Какие физические явления сопровождают протекание дугового разряда

Сварочная дуга. Характеристика сварочной дуги

Сварочной дугой называют мощный, длительно существующий электрический разряд между находящимися под напряжением электродами в смеси газов и паров. Дуга характеризуется высокой температурой и большой плотностью тока. Сварочная дуга как потребитель энергии и источник питания дуги (сварочный трансформатор, генератор или выпрямитель) образует взаимно связанную энергетическую систему.

Различают два режима работы этой системы: 1) статический, когда величины напряжения и тока в системе в течение достаточно длительного времени не изменяются; 2) переходной (динамический), когда величины напряжения и тока в системе непрерывно изменяются. Однако во всех случаях режим горения сварочной дуги определяется током (I_Д), напряжением (U_Д), величиной промежутка между электродами (так называемым дуговым промежутком) и связью между ними.

В дуговом промежутке I_Д (рис. 1, а) различают три области: анодную 1, катодную 2 и столб дуги 3. Падение напряжения в анодной и катодной областях постоянно для данных условий сварки. Падение напряжения в единице длины столба дуги — также величина постоянная. Поэтому зависимость напряжения дуги от ее длины имеет линейный характер (рис. 1, б).

Устойчивость сварочной дуги определяется соотношением между током и напряжением. Графическое изображение этой зависимости (рис. 2) при постоянной длине дуги называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. На графике отчетливо видны три основных участка: увеличение тока на участке I сопровождается понижением напряжения на дуге; на участке II напряжение на дуге изменяется мало; на участке III напряжение возрастает. Режимы горения сварочной дуги, соответствующие первому участку, неустойчивы при напряжениях существующих источников питания. Практически сварочная дуга будет устойчивой на втором и третьем участках вольт-амперной характеристики. С увеличением или уменьшением длины дуги характеристики сместятся соответственно в положение 2 и 3 (см. рис. 2). Для электродов меньшего диаметра характеристики смещаются влево, большего диаметра — вправо.

Рис. 1. Сварочная дуга, горящая между неплавящимися электродами:а — схема дуги, б — зависимость напряжения дуги (Уд) от величины дугового промежутка (/д): 1 — анодная область, 2 — катодная область, 3 — столб дуги

Рис.2 Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ)

Показанная на рис. 2 вольт-амперная характеристика дуги снята при постоянной длине сварочной дуги. При сварке плавящимся электродом непрерывно меняется длина дугового промежутка. В этих случаях следует пользоваться характеристиками, определяющими зависимость между напряжением и током дуги при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 3, кривые 1 и 2). Каждой скорости подачи соответствует определенный диапазон токов, при котором устойчиво горит сварочная дуга и плавится электрод. В этом случае при малых изменениях тока напряжение изменяется в больших пределах. Эту зависимость принято называть характеристикой устойчивой работы. Она так же, как и вольт-амперная характеристика, зависит от длины вылета электрода и скорости подачи.

Эти закономерности справедливы для постоянного и переменного тока, так как род тока не влияет на форму вольт-амперных характеристик электрической дуги. На форму характеристики влияют геометрия и материал электродов, условия охлаждения столба дуги и характер среды, в которой происходит разряд.

Устойчивость сварочной дуги и режима сварки зависят от условий существования дугового разряда и свойств, параметров источников питания и электрической цепи. Внешней характеристикой источника питания (кривая 3 на рис. 3) называется зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки. Различаются следующие внешние характеристики источников питания (рис. 4): падающая 1, полого-падающая 6, жесткая 5, возрастающая 3 и вертикальная 2. Источник питания с той или иной внешней характеристикой выбирается в зависимости от способа сварки. Регулировочное устройство каждого источника дает ряд внешних характеристик («семейство характеристик»). Установившийся режим работы системы: «сварочная дуга — источник питания» определяется точкой пересечения А внешней характеристики источника питания (1, 2, 3, 5 или 6) и вольт-амперной характеристики 7 сварочной дуги.

Рис.3 Вольт-амперная характеристика сварочной дуги (ВАХ) 1,2 при постоянной скорости подачи проволоки (характеристика устойчивой работы) и внешние характеристики источников питания 3, 4 и 5

Рис.4 Внешние характеристики источников питания 1, 2, 3, 5, 6 и вольт-амперные характеристики сварочной дуги 4, 7

Процесс сварки будет устойчив, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных значениях напряжения и тока. Как видно из рис. 4, в точках А и В пересечения внешних характеристик дуги 7 и источника питания будет иметь место равновесие по току и напряжению. Если по какой-либо причине ток в сварочной дуге, соответствующий точке А, уменьшится, напряжение ее окажется меньше установившейся величины напряжения источника питания; это приведет к увеличению тока, т. е. к возврату в точку А. Наоборот, при случайном увеличении тока установившиеся напряжения источника питания оказываются меньше напряжения дуги; это приведет к уменьшению тока и, следовательно, к восстановлению режима горения сварочной дуги. Из аналогичных рассуждений ясно, что в точке Б сварочная дуга горит неустойчиво. Всякие случайные изменения тока развиваются до тех пор, пока он не достигнет величины, соответствующей точке устойчивого равновесия А или до обрыва дуги. При пологопадающей внешней характеристике (кривая 6) устойчивое горение дуги будет также происходить в точке А.

При работе на падающем участке вольт-амперной характеристики дуги внешняя характеристика источника в рабочей точке должна быть более крутопадающей, чем статическая характеристика сварочной дуги. При возрастающих характеристиках дуги внешние характеристики источника могут быть жесткими 5 или даже возрастающими 3.

При ручной сварке, когда возможны изменения длины дуги, она должна обладать достаточным запасом устойчивости.

При прочих равных условиях запас устойчивости возрастает с ростом крутизны внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной сварки применяют источники с крутопадающими характеристиками: сварщик может удлинить дугу, не опасаясь, что она оборвется, или укоротить ее, не боясь чрезмерного увеличения тока.

