Сварочная дуга

Источниками энергии при сварке плавлением элементов строительных металлоконструкций могут служить газовое пламя или электрическая дуга.

Температура газового пламени в зависимости от характера горючего газа и среды, в которой он сгорает, может составлять от 700 до 3500 °С (в ядре пламени) (рис. 2).

Рис. 2. Распределение температуры газового пламени а — ацетилено-кислородное пламя; б — пропан-бутан-кислородное пламя

При изготовлении стальных строительных конструкций для сварки и термической резки (в качестве подогревающего пламени) можно использовать тепло, выделяющееся при сгорании смеси пропан-бутана или ацетилена с кислородом. Максимальная температура такого пламени достигает 3000—3500 °С, но низкая сосредоточенность выделяемого тепла, отрицательно влияющая на производительность процесса, и высокая площадь нагрева металла в зоне сварки, влияющая на величину внутренних напряжений в конструкциях и на величину их деформаций, а также необходимость обеспечения поста горючими газами и кислородом, горелками и шлангами, редукторами и предохранителями, невозможность автоматизации или механизации процесса привели к тому, что газовая сварка при изготовлении строительных конструкций не применяется и основным способом сварки металлоконструкций признана дуговая сварка плавящимся электродом.

Источником тепла при дуговой сварке является сварочная дуга, устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров металлов, использованных при сварке и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.

Температура сварочной дуги составляет 4500—6000 °С, а наименьшая площадь нагрева свариваемой поверхности в несколько десятков раз меньше площади, нагреваемой газовой горелкой эквивалентной мощности.

Дуга может быть прямого действия (рис. 3, а, б), когда горит между электродом и изделием, может быть косвенного (рис. 3, в) и комбинированного действия (рис. 3, г).

Рис. 3. Сварочная дуга а — прямого действия прямой полярности; б —прямого действия обратной полярности; в — косвенного действия; г — комбинированного действия

В промышленном строительстве в качестве источника тепла для сварки применяется дуга прямого действия.

Дуга может быть переменного и постоянного тока. При постоянном токе она может быть прямой или обратной полярности. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу источника и является катодом, изделие, подключенное к положительному полюсу источника, является анодом.

Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность ее использования для сварки.

К физическим свойствам относятся электрические, электромагнитные, кинетические, температурные и световые; к технологическим свойствам — мощность и устойчивость дуги.

В дуговом промежутке выделяются катодная и анодная области, в которых отмечается значительное падение напряжения, и расположенный между ними столб дуги. На поверхности анода и катода образуются высокотемпературные пятна, через которые проходит весь сварочный ток, в связи с чем они максимально разогреваются.

При сварке на постоянном токе на аноде выделяется около 43—45 % тепла сварочной дуги; на катоде 36— 38 %, остальное тепло исходит из столба дуги.

Так как из анодной зоны происходит повышенное выделение тепла, то можно выбирать наиболее рациональную полярность для сварки определенных конструкций или материалов. Например, при сварке тонколистовой стали, легкоплавких сплавов и легированных сталей, когда желательно уменьшить количество выделяемого тепла в металл конструкции, применяют сварку дугой обратной полярности. Когда же необходимо получить повышенный провар с уменьшенным усилением шва, применяют дугу прямой полярности. В этом случае скорость расплавления металла электрода несколько уменьшается, а доля основного металла в металле шва увеличивается.