Виды электрической дуги. Электрическая дуга: описание и характеристики

К атегория:

Сборка металлоконструкций

Электрическая дуга и ее свойства

Электрическая дуга представляет собой длительный электрический разряд, происходящий в газовом промежутке между двумя проводниками - электродом и свариваемым металлом при значительной силе тока. Непрерывно возникающая под действием стремительного потока положительных и отрицательных ионов и электронов в дуге ионизация воздушной прослойки создает необходимые условия для продолжительного устойчивого горения сварочной дуги.

Рис. 1. Электрическая дуга между металлическим электродом и свариваемым металлом: а - схема дуги, б - график напряжений дуги длиной 4 мм; 1 - электрод, 2 - ореол пламени, 3 - столб дуги, 4 - свариваемый металл, 5 - анодное пятно, 6 - расплавленная ванна, 7 - кратер, 8 - катодное пятно; h - глубина проплавления в дуге, А - момент зажигания дуги, Б - момент устойчивого горения

Дуга состоит из столба, основание которого находится в углублении (кратере), образующемся на поверхности расплавленной ванны. Дуга окружена ореолом пламени, образуемым парами и газами, поступающими из столба дуги. Столб имеет форму конуса и является основной частью дуги, так как в нем сосредоточивается основное количество энергии, соответствующее наибольшей плотности проходящего через дугу электрического тока. Верхняя часть столба, расположенная на электроде 1 (катоде), имеет небольшой диаметр и образует катодное пятно 8. Через катодное пятно излучается наибольшее количество электродов. Основание конуса столба дуги расположено на свариваемом металле (аноде) и образует анодное пятно. Диаметр анодного пятна при средних значениях сварочного тока больше диаметра катодного пятна примерно в 1,5 … 2 раза.

Для сварки применяют постоянный и переменный ток. При использовании постоянного тока минус источника тока подключают к электроду (прямая полярность) или к свариваемому изделию “”{обратная полярность). Обратную полярность применяют в тех случаях, когда нужно уменьшить выделение теплоты на свариваемом изделии: при сварке тонкого или легкоплавкого металла, чувствительных к перегреву легированных, нержавеющих и высокоуглеродистых сталей, а также при пользовании некоторыми видами электродов.

Выделяя большое количество теплоты и имея высокую темпе-оатуру. электрическая дуга вместе с тем дает очень сосредоточенный нагрев металла. Поэтому металл во время сварки остается сравнительно мало нагретым уже на расстоянии нескольких сантиметров от сварочной дуги.

Действием дуги металл расплавляется на некоторую глубину h называемую глубиной проплавления или проваром.

Возбуждение дуги происходит при приближении электрода к свариваемому металлу и замыкании им сварочной цепи накоротко. Благодаря высокому сопротивлению в точке соприкосновения электрода с металлом конец электрода быстро нагревается и начинает излучать поток электронов. Когда конец электрода быстро отводят от металла на расстояние 2…4 мм, возникает электрическая дуга.

Напряжение в дуге, т. е. напряжение между электродом и основным металлом, зависит в основном от ее длины. При одном и том же токе напряжение в короткой дуге ниже, чем в длинной. Это обусловлено тем, что при длинной дуге сопротивление ее газового промежутка больше. Возрастание же сопротивления в электрической цепи при постоянной силе тока требует увеличения напряжения в цепи. Чем выше сопротивление, тем выше должно быть и напряжение для того, чтобы обеспечить прохождение в цепи того же тока.

Дуга между металлическим электродом и металлом горит при напряжении 18… 28 В. Для возбуждения дуги требуется более высокое напряжение, чем то, которое необходимо для поддержания ее нормального горения. Это объясняется тем, что в начальный момент воздушный промежуток еще недостаточно нагрет и необходимо придать электронам большую скорость для расцепления молекул и атомов воздуха. Этого можно достичь только при более высоком напряжении в момент зажигания дуги.

