Сварочная дуга

Сварочная дуга – технологический инструмент (рис.1.1), представляет собой установившийся электрический разряд в ионизированной смеси газов и паров металла, веществ, входящих в состав электрода, электродного покрытия и флюса.

Электропроводность межэлектродного промежутка обусловлена наличием электрически заряженных частиц электронов и ионов. Под действием напряжения источника электроны перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду. Электрические параметры сварочных дуг могут изменяться в широких пределах. В наиболее важной для практики сварочной дуге прямого действия мощность дуги можетизменяться от десятков ватт до десятков киловатт.

Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в трех ее характерных зонах: катодной, анодной областях и столбе .

Катодная область. Катод эмитирует электроны как за счет нагрева его поверхности (термоэлектронная эмиссия), так и за счет создания у поверхности электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Кроме того, электроны и ионы образуются в самой катодной зоне благодаря термической ионизации нейтрального газа. У поверхности катода создается объемный положительный заряд, вызванный высокой концентрацией положительно заряженных ионов. Протяженность катодной области очень мала и соизмерима с длиной свободного пробега иона, ℓкат = 10–4…10–5 см. Поскольку катодное падение напряжения Uk = 10…17В реализуется на такой малой длине, градиент потенциала достигает Еk=Uk/ℓкат=105 В/см.

Анодная область. У поверхности анода наблюдается объемный отрицательный заряд. Протяженность анодной области сопоставима с длиной свободного пробега электрона, т.е. ℓан=103…10–4 см. Анодное падение напряжения составляет Ua–2…5 В, а градиент напряжения в анодной области Еа = Ua/ℓан = 104 В/см, т.е. ниже, чем в катодной области.

Столб дуги. Заряженные частицы в столбе приходят из анодной и катодной областей, а также возникают в нем за счет ионизации нейтральных частиц. Столб дуги квазинейтрален, поскольку суммарные заряды отрицательных и положительных частиц в нем одинаковы. Сварочным током считают ток проводимости, обусловленный упорядоченным движением свободных электронов и ионов. При этом электронная составляющая тока в сотни раз больше ионной. Длина столба дуги ℓст составляет 0,1…0,4 см.

Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравнению с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба:

 

д = ℓкат + ℓан + ℓст » ℓст.                   (1.1)

 

Напряжение дуги складывается из падения напряжения в трех ее основных областях:

 

Uд = Uk + Uа + Uст.                           (1.2)

 

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис.1.1,

сварочная дуга

 

Характерным для распределения потенциала в дуге является то, что в приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изменением потенциала в столбе дуги. Это связано с различными физическими процессами, протекающими в них и в столбе дуги. Зависимость всех трех составляющих напряжения дуги от тока обусловливает свойства дуги как нелинейного элемента электрической цепи и определяет вид ее статической характеристики Uд = f(Iд).

Статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) дуги получают экспериментально при плавном изменении ее тока Iд и сохранениинеизменными физических условий ее горения. В частности, должны оставаться постоянными диаметр электрода dэ, длина дуги ℓд, материал электродов и состав газа межэлектродного промежутка. Дуга имеет криволинейную статическую характеристику (рис.1.2) и, следовательно, является нелинейным активным сопротивлением. На характеристике выделяют три участка: падающий (I), жесткий (II) и возрастающий (III). Наклон характеристики принято оценивать величиной дифференциального сопротивления дуги rд;

rд = dUд/dIд = lim(DUд / DIд) = tga.                  (1.3)

image006

Рис. 1.2 Статическая вольтамперная характеристика дуги

 

Из рис. 1.2 видно, что на падающем участке характеристики дуги rд < 0, на жестком участке rд = 0, на возрастающем rд > 0. Такая сложная связь напряжения и тока дуги определяется в основном зависимостью Uд =f(Iд, Т). Уравнение, связывающее напряжение столба дуги с другими параметрами дуги, имеет вид:

Uст = Iд × Rст.                                                       (1.4)

Для столба дуги цилиндрической формы с сопротивлением Rст, удельной проводимостью gст, площадью поперечного сечения S и плотностью тока jст очевидны соотношения:

Iд = jст × Sст;           R = ℓд / (gст, Sст ),                  (1.5)

откуда следует зависимость

Uст = Iд × ℓд / (gст × Sст) = jст × ℓд /gст = kд × ℓд,                   (1.6)

где kд = jст /gст.

Ток дуги и основные характеристики плазмы дугового столба, определяющие его электропроводность, связаны соотношением

I = p × rд2× ne × eo× nc,                                             (1.7)

где rд – радиус столба дуги, м; ne – концентрация электронов, 1/м3;  eo – заряд электрона, Кл; nc – средняя скорость движения электрона вдоль электрического поля, м/с.

Все физические величины, входящие в уравнение (1.7), не являются постоянными при изменении любой другой из них. Это является причиной нелинейности вольтамперной характеристики дуги (рис.1.2) и сильно затрудняет теоретический расчет ее параметров.

Причиной падения характеристики на участке I является снижение сопротивления дуги при увеличении тока за счет роста температуры, концентрации заряженных частиц и скорости их движения. При этом с ростом тока увеличивается диаметр дугового столба и требуется меньшее напряжение для прохождения возрастающего тока. Проходящий через разряд ток создает магнитное поле вокруг столба дуги. Взаимодействие тока и магнитного поля приводит к появлению сил магнитного сжатия столба дуги, которые стремятся ограничить диаметр столба. Это способствует росту плотности тока и повышению напряженности электрического поля.

С помощью уравнений (1.1) и (1.2) оценим закономерности формирования вольтамперной характеристики дуги (рис.1.2). В маломощных дугах (участок 1) с ростом тока резко увеличивается площадь сечения столба Sст, возрастает и удельная проводимость gст. Следовательно, снижается Uст (1.2). Катодное падение напряжения Uк из-за значительного нагрева электрода также снижается. Такая падающая характеристика наблюдается в дуге с неплавящимся электродом на плотностях тока порядком 5…7 А/мм2, а также в начальный момент зажигания дуги и для целей сварки не применяется.

При дальнейшем росте тока на участке II ВАХ дуги жесткая. При сохранении условия dк < dэ пропорционально увеличивается и площадьстолба дуги. Следовательно, плотность тока в катодном пятне остается приблизительно постоянной. При этом не меняются величины катодного и анодного падений напряжения, а напряжение дуги Uд остается постоянным. Жесткая ВАХ дуги наблюдается при сварке покрытыми электродами, механизированной сварке под флюсом толстой проволокой и неплавящимся электродом.

Возрастающий участок (III) начинается при таком токе, когда дуга уже заняла весь торец стержневого электрода (dк » dэ), дальнейшееувеличение площади S затруднено. Поэтому с ростом тока пропорционально увеличивается его плотность jст и, следовательно, увеличивается Uст и Uд. (1.2). Возрастающий участок характеристики дуги наблюдается при механизированной сварке под флюсом тонкой проволокой и особенно в защитном газе на высоких плотностях тока.

Изменение длины дуги ℓд приводит к эквидистантному смещению характеристики дуги за счет изменения величины падения напряженияв столбе и, следовательно, общего напряжения дуги:

Uд = Uк + Uа + kд × ℓд + kдт × Iд ,                           (1.8)

где kд – градиент потенциала столба дуги, В/см; kдт – угол наклона статической характеристики дуги в рабочей точке.

 

Источник: Ленивкин В.А., Евченко В.М., Стрижаков Е.Л., Никашин А.И «Источник питания для сварки»-ДГТУ, 2001

 

Be the first to comment on "Сварочная дуга"

Добавить комментарий

%d такие блоггеры, как: