Температура зварювальної дуги: опис, довжина дуги та умови її появи

Сама по собі зварювальна дуга - це електричний розряд, який існує досить довго. Знаходиться він між електродів під напругою, розташованих в суміші газів і парів. Основні характеристики зварювальної дуги - температура досить висока, а також велика щільність струму.

Загальний опис

Виникає дуга між електродом і металевою заготівлею, з якою ведеться робота. Освіта даного розряду виникає з-за того, що відбувається електричний пробій повітряного проміжку. Коли виникає такий ефект, відбувається іонізація молекул газу, підвищується не тільки температура, але і електропровідність, сам газ переходить в стан плазми. Зварювальний процес, а точніше горіння дуги, супроводжується такими ефектами, як виділення великої кількості тепла і світлової енергії. Саме із-за різкої зміни цих двох параметрів у бік їх великого збільшення відбувається процес плавлення металу, так як в локальному місці температура збільшується в кілька разів. Сукупність всіх цих дій і називається зварюванням.

Властивості дуги

Для того щоб з'явилася дуга, необхідно короткочасно доторкнутися електродом до заготівлі, з якою потрібно працювати. Таким чином відбувається коротке замикання, внаслідок якого з'являється зварювальна дуга, температура її досить швидко зростає. Після торкання необхідно розірвати контакт і встановити повітряний зазор. Так можна підібрати необхідну довжину дуги для подальшої роботи. Якщо розряд вийде занадто коротким, то, можливо, що електрод прилипне до оброблюваного матеріалу. У цьому випадку плавка металу буде проходити дуже швидко, а це викличе утворення напливів, що вкрай небажано. Що стосується характеристик занадто довгої дуги, то вона нестійка в плані горіння. Температура зварювальної дуги в зоні зварювання в такому випадку також не буде досягати необхідного значення. Досить часто можна побачити криву дугу, а також сильну нестійкість, коли робота проводиться зварювальним агрегатом промислового призначення, особливо якщо ведеться робота з деталями, що мають великі габарити. Це часто називають магнітним дуттям.

Магнітне дуття

Суть такого методу полягає в тому, що зварювальний струм дуги здатний створити невелике магнітне поле, яке цілком може вступити у взаємодію з магнітним полем, яке створюється струмом, що протікає крізь оброблюваний елемент. Іншими словами, відхилення дуги відбувається за рахунок того, що з'являються деякі магнітні сили. Цей процес називається дуттям тому, що відхилення дуги з боку виглядає так, ніби воно відбувається із-за сильного вітру. Реальних способів позбутися цього явища немає. Для того щоб мінімізувати вплив цього ефекту, можна користуватися укороченою дугою, а сам електрод повинен бути розташований під певним кутом.

Структура дуги

В даний час зварювання - це процес, який досить детально розібраний. Завдяки цьому відомо, що існує три області горіння дуги. Ті ділянки, які прилягають до анода і катода, відповідно анодний і катодний ділянку. Природно, що температура зварювальної дуги при ручному дуговому зварюванні також буде відрізнятися в цих зонах. Існує третій ділянку, яка знаходиться між анодним і катодним. Це місце прийнято називати стовпом дуги. Температура, необхідна для плавлення сталі, приблизно 1300-1500 градусів за Цельсієм. Температура стовпа зварювальної дуги може досягати 7000 градусів за Цельсієм. Хоча тут справедливо буде відзначити, що вона не повністю передається на метал, однак і того значення вистачає, щоб успішно плавити матеріал.
Є декілька умов, які необхідно створити, щоб забезпечити стабільну дугу. Необхідний стабільний струм з силою близько 10 А. При такому значенні можна підтримувати стабільну дугу з напругою від 15 до 40 Ст. Варто відзначити, що значення струму до 10 А мінімальна, максимальна може досягати 1000 А. Розподіл напруги по ділянках нерівномірно і найбільше воно в анодному і катодному. Падіння напруга також відбувається в дуговому розряді. Після проведення певних експериментів було встановлено, що, якщо проводити зварювання плавким електродом, то найбільше падіння буде в катодній зоні. У такому випадку розподіл температури у зварювальній дузі також змінюється, і найбільший градієнт припадає на цю ж ділянку. Знаючи ці особливості, стає зрозуміло, чому важливо правильно вибирати полярність при зварюванні. Якщо з'єднати електрод з катодом, то можна досягти найбільшого значення температури зварювальної дуги.

