Электродуговой нагрев

Лекция № 19

План лекции

1. Характеристика электрической дуги

2. Статическая ВАХ дуги постоянного тока

3. Зажигание, устойчивость горения и регулирование тока дуги

 

1. Характеристика электрической дуги

 

Электрическая дуга – самостоятельный электрический разряд в смеси газов или паров металла между электродами, находящимися под напряжением. Характеризуется малым анодно-катодным падением напряжения (10…20 В) и высокой плотностью тока (100…1000 А/см²). Электрический ток, протекающий в дуге, являющейся своеобразным проводником, в соответствии с законом Ленца-Джоуля преобразуется в теплоту, которую в условиях сельского хозяйства используют главным образом для расплавления металлов при сварке, резке и наплавлении.

Рис. 1. Электрическая дуга а) постоянного тока и распределение напряжения (б) на ее элементах.

 

Известно, что в обычных условиях газы не проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. Поэтому для горения электрической дуги необходимо наличие в газовом промежутке заряженных частиц – электронов или ионов. Электроны, развивая огромные скорости в дуге, сталкиваются с атомами и молекулами газа, превращая их в ионы и тем самым увеличивают его проводимость. Процесс образования электрически заряженных частиц в межэлектродном пространстве называют ионизацией. В электрической дуге ионизацию относят к типу самостоятельных разрядов, т.к. она происходит за счет энергии источника тока.

В пространстве, где происходит разряд, выделяют катодную область 4 (катодное пятно) (рис. 1), столб дуги 2, анодную область 1 (анодный кратер). Боковой поверхностью разрядного промежутка являются раскаленные газы 3 (светящаяся оболочка), не принимающие участия в прохождении тока. Материал электрода переносится от анода к катоду, поэтому на поверхности анода появляется углубление, а на поверхности катода – выступ, представляющий собой ярко светящийся участок.

На катоде происходит эмиссия электронов, дающая начало электрической дуге. Эмиссия электронов с поверхности катода может осуществляться за счет его нагревания (термоэлектронная эмиссия), а также за счет высокой напряженности (10⁶ В/см) электрического поля в катодной области (автоэлектронная, или электростатическая эмиссия). Плотность тока в катодном пятне очень высокая. В зависимости от материала электродов она составляет 1500…7000 А/см², в анодном же кратере, имеющем по сравнению с катодным пятном бóльшую поверхность, плотность тока снижается примерно в 10 раз.

Столб дуги, представляющий собой ярко светящуюся смесь электронов, положительных ионов и возбужденных нейтральных атомов, называемую плазмой, имеет температуру до нескольких тысяч градусов. Он непрерывно теряет заряженные частицы вследствие их рекомбинации, приводящей к образованию нейтральных атомов, и диффузии их в окружающую среду. При стационарном процессе убыль заряженных частиц компенсируется ионизацией в столбе дуги.

Напряжение на дуге складывается из падений напряжений на отдельных ее областях – приэлектродных и столбе дуги. Длина катодной области порядка 10^-5 см, а падение напряжения U_к на ней составляет 10…20 В, что объясняет высокую напряженность в данной зоне (рис. 1).

 

 

Напряженность электрического поля практически постоянна по всей длине столба дуги, а падение напряжения в нем зависит от протяженности участка. Длина анодной области 10^-4 см, анодное падение напряжения U_а и напряженность электрического поля несколько меньше, чем в катодной области.

2. Статическая ВАХ дуги постоянного тока

Рис. 2. Статическая ВАХ дуги постоянного тока при постоянной ее длине и диаметре электродов

 

Напряжение на дуги и проводимость столба дуги зависят от значения тока. Эту зависимость при медленном изменении тока называют статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дуги

Характеристика состоит их трех участков токов: малых I, средних II и больших III. На первом участке увеличение тока приводит к снижению напряжения дуги, т.к. при этом возрастают площадь поперечного сечения столба дуги и интенсификация процессов ионизации. Это способствует росту электропроводности канала дугового разряда: U = I R

R = ρ · l /S

На втором участке наступает равновесие процессов ионизации и деионизации в разрядном промежутке, площадь поперечного сечения столба дуги увеличивается и напряжение ее стабилизируется, т.е. становится независящим от значения тока: U = I R

R = ρ · l /S

На третьем участке увеличение тока приводит к росту напряжения на дуге, т.к. катодное пятно занимает всю площадь торцов электродов, а сопротивление канала разряда стабилизируется: U = I R; R = ρ · l /S

Среда, в которой дуга горит, влияет на форму статической ВАХ. Так, в среде инертных газов даже при небольших токах характеристика дуги возрастающая. Её применяют при сварке в среде защитных газов, плазменно-дуговых процессах.

