Электрические свойства дуги

Электрическая дуга представляет собой длительный и мощный разряд электричества, в процессе которого выделяется значительное количество тепловой и световой энергии. Обычно электрическая дуга горит в газовом пространстве между двумя электропроводными телами (электродами), находящимися на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга.

В нормальных условиях газы не пропускают электрический ток, но при наличии в них электрически заряженных частиц – электронов и ионов – становятся электропроводными.

Электрон – мельчайшая материальная частица с массой 9,1 ^.10^-31 кг, несущая один отрицательный заряд электричества.

В электрическом поле электроны и отрицательные ионы устремляются к положительному полюсу, а положительные ионы – к отрицательному. Ионизация обеспечивает необходимые условия для протекания через газ электрического тока и образования дугового разряда.

В электрической дуге постоянного тока, горящей между электродами 1 и 4 (рис. 4), различают три основных участка – катодную область 3, столб дуги 5 и анодную область 2. Дуга окружена ореолом пламени 6, представляющим собой раскаленную газообразную смесь паров электродов и продуктов их реакции с окружающей газовой средой. Часть катодной области, излучающей электроны, называют катодным пятном. Плотность тока в нем очень высокая. Анодная область, расположенная у положительного электрода, бомбардируется электронами и отрицательными ионами; при этом происходит превращение энергии их движения в тепловую энергию.

Для начала процесса ионизации и возникновения дугового разряда необходимо поступление в газовую среду свободных электронов от внешнего источника. При сварке таким источником обычно является поверхность отрицательного электрода (катода).

Выход первичных электродов с поверхности катода обусловливается в основном термоэлектронной и автоэлектродной эмиссиями. Физическая сущность термоэлектронной эмиссии электронов заключается в том, что металл, нагретый до высокой температуры, приобретает способность излучать свободные электроны в окружающее пространство. Автоэлектронная эмиссия происходит за счет высокой напряженности электрического поля и не зависит от температуры нагрева катода.

Для зажигания дуги обычно пользуются термоэлектронной эмиссией, которая возникает при замыкании электродом сварочной цепи. Замыкание всегда происходит посредством микроскопических выступов, существующих на поверхности свариваемого металла и электрода. Большая плотность тока, приходящаяся на эти выступы, приводит к быстрому их нагреву до высокой температуры и возникновению мощной эмиссии электронов.

При последующем удалении конца электрода с поверхности изделия (на расстояние 3 – 5 мм) этот поток электронов вызывает ионизацию газа в межэлектродном пространстве и возникновение дугового разряда. Во время горения дуги электропроводность газа увеличивается за счет паров металла электродов, нагрева газа, автоэлектронной эмиссии и других процессов.

Изменение электропроводности межэлектродного пространства оказывает решающее влияние на величину тока и напряжение электрической дуги.

Зависимость между напряжением дуги U_Д и величиной тока l_св, выраженную графически, при постоянной длине дуги называют статической, или вольт-амперной, характеристикой дуги.

Статические характеристики бывают падающие, жесткие и возрастающие.

Статическая характеристика называется падающей (или отрицательной), если по мере нарастания тока l_св напряжение U_Д уменьшается. На рис. 5 представлены падающие вольт-амперные характеристики дуги длиной l = 2 и l = 5 мм. Как видно из рисунка (кривые a₁ и a₂), напряжение на дуге резко падает с возрастанием тока l_св до 60 – 80 А, а при дальнейшем увеличении тока остается примерно постоянным.

Для ионизации газа в межэлектродном пространстве в момент зажигания дуги требуется напряжение 30 – 60 В. При установившемся режиме горения дуги напряжение требуется в 1,5 – 2 раза меньшее.

Напряжение дуги при установившемся режиме не зависит от силы тока, а зависит только от длины дуги, которая при сварке плавящимся электродом может многократно меняться, что связано в значительной степени с процессами плавления и переноса металла.