Саморегулирование сварочной дуги. При автоматической или полуавтоматической сварке плавящимся электродом скорость подачи его (va) равна скорости плавления. При случайном уменьшении дугового промежутка (кривая 4 на рис. 4) ток увеличивается и проволока начнет плавиться быстрее. В итоге дуговой промежуток постепенно увеличится и сварочная дуга достигнет первоначальной длины. То же произойдет при случайном удлинении дуги. Это явление называется саморегулированием сварочной дуги, так как восстановление исходного режима происходит без воздействия какого-либо регулятора. Саморегулирование происходит тем активнее, чем положе внешняя характеристика источника питания и больше скорость подачи электрода. Поэтому для механизированной сварки плавящимся электродом следует выбирать источники питания с пологопадающими внешними характеристиками. При сварке на постоянном токе в защитных газах, когда статическая характеристика сварочной дуги приобретает возрастающую форму, для систем саморегулирования рационально применять источники с жесткой характеристикой. Однако их напряжение холостого хода невелико и может быть даже меньше рабочего напряжения дуги, что затрудняет ее первоначальное возбуждение. В этих случаях желательно применение источников питания, у которых внешняя характеристика в рабочей части жесткая или пологовозрастающая вольт-амперная характеристика, а напряжение холостого хода несколько повышенное, как это показано пунктиром на рис. 4.

Сварочная дуга переменного тока требует от источников питания надежного повторного возбуждения сварочной дуги. Это достигается правильным выбором соотношений между напряжениями холостого хода, зажигания и горения дуги и параметрами сварочной цепи. Наиболее простой способ получения устойчивой сварочной дуги — включение в сварочную цепь реактивного сопротивления. Благодаря этому, в момент повторного возбуждения дуги напряжение на дуге может резко увеличиться (рис. 5) до значения напряжения зажигания (U3). Пунктирная кривая t/xx изображает напряжение источника питания при холостом ходе. При нагрузке, в связи с наличием реактивного сопротивления, сварочный ток отстает по времени от напряжения.

При обрыве дуги напряжение на дуговом промежутке должно подняться до величины, соответствующей мгновенному значению напряжения холостого хода источника питания. Благодаря отставанию тока от напряжения, такое напряжение оказывается достаточным для повторного возбуждения сварочной дуги (Un).

Перенос металла в сварочной дуге и требования к динамическим свойствам источников питания. Различают следующие виды переноса металла электрода в сварочную ванну: крупнокапельный, характерный для малых плотностей тока; мелкокапельный, струйный, когда металл стекает с электрода очень мелкими каплями. Капли расплавленного металла периодически замыкают дуговой промежуток, либо если не происходят короткие замыкания, периодически изменяют длину дуги. При большой плотности тока в электроде наблюдается мелкокапельный перенос металла, без заметных колебаний длины и напряжения сварочной дуги.

Напряжение, ток и длина дуги претерпевают периодические изменения от холостого хода к короткому замыканию; в рабочем режиме происходит горение дуги, образование и рост капли. В дальнейшем при коротком замыкании между каплей и ванной ток резко увеличивается. Это приводит к сжатию капли и к разрушению мостика между каплей и электродом. Напряжение почти мгновенно возрастает и сварочная дуга снова возбуждается, т. е. процесс периодически повторяется. Смена режимов происходит в течение долей секунды. Поэтому источник питания должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. большой скоростью повышения напряжения при разрыве цепи и нужной скоростью нарастания тока.

Рис. 5 Осциллограмма тока и напряжения дуги при сварке переменным током.

При малой скорости нарастания тока в ванну поступает нерасплавленная проволока. Она сравнительно медленно разогревается па большом участке, которым затем разрушается. Если ток возрастает слишком быстро, мостик между ванной и каплей электродного металла быстро перегревается и разрушается со взрывом. Часть расплавленного металла разбрызгивается и не попадает в шов.

Чтобы избежать разбрызгивания, необходимо повысить электромагнитную инерцию источника питания путем увеличения индуктивности сварочной цепи.

Электрическая дуга, способы сварки и сварные соединения

Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электрического тока через газовый промежуток под воздействием электрического поля. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, называют сварочной дугой. Дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному — катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги. В обычных условиях при низких температурах газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электрической проводимостью. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных частиц — электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют ионизацией, а сам газ — ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между электродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, поперечное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании электродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электронов — электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связывают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги. Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примыкающую к ней.

Протяженность катодной области мала, но она характеризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процессами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400 — 2700°С. На нем выделяется до 38% общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение напряжения в катодной области UK составляет порядка 12 — 17 В.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью. Падение напряжения в ней Uк составляет порядка 2 — 11 В. Протяженность этой области также мала.

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц здесь является ионизация газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа. При достаточной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание электронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию называют ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ионизации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны — к аноду, ионы — к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заряженные электроны, становятся нейтральными атомами. Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряженных частиц. Температура столба дуги достигает 6000 — 8000°С и более. Падение напряжения в нем Uc изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее легко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются щелочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее падение напряжения в дуге Uд = Uк + Uа + Uс. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uс = Еlс, где Е — напряженность по длине, lс — длина столба. Значения Uк, Uа, Е практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяженностью катодной и анодной областей можно считать практически lс = lд. Тогда получается выражение Uд = a + blд показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где а = Uк + Uа; b = Е.

Непременным условием получения качественного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее стабильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при котором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разрядов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее параметры- сила тока и напряжение- находятся в определенной взаимозависимости. Поэтому одной из основных характеристик дугового разряда является зависимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (в состоянии устойчивого горения дуги)называют статической вольтамперной характеристики дуги (рис. 2).

С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая статической вольтамперной характеристики поднимается выше, с уменьшением длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму. Кривую статической характеристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области увеличение тока приводит к резкому падению напряжения дуги.

Это обусловлено тем, что с увеличением силы тока увеличиваются площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отличается малой устойчивостью. Во второй области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения дуга. Это объясняется тем, что площадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорционально силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными.