График изменения тока I в дуге при ее зажигании и устойчивом горении (рис. 1, б) называется статической характеристикой дуги и соответствует установившемуся горению дуги. Точка А характеризует момент зажигания дуги. Напряжение дуги V быстро падает по кривой АБ до нормальной величины, соответствующей в точке Б устойчивому горению дуги. Дальнейшее увеличение тока (вправо от точки Б) увеличивает нагрев электрода и скорость его плавления, но не оказывает влияния на устойчивость горения дуги.

Устойчивой называется дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания. Если дуга горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, то такая дуга называется неустойчивой. Устойчивость дуги зависит от многих причин, основными из которых являются род тока, состав покрытия электрода, вид электрода, полярность и длина дуги.

При переменном токе дуга горит менее устойчиво, чем при постоянном. Это объясняется тем, что в тот момент, когда ток п, дает до нуля, ионизация дугового промежутка уменьшается и дуга может гаснуть. Чтобы повысить устойчивость дуги переменного тока, приходится наносить на металлический электрод ио-крытия. Пары элементов, входящих в покрытие, повышают ионизацию дугового промежутка и тем способствуют устойчивому горению дуги при переменном токе.

Длину дуги определяют расстоянием между торцом электрода и поверхностью расплавленного металла свариваемого изделия. Обычно нормальная длина дуги не должна превышать 3…4 мм для стального электрода. Такая дуга называется короткой. Короткая дуга горит устойчиво и при ней обеспечивается нормальное протекание процесса сварки. Дуга длиной больше 6 мм называется длинной. При ней процесс плавления металла электрода идет неравномерно. Стекающие с конца электрода капли металла в этом случае в большей степени могут окисляться кислородом и обогащаться азотом воздуха. Наплавленный металл получается пористым, шов имеет неровную поверхность, а дуга горит неустойчиво. При длинной дуге понижается производительность сварки, увеличивается разбрызгивание металла и количество мест непровара или неполного сплавления наплавленного металла с основным.

Перенос электродного металла на изделие при дуговой сварке плавящимся электродом является сложным процессом. После зажигания дуги (положение /) на поверхности торца электрода образуется слой расплавленного металла, который под действием сил тяжести и поверхностного натяжения собирается в каплю (положение //). Капли могут достигать больших размеров и перекрывать столб дуги (положение III ), создавая на непродолжительное время короткое замыкание сварочной цепи, после чего образовавшийся мостик из жидкого металла разрывается, дуга возникает вновь, и процесс каплеобразования повторяется.

Размеры и количество капель, проходящих через дугу в единицу времени, зависят от полярности и силы тока, химического состава и физического состояния металла электрода, состава покрытия и ряда других условий. Крупные капли, достигающие 3…4 мм, обычно образуются при сварке непокрытыми электро-дами, мелкие капли (до 0,1 мм)-при сварке покрытыми электл родами и большой силе тока. Мелкокапельный процесс обеспечивает стабильность горения дуги и благоприятствует условиям переноса в дуге расплавленного металла электрода.

Рис. 2. Схема переноса металла с электрода на свариваемый металл

Рис. 3. Отклонение электрической дуги магнитными полями (а-ж)

Сила тяжести может способствовать или препятствовать переносу капель в дуге. При потолочной и частично при вертикальной сварке сила тяжести капли противодействует переносу ее на изделие. Но благодаря силе поверхностного натяжения жидкая ванна металла удерживается от вытекания при сварке в потолочном и вертикальном положениях.

Прохождение электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создает магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Газовый столб электрической дуги является гибким проводником электрического тока, поэтому он подвержен действию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре. В нормальных условиях газовый столб дуги, открыто горящей в атмосфере, расположен симметрично оси электрода. Под действием электромагнитных сил происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении, что по внешним признакам подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. Это явление называют магнитным дутьем.

Присоединение сварочного провода в непосредственной близости к дуге резко снижает ее отклонение, так как собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздействие на столб дуги. Подвод тока к изделию в отдалении от Дуги приведет к отклонению ее вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода.

• Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́, дугово́й разря́д) - физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.

  Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. Петровым в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества - плазмы - и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

  Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

  При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 - 5 В, а напряжение дугообразования - в два раза больше (9 - 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона - до 6 В).

  Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

  Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд - плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

  Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

  После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

  При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Электрическая дуга - это электрический разряд в газах. Газ сам по себе является изолятором, в нем нет носителей тока. При образовании в газе большого количества электрически заряженных частиц - свободных электронов с отрицательным знаком заряда и положительно и отрицательно заряженных ионов газ начинает проводить ток.

При контакте торца электрода с основным металлом выделяется большое количество тепла, в результате чего ускоряется движение свободных электронов.

При отрыве электрода от основного металла в межэлектродном промежутке электроны сталкиваются с нейтральными атомами газа и ионизируют их, т.е. разделяют на ионы с разными знаками заряда. В результате газ становится электропроводным. Виды эмиссии (выхода) электронов с поверхности торца электрода:

• термоэлектронная эмиссия;
• автоэлектронная эмиссия;
• фотоэлектронная эмиссия;
• эмиссия электронов за счет потоков тяжелых ионов.

На стабильное горение дуги оказывают влияние процессы образования (ионизации) свободных электронов и ионов в объеме нейтрального газа электрической дуги. Рассмотрим виды ионизации в электрическом разряде.

Ионизация соударением. Движение электронов сильно ускоряется под действием электрического поля в катодной области. Они встречают на своем пути нейтральные атомы газов, ударяются о них и выбивают электроны. Ионизация нагревом (термическая ионизация). Образование ионов в газовой среде наблюдается при температуре выше 1750°С. Ионизация нагревом протекает за счет неупругих столкновений частиц газа с большим запасом кинетической энергии. Ионизация облучения (фотоионизация). При этом ионизация газов в электрической дуге вызывает воздействие на газовый промежуток энергии светового излучения. Ионизация излучением будет происходить в том случае, если энергия световых квантов превысит энергию, необходимую для ионизации частиц газа.

Свойства сварочной дуги

Зажигание сварочной дуги начинается с момента касания электродом свариваемого металла, т.е. с короткого замыкания.

На рис. 1 приведена последовательность процессов при зажигании сварочной дуги.

Так как торец электрода и поверхность свариваемого металла имеют неровности, то контакт между ними при коротком замыкании происходит в отдельных точках (рис. 1а).

Рис.1. Последовательность зажигания сварочной дуги
а - короткое замыкание; б - образование перемычки из жидкого металла; в - возникновение дуги

Поэтому плотность тока в точках контакта достигает больших значений, металл мгновенно расплавляется, образуя перемычку из жидкого металла между электродом и свариваемым металлом (рис. 1б).

При отводе электрода от поверхности металла на некоторую длину, называемую длиной дуги L, жидкая перемычка растягивается с уменьшение сечения, затем в момент достижения металлом перемычки температура кипения испаряется и происходит разрыв перемычки (рис. 1в).

Образуется разрядный промежуток, который заполняется заряженными частицами паров металла, покрытия электрода и газов. Так возникает сварочная дуга, которая представляет собой светящийся столб нагретого газа, состоящего из электронов, ионов и нейтральных атомов.

Это состояние газа называется плазмой, которая электрически нейтральна, так как в ней количество положительных и отрицательных частиц одинаково.

Температура столба дуги выше температуры точки кипения металла электрода и изделия, и конец электрода и изделие отделены от столба дуги промежуточными газовыми слоями, называемыми приэлектродными областями дуги, (рис. 2).

Рис. 2. Схема сварочной дуги.
1 - электроды; 2 - катодное пятно; 3 - катодная область; 4 - столб дуги; 5 - анодная область; 6 - анодное пятно; 7 - сварочная ванна; 8 - свариваемая деталь.

В катодной области 3 из катодного пятна 2 происходит эмиссия электронов в столб дуги 4, где они ионизируют нейтральные атомы.

В катодной области на длине в доли миллиметра сосредоточена значительная часть напряжения дуги, которое называется катодным падением напряжения и достигает 10...16 В.

В анодной области 5 около анодного пятна 6 происходит резкое падение напряжения на длине свободного пробега электрона. Это падение напряжения называется анодным падением напряжения, величина которого составляет 6…8 В. На этом участке электроны резко увеличивают скорость своего движения и нейтрализуются на анодном пятне. Анод получает энергию от дуги в виде потока электронов и теплового излучения, поэтому температура анодной области выше температуры катодной области, и на аноде выделяется большое количество тепла.