Рассмотренные явления происходят в электрической дуге постоянного и переменного тока. Статическая ВАХ на переменном токе соответствует действующим значениям тока и напряжения. При этом катодная и анодная область дуги меняются местами в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Рис. 3. Изменение тока i_д и напряжения u_д в контуре с активным сопротивлением маломощных (а) и мощных (б) дуг, в контуре дуги с индуктивным (в) сопротивлением.

На рис. 3 а) показано изменение тока и напряжения при отсутствии индуктивности в цепи дуги. При напряжении u _ист источника питания меньше напряжения U_з зажигания дуги она не может загореться. В обычной атмосфере напряжение U_з для стальных электродов составляет 30…35 В, а для угольных – 45…55 В. Через промежуток времени t₁ напряжение источника увеличивается до U_з, дуга зажигается и по ней протекает ток i_д. Достигнув амплитудного значения U_m, напряжение источника уменьшается и становится через промежуток времени t₂ меньше напряжения U_п погасания дуги, она гаснет, и ток через не прекращается. На отрезке времени t₃ + t₁ дуга не горит, а затем происходит повторное ее зажигание, горение и погасание в отрицательной полуволне питающего напряжения.

Для маломощных дуг напряжение U_п погасания несколько меньше напряжения U_з зажигания. При силе тока дуги более 100 А напряжение U_п мало отличается от U_з и напряжение U_д горения практически не зависит от тока дуги, т.е. U_з U_п = U_д (рис. 3 б).

При включении индуктивности последовательно с дугой сдвигается ток относительно напряжения на угол φ (рис. 3 в). Изменяя значение индуктивности, можно получить такой угол сдвига фаз, что при уменьшении напряжения источника ниже напряжения горения дуги ЭДС самоиндукции, складывающаяся с напряжением источника, обеспечит напряжение, достаточное для поддержания горения дуги до тех пор, пока ток не перейдет через нулевое значение. В этот момент напряжение источника будет иметь другой знак и увеличится до значения, достаточного для зажигания дуги, т.е. ток в дуге возникает без всякого перерыва. При малом значении индуктивности появляются перерывы в горении дуги и кривая тока существенно искажается.

 

4. Зажигание, устойчивость горения и регулирование тока дуги

Источник питания сварочной дуги должен обеспечивать надежное зажигание дуги, ее устойчивое горение и регулирование тока.

Первоначально дуга зажигается при соприкосновении электродов, одним из которых является изделие, и при последующем их разведении. При соприкосновении электродов замыкается цепь источника питания, ток которого расплавляет и испаряет металл в месте контакта. При последующем отрыве электрода от изделия в пространстве, заполненном ионизированными газами и парами металла, под действием напряжения источника возникает электрическая дуга. Она зажигается легче при высоком напряжении источника. Чтобы обеспечить надежное зажигание, напряжение холостого хода источника питания должно быть больше напряжения зажигания дуги. В то же время напряжение холостого хода должно быть безопасным для сварщика.

Рис. 4. Внешние характеристики источников питания сварочной дуги:

1 и 2 – круто- и пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая

 

Основная характеристика источника – внешняя, представляющая собой зависимость между напряжением на его выходных клеммах и током, протекающим сварочную цепь при нагрузке. Внешняя ВАХ источника (рис.4) может быть крутопадающей 1, пологопадающей 2, жесткой 3 и возрастающей 4. Важным параметром источника наряду с напряжением U₀ холостого хода является ток I_к короткого замыкания, который по отношению к номинальному току I_н источника обычно находится в следующих пределах:

1,25 <I _к/ I_н < 2

Таким образом, короткое замыкание – один из рабочих режимов при зажигании электрической дуги. Источник питания при этом должен надежно работать.