Сварка дугой с жесткой статической характеристикой находит широкое применение в сварочной технологии, особенно при ручной сварке. В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуге возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрастающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки. При механизированной сварке плавящимся электродом иногда применяют статическую вольтамперную характеристику дуги, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 3).

Как видно из рисунка, каждой скорости подачи электродной проволоки соответствует узкий диапазон токов с устойчивым горением дуга. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замыканию электрода с изделием, а слишком большой- к резкому возрастанию напряжения и ее обрыву.

Особенности дуги на переменном токе

При сварке на постоянном токе в установившемся режиме все процессы в дуге протекают с определенной скоростью и горение дуги отличается высокой стабильностью.

При питании дуга переменным током полярность электрода и изделия, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. Так, дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц погасает и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Поэтому особо возникает вопрос об устойчивости горения дуги переменного тока. В первую очередь устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым погасанием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через нуль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. В следующий за погасанием дуги момент меняется полярность напряжения на дуговом промежутке (рис. 4).

Одновременно изменяется и направление движения заряженных частиц в дуговом промежутке. В условиях пониженной температуры активных пятен и степени ионизации в дуговом промежутке повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышенном напряжении между электродами, именуемым пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги. Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному режиму ее горения. При этом величина пика зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания и влечет снижение устойчивости дуги. Поэтому затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. При наличии в дуговом промежутке паров легко-ионизующихся элементов пик зажигания уменьшается и устойчивость горения дуга переменного тока повышается.

С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания является важной характеристикой -дуги переменного тока и оказывает существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем больше разница между пиком зажигания и напряжением дуги. Чем выше пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги током. При сварке на переменном токе неплавящимся электродом, когда материал его и изделия резко различаются по своим теплофизическим свойствам, проявляется выпрямляющее действие дуги. Это характеризуется протеканием в цепи переменного тока некоторой составляющей постоянного тока, сдвигающей в определенном направлении кривые напряжения и тока от горизонтальной оси (рис. 5). Наличие в сварочной цепи составляющей постоянного тока отрицательно сказывается на качестве сварного соединения и условиях процесса: уменьшается глубина проплавления, увеличивается напряжение дуги, значительно повышается температура электрода и увеличивается его расход. Поэтому приходится применять специальные меры для подавления действия постоянной составляющей.

При сварке плавящимся электродом, близким по составу к основному металлу, на режимах, обеспечивающих устойчивое горение дуги, выпрямляющее действие дуги незначительно и кривые тока и напряжения располагаются практически симметрично относительно оси абсцисс.

Технологические свойства дуги

Под технологическими свойствами сварочной дуги понимают совокупность ее теплового, механического и физико-химического воздействия на электроды, определяющие интенсивность плавления электрода, характер его переноса, проплавление основного металла, формирование и качество шва. К технологическим свойствам дуги относятся также ее пространственная устойчивость и эластичность. Технологические свойства дуги взаимосвязаны и определяются параметрами режима сварки.

Важными технологическими характеристиками дуги являются зажигание и стабильность горения дуги. Условия зажигания и горения дуги зависят от рода тока, полярности, химического состава электродов, межэлектродного промежутка и его длины. Для надежного обеспечения процесса зажигания дуй? необходимо подведение к электродам достаточного напряжения холостого хода источника питания дуги, но в то же время безопасного для работающего. Для сварочных источников напряжение холостого хода не превышает 80 В на переменном токе и 90 В на постоянном. Обычно напряжение зажигания дуги больше напряжения горения дуги на переменном токе в 1,2 — 2,5 раза, а на постоянном токе — в 1,2 — 1,4 раза. Дуга зажигается от нагрева электродов; возникающего при их соприкосновении. В момент отрыва электрода от изделия с нагретого катода происходит электронная эмиссия. Электронный ток ионизует газы и пары металла межэлектродного промежутка, и с этого момента в дуге появляются электронный и ионный токи. Время установления дугового разряда составляет 10-5 – 10-4 с. Поддержание непрерывного горения дуги будет осуществляться, если приток энергии в дугу компенсирует ее потери. Таким образом, условием для зажигания и устойчивого горения дуги является наличие специального источника питания электрическим током.

Вторым условием является наличие ионизации в дуговом промежутке. Степень протекания этого процесса зависит от химического состава электродов и газовой среды в дуговом промежутке. Степень ионизации выше при наличии в дуговом промежутке легкоионизующихся элементов. Горящая дуга может быть растянута до определенной длины, после чего она гаснет. Чем выше степень ионизации в дуговом промежутке, тем длиннее может быть дуга. Максимальная длина горящей без обрыва дуги характеризует важнейшее технологическое свойство ее — стабильность. Стабильность дуги зависит от целого ряда факторов: температуры катода, его эмиссионной способности, степени ионизации среды, длины дуги и др.

К технологическим характеристикам дуги относятся также пространственная устойчивость и эластичность. Под этим понимают способность сохранения дугой неизменности пространственного положения относительно электродов в режиме устойчивого горения и возможность отклонения и перемещения без затухания под воздействием внешних факторов. Такими факторами могут быть магнитные поля и ферромагнитные массы, с которыми дуга может взаимодействовать. При этом взаимодействии наблюдается отклонение дуги от естественного положения в пространстве. Отклонение столба дуги под действием магнитного поля, наблюдаемое в основном при сварке постоянным током, называют магнитным дутьем (рис. 6).

Возникновение его объясняется тем, что в местах изменения направления тока создаются напряженности магнитного поля. Дуга является своеобразной газовой вставкой между электродами и как любой проводник взаимодействует с магнитными полями. При этом столб сварочной дуги можно рассматривать в качестве гибкого проводника, который под воздействием магнитного поля может перемещаться, как любой проводник, деформироваться и удлиняться. Это приводит к отклонению дуги в сторону, противоположную большей напряженности. При сварке переменным током в связи с тем, что полярность меняется с частотой тока, это явление проявляется значительно слабее. Отклонение дуги также имеет место при сварке вблизи ферромагнитных масс (железо, сталь). Это объясняется тем, что магнитные силовые линии проходят через ферромагнитные массы, обладающие хорошей магнитной проницаемостью, значительно легче, чем через воздух. Дуга в этом случае отклонится в сторону таких масс.

