Практическая работа № 2
Тема: Сварочная дуга
Цель работы: Научиться зажигать и поддерживать сварочную дугу, изучить ее свойства
Оборудование: сварочный аппарат инверторного типа, электроды МР – 3, металлические образцы (стальные пластины), тетрадь, ручка
Краткие теоретические сведения
Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд, протекающий в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется двумя основными особенностями: выделением значительного количества тепла и сильным световым эффектом. Температура обычной сварочной дуги около 6000°С.
Свет дуги ослепительно яркий и используется в различных осветительных устройствах. Дуга излучает большое количество видимых и невидимых тепловых (инфракрасных) и химических (ультрафиолетовых) лучей. Невидимые лучи вызывают воспаление глаз и обжигают кожу человека, поэтому для защиты от них сварщики применяют специальные щитки и спецодежду.
В зависимости от среды, в которой происходит дуговой разряд, различают следующие сварочные дуги:
1. Открытая дуга. Горит в воздухе. Состав газовой среды зоны дуги— воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электродов и электродных покрытий.
2. Закрытая дуга. Горит под слоем флюса. Состав газовой среды зоны дуги — пары основного металла, материала электрода и защитного флюса.
3. Дуга с подачей защитных газов. В дугу подаются под давлением различные газы — гелий, аргон, углекислый газ, водород, светильный газ и различные смеси газов. Состав газовой среды в зоне дуги — атмосфера защитного газа, пары материала электрода и основного металла.
Питание дуги может осуществляться от источников постоянного или переменного тока. В случае питания постоянным током различают дугу прямой полярности (минус источника питания на электроде, плюс — на основном металле) и обратной полярности (минус на основном металле, плюс на электроде). В зависимости от материала электродов дуги различают с плавким (металлическим) и неплавким (угольным, вольфрамовым, керамическим и др.) электродами.
При сварке дуга может быть прямого действия (основной металл участвует в электрической цепи дуги) и косвенного действия (основной металл не участвует в электрической цепи дуги). Дуга косвенного действия применяется сравнительно мало.
Плотность тока в сварочной дуге может быть различна. Применяются дуги с нормальной плотностью тока — 10—20 а/мм2 (обычная ручная сварка, сварка в некоторых защитных газах) и с большой плотностью тока — 80—120 а/мм2 и больше (автоматическая, полуавтоматическая сварка под флюсом, в среде защитных газов).
Возникновение дугового разряда возможно только в случае, когда газовый столб между электродом и основным металлом будет ионизирован, т. е. будет содержать ионы и электроны. Это достигается тем, что газовой молекуле или атому сообщается соответствующая энергия, называемая энергией ионизации, в результате чего из атомов и молекул выделяются электроны. Среду дугового разряда можно представить газовым проводником электрического тока, имеющим круглоцилиндрическую форму. Состоит дуга из трех областей — катодная область, столб дуги, анодная область. Во время горения дуги на электроде и основном металле наблюдаются активные пятна, которые представляют собой нагретые участки на поверхности электрода и основного металла; через эти пятна проходит весь ток дуги. На катоде пятно именуется катодным, на аноде — анодным. Сечение средней части столба дуги несколько больше размеров катодного и анодного пятен. Его размер соответственно зависит от размеров активных пятен.
Напряжение дуги изменяется в зависимости от плотности тока. Эта зависимость, изображенная графически, называется статической характеристикой дуги. При малых значениях плотности тока статическая характеристика имеет падающий характер, т. е. напряжение дуги уменьшается по мере увеличения тока. Это обусловлено тем, что с увеличением тока площадь сечения столба дуги и электропроводность увеличиваются, а плотность тока и градиент потенциала в столбе дуги уменьшаются. Величина катодного и анодного падений напряжений дуги не изменяется от величины тока и зависит только от материала электрода, основного металла, газовой среды и давления газа в зоне дуги. При плотностях тока сварочной дуги обычных режимов, применяемых при ручной сварке, напряжение дуги не зависит от величины тока, так как площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току, а электропроводность изменяется весьма мало, и плотность тока в столбе дуги практически остается постоянной. При этом величина катодного и анодного падений напряжений остается неизменной. В дуге большой плотности тока при увеличении силы тока катодное пятно и сечение столба дуги не могут увеличиваться, хотя плотность тока возрастает пропорционально силе тока. При этом температура и электропроводность столба дуги несколько повышаются.