Дуги с жесткой и возрастающей статической характеристикой имеют широкое применение в сварочной технике и, в частности, при автоматической и полуавтоматической сварке в защитном газе.

По сравнению с рассмотренной выше дугой постоянного тока электрический режим дуги переменного тока обладает рядом существенных особенностей.

При перемене полярности в начале и конце полупериода, когда ток достигает нулевого значения, дуга угасает и температура катодного и анодного пятен снижается, что приводит к уменьшению электропроводности межэлектродного пространства.

Когда напряжение на дуговом промежутке меняет полярность, происходит встречное движение ранее создавшихся и вновь образующихся ионов, что вызывает дополнительную деионизацию газов в столбе дуги. Повторное зажигание дуги в результате этого происходит при пиковом значении напряжения, которое выше напряжения стационарного горения дуги.

Тепловые свойства

Электрическая дуга, горящая в атмосфере (открытая дуга), является мощным и концентрированным источником тепла. Количество выделяемого тепла и температура на различных участках дуги не одинаковы и являются наибольшими в анодной ( + ) области (рис. 8).

При использовании угольного электрода и постоянного тока в катодной области ( – ) выделяется 36 – 38 % тепла q и температура Т достигает 3200⁰ С. В анодной области выделяется 42 – 43 % тепла и температура ее близка 3900⁰ С. Температура столба дуги в средней зоне составляет порядка 6000⁰ С. При металлическом электроде температура в катодной области составляет около 2400, а в анодной – около 2600⁰ С.

Неравномерным распределением тепла в дуге постоянного тока пользуются для регулирования скорости плавления основного или электродного металла, подсоединяя их соответственно к катоду ( – ) или аноду ( + ) сварочной цепи.

При питании дуги переменным током распределение ее тепла и температуры в граничных участках электродов выравнивается в связи с периодической сменой местоположения катодной и анодной областей и примерно равно их среднему арифметическому значению.

Основными тепловыми характеристиками сварочной дуги является тепловая мощность и погонная энергия.

Полная тепловая мощность свободно горящей дуги q₀, т.е. количество тепла, выделяемое дугой, приравнивается к тепловому эквиваленту ее электрической мощности и может быть определена по формуле

,

где l – сила тока, А;

U_Д – напряжение дуги, В.

Эффективная тепловая мощность q сварочной дуги, т.е. количество теплоты, вводимое дугой в свариваемый металл в единицу времени, меньше полной тепловой мощности в связи с расходом тепла дуги на нагрев электрода, теплоотдачу в окружающую среду и потери на разбрызгивание электродного материала.

Эффективная тепловая мощность дуги, от которой зависит производительность сварки, определяется по формуле

,

где – эффективный КПД нагрева металла дугой, зависящий от способа сварки, материала электродов, состава покрытия и других факторов. Например, при сварке тонкопокрытыми электродами и в среде защитных газов (аргона) = 0,5 – 0,6; при сварке толстопокрытыми электродами = 0,7 – 0,85; при сварке под флюсом = 0,8 – 0,95.

Погонной энергией дуги называют количество теплоты, вводимое в 1 см длины однопроходного шва или валика.

Погонная энергия определяется отношением эффективной тепловой мощности дуги q к скорости перемещения дуги v, см/с

Погонная энергия является основным показателем для выбора режима сварки.

При дуговой сварке плавящимся электродом и постоянном сечении однопроходного шва или валика многопроходного шва погонная энергия пропорциональна поперечному сечению однопроходного шва или валика.

Особенности сжатой дуги. Для концентрации тепла дуги и повышения ее температуры столб дуги сжимают с помощью специальной конструкции сопла плазменной горелки или потока газа. В этом случае уменьшается площадь поперечного сечения столба дуги, а температура дуговой плазмы повышается за счет увеличения числа упругих соударений частиц (электронов, ионов и др.). Сжатая дуга применяется для плазменной сварки и резки металлов.