ประเภทของอาร์คไฟฟ้า อาร์คไฟฟ้า: คำอธิบายและลักษณะ

ถึงหมวดหมู่:

การประกอบโครงสร้างโลหะ

อาร์คไฟฟ้าและคุณสมบัติของมัน

อาร์คไฟฟ้าเป็นการคายประจุไฟฟ้าระยะยาวที่เกิดขึ้นในช่องว่างก๊าซระหว่างตัวนำสองตัว - อิเล็กโทรดและโลหะถูกเชื่อมที่ความแรงกระแสที่มีนัยสำคัญ ไอออนไนซ์เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องภายใต้การกระทำของการไหลอย่างรวดเร็วของไอออนบวกและลบและอิเล็กตรอนในอาร์ค ช่องว่างอากาศสร้างเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้ที่มั่นคงในระยะยาวของอาร์คการเชื่อม

ข้าว. 1. อาร์กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดโลหะกับโลหะที่จะเชื่อม: a - แผนภาพอาร์ค, b - กราฟแรงดันอาร์คยาว 4 มม. 1 - อิเล็กโทรด, 2 - รัศมีเปลวไฟ, 3 - คอลัมน์อาร์ค, 4 - โลหะเชื่อม, 5 - จุดแอโนด, 6 - สระน้ำหลอมเหลว, 7 - ปล่อง, 8 - จุดแคโทด; h คือความลึกของการเจาะในส่วนโค้ง A คือโมเมนต์จุดระเบิดของส่วนโค้ง B คือโมเมนต์ของการเผาไหม้ที่เสถียร

ส่วนโค้งประกอบด้วยเสาซึ่งฐานตั้งอยู่ในช่อง (ปล่อง) ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของสระน้ำหลอมเหลว ส่วนโค้งล้อมรอบด้วยรัศมีของเปลวไฟที่เกิดจากไอระเหยและก๊าซที่มาจากคอลัมน์ส่วนโค้ง คอลัมน์มีรูปร่างเป็นกรวยและเป็นส่วนหลักของส่วนโค้งเนื่องจากรวมพลังงานหลักที่สอดคล้องกับความหนาแน่นสูงสุดที่ผ่านส่วนโค้ง กระแสไฟฟ้า. ส่วนบนคอลัมน์ที่อยู่บนอิเล็กโทรด 1 (แคโทด) มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กและเกิดจุดแคโทด 8 ผ่านจุดแคโทด จำนวนมากที่สุดอิเล็กโทรด ฐานของกรวยของเสาอาร์คตั้งอยู่บนโลหะเชื่อม (แอโนด) และสร้างจุดแอโนด เส้นผ่านศูนย์กลางของจุดแอโนดที่ค่าเฉลี่ยของกระแสเชื่อมนั้นมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดแคโทดประมาณ 1.5 ... 2 เท่า

สำหรับการเชื่อมจะใช้กระแสตรงและกระแสสลับ เมื่อใช้กระแสตรง ค่าลบของแหล่งกำเนิดกระแสจะเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรด (ขั้วตรง) หรือกับชิ้นงาน “” (ขั้วย้อนกลับ) ขั้วย้อนกลับใช้ในกรณีที่จำเป็นต้องลดการปล่อยความร้อนบนชิ้นงานที่กำลังเชื่อม: เมื่อเชื่อมโลหะบางหรือหลอมต่ำ โลหะผสมที่ไวต่อความร้อนสูงเกินไป เหล็กกล้าไร้สนิม และเหล็กกล้าคาร์บอนสูง รวมทั้งเมื่อใช้บางประเภท ของอิเล็กโทรด

ปล่อยความร้อนออกมาเป็นจำนวนมากและมีอุณหภูมิสูง อาร์กไฟฟ้าในเวลาเดียวกันให้ความร้อนที่เข้มข้นมากของโลหะ ดังนั้นโลหะระหว่างการเชื่อมจึงค่อนข้างร้อนเล็กน้อยอยู่แล้วที่ระยะห่างหลายเซนติเมตรจากส่วนโค้งของการเชื่อม

โดยการกระทำของส่วนโค้งโลหะจะหลอมละลายจนถึงระดับความลึก h เรียกว่าความลึกของการเจาะหรือการเจาะ

ส่วนโค้งจะจุดประกายเมื่ออิเล็กโทรดเข้าใกล้โลหะที่จะเชื่อมและทำให้วงจรการเชื่อมลัดวงจร เนื่องจากความต้านทานสูงที่จุดสัมผัสของอิเล็กโทรดกับโลหะ ปลายอิเล็กโทรดจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วและเริ่มปล่อยกระแสอิเล็กตรอน เมื่อปลายอิเล็กโทรดถูกดึงออกจากโลหะอย่างรวดเร็วที่ระยะ 2 ... 4 มม. จะเกิดอาร์คไฟฟ้าขึ้น

