Princip svařování elektrickým obloukem je založen na využití teploty elektrického výboje, který vzniká mezi svařovací elektrodou a kovovým obrobkem.
V důsledku elektrického průrazu vzduchové mezery vzniká obloukový výboj. Dojde-li k tomuto jevu, molekuly plynu se ionizují, jeho teplota a elektrická vodivost se zvýší a přechází do stavu plazmy.
Spálení svařovacího oblouku je doprovázeno uvolněním velkého množství světelné a zejména tepelné energie, v důsledku čehož dochází k prudkému nárůstu teploty a lokálnímu tavení obrobku. Toto je svařování.
Základní vlastnosti obloukového výboje
Během provozu se za účelem iniciace obloukového výboje krátce dotkne obrobku elektroda, to znamená, že dojde ke zkratu s následným přerušením kovového kontaktu a vytvořením požadované vzduchové mezery. Tímto způsobem je zvolena optimální délka svařovacího oblouku.
Při velmi krátkém výboji se elektroda může přilepit k obrobku, dochází k příliš intenzivnímu tavení, což může vést ke vzniku prověšení. Dlouhý oblouk se vyznačuje nestabilitou spalování a nedostatečně vysokou teplotou ve svařovací zóně.
Nestabilitu a viditelné prohnutí tvaru svařovacího oblouku lze často pozorovat při provozu průmyslových svařovacích jednotek s dosti masivními díly. Tento jev se nazývá magnetické foukání.
Jeho podstata spočívá v tom, že proud svařovacího oblouku vytváří určité magnetické pole, které interaguje s magnetickým polem vytvářeným proudem procházejícím masivním obrobkem.
To znamená, že vychýlení oblouku je způsobeno magnetickými silami. Tento proces se nazývá foukání, protože oblouk je vychýlen, jako by byl pod vlivem větru.
Neexistují žádné radikální způsoby, jak s tímto fenoménem bojovat. Pro snížení vlivu magnetického rázu se používá svařování zkráceným obloukem a elektroda je také umístěna pod určitým úhlem.
Spalovací médium
Existuje několik různých technologií svařování, které využívají výboje elektrického oblouku, lišících se vlastnostmi a parametry. Elektrický svařovací oblouk má následující typy:
- OTEVŘENO. K výboji dochází přímo v atmosféře;
- ZAVŘENO. Vysoká teplota vznikající při spalování způsobuje vydatné uvolňování plynů z hořícího tavidla. Tavidlo je obsaženo v povlaku svařovacích elektrod;
- v prostředí ochranného plynu. Při této možnosti je do svařovací zóny přiváděn plyn, nejčastěji helium, argon nebo oxid uhličitý.
Ochrana svařovací zóny je nezbytná pro zamezení aktivní oxidace taveného kovu vlivem vzdušného kyslíku.
Vrstva oxidu zabraňuje vytvoření souvislého svaru, kov ve spoji se stává porézním, což má za následek snížení pevnosti a těsnosti spoje.
Samotný oblouk je do určité míry schopen vytvořit mikroklima ve spalovací zóně v důsledku vytvoření oblasti vysokého tlaku, která brání proudění atmosférického vzduchu.
Použití tavidla umožňuje aktivnější vytlačování vzduchu ze svařovací zóny. Použití ochranných plynů dodávaných pod tlakem tento problém téměř zcela řeší.
Doba vybíjení
Kromě ochranných kritérií je obloukový výboj klasifikován podle doby trvání. Existují procesy, při kterých dochází ke spalování oblouku v pulzním režimu.
V takových zařízeních se svařování provádí v krátkých dávkách. Během záblesku se podaří zvýšit teplotu na hodnotu postačující pro lokální roztavení malé zóny, ve které se vytvoří bodové spojení.
Většina používaných svařovacích technologií využívá poměrně dlouhou dobu hoření oblouku. Během procesu svařování se elektroda neustále pohybuje podél spojovaných okrajů.
