой она бывает?

Особенности

Она имеет следующие особенности по сравнению с другими электрическими зарядами:

• Высокая плотность тока, которая достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр, благодаря чему достигается очень высокая температура;
• Неравномерность распределения электрического поля в пространстве между электродами. Вблизи электродов падение напряжения очень велико, когда в столбе – наоборот;
• Огромная температура, которая достигает самых больших значений в столбе из-за высокой плотности тока. При увеличении длины столба температура уменьшается, а при сужении – наоборот увеличивается;
• С помощью сварочных дуг можно получать самые различные вольт-амперные характеристики – зависимости падения напряжения от плотности тока при постоянной длине, то есть установившемся горении. На данный момент существует три вольтамперные характеристики.

Первая – падающая, когда при увеличении силы и ,соответственно, плотности тока, напряжение падает. Вторая- жесткая, когда изменение силы тока никак не влияет на значение величины напряжения итретья – возрастающая, когда при увеличении силы тока напряжение также увеличивается.

Таким образом, сварочную дугу можно назвать самым лучшим и надежным способом скрепления металлических конструкций. Сварочный процесс оказывает большое влияние на сегодняшнюю промышленность, потому что только высокая температура сварочной дуги способна скреплять большинство металлов. Для получения качественных и надежных швов необходимо правильно и верно учитывать все характеристики дуги, следить за всеми значениями, благодаря этому процедура пройдет быстро и наиболее эффективно. Также необходимо учитывать свойства дуги: плотность тока, температуру и напряжение.

Что такое электрическая дуга

Это один из видов электрического разряда в газе (физическое явление). Также ее называют – Дуговой разряд или Вольтова дуга. Состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа (плазмы).

Может возникнуть между двумя электродами при увеличении напряжения между ними, либо приближении друг к другу.

Вкратце о свойствах: температура электрической дуги, от 2500 до 7000 °С. Не маленькая температура, однако. Взаимодействие металлов с плазмой, приводит к нагреву, окислению, расплавлению, испарению и другим видам коррозии. Сопровождается световым излучением, взрывной и ударной волной, сверхвысокой температурой, возгоранием, выделением озона и углекислого газа.

В интернете есть немало информации о том, что такое электрическая дуга, каковы ее свойства, если интересно подробнее, посмотрите. Например, в ru.wikipedia.org.

Теперь о моем несчастном случае. Трудно поверить, но 2 дня назад я напрямую столкнулся с этим явлением, причем неудачно. Дело было так: 21 ноября, на работе, мне было поручено сделать разводку светильников в распаечной коробке, после чего подключить их в сеть. С разводкой проблем не возникло, а вот когда полез в щит, возникли некоторые трудности. Жаль андройд свой дома забыл, не сделал фото электрощита, а то было бы более ясно. Возможно сделаю еще, как выйду на работу. Итак, щит был очень старый — 3 фазы, нулевая шина (она же заземление), 6 автоматов и пакетный выключатель (вроде все просто), состояние изначально не вызывало доверия. Долго боролся с нулевой шиной, так как все болты были ржавые, после чего без труда посадил фазу на автомат. Все хорошо, проверил светильники, работают.

После, вернулся к щиту, чтобы аккуратно уложить провода, закрыть его. Хочу заметить, электрощит находился на высоте ~2 метра, в узком проходе и чтобы добраться до него, использовал стремянку (лестницу). Укладывая провода, обнаружил искрения на контактах других автоматов, что вызывало моргание ламп. Соответственно я протянул все контакты и продолжил осмотр остальных проводов (чтобы 1 раз сделать и не возвращаться больше к этому). Обнаружив, что один контакт на пакетнике имеет высокую температуру, решил протянуть его тоже. Взял отвертку, прислонил к винту, повернул, бах! Раздался взрыв, вспышка, меня отбросило назад, ударившись об стену, я упал на пол, ничего не видно (ослепило), щит не переставал взрываться и гудеть. Почему не сработала защита мне не известно. Чувствуя на себе падающие искры я осознал, что надо выбираться. Выбирался на ощупь, ползком. Выбравшись из этого узкого прохода, начал звать напарника. Уже на тот момент я почувствовал, что с моей правой рукой (ей я держал отвертку) что-то не так, ужасная боль ощущалась.

Вместе с напарником мы решили, что нужно бежать в медпункт. Что было дальше, думаю не стоит рассказывать, всего обкололи и в больницу. Никогда походу не забуду этот ужасный звук долгого короткого замыкания – зуд с жужжанием.

Сейчас лежу в больнице, на коленке у меня ссадина, врачи думают, что меня било током, это выход, поэтому наблюдают за сердцем. Я же считаю, что током меня не било, а ожег на руке, был нанесен электрической дугой, которая возникла при замыкании.

Что там случилось, почему произошло замыкание мне пока не известно, думаю, при повороте винта, сдвинулся сам контакт и произошло замыкание фаза-фаза, либо сзади пакетного выключателя находился оголенный провод и при приближении винта возникла электрическая дуга. Узнаю позже, если разберутся.

Блин, сходил на перевязку, так руку замотали, что пишу одной левой теперь )))

Фото без бинтов делать не стал, очень не приятное зрелище. Не хочу пугать начинающих электриков….

Итак, идем дальше:

Что это такое?

Сварочной дугой называют энергетический электрозаряд между электродами, который имеет длительную продолжительность и большое количество выделяемой энергии, ему характерна разница потенциалов, что возникает в среде газов. Определение данного понятия также свидетельствует о том, что металл с высокой плотностью электрического напряжения нагревается с высокой скоростью, изначально становясь пластичным, а в последующем готовым к плавке.

Максимальным показателем температуры, которую может достичь электрическая дуга, принято считать не более 7000 градусов по Цельсию. На практике в сварке известно, что таким образом обрабатываются металлы, которым присуще свойство плавки при температурном показателе более 3000 градусов. Согласно теоретическим данным о свойствах и строении данного электрического заряда он имеет вид проводника, в основе которого ионизированный газ. Он состоит из частей, зон, которые выделяют большой объем тепловой энергии во время протекания по ним тока.

Во время поджига дуги происходит создание гальванической цепи. В этом процессе принимает участие пара электродов, что представляют собой совокупность анода, катода, а также ионизированного газа. При протекании ток способствует нагреванию, свечению. Последнее обусловлено фотонным излучением.

При построении сварочных цепей не обойтись без участия таких областей:

• анодной;
• катодной;
• столба дуги, который имеет длину от 4 до 6 миллиметров.

На первых участках происходит возникновение активных пятен, также осуществляется максимальный спад напряжения и нагревание. Во время действия электрической дуги наблюдается не только повышенная температура, но и ультрафиолетовое излучение.

Благодаря вольт-амперной характеристике определяют мощность напряжения дуги, которая напрямую связана с источником питания. От того, какой будет мощность сварочной дуги, зависит множество иных факторов, например ее длина. Характеризуясь одинаковыми параметрами источников электричества, у дуги с большей длиной будет выше мощность.

Сварочную дугу используют при стандартном процессе сваривания, при этом она характеризуется простотой проведения процедуры. Помимо этого, данный энергетический электрозаряд нашел свое применение в газовой сварке полуавтоматического типа. В этом случае на дугу подают сварочную проволоку, что способствует расплавлению материала.

Также дуги используются в автоматах, которые считаются довольно простыми в создании, и поэтому распространены в промышленном производстве. В данном случае могут использоваться как плавкие, так и неплавкие электроды. Ручная дуговая сварка работает с обычной конструкционной сталью, при этом она обеспечивает стабильность горения и надежность швов.

Мощность сварочных дуг имеет прямую зависимость от следующих факторов:

• длины сварочной электрической дуги – она также способна определять объем тепла, что выделяется во время горения;
• силы тока – большая сила тока препятствует угасанию длинной дуги;
• напряжения – при повышении напряжения в небольшом диапазоне мощность возрастает.

Вольт-амперная характеристика энергетического электрозаряда – это график, который выражает зависимость напряжения от смены тока. Данный показатель может иметь такие виды:

• нисходящий, который снижается при росте напряжения;
• стабильный, который не меняется при смене силы тока;
• восходящий, растущий при повышении силы тока, он обычно используется в сварках-автоматах.

По сравнению с другими электрическими зарядами дуге характерны такие особенности:

• высокая плотность тока;
• неравномерное падение напряжения вдоль по разрядному столбу;
• обратная пропорциональность температуры относительно ее толщины;
• большое число вариантов рабочего режима.

Электросварку можно назвать самым быстрым и при этом надежным вариантом неразъемного соединения деталей металлической конструкции. Ее можно применять в самых разнообразных сферах человеческой жизни, начиная от строительства и заканчивая транспортом.

Физические явления

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 — 5 В, а напряжение дугообразования — в два раза больше (9 — 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона — до 6 В).

Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь. Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых при коммутации электрической цепи неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами.
Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Строение дуги

Строение электрической дуги. 1-анодная область, 2-область дуги и защитного газа, 3-дуга, 4-катодные пятна, 5-катодная область

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области — около 0,0001 мм.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги — от 7 000 до 18 000°С, в области катода — 9000 — 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине.

Сварочные дуги классифицируют по:

• Материалам электрода — с плавящимся и неплавящимся электродом;
• Степени сжатия столба — свободную и сжатую дугу;
• По используемому току — дуга постоянного и дуга переменного тока;
• По полярности постоянного электрического тока — прямой полярности («-» на электроде, «+» — на изделии) и обратной полярности;
• При использовании переменного тока — дуги однофазная и трехфазная.