แรงดันไฟฟ้าในส่วนโค้ง กล่าวคือ แรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดกับโลหะฐานนั้นขึ้นอยู่กับความยาวของอิเล็กโทรดเป็นหลัก ด้วยกระแสเดียวกัน แรงดันไฟฟ้าในส่วนโค้งสั้นจะต่ำกว่าส่วนโค้งยาว นี่เป็นเพราะส่วนโค้งยาวความต้านทานของช่องว่างก๊าซนั้นมากกว่า การเพิ่มความต้านทานในวงจรไฟฟ้าที่ความแรงของกระแสคงที่ต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในวงจร ยิ่งความต้านทานสูงเท่าไร แรงดันไฟก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้นเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสไฟเดียวกันจะไหลในวงจร

ส่วนโค้งระหว่างอิเล็กโทรดโลหะและโลหะไหม้ที่แรงดันไฟฟ้า 18 ... 28 V. เพื่อเริ่มต้นส่วนโค้ง ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าที่จำเป็นเพื่อรักษาไว้ การเผาไหม้ปกติ. สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในช่วงเริ่มต้นช่องว่างอากาศยังไม่ได้รับความร้อนเพียงพอ และจำเป็นต้องให้อิเล็กตรอนมีความเร็วสูงเพื่อแยกโมเลกุลและอะตอมของอากาศออก สิ่งนี้สามารถทำได้ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นในขณะที่จุดระเบิดของส่วนโค้ง

กราฟของการเปลี่ยนแปลงของกระแส I ในส่วนโค้งในระหว่างการจุดไฟและการเผาไหม้ที่เสถียร (รูปที่ 1, b) เรียกว่าลักษณะคงที่ของส่วนโค้งและสอดคล้องกับการเผาไหม้ของส่วนโค้งคงที่ จุด A แสดงลักษณะของโมเมนต์จุดประกายไฟของส่วนโค้ง แรงดันอาร์ค V ลดลงอย่างรวดเร็วตามเส้นโค้ง AB ให้เป็นค่าปกติที่สอดคล้องกับส่วนโค้งที่เสถียรที่จุด B กระแสที่เพิ่มขึ้นอีก (ทางด้านขวาของจุด B) จะเพิ่มความร้อนของอิเล็กโทรดและอัตราการหลอมเหลว แต่ไม่ส่งผลต่อความเสถียรของส่วนโค้ง

ส่วนโค้งเรียกว่าเสถียรถ้ามันเผาไหม้อย่างสม่ำเสมอโดยไม่ต้องหยุดพักโดยพลการซึ่งต้องจุดไฟอีกครั้ง หากส่วนโค้งไหม้ไม่สม่ำเสมอมักจะหักและออกไปส่วนโค้งดังกล่าวเรียกว่าไม่เสถียร ความเสถียรของส่วนโค้งขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ได้แก่ ประเภทของกระแส องค์ประกอบของการเคลือบอิเล็กโทรด ประเภทของอิเล็กโทรด ขั้วและความยาวของส่วนโค้ง

ที่ กระแสสลับส่วนโค้งเผาไหม้น้อยกว่าแบบคงที่ สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในขณะที่กระแส n กลายเป็นศูนย์ การแตกตัวเป็นไอออนของช่องว่างส่วนโค้งจะลดลงและส่วนโค้งสามารถออกไปได้ เพื่อเพิ่มความเสถียรของส่วนโค้งของกระแสสลับ จำเป็นต้องเคลือบ io กับอิเล็กโทรดโลหะ คู่ขององค์ประกอบที่รวมอยู่ในการเคลือบจะเพิ่มการแตกตัวเป็นไอออนของช่องว่างส่วนโค้งและด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดการอาร์คที่เสถียรด้วยกระแสสลับ

ความยาวของส่วนโค้งถูกกำหนดโดยระยะห่างระหว่างปลายอิเล็กโทรดกับพื้นผิวของโลหะหลอมเหลวของชิ้นงานที่จะเชื่อม โดยปกติ ความยาวส่วนโค้งปกติไม่ควรเกิน 3…4 มม. สำหรับอิเล็กโทรดเหล็ก ส่วนโค้งดังกล่าวเรียกว่าส่วนโค้งสั้น อาร์คสั้นจะเผาไหม้อย่างต่อเนื่องและช่วยให้มั่นใจถึงกระบวนการเชื่อมตามปกติ ส่วนโค้งที่ยาวกว่า 6 มม. เรียกว่าส่วนโค้งยาว ด้วยเหตุนี้กระบวนการหลอมโลหะของอิเล็กโทรดจึงไม่สม่ำเสมอ หยดโลหะที่ไหลลงมาจากปลายอิเล็กโทรดในกรณีนี้สามารถออกซิไดซ์ได้ในระดับที่มากขึ้นด้วยออกซิเจนและเสริมด้วยไนโตรเจนในบรรยากาศ โลหะที่สะสมเป็นรูพรุน รอยเชื่อมมี พื้นผิวไม่เรียบและส่วนโค้งเผาไหม้ไม่เสถียร ด้วยส่วนโค้งที่ยาว ความสามารถในการเชื่อมจะลดลง การกระเด็นของโลหะและจำนวนตำแหน่งที่ขาดการเจาะหรือการหลอมรวมที่ไม่สมบูรณ์ของโลหะที่สะสมกับโลหะพื้นฐานเพิ่มขึ้น