Возникновение магнитного дутья вызывает непровары и ухудшение формирования швов. Устранить его можно за счет изменения места токоподвода к изделию или угла наклона электрода, временным размещением балластных ферромагнитных масс у сварного соединения, позволяющих выравнивать несимметричность магнитных полей, а также заменой постоянного тока переменным.

Понятие о сварке и ее сущность

Сложные конструкции, как правило, получают в результате объединения между собой отдельных элементов (деталей, агрегатов, узлов). Такие объединения могут выполняться с помощью разъемных или неразъемных соединений.

В соответствии с ГОСТ 2601-74 сварка определяется как процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместным действием того и другого.

Неразъемные соединения, выполненные с помощью сварки, называют сварными соединениями. Чаще всего с помощью сварки соединяют детали из металлов. Однако сварные соединения применяют и для деталей из неметаллов — пластмасс, керамик или их сочетаний.

Для получения сварных соединений не требуется применения каких-либо специальных соединительных элементов (заклепок, накладок и т. п.). Образование неразъемного соединения в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы. При этом происходит образование связей между атомами металла соединяемых деталей. Для сварных соединений характерно возникновение металлической связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов.

Для получения сварного соединения совершенно недостаточно простого соприкосновения поверхностей соединяемых деталей. Межатомные связи могут установиться только тогда, когда соединяемые атомы получат некоторую дополнительную энергию, необходимую для преодоления существующего между ними определенного энергетического барьера. При этом атомы достигают состояния равновесия в. действии сил напряжения и отталкивания. Эту энергию называют энергией активации. При сварке ее вводят извне путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация).

Сближение свариваемых частей и приложение энергии активации — необходимые условия для образования неразъемных сварных соединений.

В зависимости от вида активации при выполнении соединений различают два вида сварки: плавлением и давлением. При сварке плавлением детали по соединяемым кромкам оплавляют под действием источника нагрева. Оплавленные поверхности кромок покрываются расплавленным металлом, который, сливаясь в общий объем, образует жидкую сварочную ванну. При охлаждении сварочной ванны жидкий металл затвердевает и образует сварной шов. Шов может быть образован или только за счет расплавления металла свариваемых кромок, или за счет их и дополнительного введения в сварочную ванну расплавляемой присадки.

Сущность сварки давлением состоит в непрерывном или прерывистом совместном пластическом деформировании материала по кромкам свариваемых деталей. Благодаря пластической деформации и течению металла облегчается установление межатомных связей соединяемых частей. Для ускорения процесса применяют сварку давлением с нагревом. В некоторых способах сварки давлением нагрев может производиться до оплавления металла свариваемых поверхностей.

Классификация видов сварки

В настоящее время различают более 150 видов сварочных процессов. ГОСТ 19521-74 устанавливает классификацию сварочных процессов по основным физическим, техническим и технологическим признакам.

Основой физических признаков классификации является форма энергии, используемой для получения сварного соединения. По физическим признакам все виды сварки относят к одному из трех классов: термическому, термомеханическому и механическому.

К термическому классу относят все виды сварки плавлением, осуществляемые с использованием тепловой энергии, — газовую, дуговую, электрошлаковую, электронно-лучевую, лазерную и др.

К термомеханическому классу относят все виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления,— контактную, диффузионную, газо- и дугопрессовую, кузнечную и др.

К механическому классу относят все виды сварки давлением, осуществляемые с использованием механической энергии, — холодная, трением, ультразвуковая, взрывом и др.

К техническим признакам классификации сварочных процессов относят способы защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень его механизации (рис. 7).

Технологические признаки классификации устанавливаются для каждого вида сварки отдельно. Например, вид дуговой сварки может быть классифицирован по следующим признакам: виду электрода, характеру защиты, уровню автоматизации и т. п.

Основные разновидности дуговой сварки

Источником нагрева при дуговых способах сварки является сварочная дуга, представляющая собой устойчивый электрический разряд, происходящий в газовой среде между двумя электродами или электродом и деталью. Для поддержания такого разряда нужной продолжительности необходимо применение специальных источников питания дуги (ИПД). Для питания дуги переменным током применяют сварочные трансформаторы, при постоянном токе- сварочные генераторы или сварочные выпрямители. На рис. 8 показана схема электрической цепи дуговой сварки.

Разработка дуговой сварки обусловлена открытием электрической дуги в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым. Впервые для соединения металлических частей с помощью электрической дуги, горящей между неплавящимся угольным электродом и свариваемым изделием, было осуществлено Н.Н. Бенардосом в 1882 г. При необходимости в сварочную ванну дополнительно подавался присадочный материал. В 1888 г. русский инженер Н.Г. Славянов усовершенствовал процесс, заменив неплавящийся угольный электрод на плавящийся металлический. Тем самым было достигнуто объединение функций электрода для существования дугового разряда и присадочного металла для образования ванны. Предложенные Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы дуговой сварки неплавящимся и плавящимся электродами легли в основу разработки наиболее распространенных современных способов дуговой сварки.

Дальнейшее совершенствование дуговой сварки шло по двум направлениям: 1) изыскание средств защиты и обработки расплавленного металла сварочной ванны; 2) автоматизация процесса. По характеру защиты свариваемого металла и сварочной ванны от окружающей среды могут быть выделены способы дуговой сварки с шлаковой, газошлаковой и газовой защитой. По степени автоматизации процесса способы разделяют на ручную, механизированную и автоматическую сварку. Ниже приводятся характеристики и описание основных разновидностей дуговой сварки.

