Электрические свойства дуги
Электрическая дуга представляет собой замечательный электрический долгий разряд в газовой среде между двумя электродами. Электрический разряд в газах имеется прохождение электрического тока в ионизированной газовой среде.
При обычных условиях все газы не выполняют электрический ток, т. к. в них нет свободных зарядов. При этих условиях все газы являются хорошими диэлектриками (изоляторами). Газы способны проводить электрический ток в том случае, если в них появляются свободные электрически заряженные частицы.
Явление ионизации газов. Процесс образования в газе свободных электрически заряженных частиц именуется ионизацией. Свободными заряженными частицами в газах смогут быть электроны, ионы (хорошие и отрицательные).
В случае если к ионизированному газовому промежутку приложить электрическое напряжение, то начнется электрический газовый разряд (прохождение электрического тока). При прохождении электрического тока через ионизированный газ хорошие ионы движутся к отрицательному полюсу электрической цепи (катоду), отрицательные ионы и электроны— к хорошему полюсу (аноду),’
Ионизация газа может происходить при действии на газ большой температуры, замечательного электрического поля, замечательного светового излучения, при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами. В зоне сварочной дуги ионизация газа происходит по большей части за счет большой температуры (термическая ионизация). Высокая температура газа поддерживается притоком энергии из питающей электрической цепи.
Явление электронной эмиссии. Для начала процесса ионизации нужен приток в газовый промежуток свободных электронов от внешнего источника. В этом случае особенно серьёзна роль отрицательного электрода электрической цепи — катода, что является мощным источником свободных электронов.
Процесс выхода свободных электронов с поверхности металла носит название электронной эмиссии. Электронная эмиссия появляется при действии большой температуры, замечательного электрического поля, замечательного светового излучения, за счет энергии, выделяемой при ударах хороших ионов о поверхность раскаленного катода.
Главными факторами, каковые снабжают в дуговом промежутке замечательный поток электронов, содействующий устойчивому горению сварочной дуги, являются эмиссия электронов и термоэлектронная эмиссия от ударов хороших ионов о поверхность катода.
Процесс происхождения сварочной дуги. Ионизация дугового промежутка в начальный момент появляется в следствии термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. Значительное влияние на стабильное горение сварочной дуги оказывает термическая ионизация дугового промежутка.
Дабы создать условия термоэлектронной эмиссии, нужно раскалить поверхность катода. С целью этого создают замыкание электрической (сварочной) цепи: электродом касаются главного металла (изделия). При отрыве электрода дуговой промежуток заполняется свободными электронами, вышедшими с поверхности раскаленного катода.
В один момент происходит термическая ионизация дугового промежутка — он заполняется ионизированными частицами газов, электродного покрытия и паров металла.
С ростом числа свободных заряженных частиц в дуговом промежутке растет его электрическая проводимость. В следствии сила тока через дуговой промежуток возрастает, а напряжение дуги значительно уменьшается. уменьшение напряжения и Рост тока дуги происходят до определенного предела, после этого наступает устойчивое состояние дугового разряда — горение дуги.
В установившемся режиме горения дуга при сварке плавящимся штучным (покрытым) электродом горит устойчиво при напряжении 18—25 В. Этого напряжения достаточно для поддержания дугового разряда, в то время, когда дуговой промежуток прекрасно ионизирован и имеет малое электрическое сопротивление.
Но для возбуждения сварочной дуги для того чтобы напряжения не хватает, поскольку в начальный момент образования дуги (мгновенное состояние по окончании отрыва электрода от изделия по окончании замыкания) дуговой промежуток ионизирован весьма слабо и имеет громадное электрическое сопротивление. В момент возбуждения сварочной дуги нужно более высокое напряжение — не меньше 60 В.
В прошлом при низких технологических чертях источников и электродов питания для увеличения стабильности гооения при сварке переменным током употреблялось вспомогательное устройство — осциллятор. Он снабжал на дуговом промежутке вспомогательное высокое напряжение (до нескольких киловольт) при высокой частоте. Высокая частота нужна для безопасности людей.
При применении осциллятора происхождение дуги в начальный момент происходит без касания электродом изделия (без замыкания). Дуга возбуждается при приближении электрода к изделию (главному металлу) на расстояние 2— 3 мм. В этом случае начальная ионизация дугового промежутка является следствием замечательного электрического поля, создаваемого высоким напряжением.