การถ่ายโอนโลหะอิเล็กโทรดไปยังชิ้นงานระหว่างการเชื่อมอาร์กอิเล็กโทรดสิ้นเปลืองคือ กระบวนการที่ซับซ้อน. หลังจากการจุดไฟของส่วนโค้ง (ตำแหน่ง /) ชั้นของโลหะหลอมเหลวจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของส่วนท้ายของอิเล็กโทรดซึ่งภายใต้การกระทำของแรงโน้มถ่วงและแรงตึงผิวจะถูกรวบรวมในหยด (ตำแหน่ง //) หยดสามารถเข้าถึง ขนาดใหญ่และบล็อกคอลัมน์อาร์ค (ตำแหน่ง III) ทำให้เกิดการลัดวงจรของวงจรเชื่อม หลังจากนั้นสะพานที่เกิดจากโลหะเหลวแตก อาร์คปรากฏขึ้นอีกครั้ง และกระบวนการเกิดหยดซ้ำ

ขนาดและจำนวนหยดที่ผ่านอาร์คต่อหน่วยเวลาขึ้นอยู่กับขั้วและความแรงของกระแส องค์ประกอบทางเคมีและสถานะทางกายภาพของโลหะอิเล็กโทรด องค์ประกอบการเคลือบ และเงื่อนไขอื่นๆ จำนวนหนึ่ง หยดขนาดใหญ่ถึง 3 ... 4 มม. มักจะเกิดขึ้นเมื่อเชื่อมด้วยอิเล็กโทรดเปล่าหยดเล็ก ๆ (สูงถึง 0.1 มม.) - เมื่อเชื่อมด้วยอิเล็กโทรดเคลือบและความแข็งแรงกระแสไฟสูง กระบวนการหยดแบบละเอียดช่วยให้มั่นใจถึงความเสถียรของการเผาไหม้ส่วนโค้งและสนับสนุนเงื่อนไขสำหรับการถ่ายโอนโลหะหลอมเหลวของอิเล็กโทรดในส่วนโค้ง

ข้าว. 2. แบบแผนการถ่ายโอนโลหะจากอิเล็กโทรดไปยังโลหะที่กำลังเชื่อม

ข้าว. 3. การโก่งตัวของอาร์คไฟฟ้าด้วยสนามแม่เหล็ก (a-g)

แรงโน้มถ่วงสามารถช่วยหรือขัดขวางการถ่ายเทของหยดในส่วนโค้ง ในส่วนของค่าโสหุ้ยและบางส่วนในการเชื่อมแนวตั้ง แรงโน้มถ่วงของการตกกระทบจะต้านการถ่ายโอนไปยังผลิตภัณฑ์ แต่เนื่องจากแรงตึงผิว อาบน้ำเหลวโลหะจะไม่ไหลออกเมื่อเชื่อมในตำแหน่งเหนือศีรษะและแนวตั้ง

การไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านองค์ประกอบของวงจรเชื่อม รวมทั้งชิ้นงานที่กำลังเชื่อม ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งความแรงจะขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสเชื่อม คอลัมน์ก๊าซของอาร์คไฟฟ้าเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยืดหยุ่นได้ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับการกระทำของผลลัพธ์ สนามแม่เหล็กซึ่งเกิดขึ้นในวงจรการเชื่อม ภายใต้สภาวะปกติ คอลัมน์ก๊าซของส่วนโค้งที่เผาไหม้อย่างเปิดเผยในบรรยากาศจะตั้งอยู่อย่างสมมาตรกับแกนอิเล็กโทรด ภายใต้การกระทำของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนโค้งจะเบี่ยงเบนจากแกนของอิเล็กโทรดในทิศทางตามขวางหรือตามยาวซึ่ง สัญญาณภายนอกคล้ายกับการเคลื่อนตัวของเปลวไฟเปิดที่แรง กระแสลม. ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเป่าด้วยแม่เหล็ก

การติดลวดเชื่อมในบริเวณใกล้เคียงกับส่วนโค้งช่วยลดความเบี่ยงเบนได้อย่างมาก เนื่องจากสนามแม่เหล็กแบบวงกลมของกระแสไฟฟ้าจะมีผลต่อคอลัมน์อาร์คอย่างสม่ำเสมอ การจ่ายกระแสไฟให้กับผลิตภัณฑ์ที่ระยะห่างจากส่วนโค้งจะทำให้เกิดการเบี่ยงเบนเนื่องจากเส้นแรงของสนามแม่เหล็กวงกลมหนาขึ้นจากด้านข้างของตัวนำ

• อาร์คไฟฟ้า (อาร์คโวลตาอิก, อาร์คดิสชาร์จ) - ปรากฏการณ์ทางกายภาพซึ่งเป็นหนึ่งในประเภทของการปล่อยไฟฟ้าในก๊าซ

  มันถูกอธิบายครั้งแรกในปี 1802 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย V. Petrov ในหนังสือ “ข่าวการทดลองไฟฟ้า-ไฟฟ้าโดยใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ซึ่งบางครั้งประกอบด้วยวงกลมทองแดงและสังกะสี 4200” (เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก, 1803) อาร์คไฟฟ้าเป็นกรณีพิเศษของรูปแบบที่สี่ของสถานะของสสาร - พลาสมา - และประกอบด้วยก๊าซกึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าที่แตกตัวเป็นไอออน การมีประจุไฟฟ้าฟรีช่วยให้มั่นใจถึงการนำไฟฟ้าของอาร์คไฟฟ้า