Саморегулирование дуги

При возникновении внешнего возмущения — изменения напряжения сети, скорости подачи проволоки и др. — возникает нарушение в установившемся равновесии между скоростью подачи и скоростью плавления. При увеличении длины дуги в цепи уменьшаются сварочный ток и скорость плавления электродной проволоки, а скорость подачи, оставаясь постоянной, становится больше скорости плавления, что приводит к восстановлению длины дуги. При уменьшении длины дуги скорость плавления проволоки становится больше скорости подачи, это приводит к восстановлению нормальной длины дуги.

На эффективность процесса саморегулирования дуги значительно влияет форма вольт-амперной характеристики источника питания. Большое быстродействие колебания длины дуги отрабатывается автоматически при жестких ВАХ цепи.

Классификация

За счет широкого распространения сварочного процесса дуга может быть нескольких видов. Особенности энергетического электрозаряда позволяют выделить следующие его разновидности согласно конструкции и назначению:

• плавкая изготавливается из стального сплава – при работе происходит расплавка металлического электродного стержня;
• неплавкая актуальна при работе с графитом и вольфрамом – электроды данного вида во время сварки не расходуются, а формирование шва происходит из расплавленных металлических заготовок.

По схеме подвода тока и среде

Согласно схеме электросоединения дуги для сварки делят на две разновидности.

1. Прямого действия. В качестве одного электрода выступает конструкция сварки, а второго – плавящийся элемент. В месте зазора происходит образование дуги.
2. Косвенного действия. Розжиг происходит между парой неплавких параллельных электродов, после чего он подносится к свариваемой заготовке.

По атмосфере

По принципу атмосферы сварочные дуги бывают трех типов.

1. Открытая сфера. В данном случае горение дуги возможно в открытом пространстве, при этом образуется газовая сфера с содержанием металлического пара, а также электродного и поверхностного.
2. Закрытая. Дуга закрытого типа наблюдается при горении под флюсом. В фазе газа около дуги находится пар от материала, электрода и слоя флюса.
3. С подачей смеси газа. В этом электрозаряде может располагаться газ в сжатом виде, а также его примеси. Использование водорода, углекислого газа и аргона необходимо для предотвращения окисления обрабатываемой поверхности. Благодаря подаче вышеперечисленных веществ наблюдается восстановление среды или ее нейтральное отношение по отношению к факторам последней.

По длительности действия

Согласно длительности работы электрическую сварочную дугу можно поделить на такие типы:

• постоянная, которая считается актуальной для длительной работы;
• импульсная, что представлена однократным мощным импульсом, обычно такая дуга используется для контактного вида сварки.

Условия горения

При стандартных условиях, то есть температуре в 25 градусов и давлении в 1 атмосферу газы не способны проводить электрический ток. Для того, чтобы образовалась дуга необходимо, чтобы газы между электродами были ионизированы, то есть имели в своем составе различные заряженные частицы – электроны или ионы (катионы или анионы). Процесс образования ионизированного газа будет называться ионизацией, а работа, которую необходимо затратить на отрыв электрона у атомной частицы для образования электрона и иона – работой ионизации, которая измеряется в электрон-вольтах и называется потенциалом ионизации. Какую именно энергию необходимо затратить для отрыва электрона от атома зависит от природы газовой фазы, значения могут быть от 3,5 до 25 эВ. Самый маленький потенциал ионизации имеют металлы щелочной и щелочно-земельной группы – калий, кальций и, соответственно, их химический соединения. Такими соединениями покрывают электроды, для того, чтобы они способствовали устойчивому существованию и горению сварочной дуги.

Также для возникновения и горения дуги необходима постоянная температура на катод, которая зависит от природы катода, его диаметра, размера и температуры окружающей среды. Температура электрической дуги поэтому должна быть постоянной и не колебаться, благодаря огромным значениям силы тока температура может достигать 7 тысяч градусов, таким образом, сваркой можно присоединять абсолютно все материалы. Постоянная температура обеспечивается с помощью исправного источника питания, поэтому его выбор при конструировании сварочного аппарата очень важен, он оказывает влияние на свойства дуги.

Условия гашения дуги постоянного тока

Для
того чтобы погасить электрическую дугу
постоянного тока, необходимо создать
такие условия, при которых процессы
деионизации дугового промежутка
превосходили бы процессы его ионизации.
Если параметры цепи постоянны, то
уменьшение ионизации дугового промежутка
ведет к увеличению сопротивления дуги
и уменьшению тока. В результате этого
дуга начинает гореть неустойчиво.