При сварке на постоянном токе прямой полярности температура в различных зонах сварочной дуги:

• в середине столба дуги - около 6000°С;
• в анодной области - 2600°С;
• в катодной области - 2400°С;
• в сварочной ванне – 1700…2000 °С.

При сварке на переменном токе распределение тепла дуги и температура в катодной и анодной областях примерно одинаково (катодная область на электроде).

Электрическая дуга – это мощный, длительно существующий между находящимися под напряжением электродами, электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров. Характеризуется высокой температурой газов и большим током в зоне разряда.

Электроды подключаются к источникам переменного (сварочный трансформатор) или постоянного тока (сварочный генератор или выпрямитель) при прямой и обратной полярности.

При сварке постоянным током электрод подсоединенный к положительному полюсу называется анодом, а к отрицательному – катодом. Промежуток между электродами называется областью дугового промежутка или дуговым промежутком (рисунок 3.4). Дуговой промежуток обычно разделяют на 3 характерные области:

1. анодная область, примыкающая к аноду;
2. катодная область;
3. столб дуги.

Любое зажигание дуги начинается с короткого замыкания, т.е. с замыкания электрода с изделием. При этом U д = 0, а ток I max = I кор.замык. В месте замыкания появляется катодное пятно, которое является непременным (необходимым) условием существования дугового разряда. Образующийся жидкий металл при отводе электрода растягивается, перегревается и температура достигает, до температуры кипения – возбуждается (зажигается) дуга.

Зажигание дуги можно производить и без соприкосновения электродов за счет ионизации, т.е. пробоя диэлектрического воздушного (газового) промежутка за счет повышения напряжения осцилляторами (аргонодуговая сварка).

Дуговой промежуток является диэлектрической средой, которое необходимо ионизировать.

Для существования дугового разряда достаточно U д = 16÷60 В. Прохождение электрического тока через воздушный (дуговой) промежуток возможно только при наличии в нем электронов (элементарных отрицательных частиц) и ионов: положительные (+) ионы – все молекулы и атомы элементов (легче образуют металлы Ме); отрицательные (–) ионы – легче образуют F, Cr, N 2 , O 2 и другие элементы обладающие сродством к электронам е.

Рисунок 3.4 – Схема горения дуги

Катодная область дуги является источником электронов, ионизирующих газы в дуговом промежутке. Электроны выделившиеся из катода ускоряются электрическим полем и удаляются от катода. Одновременно под воздействием этого поля к катоду направляются +ионы:

U д = U к + U с + U а;

Анодная область имеет значительно больший объем U a < U к.

Столб дуги – основная доля дугового промежутка представляет смесь электронов, + и – ионов и нейтральных атомов (молекул). Столб дуги нейтрален:

∑зар.отр. = ∑зарядов положит.частиц.

Энергия для поддержания стационарной дуги поступает от источника питания ИП.

Разная температура, размеров анодных и катодных зон и разное количество тепла выделяющейся – обуславливает существование при сварке на постоянном токе прямой и обратной полярности:

Q a > Q к; U a < U к.

• при требовании большого количества тепла для прогрева кромок больших толщин металла применяется прямая полярность (например, при наплавке);
• при тонкостенных и не допускающих перегрева свариваемых металлов обратная полярность (+ на электроде).

Электрическая дуга и её свойства

Наибольшее распространение в машиностроении получила электродуговая сварка. Рассмотрим подробнее особенности электродуговой сварки.

Электрической дугой называется продолжительный разряд электрического тока между двумя электродами, происходящий в газовой среде. Электрическая дуга, используемая для сварки металлов, называется сварочной дугой. Такая дуга в большинстве случаев горит между электродом и изделием, т.е. является дугой прямого действия.