Дуговая сварка покрытыми электродами (рис. 9). При этом способе процесс выполняется вручную. Сварочные электроды могут быть плавящиеся — стальные, медные, алюминиевые и др. — и неплавящиеся — угольные, графитовые, вольфрамовые.

Наиболее широко применяют сварку стальными электродами, имеющими на поверхности электродное покрытие. Покрытие электродов готовится из порошкообразной смеси различных компонентов и наносится на поверхность стального стержня в виде затвердевающей пасты. Его назначение — повысить устойчивость горения дуги, провести металлургическую обработку сварочной ванны, и улучшить качество сварки. Сварной шов образуют за счет расплавления металла свариваемых кромок и плавления стержня сварочного электрода. При этом сварщик вручную осуществляет два основных технологических движения: подачу покрытого электрода в зону сварки по мере его расплавления и перемещение дуги вдоль свариваемого шва. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами — один из наиболее распространенных способов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Она отличается простотой и универсальностью, возможностью выполнения соединений в различных пространственных положениях и труднодоступных местах. Существенный недостаток ее — малая производительность процесса и зависимость качества сварки от квалификации сварщика.

Дуговая сварка под флюсом (рис. 10). Электрическая дуга горит между плавящимся электродом и деталью под слоем сварочного флюса, полностью закрывающего дугу и сварочную ванну от взаимодействия с воздухом. Сварочный электрод выполнен в виде проволоки, свернутой в кассету и автоматически подаваемой в зону сварки. Перемещение дуги вдоль свариваемых кромок может выполняться или вручную, или с помощью специального привода. В первом случае процесс ведется с помощью сварочных полуавтоматов, во втором — сварочных автоматов. Дуговая сварка под флюсом отличается высокой производительностью и качеством получаемых соединений. К недостаткам процесса следует отнести трудность сварки деталей небольших толщин, коротких швов и выполнение швов в основных положениях, отличных от нижних. Подробную информацию о дуговой сварке под флюсом читайте в

Дуговая сварка в защитных газах (рис. 11). Электрическая дуга горит в среде специально подаваемых в зону сварки защитных газов. При этом можно использовать как неплавящийся, так и плавящийся электроды, а выполнять процесс ручным, механизированным или автоматическим способом. При сварке неплавящимся электродом применяют присадочную проволоку, при плавящемся электроде присадки не требуется. Сварка в защитных газах отличается широким разнообразием и применяется для широкого круга металлов и сплавов.

Электрошлаковая сварка (рис. 12). Процесс сварки является бездуговым. В отличие от дуговой сварки для расплавления основного и присадочного металлов используется теплота, выделяющаяся при прохождении сварочного тока через расплавленный электропроводный шлак (флюс). После затвердевания расплава образуется сварной шов. Сварку выполняют чаще всего при вертикальном положении свариваемых деталей с зазором между ними. Для формирования шва по обе стороны зазора устанавливают медные ползуны-кристаллизаторы, охлаждаемые водой. Электрошлаковую сварку применяют для соединения деталей больших толщин (от 20 до 1000 мм и более).

Сварные соединения и швы

Согласно ГОСТ 2601-84 устанавливается ряд терминов и определений связанных со сварными соединениями и швами.

Сварное соединение — это неразъемное соединение нескольких деталей, выполненное сваркой. Конструктивный тип сварного соединения определяется взаиморасположением свариваемых частей. При сварке плавлением различают следующие типы сварных соединений: стыковое, угловое, тавровое, нахлесточное и торцовое. Применяется также соединение нахлесточное с точечным сварным швом, выполненное дуговой сваркой.

Металлическую конструкцию, изготовленную сваркой из отдельных деталей, называют сварной конструкцией. Часть такой конструкции называют сварным узлом.

Стыковое соединение представляет собой сварное соединение двух деталей, расположенных в одной плоскости и примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями (рис. 13, а). Оно наиболее распространено в сварных конструкциях, поскольку имеет ряд преимуществ перед другими видами соединений. Условные обозначения стыковых соединений: С1 — С48.

Угловое соединение представляет собой сварное соединение двух элементов, расположенных под углом друг к другу и сваренных в месте приложения их кромок (рис.13, б). Условные обозначения угловых соединений: У1 — У10.

Тавровое соединение — это соединение, в котором к боковой поверхности одного элемента примыкает под углом и приварен торцом другой элемент. Как правило, угол между элементами прямой (рис. 13, в). Условные обозначения тавровых соединений: Т1 — Т8.

Нахлесточное соединение представляет собой сварное соединение, в котором соединяемые элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга (рис. 13, г). Условные обозначения: H1 — Н9.

Торцовое соединение — это соединение, в котором боковые поверхности элементов примыкают друг к другу (рис. 13, д). Условных обозначений в стандарте пока нет.

Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

Сварочная ванна — это часть металла сварного шва, находящаяся в момент сварки в расплавленном состоянии. Углубление, образующееся в сварочной ванне под действием дуги, называют кратером. Металл соединяемых частей, подвергающихся сварке, называют основным металлом. Металл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному, называют присадочным металлом. Переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну или наплавленный на основной металл, называют наплавленным металлом. Сплав, образованный переплавленным основным или переплавленным основным и наплавленным металлами, называют металлом шва. В зависимости от параметров и формы подготовки свариваемых кромок деталей доли участия основного и наплавленного металлов в формировании шва могут существенно изменяться (рис. 14):

В зависимости от доли участия основного и присадочного металлов в формировании шва его состав может изменяться. Торцовые поверхности деталей, подлежащие нагреву и расплавлению при сварке, называют свариваемыми кромками. Для обеспечения равномерного проплавления свариваемых кромок в зависимости от толщины основного металла и способа сварки им придают наиболее оптимальную форму, выполняя предварительно подготовку кромок. На рис. 15 приведены применяемые формы подготовки кромок для различных типов сварных соединений. Основными параметрами формы подготовленных кромок и собранных под сварку соединений являются е, R, b, a, с — высота отбортовки, радиус закруглений, зазор, угол скоса, притупление кромок.