В
момент погасания дуги напряжение на
дуговом промежутке соответствует
напряжению гашения. Это напряжение
зависит от интенсивности деионизации
дугового промежутка. С усилением
деионизации растет сопротивление дуги,
быстро уменьшается ток и к концу гашения
дуги напряжение на контактах резко
возрастает. Поэтому при отключении
цепей постоянного тока возникают
значительные перенапряжения. Величина
их зависит от индуктивности цепи и
быстроты гашения дуги. Перенапряжение
растет с увеличением скорости изменения
тока и зависит от индуктивности цепи
L.

При
отключении цепей постоянного тока
напряжение на дуговом промежутке в
момент погасания дуги может в несколько
раз превысить напряжение источника
тока. Эти перенапряжения опасны не
только для цепи тока, но и гасящих сред,
имеющих высокое напряжение гашения.
Поэтому при отключении цепей постоянного
тока не применяются также среды,
напряжение гашения которых велико,
например масло. Масляные выключатели
не применяются для размыкания цепей
постоянного тока.

Для
уменьшения перенапряжения применяют
различные способы шунтирования
индуктивностей цепи активными
сопротивлениями, емкостями и вентилями.
Это уменьшает перенапряжение и облегчает
процесс гашения дуги.

В
процессе гашения дуги в дуговом промежутке
выделяется определенное количество
энергии. Величина энергии в основном
определяется током цепи, напряжениями
цепи и дуги, сопротивлением дуги, временем
ее горения и постоянными дугогасительных
устройств. В дуге постоянного тока при
ее гашении выделяются энергия магнитного
поля, запасенная цепью в начальный
момент отключения, и энергия, поступающая
от генератора за время горения дуги, за
вычетом потерь в цепи. Отсюда следует,
что чем больше индуктивность цепи, тем
больше в ней запас энергии магнитного
поля и тем труднее погасить дугу
постоянного тока. В устойчиво горящей
дуге вся выделяющаяся в ней энергия
поступает от генератора. Энергия,
выделяемая в дуге, расходуется на
нагревание дугового промежутка и
частично рассеивается в окружающей
среде.

Гашение
дуги происходит в том случае, если
температура дугового промежутка будет
падать. Это условие выполняется при
отрицательном энергетическом балансе
дуги, т. е. когда количество тепла,
отводимое от дуги, больше количества
энергии, подводимой к дуге в процессе
ее гашения.

Природа и строение

Строение и параметры сварочной дуги.

По своим особенностям, характеристика сварочной дуги и её природа достаточно легкие в понимании. Максимальная температура в электрическом рассматриваемом элементе для сварки может быть до 10 тысяч градусов.

Это получается за счет прохождения электрического тока через катоды, куда он попадает в ионизированный газ, а затем, после разряда с яркой вспышкой, дает возможность разогреться до необходимой температуры.

После ток попадает на металл, который подвергается сварке и дальнейшей обработке.

Поскольку температура достаточно большая, то данный элемент для сварки излучает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, которые является опасными для организма человека. От этого может нарушиться зрение, либо возникнуть сильный ожог на кожном покрове.

Чтобы защитить себя от негативных последствий необходимо изучить ее свойства, характеристики, а также обеспечить себя или мастера надежной защитой.

Ещё одним немаловажным аспектом является строение сварочной дуги. Вопрос о том, из скольких частей состоит сварочный элемент, достаточно интересный и познавательный. В первую очередь стоит отметить, что она обладает тремя главными зонами: анодной, катодной и столбом.

Когда горит механизм на катоде или аноде, появляются небольшого размера пятна – места, где температура имеет максимальное значение. Сквозь эти области и протекает электрический ток, а анодное и катодное места на поверхности подразумевают под собой пониженное действие напряжения.

Столб зачастую находится посреди этих локаций, и напряжение может незначительно спадать в нем. За счет этого сварочный элемент имеет длину, которая включает в себя все перечисленные области.

Температурные зоны

Следует заметить, что при любом виде сварки, как плавящимся, так и неплавящимся электродом, столб дуги (его центр) имеет самую высокую температуру – порядка 5000-7000 °C, а иногда и выше.

Зоны наиболее низкой температуры располагаются в одной из активных областей, катодной или анодной. В этих зонах может выделяться 60-70% тепла дуги.

Кроме интенсивного повышения температуры заготовки и сварочного электрода, разряд излучает инфракрасные и ультрафиолетовые волны, способные оказывать вредное влияние на организм сварщика. Это обусловливает необходимость применения защитных мер.

Что касается сварки переменным током, понятие полярности там не существует, так как положение анода и катода изменяется с промышленной частотой 50 колебаний в секунду.

Дуга в этом процессе обладает меньшей устойчивостью по сравнению с постоянным током, ее температура скачет. К преимуществам сварочных процессов на переменном токе, можно отнести только более простое и дешевое оборудование, да еще практически полное отсутствие такого явления, как магнитное дутье, о котором сказано выше.