Czym jest łuk elektryczny i jak działa spawanie łukowe?

Oślepiające, błękitnawe światło. Syczy i trzaska. W powietrzu wyczuwa się napięcie. Te zjawiska mogą nam się kojarzyć z pojęciem „łuk elektryczny”. Na co dzień można dostrzec go w formie błyskawicy podczas burzy. Także w pojazdach szynowych, między górnym przewodem zasilającym a odbierakiem prądu czasem można zaobserwować krótkotrwałe wyładowania w formie łuków elektrycznych. Spawacze wykorzystują go w sposób celowy do łączenia metali. Ale co się tu dokładnie dzieje?

Czym jest łuk elektryczny i jak powstaje?

Aby powstał łuk elektryczny, między dwoma punktami musi zaistnieć różnica potencjałów: po jednej stronie powstaje nadwyżka elektronów (to ujemnie naładowane cząstki elementarne powłoki elektronowej atomu), a przez to ładunek ujemny. Po drugiej stronie brak elektronów powoduje powstanie ładunku dodatniego. Tę różnicę potencjałów nazywamy napięciem.

W określonych warunkach następuje tak zwane przebicie — jest to próba wyrównania nierównowagi ładunków przez siły fizyczne. Wskutek tego tworzy się kanał, w którym pod wpływem wysokiej temperatury i wysokiego napięcia następuje jonizacja gazu między dwoma biegunami i powstaje przewodząca elektrycznie plazma. W tym kanale plazmowym może przepływać tylko prąd. W zależności od rodzaju źródła energii, przebicie może wystąpić w formie iskry lub błyskawicy i szybko zaniknąć po wyrównaniu różnicy ładunków. Albo jarzyć się dalej jako łuk elektryczny.

Dygresja: Plazma

Gdy na gaz działa wysoka energia (np. prąd elektryczny na naszą atmosferę), wskutek powstającej wysokiej temperatury następuje jonizacja cząsteczek gazu. Podczas tego procesu następuje zabranie elektronów z atomów mających obojętny ładunek, wskutek czego dodatnio naładowane jony i ujemnie naładowane elektrony pozostają osobno. Taką mieszaninę naładowanych i obojętnych elementów nazywa się plazmą.

Plazma, w przeciwieństwie do gazu, jest przewodząca elektrycznie, ponieważ swobodne nośniki ładunku (czyli jony i elektrony) mogą przenosić prąd elektryczny.

Gdy wolne elektrony zderzają się i łączą z jonami, oddają w formie światła energię, zgromadzoną uprzednio wskutek odłączenia. Zatem to, co my widzimy jako błyskawicę, iskry elektryczne lub łuk elektryczny, jest kolumną plazmy, w której płynie prąd. Sam prąd elektryczny jest niewidzialny.

Czym jest spawanie łukowe?

Kolumna plazmy łuku elektrycznego ma temperaturę w przedziale 3500–15 500 stopni Celsjusza. Tę temperaturę można wykorzystać, aby roztopić i połączyć metale. W tym celu łuk spawalniczy jarzy się między materiałem podstawowym i elektrodą spawalniczą o przeciwnym ładunku.

Wyróżnia się następujące metody spawania łukowego:

Spawanie łukowe elektrodą topliwą

Spawanie łukowe metali w osłonie gazów ochronnych MIG MAG wykorzystuje gaz, który chroni stopiony metal przed reakcją z powietrzem atmosferycznym. W zależności od tego, czy zastosuje się gaz obojętny, czyli niereaktywny, jak hel, argon lub jego mieszaniny, czy gaz aktywny, jak CO₂, mówi się albo o spawaniu w osłonie gazów obojętnych (MIG), albo o spawaniu w osłonie gazów aktywnych (MAG). Niekończący się drut elektrodowy (drut spawalniczy) topi się i służy za spoiwo.

Spawanie łukowe elektrodą otuloną, zwane też spawaniem elektrodowym lub spawaniem ręcznym elektrodą otuloną, wykorzystuje elektrodę topliwą. Otulina elektrody topi się podczas spawania i tworzy osłonę z gazu ochronnego oraz chroniącego ją żużlu. Dzięki temu nie trzeba doprowadzać gazu.

Spawanie drutem rdzeniowym wykorzystuje zasadę spawania elektrodą topliwą i obsługę spawania metodą MIG/MAG: niekończący się drut elektrodowy składa się z metalowego płaszcza (spoiwa) wypełnionego proszkiem (tworzącym żużel). Zazwyczaj używa się gazu osłonowego; drut rdzeniowy z własną osłoną (Self-Shielded Flux Cored Wire) nie potrzebuje doprowadzania gazu osłonowego.

W przypadku spawania łukiem krytym masa proszkowa pełni tę samą funkcję co otulina elektrody podczas spawania ręcznego elektrodą otuloną: doprowadzany nieprzerwanie drut elektrodowy topi się pod osłoną masy proszkowej.

Spawanie łukowe elektrodą nietopliwą

Spawanie plazmowe podobnie jak TIG, wymaga użycia elektrody nietopliwej. Ta znajduje się w obudowie palnika i rozgrzewa tam gaz, wskutek czego powstaje plazma. Plazma przepływa przez chłodzoną, wąską dyszę gazową do elementu spawanego. Wskutek tego uzyskuje się bardzo wysoką gęstość energii. Plazma jest otoczona gazem osłonowym, aby chronić jeziorko spawalnicze przed reakcjami z tlenem.

Spawanie plazmowe podobnie jak TIG, wymaga użycia elektrody nietopliwej. Ta znajduje się w obudowie palnika i rozgrzewa tam gaz, wskutek czego powstaje plazma. Plazma przepływa przez chłodzoną, wąską dyszę gazową do elementu spawanego. Wskutek tego uzyskuje się bardzo wysoką gęstość energii. Plazma jest otoczona gazem osłonowym, aby chronić jeziorko spawalnicze przed reakcjami z tlenem.

Więcej informacji na temat zastosowania spawania łukowego zawiera artykuł na blogu:

Spawanie TIG, MIG/MAG lub elektrodowe: kiedy stosuje się daną metodę spawania?