Температурна зона

Незважаючи на те, яким саме електродом проводиться зварювання плавким або ж неплавким, максимальний показник температури буде саме біля стовпа зварювальної дуги, від 5000 до 7000 градусів за Цельсієм.
Область з найменш низькою температурою зварювальної дуги зміщується в одну з його зон, анодний або ж катодну. На цих ділянках спостерігається від 60 до 70 % від максимального значення температури.

Зварювання змінним струмом

Все описане вище стосувалося процедури проведення зварювання з постійним струмом. Однак для цих цілей можна використовувати і змінний струм. Що стосується негативних сторін, то тут помітно погіршення стійкості, а також часті перепади температури горіння зварювальної дуги. З переваг виділяється те, що можна використовувати більш просте, а значить більш дешеве обладнання. Крім того, при наявності змінної складової практично пропадає такий ефект, як магнітне дуття. Остання відмінність - це відсутність необхідності у виборі полярності, так як при змінному струмі зміна відбувається автоматично з частотою близько 50 разів за секунду. Можна додати, що при використанні ручного обладнання, крім високої температури зварювальної дуги при ручному дуговому методі, буде відбуватися випромінювання інфрачервоних і ультрафіолетових хвиль. В даному випадку їх випускає розряд. Це вимагає максимальних засобів захисту для працівника.

Середа горіння дуги

На сьогоднішній день існує кілька різних технологій, які можна використовувати під час зварювання. Всі вони відрізняються своїми властивостями, параметрами і температурою зварювальної дуги. Які існують методи?

Відкритий спосіб. В даному випадку горіння розряду здійснюється в атмосфері.

Закритий спосіб. Під час горіння утворюється досить висока температура, викликаючи сильне виділення газів, з-за згорання флюсу. Цей флюс міститься в обмазці, яка використовується для обробки зварювальних деталей.

Спосіб із застосуванням захисних летких речовин. В даному випадку до зони зварювання подається газ, який представлений зазвичай у вигляді аргону, гелію або ж вуглекислого газу.

Наявність такого способу виправдано тим, що він допомагає уникнути активного окислення матеріалу, яке може виникати під час зварювання, коли на метал впливає кисень. Варто додати, що в деякій мірі розподіл температури у зварювальній дузі йде таким чином, що в центральній частині створюється максимальне значення, що створює невеликий власний мікроклімат. У даному випадку утворюється невелика область з підвищеним значенням тиску. Така область здатна в деякому роді перешкоджати надходженню повітря. Використання флюсу дозволяє позбавлятися від кисню в області дії зварювання ще ефективніше. Якщо використовувати при захисті гази, то цей дефект можна усунути практично повністю.

Класифікація за тривалістю

Існує класифікація зварювальних дугових розрядів їх тривалості. Деякі процеси здійснюються, коли дуга знаходиться в такому режимі, як імпульсний. Такі пристрої проводять зварювання короткими спалахами. На короткий проміжок часу, поки відбувається спалах, температура зварювальної дуги встигає зрости до такого значення, якого вистачить, щоб провести локальну плавку металу. Зварювання відбувається дуже вибірково і тільки в тому місці, де відбувається торкання пристрою заготовки.
Однак переважна більшість зварювальних приладів використовують зварювальну дугу тривалої дії. Протягом такого процесу здійснюється безперервне переміщення електрода уздовж тих країв, які потрібно з'єднати. Є області, які називаються зварювальними ваннами. В таких ділянках температура дуги значно підвищена, і він слід за електродом. Після того як електрод проходить ділянка, зварювальна ванна йде слідом за ним, із-за чого ділянка починає досить швидко прохолоджуватися. При охолодженні відбувається процес, який називають кристалізацією. Внаслідок цього і виникає зварювальний шов.

Температура стовпа

Трохи більш детально варто розібрати стовп дуги і його температуру. Справа в тому, що цей параметр значно залежить від декількох параметрів. По-перше, сильно впливає матеріал, з якого створено електрод. Склад газу в дузі також відіграє важливу роль. По-друге, істотний вплив має і величина струму, так як при її збільшенні, наприклад, буде рости і температура дуги, і навпаки. По-третє, тип електродного покриття, а також полярність досить важливі.

Еластичність дуги

Під час зварювання необхідно дуже пильно стежити за довжиною дуги ще й тому, що від неї залежить такий параметр, як еластичність. Щоб в результаті отримати якісний і міцний зварний шов, необхідно щоб дуга горіла стабільно і безперебійно. Еластичність зварної дуги і є характеристикою, що описує безперебійність горіння. Достатня еластичність проглядається в тому випадку, якщо вдається зберегти стійкість процесу зварювання при збільшенні довжини самої дуги. Еластичність зварювальної дуги прямо пропорційно залежить від такої характеристики, як сила струму, що використовується для проведення зварювання.