  อาร์คไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้วในอากาศที่ความดันบรรยากาศจะเกิดขึ้นดังนี้:

  เมื่อแรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองเพิ่มขึ้นถึงระดับหนึ่งในอากาศ จะเกิดการพังทลายทางไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด แรงดันพังทลายทางไฟฟ้าขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดกับปัจจัยอื่นๆ ศักยภาพการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนตัวแรกของอะตอมโลหะจะอยู่ที่ประมาณ 4.5 - 5 V และแรงดันไฟอาร์กเป็นสองเท่าของ (9 - 10 V) จำเป็นต้องใช้พลังงานในการออกจากอิเล็กตรอนจากอะตอมของโลหะของอิเล็กโทรดหนึ่งและในการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมของอิเล็กโทรดที่สอง กระบวนการนี้นำไปสู่การก่อตัวของพลาสมาระหว่างอิเล็กโทรดและการเผาไหม้ของส่วนโค้ง (สำหรับการเปรียบเทียบ: แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำสำหรับการก่อตัวของประกายไฟจะเกินศักยภาพการส่งออกของอิเล็กตรอนเล็กน้อย - สูงถึง 6 V)

  เพื่อเริ่มต้นการแยกย่อยที่แรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่ อิเล็กโทรดจะถูกนำเข้าใกล้กันมากขึ้น ในระหว่างการสลาย การคายประจุประกายไฟมักจะเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรด การปิดพัลส์ วงจรไฟฟ้า.

  อิเล็กตรอนในประกายไฟจะปล่อยโมเลกุลไอออไนซ์ในช่องว่างอากาศระหว่างอิเล็กโทรด ด้วยพลังงานที่เพียงพอของแหล่งจ่ายแรงดันในช่องว่างอากาศ พลาสมาในปริมาณที่เพียงพอจะถูกสร้างขึ้นสำหรับแรงดันพังทลายหรือความต้านทานของช่องว่างอากาศที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ในกรณีนี้ การปล่อยประกายไฟจะกลายเป็นการปลดปล่อยอาร์ค - สายพลาสมาระหว่างอิเล็กโทรดซึ่งเป็นอุโมงค์พลาสม่า อันที่จริงอาร์คที่ได้นั้นเป็นตัวนำและปิดวงจรไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด เป็นผลให้กระแสเฉลี่ยเพิ่มขึ้นมากยิ่งขึ้นโดยให้ความร้อนแก่ส่วนโค้งสูงถึง 5,000-50000 K ในกรณีนี้ถือว่าการจุดระเบิดของส่วนโค้งเสร็จสมบูรณ์ หลังจากจุดไฟ การเผาไหม้อย่างยั่งยืนอาร์คนั้นมาจากการปล่อยความร้อนจากแคโทดที่ถูกทำให้ร้อนด้วยกระแสและการทิ้งระเบิดด้วยไอออน

  ปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กโทรดกับอาร์คพลาสม่าทำให้เกิดความร้อน การหลอมละลายบางส่วน การระเหย ออกซิเดชัน และการกัดกร่อนประเภทอื่นๆ

  หลังจากการจุดระเบิด ส่วนโค้งสามารถคงความเสถียรไว้ได้เมื่อหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าถูกแยกออกไปในระยะห่างที่กำหนด

  ในระหว่างการทำงานของการติดตั้งไฟฟ้าแรงสูงซึ่งลักษณะของอาร์คไฟฟ้าเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ การต่อสู้กับมันจะดำเนินการโดยใช้ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้ารวมกับรางอาร์ค ในบรรดาวิธีการอื่น ๆ เป็นที่ทราบกันดีว่าการใช้เบรกเกอร์สูญญากาศอากาศ SF6 และน้ำมันรวมถึงวิธีการเปลี่ยนเส้นทางกระแสไปยังโหลดสดที่ทำลายวงจรไฟฟ้าอย่างอิสระ

อาร์คไฟฟ้าคือการปล่อยไฟฟ้าในก๊าซ ตัวแก๊สเองเป็นฉนวนไม่มีตัวนำกระแสไฟฟ้าอยู่ในตัว เมื่อเกิดเป็นแก๊ส จำนวนมากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า - อิเล็กตรอนอิสระที่มีประจุลบและไอออนที่มีประจุบวกและลบ ก๊าซจะเริ่มนำกระแส

เมื่อปลายอิเล็กโทรดสัมผัสกับโลหะฐาน จะเกิดความร้อนจำนวนมากซึ่งเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจะเร่งขึ้น

เมื่ออิเล็กโทรดหลุดออกจากโลหะฐานในช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรด อิเล็กตรอนจะชนกับอะตอมของก๊าซที่เป็นกลางและทำให้แตกตัวเป็นไอออน กล่าวคือ แยกเป็นไอออน สัญญาณต่างๆค่าใช้จ่าย. เป็นผลให้ก๊าซกลายเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ประเภทของการปล่อย (ออก) ของอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของปลายอิเล็กโทรด:

• การปล่อยความร้อน
• การปล่อยสนาม;
• การปล่อยโฟโตอิเล็กทรอนิคส์
• การปล่อยอิเล็กตรอนเนื่องจากฟลักซ์ไอออนหนัก

การเผาไหม้ที่เสถียรของอาร์คได้รับอิทธิพลจากกระบวนการก่อตัว (ไอออไนเซชัน) ของอิเล็กตรอนอิสระและไอออนในปริมาตรของก๊าซเป็นกลางของอาร์คไฟฟ้า พิจารณาประเภทของไอออไนซ์ในการปล่อยไฟฟ้า

ไอออไนซ์จากการชนกัน การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะถูกเร่งอย่างมากโดยการกระทำของ สนามไฟฟ้าในบริเวณแคโทด พวกมันจะพบกับอะตอมของก๊าซที่เป็นกลางระหว่างทาง โจมตีพวกมันและกระแทกอิเล็กตรอนออกมา ไอออไนซ์โดยความร้อน (ไอออไนซ์ความร้อน) การก่อตัวของไอออนในตัวกลางของแก๊สนั้นสังเกตได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,750 องศาเซลเซียส การแตกตัวเป็นไอออนโดยการให้ความร้อนเนื่องจากการชนกันของอนุภาคก๊าซที่มีระยะขอบกว้าง พลังงานจลน์. อิออไนเซชันของรังสี (โฟโตอิออไนเซชัน) ในกรณีนี้ การแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซในอาร์คไฟฟ้าทำให้เกิดผลกระทบต่อช่องว่างก๊าซของพลังงานของการแผ่รังสีแสง การแตกตัวเป็นไอออนโดยการแผ่รังสีจะเกิดขึ้นหากพลังงานของควอนตัมแสงมีมากกว่าพลังงานที่จำเป็นสำหรับการแตกตัวเป็นไอออนของอนุภาคก๊าซ

คุณสมบัติของอาร์คเชื่อม

การจุดไฟของส่วนโค้งการเชื่อมจะเริ่มตั้งแต่วินาทีที่อิเล็กโทรดสัมผัสกับโลหะที่กำลังเชื่อม กล่าวคือ กับ ไฟฟ้าลัดวงจร.

ในรูป 1 แสดงลำดับของกระบวนการในระหว่างการจุดไฟของส่วนโค้งของการเชื่อม

เนื่องจากปลายอิเล็กโทรดและพื้นผิวของโลหะที่เชื่อมมีความผิดปกติ การสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดระหว่างไฟฟ้าลัดวงจรจึงเกิดขึ้นที่จุดแยกกัน (รูปที่ 1a)

รูปที่ 1 ลำดับการจุดระเบิดอาร์ค
เอ - ไฟฟ้าลัดวงจร; b - การก่อตัวของสะพานจากโลหะเหลว c - การเกิดขึ้นของส่วนโค้ง

ดังนั้นความหนาแน่นกระแสที่จุดสัมผัสถึง มูลค่ามหาศาลโลหะจะละลายทันที เกิดเป็นสะพานเชื่อมของโลหะเหลวระหว่างอิเล็กโทรดกับโลหะที่กำลังเชื่อม (รูปที่ 1b)

เมื่อถอดอิเล็กโทรดออกจากพื้นผิวโลหะจนถึงความยาวหนึ่ง เรียกว่าความยาวอาร์ก L สะพานของเหลวจะถูกยืดออกโดยลดส่วนตัดขวาง จากนั้นในขณะที่โลหะมาถึงสะพาน จุดเดือดจะระเหยและ สะพานแตก (รูปที่ 1c)

เกิดช่องว่างการคายประจุซึ่งเต็มไปด้วยอนุภาคที่มีประจุของไอโลหะ สารเคลือบอิเล็กโทรด และก๊าซ นี่คือลักษณะที่ส่วนโค้งของการเชื่อมปรากฏขึ้น ซึ่งเป็นคอลัมน์ที่ส่องสว่างของก๊าซร้อน ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอน ไอออน และอะตอมที่เป็นกลาง

สถานะของก๊าซนี้เรียกว่าพลาสม่าซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าเนื่องจากมีอนุภาคบวกและลบจำนวนเท่ากัน

อุณหภูมิของคอลัมน์อาร์คสูงกว่าอุณหภูมิของจุดเดือดของโลหะของอิเล็กโทรดและชิ้นงาน และส่วนปลายของอิเล็กโทรดและชิ้นงานจะถูกแยกออกจากคอลัมน์อาร์คด้วยชั้นก๊าซระดับกลาง เรียกว่า อิเล็กโทรดใกล้ พื้นที่ของส่วนโค้ง (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. แบบแผนของส่วนโค้งเชื่อม
1 - อิเล็กโทรด; 2 - จุดแคโทด; 3 - ภูมิภาคแคโทด; 4 - คอลัมน์โค้ง; 5 - ภูมิภาคแอโนด; 6 - จุดขั้วบวก; 7 - สระเชื่อม; 8 - ส่วนเชื่อม

ในบริเวณแคโทด 3 อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาจากจุดแคโทด 2 ไปยังคอลัมน์อาร์ค 4 โดยที่พวกมันจะแตกตัวเป็นไอออนอะตอมที่เป็นกลาง

ในภูมิภาคแคโทดที่ความยาวเศษส่วนของมิลลิเมตรส่วนสำคัญของแรงดันอาร์คจะเข้มข้นซึ่งเรียกว่าแรงดันแคโทดตกและถึง 10 ... 16 V.

