Процесс зажигания электрической дуги можно разделить на три этапа (рис. 4):
• короткое замыкание электрода на заготовку;
• отвод электрода на расстояние 3–6 мм;
• возникновение устойчивого дугового разряда.
Короткое замыкание (рис. 4а) выполняется для разогрева торца электрода 1 и заготовки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис. 4б) с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектрическая эмиссия электронов 3.
Столкновение быстро движущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги (рис. 4в) заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда 6 с возникновением катодной области 5 и анодной области 7.
Рис. 4.
Схема процесса зажигания дуги
Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающий его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь подключают на короткое время источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор).
В зависимости от длины дугового разряда различают:
• короткую дугу, если ее длина 2–4 мм;
• нормальную дугу, если ее длина 4–6 мм;
• длинную дугу, при ее длине более 6 мм.
Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс сварки протекает неравномерно, с неустойчивым горением и разбрызгиванием металла. Металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется.
Специалисты рекомендуют длину дуги определять по звуку, издаваемому ею при горении. Дуга нормальной длины издает менее громкий и равномерный звук. Длинная дуга издает неравномерный и потрескивающий, более громкий звук, что легко определяется опытным путем.
Различают технологические условия горения дуги, такие как зажигание, чувствительность к изменениям длины в определенных пределах, быстрое повторное зажигание после обрыва и необходимое проплавление металла.
Условия зажигания электрической дуги:
• наличие электрического источника питания дуги достаточной мощности, позволяющего быстро нагреть катод до высокой температуры при возбуждении дуги;
• наличие ионизации столба дуги (в электрод вводятся элементы с низким потенциалом ионизации или применяют осцилляторы для возбуждения дуги);
• стабилизация горения столба дуги (например, вводят дроссель в цепь питания). Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.
Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области (рис. 5):
• падающая область I (при токах до 100 А);
• жесткая область II (при токах 100–1000 А);
• возрастающая область III (при токах свыше 1000 А).
Напряжение, необходимое для возбуждения дуги, зависит от рода тока (переменный или постоянный), дугового промежутка, материала электрода и его покрытия, свариваемого металла.
Дуга с падающей характеристикой (I) малоустойчива и имеет ограниченное применение, т. к. требует включения в сварочную цепь осциллятора.
Рис. 5.
Статическая вольт-амперная характеристика дуги
Самое широкое применение нашла дуга с жесткой (II) и возрастающей (III) характеристикой. Каждому участку дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну:
• I и II участок – крупнокапельный,
• III участок – мелкокапельный или струйный.
Для сохранения неизменного напряжения на дуге необходимо длину дуги поддерживать постоянной.
Материалы и оборудование для производства работ электродуговой сваркой:
• источник питания сварочной дуги;
• сварочный и питающий кабели, электрододержатель;
• принадлежности сварщика – спецкостюм, маска с защитным стеклом;
• сварочный стол или приспособления для сборки и фиксации деталей;
• инструменты для измерения и разметки;
• инструменты для зачистки швов и удаления шлаковой корки;
• средства пожаротушения.
Преимущества электродуговой сварки:
• высокая технологичность процесса;
• возможность автоматизации и механизации процессов сварки;
• меньшая по сравнению с газовой сваркой зона термического влияния;
• простота регулирования процесса сварки;
• дешевые расходные материалы (электроды);
• высокая скорость соединения деталей.
Недостатки электродуговой сварки:
• необходимость использования специальных сварочных трансформаторов или инверторов (преобразователей);
• энергозависимость (необходима электрическая сеть или генераторы);
• подготовка деталей для сборки (разделка кромок, фиксация элементов).