Главные принципы электродуговой сварки

Электродуговая сварка — один из самых распространенных в быту, мелкосерийном производстве и промышленности видов сварки. Ее также можно назвать дуговой сваркой плавлением.

Каждому начинающему сварщику полезно знать основы дуговой сварки — принцип ее действия, условия, которые необходимы для возникновения высокотемпературной дуги, виды сварочных аппаратов для бытового применения, и некоторые отдельные параметры и особенности процесса.

Основной физический принцип

В основе электродуговой сварки лежит не один, а сразу два электрических принципа: явление короткого замыкания, с которым знакомы все, имеющие набор школьных знаний по электричеству, и явление пробоя. Вот на нем стоит остановиться внимание.

Имеется в виду пробой диэлектрика, который происходит в результате насыщения его межатомного пространства частицами, несущими электрический заряд. Положительный заряд несут ионы, отрицательный — электроны.

Теоретически пробой возможен для любого диэлектрика (в определенных условиях), но в случае электродуговой сварки используется конкретно пробой воздушного пространства между электродом и массой (деталью).

Технологический процесс подразумевает создание на электроде заряда тока низкого напряжения, но большой силы — порядка 80-200 А, и огромной плотности — до нескольких тысяч А/см².

Когда электродом касаются массы, то есть другого материала с высокой электропроводностью, в случае сварки металла, то возникает короткое замыкание, инициирующее мощное электрическое поле.

В этом поле и происходит пробой. Вследствие насыщения заряженными частицами прослойка воздуха превращается из диэлектрика в проводник тока.

Именно в этот момент и возникает сварочная дуга, давая название электродуговой сварке. Температура в зоне соприкосновения дуги с металлом может достигать 5000 °C.

Области сварочной дуги

Дуга замыкает цепь между электродом и массой. С точки зрения теории сварного дела, в сварочной дуге выделяют несколько областей:

• катодную;
• анодную;
• приэлектродную.

Катод — это «минус», источник тока (напомним, что ток образуют движущиеся электроны — отрицательные частицы). Анод соответственно — «плюс».

Анодная область отдает ионы в результате бомбардировки потоком электронов, поэтому на аноде всегда образуется так называемый кратер — вогнутое пятно, площадь которого зависит от площади электронной бомбардировки.

Электродуговые установки постоянного тока имеют фиксированные анод и катод. В аппаратах переменного тока анод с катодом постоянно меняются местами. Это вызывает нестабильность сварочной дуги, сильное разбрызгивание металла и другие неприятные факторы, а кроме того, не позволяет производить сварку определенных металлов, для которых требуется особая техника.

Виды аппаратов и виды включений

Сварочный аппарат самого простого типа для электродуговой сварки — трансформаторный. По сути своей он представляет трансформатор, понижающий напряжение и увеличивающий ток. Этот аппарат варит переменным током.

Процесс имеет ряд описанных выше недостатков, кроме того, трансформаторный аппарат для преобразования тока промышленной частоты очень громоздкий и тяжелый.

Поэтому там, где требуется мобильность, чаще всего применяются сварочные инверторы. Эти устройства сначала преобразуют переменный ток от бытовой сети в ток высокой частоты, а затем преобразуют его в постоянный — выпрямляют. Эти устройства имеют значительно меньшие габариты и массу.

Электродуговая сварка инвертором позволяет, во-первых, добиться высокой стабильности дуги, что означает лучшее качество шва, а во-вторых, использовать разные режимы подключения — с прямой и обратной полярностью.

Полярность прямая, когда электрод подключается к катоду, а масса к аноду, то есть сварка идет «от плюса к минусу». Такой электродуговой сваркой соединяют большинство металлов.

Но в некоторых отдельных случаях, например, для сварки коррозионностойких (нержавеющих) сталей и некоторых других химически активных металлов может использоваться обратная полярность — электрод к аноду, а масса к катоду.

Работа с обратной полярностью, как правило, идет под флюсом, образующим защитную газовую среду, и с присадочной проволокой.

Электроды и защитные газы

Видов электродуговой сварки, различающихся по применяемым материалам, довольно много, но базовое различие одно: по типу электрода. Классификация здесь следующая. Сварка может быть плавящимся электродом и электродом, не расплавляющимся при работе (неплавящимся). Что это значит?

Электрод — металлический контакт, стержень, имеющий оболочку из специального состава. Прогорая, эта оболочка образует защитную газовую среду, предохраняя расплав от окисления.

Но при этом плавящийся электрод является еще и присадкой, его основной металл входит в состав сварного соединения. Электродуговая сварка неплавящимся электродом требует ввода в сварочную ванну (непосредственно в точку, где происходит реакция) дополнительной присадочной проволоки.

Существует много разновидностей металлических и неметаллических электродов для электродуговой сварки, в том числе угольных и графитовых.

Каждый из них подбирается под конкретный металл и способ сварки. Кроме того, в определенных случаях применяется сварка в защитном газе (в основном для химически активных металлов). В качестве газов могут применять гелий, аргон и углекислоту.

Все эти способы диктуют свои подходы к собственно методике работы. Могут различаться виды сварочных аппаратов, виды горелок. Например, в полуавтомате для электродуговой сварки в защитной среде через сопло горелки подается одновременно и защитный газ, и присадка.

Могут использоваться различные вспомогательные материалы, такие, как флюсы, поэтому описать универсальный способ создания шва достаточно сложно. Но, тем не менее, некоторые базовые принципы присутствуют.

Как научиться

Проще всего осваивать электродуговые сварочные работы, начав с бытового инвертора, подключаемого к сети 220 В. После того как вы научитесь правильно варить в домашних условиях, можно будет переходить к обучению более сложным технологиям, таким, как, например, аргонодуговая сварка.

Кроме инвертора понадобятся:

• плотная одежда с длинными рукавами;
• сварочные перчатки или рукавицы;
• маска;
• молоток;
• зубило;
• металлическая щетка;
• пачка универсальных электродов;
• заготовка в виде куска толстого металла — лучше всего обычной стали.

Надо подключить электрод к катоду (минусу) аппарата с помощью специального держателя. Плюс, соответственно, надо подать на заготовку. Осталось только включить аппарат электродуговой сварки.

Электрическая дуга зажигается постукиванием или чирканьем по массе. После вспышки необходимо отдалить электрод от металла примерно на 5 мм. Возникнет дуга, и металл начнет плавиться.

Существует два способа вести электрод — острым углом от себя и на себя. Первый способ сложнее, но позволяет делать менее глубокий шов (это нужно в работе с тонким металлом). Второй — проще, это стандартный метод работы.

Электрод при электродуговой сварке нужно вести не по прямой, а зигзагообразными движениями, чтобы получался шов, похожий на строчки швейной машинки. Ход электрода должен перекрывать обе стороны соединяемых листов.

Тренироваться сначала нужно просто на кусочке стали, потом — переходить на сварку листового металла.

Требования госстандартов

На электродуговую, как и на многие сварки плавлением, существуют свои ГОСТы, которые обязательны к выполнению на любом производстве. Они описывают классификацию сварки металлов, методы оценки качества, специфику применяемых присадок и флюсов, и многое другое.

В частности, ГОСТ 11533-75 описывает автоматическую и полуавтоматическую дуговую сварку под флюсом, ГОСТ 14771-76 — дуговую сварку в защитных газах. Сварщики, работающие на предприятии, обязаны знать требования госстандартов минимум в своей конкретной области.