ในบริเวณแอโนด 5 ใกล้จุดแอโนด 6 มีแรงดันตกคร่อมบนเส้นทางว่างเฉลี่ยของอิเล็กตรอน แรงดันตกคร่อมนี้เรียกว่าแรงดันตกของแอโนด ซึ่งมีค่าเท่ากับ 6 ... 8 V ในบริเวณนี้ อิเล็กตรอนจะเพิ่มความเร็วอย่างรวดเร็วและถูกทำให้เป็นกลางที่จุดแอโนด แอโนดรับพลังงานจากส่วนโค้งในรูปของกระแสอิเล็กตรอนและการแผ่รังสีความร้อน ดังนั้นอุณหภูมิของบริเวณแอโนดจะสูงกว่าอุณหภูมิของบริเวณแคโทด และปล่อยความร้อนจำนวนมากที่แอโนด

เมื่อทำการเชื่อมด้วยกระแสตรงของขั้วตรง อุณหภูมิในโซนต่างๆ ของส่วนโค้งของการเชื่อม:

• ตรงกลางคอลัมน์อาร์ค - ประมาณ 6,000 ° C;
• ในบริเวณขั้วบวก - 2600 ° C;
• ในพื้นที่แคโทด - 2400 ° C;
• ในสระเชื่อม - 1700 ... 2000 ° C

เมื่อทำการเชื่อมด้วยกระแสสลับ การกระจายความร้อนของส่วนโค้งและอุณหภูมิในบริเวณแคโทดและแอโนดจะใกล้เคียงกัน (บริเวณแคโทดบนอิเล็กโทรด)

อาร์กไฟฟ้าเป็นการคายประจุไฟฟ้าที่ทรงพลังในระยะยาวระหว่างอิเล็กโทรดที่มีพลังงานในส่วนผสมของก๊าซและไอระเหยที่แตกตัวเป็นไอออนสูง ลักษณะ อุณหภูมิสูงก๊าซและกระแสไฟสูงในเขตปล่อย

อิเล็กโทรดเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ( หม้อแปลงเชื่อม) หรือกระแสตรง (เครื่องเชื่อมหรือวงจรเรียงกระแส) ​​ที่มีขั้วตรงและย้อนกลับ

เมื่อเชื่อมด้วยกระแสตรง อิเล็กโทรดที่เชื่อมต่อกับขั้วบวกเรียกว่าขั้วบวก และขั้วลบคือขั้วลบ ช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดเรียกว่าพื้นที่ช่องว่างส่วนโค้งหรือช่องว่างส่วนโค้ง (รูปที่ 3.4) ช่องว่างส่วนโค้งมักจะแบ่งออกเป็น 3 ลักษณะเฉพาะ:

1. บริเวณขั้วบวกที่อยู่ติดกับขั้วบวก;
2. ภูมิภาคแคโทด;
3. โพสต์อาร์ค

การจุดระเบิดด้วยอาร์คใด ๆ เริ่มต้นด้วยไฟฟ้าลัดวงจรเช่น จากไฟฟ้าลัดวงจรของอิเล็กโทรดกับผลิตภัณฑ์ ในกรณีนี้ U d \u003d 0 และกระแส I max \u003d I ลัดวงจร จุดแคโทดปรากฏขึ้นที่จุดปิด ซึ่งเป็นเงื่อนไข (จำเป็น) ที่ขาดไม่ได้สำหรับการดำรงอยู่ การปล่อยอาร์ค. โลหะเหลวที่เป็นผลลัพธ์ เมื่อถอนอิเล็กโทรด จะถูกยืดออก ทำให้ร้อนเกินไป และอุณหภูมิถึงจุดเดือด - อาร์กจะตื่นเต้น (จุดไฟ)

ส่วนโค้งสามารถจุดไฟได้โดยไม่ต้องสัมผัสอิเล็กโทรดเนื่องจากการแตกตัวเป็นไอออน เช่น การพังทลายของช่องว่างอากาศไดอิเล็กทริก (แก๊ส) เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นโดยออสซิลเลเตอร์ (การเชื่อมอาร์กอาร์กอน)

ช่องว่างอาร์คเป็นตัวกลางอิเล็กทริกที่ต้องแตกตัวเป็นไอออน

สำหรับการมีอยู่ของการปล่อยอาร์ค U d \u003d 16 ÷ 60 V ก็เพียงพอแล้ว การไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านช่องว่างอากาศ (อาร์ค) เป็นไปได้ก็ต่อเมื่อมีอิเล็กตรอน (อนุภาคเชิงลบพื้นฐาน) และไอออนอยู่ในนั้น: บวก ( +) ไอออน - โมเลกุลและอะตอมขององค์ประกอบทั้งหมด (รูปแบบที่เบากว่าโลหะ Me); ไอออนลบ (-) - สร้าง F, Cr, N 2, O 2 และองค์ประกอบอื่น ๆ ที่มีความสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนได้ง่ายขึ้น

รูปที่ 3.4 - แผนการเผาไหม้ส่วนโค้ง

บริเวณแคโทดของส่วนโค้งเป็นแหล่งของอิเล็กตรอนที่ทำให้ก๊าซแตกตัวเป็นไอออนในช่องว่างส่วนโค้ง อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดจะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าและเคลื่อนตัวออกจากแคโทด ในเวลาเดียวกันภายใต้อิทธิพลของสนามนี้ + ไอออนจะถูกส่งไปยังแคโทด:

คุณ d \u003d คุณ k + คุณ c + คุณ a;

บริเวณแอโนดมีปริมาตรมากกว่ามาก U a< U к.