Отбортовку кромок применяют при сварке тонкостенных деталей. Для толстостенных деталей применяют разделку кромок за счет их скоса, т.е. выполнение прямолинейного или криволинейного наклонного скоса кромки, подлежащей сварке. Нескошенная часть кромки с носит название притупления кромки, а расстояние b между кромками при сборке — зазором. Острый угол b между плоскостью скоса кромки и плоскостью торца называют углом скоса кромки, угол a между скошенными кромками — углом разделки кромок.

Значения параметров формы подготовки кромок и их сборки регламентируются ГОСТ 5264-80. В зависимости от типов сварных соединений различают стыковые и угловые сварные швы. Первый вид швов используется при получении стыковых сварных соединений. Второй вид швов используется в угловых, тавровых и нахлесточных соединениях.

Заказать услугу

Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

5.3. Процессы в электрической дуге.

Размыкание электрической цепи при сколько-нибудь значительных токах и напряжениях, как правило, со­провождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится на некоторое время проводящим, в нём возникает дуга. Тем или иным спосо­бом дуга гасится, т.е. ток в цепи падает от начального значения до нуля. Физический процесс отключения состоит в деионизации воздушного про­межутка между контактами, т. е. в превращении его в диэлектрик и прекра­щении вследствие этого электрического разряда.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нём определённую концентрацию заряженных частиц — отрицательных, в основном свободных электронов и положительных ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких элект­ронов и образования свободных электронов и положительно заряженных частиц – ионов –называется ионизацией

Для дуговых процессов в электрических аппаратах наиболь­шее значение имеют процессы, происходящие у электродов — термоэлект­ронная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, — термическая ионизация и ионизация толчком.

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называет­ся явление испускания электронов из накалённой поверхности.

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивле­ние контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка разогревается до расплавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхожде­нии контактов рвётся. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так называемое катодное пятно (рас­калённая площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Плотность токов тер­моэлектронной эмиссии зависит от температуры и материалов электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для её горения.

Автоэлектронная эмиссия. Это — явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как кон­денсатор переменной ёмкости. Емкость в начальный момент равна бесконеч­ности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор разряжается, и напряжение на нём растёт постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряжённость поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие зна­чения напряжённости электрического доля достаточны для вырывания элек­тронов из холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить толь­ко началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся кон­тактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмис­сий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключае­мого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их рас­хождения и от ряда других факторов.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать доста­точной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё электрон. В результате полу­чатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация носит название ионизации толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определённой скоростью. Скорость электрона зави­сит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение потенциалов, которое носит название потенциала ионизации.

Потенциал ионизации для газов составляет 13. 16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в 2 раза ниже (7J В для паров меди).

Потенциал ионизации газовой смеси определяется самым низким из по­тенциалов ионизации входящих в газовую смесь компонентов и в очень малой степени зависит от концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются пары металла электродов, и потенциал ионизации дуго­вого промежутка определяется потенциалом ионизации этих паров.

Следует отметить, что не всякий электрон, имеющий скорость выше ско­рости, соответствующей U_n ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких электронов приходит в должное соприкосновение с такими частицами. При скоростях, меньших скорости, соответствующей /У,, вероят­ность ионизации толчком равна нулю, при больших скоростях эта вероят­ность возрастает.

Термическая ионизация. Это — процесс ионизации под воздействи­ем высокой температуры. Поддержание дуги после её возникновения, т.е. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объясняется основным и практически единственным видом иониза­ции — термической ионизацией.

Температура ствола дуги достигает 4000. 7000 К, а по отдельным данным — 15000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя как нейтральные, так и заряженные частицы, т.е. происходит иони­зация газа. Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизирован­ных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом проме­жутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т.е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтраль­ных частиц. Эти процессы носят название деионизации. При возникнове­нии дуги преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге про­цессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деионизации дуга гаснет.

Деионизация происходит главным образом за счёт рекомбинации и диф­фузии.

Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, на­зывается рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом, ввиду большой разности скоростей, маловероятно. Обычно рекомби­нация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон за­ряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с поло­жительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.

Различают рекомбинацию в объёме, когда третьим телом служит нейт­ральная частица газа, и рекомбинацию на поверхности, когда третьим телом служит поверхность вблизи дуги (стенка камеры). В последнем случае элек­троны заряжают поверхность стенки до потенциала, при котором положи­тельные ионы притягиваются к этой поверхности и, присоединив электрон, образуют нейтральные частицы.

Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой про­цесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создаётся электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. Заряженные частицы, вышедшие из области дуги, в конечном итоге рекомбинируются вне этой области.

В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет нич­тожно малую роль.

В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся открытой дуге деионизация за счёт диффузии может по значению быть близкой к деионизации вследствие рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит главным образом за счёт рекомбинации.

Из рассмотрения процессов ионизации и деионизации вытекает, что в зависимости от своих физических постоянных различные газы будут обла­дать различными дугогасящими свойствами. Газы с большой теплопровод­ностью и теплоёмкостью обладают лучшей охлаждающей способностью, а, следовательно, и лучшими дугогасящими свойствами. Так, кислород, угле­кислота, водяной пар и водород имеют по отношению к воздуху теплопро­водность (среднюю в пределах 0. 6000 К) соответственно 1,8; 2,5; 5 и 17 и дугогасящие свойства соответственно 1,8; 2,6; 3,8 и 7.

5.4. Вольт-амперные характеристики электрической дуги Зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока — вольт-амперная характерис­тика дуги — приведена на рис.. Напряжение U₃, соответствующее началу дугового разряда, носит название напряжения зажигания дуги. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для каждого значения тока в какой-то момент времени установится равновесное состоя­ние, когда ионизация будет равна деионизации. Электрическое сопротивле­ние дугового промежутка и падение напряжения на нём станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Такой режим носит название ста­тического, а кривая 1, характеризующая этот режим, — статической ха­рактеристики дуги.