Устойчивое горение дуги обеспечивается правильным выбором внешней характеристики источника питания (рис.5). При падающей статической ВАХ 2 дуги источник питания должен иметь еще более крутопадающую внешнюю характеристику 1. Равенство токов и напряжений дуги и источника в этом случае будет в точках А и В. Из них только точка А соответствует устойчивому горению дуги.

В статическом состоянии баланс напряжений в сварочной цепи имеет вид: U₀ = I_д R_и + U_д,

где U₀ – напряжение холостого хода источника питания, В;

I_д – сила тока в сварочной цепи, А;

R_и – сопротивление источника питания, Ом;

U_д – напряжение дуги, В.

Рис. 5. Внешняя характеристика 1 источника питания и ВАХ 2 дуги.

 

При изменении тока в сварочной цепи баланс мгновенных напряжений выглядит следующим образом:

u₀ = i_дR_и + u_д + L(di/dt),

где L – индуктивность контура сварочной цепи, Гн;

di/dt – изменение мгновенного значения сварочного тока, А/с.

 

ЭДС самоиндукции контура с дугой

L(di/dt) = u₀ – i_дR_и – u_д (*)

В точке В при увеличении тока I₁ на ΔI L(di/dt) > 0. Так как L > 0, то di/dt > 0, в результате ток в цепи будет продолжать расти до значения I₂. При уменьшении тока I₁ на ΔI L(di/dt) < 0 и di/dt < 0, вследствие чего ток будет уменьшаться до нуля и дуга погаснет. Следовательно, режим в точке В неустойчивый.

Иначе обстоит дело в точке А. Если ток I₂ возрастет на ΔI, то в соответствии с уравнением (*) L(di/dt) < 0 и di/dt < 0. В результате ток будет уменьшаться до значения I₂. При снижении тока I₂ на ΔI L(di/dt) > 0 и

di/dt > 0, вследствие чего ток возрастает до прежнего значения I₂, т.е. дуга горит устойчив.

При жесткой статической ВАХ устойчивое горение дуги обеспечивается при использовании источников питания с круто- и пологопадающей внешней характеристикой. При возрастающей статической ВАХ дуги применяют источники с жесткими внешними характеристиками.

Сварочный ток при питании дуги от источника с падающей ВАХ можно регулировать, изменяя полное сопротивление цепи дуги, ее длину, напряжение холостого хода источника питания.

Рис. 6. Регулирование тока изменением

а) полного сопротивления цепи дуги

б) напряжения холостого хода

в) длины дуги

 

При изменении полного сопротивления цепи дуги (рис. 6, а) можно уменьшать сварочный ток от номинального значения до значения, соответствующего пересечению статической ВАХ дуги и внешней характеристики источника. При большом полном сопротивлении дуга вообще гореть не будет, т.к. для любого значения тока напряжение питания будет меньше напряжения, необходимого для горения дуги.

При уменьшении напряжения холостого хода источника его внешние характеристики смещаются влево (рис. 6, б) и пересекаются со статической ВАХ дуги при меньших значениях тока. Очевидно, что снижать напряжение холостого хода источника можно до значений, при которых обеспечивается зажигание дуги.

При увеличении длины дуги статические ВАХ смещаются вверх, а точки их пересечения с внешней характеристикой источника будут соответствовать меньшим значениям тока (рис.6,в). При чрезмерном увеличении длины дуга погаснет.

Кроме основных требований по обеспечению надежного зажигания, устойчивости горения и регулирования сварочного тока, которые являются общими для всех источников питания сварочной дуги, к источникам переменного тока предъявляются дополнительные требования. Они связаны с их динамическими свойствами, т.е. способностью восстанавливать напряжение в соответствии с изменившимся током. Так, при погасании дуги напряжение должно быстро восстанавливаться до значения зажигания, т.к. в противном случае повторного зажигания может не произойти и в горении дуги наступят значительные перерывы. Для надежного повторного зажигания дуги переменного тока необходимо увеличивать сварочный ток и напряжение холостого хода источника, а также использовать источники с большой индуктивностью.

От динамических свойств источника переменного тока зависит качество сварочного шва. Быстрое нарастание тока короткого замыкания при касании каплей электродного металла шва приводит к ее разбрызгиванию и ухудшению качества сварочных работ. Для устранения этого в сварочную цепь последовательно с дугой включают дроссель или применяют источники с крутопадающими характеристиками.