คอลัมน์อาร์ค - ส่วนหลักของช่องว่างส่วนโค้งคือส่วนผสมของอิเล็กตรอน + และ - ไอออน และอะตอมที่เป็นกลาง (โมเลกุล) คอลัมน์อาร์คเป็นกลาง:

∑ ชาร์จ neg. = ∑ ประจุของอนุภาคบวก

พลังงานในการรักษาส่วนโค้งคงที่นั้นมาจากแหล่งจ่ายไฟของแหล่งจ่ายไฟ

อุณหภูมิ ขนาดของแอโนดและแคโทดโซนและปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาต่างกัน - เป็นตัวกำหนดการมีอยู่ของขั้วตรงและขั้วย้อนกลับเมื่อทำการเชื่อมด้วยกระแสตรง:

ถาม > Q ถึง; คุณอา< U к.

• เมื่อต้องการความร้อนจำนวนมากเพื่อให้ความร้อนแก่ขอบของโลหะที่มีความหนามาก จะใช้ขั้วตรง (เช่น เมื่อพื้นผิว)
• ด้วยโลหะเชื่อมที่มีผนังบางและไม่ร้อนเกินไป ขั้วไฟฟ้าย้อนกลับ (+ บนอิเล็กโทรด)

อาร์คไฟฟ้าและคุณสมบัติของมัน

การเชื่อมอาร์กไฟฟ้ามีการกระจายมากที่สุดในวิศวกรรมเครื่องกล ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติของการเชื่อมอาร์คไฟฟ้า

อาร์กไฟฟ้าเป็นการปลดปล่อยกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้ว ซึ่งเกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นก๊าซ อาร์คไฟฟ้าที่ใช้ในการเชื่อมโลหะเรียกว่าอาร์คเชื่อม ส่วนโค้งดังกล่าวในกรณีส่วนใหญ่จะไหม้ระหว่างอิเล็กโทรดกับชิ้นงาน กล่าวคือ เป็นส่วนโค้งตรง

ส่วนโค้งของกระแสตรงตรง การเผาไหม้ระหว่างอิเล็กโทรดโลหะ (แคโทด) และโลหะที่เชื่อม (แอโนด) มีพื้นที่ที่แยกแยะได้ชัดเจนหลายจุด (รูปที่ 2.3) ช่องก๊าซนำไฟฟ้าที่เชื่อมต่ออิเล็กโทรดมีรูปร่างเป็นกรวยหรือทรงกระบอกที่ถูกตัดทอน คุณสมบัติของ Its ระยะทางที่แตกต่างกันจากอิเล็กโทรดไม่เหมือนกัน ก๊าซชั้นบางที่อยู่ติดกับอิเล็กโทรดมีค่าสัมพัทธ์ อุณหภูมิต่ำ. ขึ้นอยู่กับขั้วของอิเล็กโทรดที่พวกมันอยู่ติดกัน เลเยอร์เหล่านี้เรียกว่า cathodic 2 และขั้วบวก 4 พื้นที่ส่วนโค้ง

ความยาวของบริเวณแคโทด lkถูกกำหนดโดยเส้นทางอิสระเฉลี่ยของอะตอมที่เป็นกลางและ is

̃ ประมาณ 10 -5 ซม. ความยาวของภาคแอโนด l aถูกกำหนดโดยเส้นทางว่างของอิเล็กตรอนและมีขนาดประมาณ 10 -3 ซม. ระหว่างบริเวณใกล้อิเล็กโทรดเป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงและยืดออกมากที่สุด - คอลัมน์อาร์ค ล. 3

บนพื้นผิวของแคโทดและแอโนดเกิดจุดขึ้นเรียกว่าแคโทดตามลำดับ 1 และขั้วบวก 5 จุดซึ่งเป็นฐานของคอลัมน์อาร์คซึ่งกระแสเชื่อมทั้งหมดผ่านไป จุดอิเล็กโทรดมีความโดดเด่นด้วยความสว่างของการเรืองแสงที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (2600 ... 3200 K) อุณหภูมิในคอลัมน์ส่วนโค้งถึง 6000...8000 K.

ความยาวส่วนโค้งทั้งหมด l dเท่ากับผลรวมของความยาวของทั้งสามภาค (l d ​​​​\u003d l a + l k)และสำหรับสภาพจริงคือ 2 ... 6 mm.