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от I₀ до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1, чем быстрей будет происходить уменьшение тока, тем ниже будет лежать вольт-амперная ха­рактеристика дуги. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, по­лучим прямую 3. Только при медленном изменении тока процесс будет про­исходить по статической характеристике.

Такое сочетание характеристик объясняется тем, что при быстром изме­нении тока ионизационное состояние дугового промежутка не успевает за изменением тока. Для деионизации промежутка требуется некоторое время, и поэтому, несмотря на то, что ток в дуге упал, проводимость промежутка осталась прежней, соответствующей большему току.

Рис. 22 Вольт-амперные

U₃ — напряжение зажигания дуги;

U_г – напряжение гашения дуги

1 – кривая, характеризующая статическую характе характеристику дуги;

2 – кривая переходного режима дуги

( от ее зажигания до гашения);

3 – статический режим горения дуги

перед ее гашением

Вольт-амперные характеристики дуги, полученные при быстром измене­нии тока до нуля, носят название динамических. Соответствующее этим характеристикам напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряже­нием гашения U_r.

Для данного дугового промежутка, материала электродов и среды име­ются одна вполне определенная статическая характеристика дуги и множе­ство динамических, заключенных между кривыми 1 и 3.

Если падение напряжения на дуге U_д характеризует дуговой промежу­ток как проводник, то напряжения U₃ и U_r характеризуют изоляционные свойства промежутка — они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка , чтобы возбудить в нём элек­трическую дугу.

5.5. Особенности горения электрической дуги переменного тока. Если для гашения дуги переменного тока необходимо создать такие условия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независи­мо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каж­дый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги несколько облегчается. Здесь необходимо создать ус­ловия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

На рис 23, а приведены кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при переменном токе. В момент появления тока имеет место резкое нарастание напряжения U₃ (напряжение зажигания). С рос­том тока падение напряжения на дуге падает и достигает минимума при максимальном токе (при амплитудном значении). Затем напряжение на дуге снова возрастает и достигает значения напряжения погасания U_r при исчез­новении тока.

Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за период при­ведена на рис. 23, б. Напряжение зажигания дуги зависит от амплитуды тока, при больших токах оно меньше.

При переменном токе температура дуги является величиной перемен­ной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура дуги не падает до нуля и остаётся достаточно высокой. Всё же имеющее место снижение температу­ры дуги при переходе тока через нуль способствует деионизации проме­жутка и облегчает гашение (рис. 24).

Интенсивная деионизация дугового промежутка при переходе тока че­рез нуль приводит к уменьшению его проводимости. Чем больше промежу­ток будет деионизирован, тем большее напряжение потребуется для его пробоя и повторного зажигания дуги. Условия гашения дуги переменного тока может быть сформулировано следующим образом: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением U_пр

Рис. 23. Характеристика дуги переменного тока

U_{3 –} напряжение зажигания дуги; U_{г –} напряжение гашения дуги;

Дуговой разряд. Процессы и применение. Особенности

С разрядами, напоминающими по своему проявлению искровые пробои, приходится встречаться в повседневной жизни. Эти электрические явления наблюдаются, например, при грозах, когда огромные массы зарядов скапливаются в кучевых облаках. При пробое происходит их нейтрализация с выделением большого количества тепловой и световой энергии, ионизирующей воздушную среду. Дуговой разряд как разновидность искрового пробоя в отличие от него создается искусственным путем.

Он образуется за счет накопления зарядов на электродах промышленных аппаратов, предназначенных либо для проведения сварочных работ, либо для плавки металлов в доменных печах. Еще одна область, где наблюдается такой разряд – промышленные и бытовые газосветные лампы различного типа.

Исторический экскурс

В прошлом многие ученые пытались разобраться в том, что собой представляет полученный ими дуговой разряд как физический процесс. После детального изучения этого явления было установлено, что его основу составляет так называемый «плазменный ствол», образующийся вследствие нагрева газовой среды до огромных температур. Этот показатель в центре дуги достигает величин в несколько тысяч градусов.

Такие явления изучались и в России, где ими много лет занимался русский ученый В. Петров. Для получения электрической дуги он использовал самодельную батарею элементов, состоящую из нескольких тысяч цинковых и медных пластинок. При исследовании причин зажигания дуги с помощью постоянного тока ученый достиг определенных успехов. Оказалось, что воздушный зазор между электродами при некоторых условиях приобретает электропроводность, позволяющую получать токи достаточной величины для пробоя.

Ученый также установил, что основное условие, при выполнении которого возможен пробой воздушного промежутка – значительная по величине разность потенциалов между электродами. С ее возрастанием длина пробиваемого канала также может быть увеличена. Во время разряда образуется проводящий ток газовый столб, температура внутри которого достигает десятков тысяч градусов.

Чуть позднее этому электрическому явлению нашлось практическое применение в виде дуговой электрической лампочки, изобретенной русским ученым П. Н. Яблочковым. Это изделие состояло из 2-х разнесенных угольных электродов, между которыми при подаче напряжения зажигалась электрическая дуга.

Лампочка Яблочкова имела два серьезных недостатка. Первый состоял в быстром износе угольных электродов, а второй был связан со смещением частоты светового излучения в нежелательную для человека УФ часть спектра. Именно поэтому дуговые изделия не пользовались большим спросом и с появлением лампочки накаливания исчезли из употребления.

Физическое объяснение эффекта

Для объяснения эффекта под названием «дуговой разряд» в первую очередь потребуется ответить на целый ряд вопросов. Первый и самый важный из них: почему газовые среды, в нормальном состоянии не проводящие ток, при пробое приобретают электропроводность?

Ответить на него будет несложно, если вспомнить что ток – это направленное движение свободных носителей заряда, в качестве которых обычно выступают следующие частицы:

• Свободные электроны.
• Молекулы с нехваткой или с излишком заряженных частиц.
• Ионы.

