Електрична характеристика зварювальної дуги

Дуговий промiжок складається з трьох зон: анодної, катодної i стовпа дуги (рис.1.1 а). В кожнiй з них протiкають процеси, пов’язанi з проходженням струму через iонiзований газ. Електропровiднiсть мiжелектродного промiжку створюється за рахунок електрично заряджених частинок - електронiв та iонiв. Пiд дiєю напруги джерела електрони перемiщуються до аноду, а iони до катоду.

Стовп дуги є часткою дугового розряду.

Зарядженi частинки надходять у стовп з катодної i анодної зон, а також
виникають у ньому за рахунок термiчної iонiзацiї, тобто іонiзацiї внаслiдок зiткнення
частинок. Стовп дуги квазiнейтральний, оскільки сумарний заряд позитивних i
негативних частинок у ньому однаковий. Температура газу в стовпi дуги сягає
6000-8000°С. Довжина його l_СТ складає приблизно 0,1...4 см, падiння напруги
40В, вiдповiдно градiєнт потенцiалу в стовпi E_ст = U_СТ / l_СТ = 10...50 В/см.

Катодна зона. Катод емiтує в стовп дуги електрони, якi пiдтримують iонiзацiю
газу в розрядному промiжку. Емiсiя електронiв на катодi може відбуватись внаслідок
нагрiву його поверхнi (термоелектронна емiсiя) i створення бiля його поверхнi
електричного поля високої напруженостi (електростатична емiсiя). Окрiм того,
електрони та iони утворюються в самiй катоднiй зонi завдяки термiчнiй iонiзацiї
нейтрального газу. Довжина катодної зони l_К складає 10^-4...10^-5 см. Оскільки катодне
падiння напруги U_К реалiзується на дуже малiй довжинi i складає 10...25 В, то бiля

поверхнi катоду утворюється великий градiєнт потенцiалу E_К=U_К/l_Кª2...10⁶ В/см.

Наслiдком виникнення такого градiєнту є висока концентрацiя позитивних iонiв біля

поверхнi катоду, якi надходять із стовпа дуги, внаслiдок чого створюється об’ємний

позитивний заряд.

Анодна зона. Основними зарядженими частинками областi є електрони, якi
переносять струм вiд стовпа дуги до аноду, при цьому бiля його поверхнi
утворюється негативний об’ємний заряд. У процесi електронного бомбардування
анод отримує значну кiлькiсть енергiї й iнтенсивно розiгрiвається. У порiвняннi з
катодною, анодна зона має бiльшу довжину l_А=10^-3...10^-4 см i менший градiєнт
напруги E_А. При анодному падiннi напруги U_А=2...5 В, E_А=U_А/l_Аª10⁴ В/см.

Оскільки довжина стовпа значно бiльша за протяжність приелектродних областей, то l_Д дуги приймають приблизно рiвною довжинi стовпа.

U_ст = I_дR_ст (1.4)

Електрична стійкість системи «Джерело живлення – дуга»

Енергетична система «джерело живлення - зварювальна дуга» буде працювати
стiйко, якщо джерело постачає достатню кiлькiсть енергiї для процесу зварювання
i покриття втрат у системi. Збурення, що з’являються при горiннi дуги порушують
стiйкiсть системи i викликають перехiднi процеси, характер i швидкiсть протiкання
яких позв’язані з енергiєю, накопиченою в магнiтних i електричних полях системи,
а також енергiєю, яка переходить у тепло. Якщо пiсля припинення дiї збурення
система повертається в початковий рiвноважний стан, то рiвновага вважається
стiйкою, якщо нi, то нестiйкою. При поверненнi системи в рiвноважний стан можуть
спостерiгатись вiдхилення величин, якi характеризують режим зварювання (струму,
напруги), вiд їх значення до початку дiї збурення. Якщо при наявностi цих
вiдхиленнь якiсть зварного шва залишається в допустимих межах, то властивостi
енергетичної системи вважаються задовiльними. Стiйкiсть системи залежить як
вiд технологiчних, так i електричних характеристик процесу. ^{Фiзичне пояснення умови} стiйкостi можна обгрунтувати наступним чином.
Якщо з будь-якої причини струм дуги, що вiдповiдає точцi А, зменшиться, то
напруга дуги збiльшиться i може стати бiльшою за напругу неробочого ходу. джерела живлення. При цьому дуга погасне. Якщо ж струм збiльшиться, то напруга
дуги зменшиться i стане меншою за напругу джерела. Надмiрна напруга викличе
подальше зростання струму аж до величини, що вiдповiдає струму в точцi В.
Зменшення зварювального струму в цiй точцi призведе до того, що напруга дуги
виявиться нижче усталеного значення напруги джерела живлення. Навпаки, при випадковому збiльшеннi
струму усталена напруга джерела виявиться меншою за напругу дуги i режим
горiння дуги вiдновиться.