Сварочный ток и сварочная дуга

Сварочная дуга

При выполнении сварочных работ сварщикам приходится сталкиваться с таким понятием, как сварочный ток. У сварщика он выполняет роль меры энергии, которую можно подвести к сварочной ванне. Выбор тока при сварке напрямую связан с ее качеством. При малом токе электрод прихватывает, при большом токе – происходит несколько других нежелательных эффектов.

Свойства сварочной дуги

Из физики, которую квалифицированный сварщик обязан знать в достаточной для работы степени, известно об электрической дуге следующее. Дуга является сильно ионизированной плазмой, в которой атомы металла теряют множество электронов и ионов. Это приводит к большой проводимости дуги и ее малому электрическому сопротивлению.

Из-за малого сопротивления дуги, напряжение, падающее на ней, оказывается небольшим. Зависит ли напряжение дуги от сварочного тока? Существует такая зависимость, называемая вольт-амперной характеристикой дуги. Ее график показан ниже.

Вольт-амперная характеристика дуги

На этом графике видно, что напряжение дуги падает до определенного напряжения и остается на этом уровне (15-40 В, в зависимости от конкретных условий) в широкой области токов, как раз приходящихся на то, с чем сварщики обычно имеют дело на практике. Это напряжение зависит от удвоенной работы выхода металлов, используемых в процессе сварки, и сечения электродов. Для железа работа выхода приблизительно равна 5 В. Поэтому можно говорить, что на практике ток приблизительно пропорционален мощности дуги, закон Ома для нее не выполняется. От длины дуги напряжение почти не зависит, но увеличение длины дуги снижает ее устойчивость.

Есть также понятие плотности тока. Это ток, проходящий через квадратный миллиметр сечения проводника, в данном случае, сварочного электрода. Плотность тока может оказаться полезной для расчетов.

Свойства сварочной дуги зависят от рода тока. Переменный ток меняет свою полярность 100 раз в секунду. Полярность тока определяет направление, в котором он течет. Постоянный ток имеет одну и ту же полярность все время.

Переменный и постоянный токи

Если сварка проводится постоянным током, то есть два варианта использования электрода: он может быть катодом (плюсом) или анодом (минусом).

Анод в дуге является мишенью для бомбардирующих его электронов и ионов металла. То есть, явление термоэлектронной эмиссии делает электроды неравноправными. Степень нагрева анода выше, так как помимо джоулевого тепла, одинаково действующего на оба конца дуги, анод получает дополнительную энергию от столкновения с указанными частицами, которые разгоняются электрическим полем. Нельзя сказать, что эта разница является решающей, но на практике ее используют, и достаточно эффективно.

Если металл деталей нужно сильнее нагревать, то при сварке постоянным током его подключают к минусу источника, а электрод к плюсу. Если нагрев деталей по каким-то причинам желательно уменьшить, то детали подключают к плюсу, а электрод к минусу. Очевидно, что в переменном токе, где катод и анод слишком часто меняются местами, разница между ними практически исчезает. При сварке постоянным током меньше разбрызгивается металл, образуется меньше раковин.

Дуга создает собственное магнитное поле (как и любой другой ток), и это поле стремится отклонить дугу от прямой, соединяющей точки контакта двух электродов. При малом расстоянии между электродами это отклонение оказывается небольшим и сварке не мешает.

При большом расстоянии между электродами дуга становится неустойчивой и гаснет. Динамически это очень сложная система, но простыми словами можно сказать так: дуга состоит из частых электрических пробоев в постоянно остывающей плазме, и эти пробои подпитывают ее свежей энергией. Плазма остывает за счет переноса тепла не только в металлы, но и в окружающие ее газы (обычно это воздух), путем теплопередачи и излучения.

Длина сварочной дуги

Таким образом, чем длиннее промежуток дуги, тем меньше вероятность очередного пробоя, а каждый потерянный пробой еще больше охлаждает плазму. Тем больше вероятность срыва дуги. В некоторой степени на устойчивость горения дуги влияет покрытие электродов, которое обогащает плазму ионами атомов, требующих меньшей энергии для своего возбуждения, чем металл самого электрода и деталей. Это щелочные металлы: натрий или калий, которые содержатся в покрытии, изготовляемом из некоторых молотых минералов (рутил, плавиковый шпат) со связующими.

Для поддержания стабильности дуги применялось даже такое очевидное усложнение как сварка двумя электродами при помощи трехфазного тока. К третьей фазе подключалась свариваемая деталь. Когда ток одной из фаз проходил через ноль, выручала другая фаза, на которой в этот момент был достаточный ток.

Выбор тока при заданных условиях сварки

Главным параметром дуговой электросварки является сила тока, как уже было показано. Сварочный ток получают от источника достаточной мощности, подключенного к электросети или генератору, который работает от ДВС. Обычно источником служит трансформатор. В некоторых случаях для сварки постоянным током его снабжают дополнительно выпрямителем. В современных источниках используют преобразователь напряжения, работающий на повышенной частоте, который называют сварочным инвертором. Благодаря повышенной частоте его трансформатор можно сделать очень небольшим и легким, а К.П.Д. аппарата получается очень высоким, по сравнению с трансформатором на частоте промышленного тока.

Источники напряжения для сварки имеют выходное напряжение около 80 Вольт и падающую нагрузочную характеристику. При этом, ток в цепи с дугой должен иметь возможность регулировки, плавной или хотя бы ступенчатой. Способы регулирования тока могут быть разными. В классическом сварочном трансформаторе ток регулировался при помощи изменения зазора в магнитной цепи сердечника. Это влияло на индуктивность вторичной обмотки и ток сварки регулировался. Позже стали использовать тиристорные регуляторы, но их довольно скоро потеснили инверторы на мощных полевых MOSFET и комбинированных IGBT транзисторах.

IGBT транзисторы

На практике сварщиками, которым приходилось работать с простым трансформатором без регулировки также применялся мощный реостат из толстой проволоки с высоким удельным сопротивлением (нихром), как регулятор тока сварочного аппарата. Из-за отсутствия приборов подходящий ток подбирался на опыте. Сегодня такой способ не нужен, – даже бытовые инверторы уже могут автоматически подбирать и поддерживать оптимальный ток.

Электронный регулятор тока работает в ключевом режиме, и на нем падает очень маленькое, по сравнению с реостатным балластом напряжение. Следовательно, он мало греется, весьма экономит энергию, и может быть сделан значительно меньше реостата. Для управления ключами применяют фазу импульса сетевой частоты (тиристоры), или ширину импульса на повышенной частоте, порядка сотни килогерц (сварочные инверторы).

Как рассчитать сварочный ток

Лучше всего исходить из плотности тока. Это очень удобно. Для обычной стали (вообще, черных металлов) при ручной сварке электродами она лежит в пределах 10-20 Ампер на квадратный миллиметр. Для тонких электродов следует выбирать большую плотность, а для толстых – меньшую, из указанного промежутка. В свою очередь, площадь сечения электродов зависит от их диаметра, из школьной геометрии хорошо известна связывающая их формула:

Формула расчета плотности тока

Как правило, толщина свариваемого металла приблизительно сопоставима с электродом. Если это правило не соблюдается, то либо будет прихватывать слишком тонкий электрод, либо будет прогорать слишком тонкая деталь. Например, если свариваются встык два листа стали, толщиной в 1.5 мм, то нужно брать электрод ближайшего диаметра, по диаметру сварочной проволоки, естественно. С учетом того, что листы хорошо отводят тепло, можно взять электрод немного толще, но не более 1.8 мм. У такого электрода сечение будет:

Формула расчета сечения электрода

Плотность тока можно взять примерно 18 Ампер на квадрат и тогда получим 18*2.54 = 46 А.

Еще пример: два стальных уголка 60х60 мм, толщина полки 8 мм. Здесь нужно брать электрод 6 мм, его сечение по формуле получается 28.26 кв.мм, плотность тока берем самую маленькую, так как тут мы подошли к максимально толстому электроду для ручной сварки. Тогда получаем ток 283 А.

Все эти расчеты можно прикинуть на бумажке или воспользоваться калькулятором. Опытный сварной уже ничего не рассчитывает, а сразу берет электрод, подходящий по условиям сварки.

Часто используют и такие приближенные формулы:

Выбор диаметра электрода

Первая из формул годится для электродов от трех миллиметров, вторая – для тех, которые тоньше 3 мм. По этим формулам мы получаем ток 54 А для первого примера, и 336 А для второго примера. Эти результаты скорее подойдут для более-менее опытного сварщика, который работает с большей скоростью шва.

Зависимость тока от положения шва

Варить приходится в разных положениях, и тут в сварочный процесс вступает действие сил тяжести. Уравновесить их, при не горизонтальном положении шва можно, используя силы поверхностного натяжения расплавленного металла в сварочной ванне. К сожалению, эти силы оказываются не слишком велики. Поэтому при вертикальном и, тем более, потолочном расположении шва, используют разные приемы. Так, например, вертикальный шов преимущественно начинают варить снизу вверх, а потолочные швы варят короткими промежутками, чтобы успевала происходить кристаллизация металла на соседних участках с дугой.

Силу тока при наклонных швах уменьшают, соответственно используя более тонкие электроды. Хоть это и не очень хорошо сказывается на производительности, но повышает качество и безопасность работ.

При ручной сварке расходуется электрод, который одновременно служит присадочной проволокой и заполняет шов. С увеличением тока глубина провара увеличивается, а ширину регулируют перемещением электрода в стороны от продольного направления шва. Чтобы валик шва был не слишком большим, а металл сварен на всю глубину стыка, предварительно делается фаска на кромке стыкуемых листов. Тогда проволока электрода заполняет шов, умеренно выступая над его поверхностью или почти вровень с нею.

Практика

Заключение

При сварочных работах основной характеристикой является сила тока. Ее выбирают в зависимости от сечения свариваемых металлов и электродов. При увеличении скорости сварки ток необходимо увеличить на 15-20%, чтобы не получить холодного шва, который имеет низкую прочность. Напряжение в сварочной дуге невелико и достаточно безопасно для ручной работы. Для изменения тока любая сварочная установка должна иметь регулятор того или иного типа. Если это условие не выполняется, то такая установка окажется почти бесполезной, – варить можно будет только электродами одного диаметра.

Ссылка на основную публикацию