Za elektrodou se pohybuje oblast zvýšené teploty, která vytváří svarovou lázeň. Po posunutí svařovací elektrody, a tedy i obloukového výboje, se teplota procházející oblasti snižuje, dochází ke krystalizaci svarové lázně a vzniku pevného svaru.
Struktura obloukového výboje
Oblast obloukového výboje je konvenčně rozdělena do tří sekcí. Oblasti bezprostředně sousedící s póly (anoda a katoda) se nazývají anoda a katoda.
Centrální část obloukového výboje, umístěná mezi anodou a katodovou oblastí, se nazývá obloukový sloup. Teplota v zóně svařovacího oblouku může dosáhnout několika tisíc stupňů (až 7000 °C).
I když se teplo úplně nepřenese na kov, stačí ho roztavit. Teplota tání oceli je tedy pro srovnání 1300-1500 °C.
Pro zajištění stabilního spalování obloukového výboje jsou nutné následující podmínky: přítomnost proudu asi 10 ampér (toto je minimální hodnota, maximum může dosáhnout 1000 ampér), při zachování napětí oblouku od 15 do 40 Voltů.
K tomuto poklesu napětí dochází při obloukovém výboji. Rozložení napětí v zónách oblouku je nerovnoměrné. Většina aplikovaného poklesu napětí se vyskytuje v anodické a katodové zóně.
Experimentálně bylo zjištěno, že při svařování stavnou elektrodou je největší pokles napětí pozorován v katodové zóně. Ve stejné části oblouku je pozorován nejvyšší teplotní gradient.
Proto při volbě polarity svařovacího procesu je katoda připojena k elektrodě, když chtějí dosáhnout jejího největšího tavení, zvýšení její teploty. Naopak pro hlubší pronikání obrobku je katoda připevněna k němu. Nejmenší část poklesu napětí ve sloupci oblouku.
Při svařování nestavitelnou elektrodou je úbytek katodového napětí menší než anodický, to znamená, že vysokoteplotní zóna je posunuta směrem k anodě.
Proto je u této technologie obrobek spojen s anodou, která zajišťuje dobrý ohřev a ochranu nekonzumovatelné elektrody před nadměrnou teplotou.
Teplotní zóny
Je třeba poznamenat, že při jakémkoli typu svařování, a to jak stavnou, tak netavitelnou elektrodou, má sloupec oblouku (jeho střed) nejvyšší teplotu – asi 5000-7000 °C, někdy i vyšší.
Zóny s nejnižší teplotou jsou umístěny v jedné z aktivních oblastí, katodě nebo anodě. V těchto zónách se může uvolnit 60-70 % tepla oblouku.
Kromě intenzivního zvyšování teploty obrobku a svařovací elektrody výboj vyzařuje infračervené a ultrafialové vlny, které mohou mít škodlivý účinek na tělo svářeče. To vyžaduje použití ochranných opatření.
Pokud jde o svařování střídavým proudem, koncept polarity zde neexistuje, protože poloha anody a katody se mění při průmyslové frekvenci 50 vibrací za sekundu.
Oblouk je v tomto procesu ve srovnání se stejnosměrným proudem méně stabilní, jeho teplota kolísá. Mezi výhody svařovacích procesů využívajících střídavý proud patří jednodušší a levnější zařízení a dokonce téměř úplná absence takového jevu, jako je výše zmíněný magnetický výbuch.
Voltampérové charakteristiky
V grafu je znázorněna závislost napětí zdroje na svařovacím proudu, nazývaná proudově-napěťová charakteristika svařovacího procesu.
Červené křivky zobrazují změnu napětí mezi elektrodou a obrobkem ve fázích buzení svařovacího oblouku a jeho stabilního spalování. Počáteční body křivek odpovídají napětí naprázdno napájecího zdroje.
V okamžiku, kdy svářeč zahájí výboj oblouku, napětí prudce klesá až do doby, kdy se ustálí parametry oblouku a ustálí se hodnota svařovacího proudu v závislosti na průměru použité elektrody, výkonu zdroje a nastaveném délka oblouku.
S počátkem této doby se napětí a teplota oblouku ustálí a celý proces se ustálí.