Поскольку электроны в больших количествах присутствуют только в твердых телах (металлах) – имеющихся в газообразных средах частиц недостаточно для получения пробоя. Отсюда следует вывод, что образоваться дуга может только за счет ионизации газа и появления в нем большого количества поляризованных молекул или ионов.

Что нужно для того, чтобы ионизировать газовую среду и получить дуговой разряд

Ионизация воздушной среды – достаточно распространенное явление, наблюдаемое в природе очень часто. В нормальных условиях молекулы воздуха частично превращаются в переносчики заряда под действием различных облучений (рентгеновского и космического, например). Поскольку образующиеся при этом ионы различного знака мгновенно объединяются и взаимно нейтрализуются – концентрация заряженных частиц в воздухе очень мала.

Она недостаточна для получения пробоя, которым сопровождаются дуговые разряды. Добиться нужного эффекта удается путем лавинообразной ионизации газовой среды, возможной только при ее сильном нагреве. Для этого потребуется дополнительные элементы в виде электродов и устройства формирования высокого пробивного напряжения (порядка десятков киловольт и более).

Физика процесса на примере люминесцентной лампы

Подача высоковольтного импульса на электроды люминесцентной лампы приводит к эмиссии электронов, скапливающихся вблизи излучателя в небольшом объеме. Под действием внешнего электрического поля заряженные частицы разгоняются и заполняют все межэлектродное пространство.

После того, как разность потенциалов сравнивается с напряжением пробоя – в этом промежутке сначала возникает искровой разряд, сильно нагревающий рабочую область. При достижении током определенного максимума выделяемого тепла будет достаточно для того, чтобы начался лавинообразный процесс ионизации газа, заполняющего трубку.

Одновременно с этим на участке дугового промежутка образуется ионизированная зона, состоящая из плазмы и называемая столбом дуги. По нему протекает ток значительной величины, поддерживающий разогрев плазменного облака. Все эти процессы в совокупности и формируют дуговой разряд.

Особенности процесса в открытых газовых средах

Протекание этих процессов в воздушной среде имеет свои особенности, состоящие в следующем:

• После насыщения плазмы ионами плотность тока в ней существенно возрастает.
• Разогрев плазменного ствола приводит к повышению давления внутри газового промежутка.
• Вследствие этого часть поляризованных молекул выталкивается или улетучивается в окружающее пространство.

Для непрерывности протекания разряда необходимо постоянное добавление новых носителей заряда (ионов). При замедлении процесса ионизации он через какое-то время начнет затухать, а затем – окончательно погаснет.

На основании всего сказанного для дугового разряда в открытой газовой среде справедлива такая формулировка. Электрическая дуга представляет собой особую разновидность искрового пробоя, для которой характерны следующие признаки:

• Большая плотность потоков ионов.
• Значительная длительность горения (при условии образования новых заряженных частиц).
• Низкая разность потенциалов (падения напряжения) на искровом участке.
• Очень высокая температура и повышенное давление.

От других разновидностей разрядов в газах дуговой процесс отличается возможностью длительного протекания.

Из каких частей состоит дуговой разряд в электротехнических изделиях

Электрическая дуга, образующаяся, например, при сварке или в электропечи содержит в своем составе следующие основные зоны:

• Катодный участок.
• Анодную часть.
• Плазменный столб.

В дугах сварочных аппаратов линейные размеры катодной и анодной зоны относительно невелики (если сравнивать их с длиной столба). Их толщина редко превышает тысячные доли миллиметра. При этом на конце отрицательного электрода при протекании реакции появляются характерные для них катодные пятна, образующиеся из-за сильного нагрева этого участка.

Где применяется дуговой разряд

Повсеместное и массовое использование дугового разряда в различных технических средствах началось с момента изобретения первого в мире сварочного аппарата. Прекрасные результаты, достигаемые при дуговой сварке, послужили толчком для поиска других приложений пробойного эффекта с плазменным столбом.

Следующая сфера применения дугового эффекта – доменные печи, в которых с помощью электрической дуги можно расплавлять самые тугоплавкие металлы. Эта область его использования привлекательна тем, что во время плавки удается регулировать температуру процесса путем изменения токовых характеристик.

Еще одно применение дугового разряда, знакомое почти каждому пользователю – использование его в газоразрядных лампах различного типа. К этим изделиям относятся следующие разновидности:

• Люминесцентные светильники низкого давления.
• Ртутные лампы высокого давления.
• Ксеноновые осветители.
• Металлогалогенные и натриевые лампы.

Большинство из представленных осветительных изделий работают в режиме высоких или сверхвысоких давлений.

Вредное влияние дугового разряда и причины его проявления

Появление электрической дуги в силовых цепях может быть не связано с целенаправленной деятельностью человека. В этом случае дуговой разряд относят к паразитным явлениям, наносящим ущерб линиям электропередач или бытовым сетям. Работникам эксплуатирующих служб нередко приходится бороться с этими явлениями теми или иными известными способами.

Причины возникновения и поддержания неконтролируемого дугового разряда условно делятся на следующие группы:

• Наличие в цепи точек с противоположными по знаку потенциалами значительной величины.
• Создание условий для возникновения искрового разряда, переходящего в дугу.
• Высокие температуры, достаточные для ионизации газа и образования плазменного столба.

Неконтролируемые пробои чаще всего случаются на линиях высоковольтной передачи, где разницы потенциалов достигают огромных величин. Их негативные последствия сказываются в виде разрушения изоляторов и опасного провисания проводов, находящихся под напряжением 110 киловольт.

Похожие темы:

• Электрический ток в газах. Виды и свойства газов. Применение
• Ионные токи. Виды и применение. Особенности
• Генератор Тестатика. Устройство и работа. Особенности
• Генератор Маркса. Работа и применение. Особенности
• Ток короткого замыкания. Виды и работа. Применение и особенности
• Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение
• Виды статического электричества. Возникновение и удаление статики
• Атмосферное электричество. Виды и особенности. Явления