แรงดันไฟรวมของส่วนโค้งเชื่อม ตามลำดับ คือผลรวมของแรงดันตกคร่อมใน บางพื้นที่โค้ง และอยู่ในช่วง 20 ถึง 40 V การพึ่งพาแรงดันไฟฟ้าในส่วนโค้งของการเชื่อมตามความยาวของมันอธิบายโดยสมการ , ที่ไหน ก -ผลรวมของแรงดันไฟตกในบริเวณแคโทดและแอโนด V; l d- ความยาวคอลัมน์โค้งมม. ข-แรงดันไฟฟ้าตกเฉพาะในส่วนโค้งคือ หมายถึงความยาวคอลัมน์โค้ง 1 มม. V/mm.

หนึ่งในคุณสมบัติหลักของการปล่อยอาร์คไฟฟ้าคือลักษณะแรงดันกระแสคงที่ - การพึ่งพาแรงดันอาร์คที่ความยาวอาร์คคงที่ของกระแสในนั้น (รูปที่ 2.4)

เมื่อความยาวของส่วนโค้งเพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น และส่วนโค้งของลักษณะพิเศษของแรงดันกระแสไฟฟ้าสถิตย์ของส่วนโค้งจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่คงรูปร่างไว้โดยประมาณ (ส่วนโค้ง a, b, c) มีความโดดเด่นสามภูมิภาค: ล้ม I, แข็ง (เกือบแนวนอน) II และเพิ่มขึ้น III ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการเผาไหม้ส่วนโค้งส่วนใดส่วนหนึ่งของลักษณะนี้สอดคล้องกับมัน ในการเชื่อมอาร์กด้วยมือด้วยอิเล็กโทรดเคลือบ การเชื่อมในก๊าซป้องกันด้วยอิเล็กโทรดที่ไม่สิ้นเปลืองและการเชื่อมอาร์กที่จมอยู่ใต้น้ำบนพื้นที่ที่ค่อนข้าง ความหนาแน่นสูงปัจจุบันลักษณะของส่วนโค้งจะลดลงในตอนแรกและด้วยกระแสที่เพิ่มขึ้นจะกลายเป็นส่วนที่แข็งกระด้าง ในขณะเดียวกัน เมื่อกระแสเชื่อมเพิ่มขึ้น ส่วนตัดขวางของเสาอาร์คและพื้นที่ ภาพตัดขวางจุดแอโนดและแคโทด ความหนาแน่นกระแสและแรงดันอาร์คยังคงที่

เมื่อเชื่อมอาร์กที่จมอยู่ใต้น้ำและป้องกันแก๊สด้วยลวดอิเล็กโทรดแบบบางที่ความหนาแน่นกระแสสูง ลักษณะอาร์กจะเพิ่มขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดแคโทดและแอโนดจะเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโทรดและไม่สามารถเพิ่มได้อีก ในช่องว่างอาร์ค การเกิดไอออไนซ์อย่างสมบูรณ์ของโมเลกุลก๊าซเกิดขึ้น และการเพิ่มขึ้นของกระแสเชื่อมสามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อความเร็วของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและไอออนเพิ่มขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ เนื่องจากความแรงของสนามไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ดังนั้น ในการเพิ่มกระแสเชื่อม จำเป็นต้องเพิ่มแรงดันอาร์ค

อาร์กเชื่อมเป็นแหล่งความร้อนที่มีความเข้มข้นสูง เกือบทั้งหมด พลังงานไฟฟ้าที่ส่วนโค้งกินเข้าไปจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน สมบูรณ์ พลังงานความร้อนโค้ง Q \u003d ฉัน sv คุณ d(J/s) ขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสเชื่อม ฉัน St(A) และแรงดันอาร์ค คุณ d(ที่).

ควรสังเกตว่าความร้อนทั้งหมดของส่วนโค้งนั้นไม่ได้ถูกใช้ไปในการให้ความร้อนและการหลอมโลหะ ส่วนหนึ่งของมันถูกใช้ไปอย่างไร้ประโยชน์เพื่อให้ความร้อนกับอากาศโดยรอบหรือก๊าซป้องกัน รังสี ฯลฯ ในแง่นี้พลังงานความร้อนที่มีประสิทธิภาพของส่วนโค้ง q eff(J / s) (ความร้อนส่วนนั้นของส่วนโค้งที่นำเข้าโดยตรงไปยังผลิตภัณฑ์) ถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์ต่อไปนี้: โดยที่ η คือปัจจัยด้านประสิทธิภาพ (COP) ของกระบวนการให้ความร้อนแก่ผลิตภัณฑ์ด้วยส่วนโค้งของการเชื่อม ซึ่งกำหนดโดยสังเกตจากประสบการณ์

ค่าสัมประสิทธิ์ η ขึ้นอยู่กับวิธีการเชื่อม วัสดุอิเล็กโทรด องค์ประกอบของสารเคลือบหรือฟลักซ์ และปัจจัยอื่นๆ อีกหลายประการ ตัวอย่างเช่น เมื่อเชื่อมด้วยอาร์กเปิดด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอนหรือทังสเตน ค่าเฉลี่ย 0.6; เมื่อเชื่อมด้วยอิเล็กโทรดเคลือบ (คุณภาพสูง) - ประมาณ 0.75; ในการเชื่อมอาร์คใต้น้ำ - 0.8 ขึ้นไป