Напряжение электрического поля и градиент потенциала столба дуги будут возрастать с увеличением силы тока. Катодное падение напряжения увеличивается, вследствие чего статическая характеристика будет носить возрастающий характер, т. е. напряжение дуги с увеличением тока дуги будет возрастать. Возрастающая статическая характеристика является особенностью дуги высокой плотности тока в различных газовых средах. Статические характеристики относятся к установившемуся стационарному состоянию дуги при неизменной ее длине. Устойчивый процесс горения дуги при сварке может происходить при соблюдении определенных условий. На устойчивость процесса горения дуги влияет ряд факторов; напряжение холостого хода источника питания дуги, род тока, величина тока, полярность, наличие индуктивности в цепи дуги, наличие емкости, частота тока и др. Способствуют улучшению устойчивости дуги увеличение тока, напряжения холостого хода источника питания дуги, включение индуктивности в цепь дуги, увеличение частоты тока (при питании переменным током) и ряд других условий. Устойчивость может быть также существенно улучшена за счет применения специальных электродных обмазок, флюсов, защитных газов и ряда других технологических факторов.
Сварочная дуга образуется между электродом и изделием или между двумя электродами, имеющими разность потенциалов. При соприкосновении электрода с изделием разогреваются и сгорают мелкие выступы между ними, образуя пары металла и ионизированный газ, в котором при напряжении 20—30 В образуется электрический разряд. Длительность разряда и образование дуги достигаются отрывом электрода от изделия на расстояние 2—5 мм. При высокой разности потенциалов между электродом и изделием (несколько тысяч вольт) при их сближении происходит зажигание дуги. Под действием разности потенциалов, высокой температуры и светового излучения электроны* двигаются с большой скоростью, отрываясь первоначально с поверхности отрицательного электрода (эмиссия электронов). Ударяясь об атомы и молекулы газа испаряющегося материала, электроны добавляют или отнимают у них отрицательные заряды, превращая в положительные и отрицательные ионы, которые в свою очередь двигаются в дуговом пространстве, усиливая его ионизацию. Таким образом воздух, который в обычном состоянии не является проводником электричества, ионизируясь в дуговом пространстве, становится проводником электрического тока, вследствие чего достигается длительное горение дуги. Движение электронов и ионов в дуговом пространстве происходит при наличии двух полюсов: отрицательного — катода и положительного — анода, которые в известной степени упорядочивают движение этих частиц, так как электроны, имеющие отрицательный заряд, а также отрицательные ионы, двигаются к положительному полюсу, а положительные ионы — к отрицательному. На рис. показана схема строения дуги постоянного тока. Электрод является катодом, а изделие — анодом, и в данном случае играет роль второго электрода.
В дуговом пространстве различают приэлектродные области, характеризующиеся значительным падением напряжения, вызванным затратой электрическо-потенциала на образование пространственных зарядов, электронов и ионов. Это отрицательная катодная и положительная анодная области, между которыми расположен столб дуги, представляющий собой высокотемпературную плазму ионизированного газа. На поверхности катода и анода находятся яркие катодные и анодные пятна, через которые проходит сварочный ток.
Падение напряжения дуги переменного тока такое же, как дуги постоянного тока, и составляет 16—30 В. Устойчивость горения и зажигания дуги переменного тока хуже, чем дуги постоянного тока, так как в начале и конце каждого полупериода прохождения тока дуга угасает, падает температура активных пятен, и для зажигания дуги вновь требуется повышенное напряжение. Для улучшения условий горения дуги переменного тока применяют покрытия, способствующие повышенной ионизации. Различают открытые и закрытые дуги.
Ход работы
1. Составить опорный конспект, ответить на контрольные вопросы
2. Под руководством мастера произвести зажигание электрода и поддержание сварочной дуги
Контрольные вопросы:
1.Что представляет собой сварочная дуга?
2. Что такое открытая дуга?
3. Что такое закрытая дуга?
4. Подключение сварки прямой и обратной полярности?
5. Что такое дуга прямого, косвенного и комбинированного действия?