Дуга прямого действия постоянного тока, горящая между металлическим электродом (катодом) и свариваемым металлом (анодом), имеет несколько ясно различимых областей (рис.2.3). Электропроводный газовый канал, соединяющий электроды, имеет форму усеченного конуса или цилиндра. Его свойства на различных расстояниях от электродов неодинаковы. Тонкие слои газа, примыкающие к электродам, имеют сравнительно низкую температуру. В зависимости от полярности электрода, к которому они примыкают, эти слои называются катодной 2 и анодной 4 областями дуги.

Протяженность катодной области l k определяется длиной свободного пробега нейтральных атомов и составляет

̃порядка 10 -5 см. Протяженность анодной области l a определяется длиной свободного пробега электрона и составляет примерно 10 -3 см. Между приэлектродными областями располагается наиболее протяженная, высокотемпературная область разряда - столб дуги l c 3.

На поверхности катода и анода образуются пятна, называемые, соответственно, катодное 1 и анодное 5 пятно, являющиеся основаниями столба дуги, через которые проходит весь сварочный ток. Электродные пятна выделяются яркостью свечения при сравнительно невысокой их температуре (2600... 3200 К). Температура в столбе дуги достигается 6000...8000 К.

Общая длина сварочной дуги l д равна сумме длин всех трех её областей (l д =l a +l k) и для реальных условий составляет 2...6 мм.

Общее напряжение сварочной дуги, соответственно, слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги и находится в пределах от 20 до 40 В. Зависимость напряжения в сварочной дуге от её длины описывается уравнением , где а - сумма падений напряжений в катодной и анодной областях, В; l д - длина столба дуги, мм; b - удельное падение напряжения в дуге, т.е. отнесенное к 1 мм длины столба дуги, В/мм.

Одной из основных характеристик электрического дугового разряда является статическая вольт-амперная характеристика - зависимость напряжения дуги при постоянной ее длине от силы тока в ней (рис.2.4).

С увеличением длины дуги напряжение увеличивается и кривая статической вольтамперной характеристики дуги поднимается выше, примерно сохраняя при этом свою форму (кривые, а, б, в). На ней различают три области: падающую I, жесткую (почти горизонтальную) II и возрастающую III. В зависимости от условий горения дуги ей соответствует один из участков характеристики. При ручной дуговой сварке покрытыми электродами, сварке в защитных газах неплавящимся электродом и сварке под флюсом на сравнительно небольших плотностях тока характеристика дуги будет вначале падающей, а при увеличении тока полностью перейдет в жесткую. При этом с увеличением сварочного тока пропорционально увеличиваются поперечное сечение столба дуги и площади поперечного сечения анодного и катодного пятен. Плотность тока и напряжение дуги остаются постоянными.

При сварке под флюсом и в защитных газах тонкой электродной проволокой на больших плотностях тока характеристика дуги становится возрастающей. Это объясняется тем, что диаметры катодного и анодного пятен становятся равными диаметру электрода и больше увеличиваться не могут. В дуговом промежутке наступает полная ионизация газовых молекул и дальнейшее увеличение сварочного тока может происходить лишь за счет увеличения скорости движения электронов и ионов, т. е. за счет увеличения напряженности электрического поля. Поэтому для дальнейшего увеличения сварочного тока требуется увеличение напряжения дуги.

Сварочная дуга представляет собой мощный концентрированный источник теплоты. Почти вся электрическая энергия, потребляемая дугой, превращается в тепловую. Полная тепловая мощность дуги Q=I св U д (Дж/с) зависит от силы сварочного тока I св (А) и напряжения дуги U д (В).

Следует отметить, что не вся теплота дуги затрачивается на нагрев и плавление металла. Часть её бесполезно расходуется на нагрев окружающего воздуха или защитного газа, радиационное излучение и т.д. В связи с этим эффективная тепловая мощность дуги q эф (Дж/с) (та часть теплоты сварочной дуги, которая вводится непосредственно в изделие) определяется следующим соотношением: где η - коэффициент полезного действия (КПД) процесса нагрева изделия сварочной дугой, определяемый опытным путем.

Коэффициент η зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов. Например, при сварке открытой дугой угольным или вольфрамовых электродом он составляет в среднем 0,6; при сварке покрытыми (качественными) электродами - около 0,75; при сварке под флюсом - 0,8 и более.