источники питания и Современные электроды имеют высокие технологические характеристики, снабжающие стабильное горение дуги при сварке переменным током. Исходя из этого отпала необходимость в дополнительных запасных устройствах, усложняющих сварочный процесс.
Понятие устойчивости горения дуги. Сварочная дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, с малыми произвольными трансформациями величины тока в ней, именуется устойчивой.
Сварочная дуга именуется неустойчивой, если она горит неравномерно, довольно часто обрывается и меркнет, в случае если произвольные трансформации величины тока в ней велики.
Строение сварочной дуги. Электрическая сварочная дуга постоянного тока имеет три главные четко выраженные территории: катодную область, столб дуги и анодную область.
В ходе горения дуги на аноде и катоде наблюдаются активные пятна, воображающие собой самый нагретые участки основного металла и электрода. Через активные пятна проходит целый ток дуги. При среднем значении сварочного тока (200—300 А) диаметр анодного пятна в 1,5—2 раза больше диаметра катодного пятна.
Столб дуги расположен между катодной и анодной областями. Столб дуги представляет собой ярко светящийся, нагретый до большой температуры сложный газ, складывающийся из смеси электродов, хороших и отрицательных ионов, нейтральных атомов. Такое состояние вещества именуется плазмой.
Плазма в целом электрически нейтральна, поскольку количество хороших и отрицательных частиц в ней одинаково.
Явление магнитного дутья. Отклоняющее воздействие магнитных полей на сварочную дугу носит название магнитного дутья. Сварочную дугу возможно разглядывать как эластичный газовый проводник электрического тока.
При сотрудничестве магнитного поля столба Дуги с магнитными полями, появляющимися при прохождении сварочного тока по изделию, либо с ферромагнитными весами может случиться отклонение сварочной дуги от собственной оси и в следствии нарушится сварочный процесс.
Рис. 1. Строение сварочной дуги:
1 — катодная зова; 2 — анодная территория; 3 —столб дуги; 4 — ореол пламени; 5 — сварочная ванна
Pис. 2. Явление магнитного дутья:
a — влияние места токоподвода к изделию; б — влияние ферромагнитной массы; в — влияние типа сварного соединения
Магнитное дутье быстро повышает разбрызгивание электродного металла, ухудшает уровень качества сварных швов и снижает производительность сварочного процесса. Явление магнитного дутья может значительно затруднить сварку постоянным током, при сварке переменным током оно проявляется существенно не сильный. Силовое воздействие магнитного поля пропорционально квадрату силы тока, исходя из этого магнитное дутье особенно заметно себя проявляет при сварке на громадных токах (более чем 250 А).
На величину магнитного дутья влияют следующие факторы: место присоединения сварочного провода к главному металлу (изделию), присутствие вблизи места сварки больших ферромагнитных весов, тип сварного соединения.
Присоединение сварочного провода к изделию в отдалении от дуги ведет к отклонению ее в сторону, противоположную токо-подводу. Сильным причиной, действующим на отклонение дуги, являются ферромагнитные веса, имеющие, высокую магнитную проницаемость, намного большую, чем воздушное пространство. Близко расположенные к дуге ферромагнитные веса вызывают направленный магнитный поток, что отклоняет дугу в сторону массы.
Это явление отмечается при сварке стыковых швов вблизи массивных элементов крепления, при сварке угловых швов, при сварке страниц разной толщины, при сварке стыковых швов с разделкой кромок при громадной толщине металла.
Для уменьшения отрицательного влияния магнитного дутья рекомендуется принимать следующие меры:
1) В ходе сварки поддерживать предельно маленькую дугу.
2) В зависимости от величины отклонения дуги изменять угол наклона электрода, наряду с этим финиш электрода направлять в сторону отклонения дуги.
3) Временно размещать симметричные ферромагнитные веса (тела) вблизи места сварки.
4) Присоединять сварочный провод к изделию в близи к дуге. При сварке долгих швов токо-подвод к изделию возможно осуществлять при помощи двух проводов (в начале и в конце шва) а также трех (в начале, середине и в конце шва). При сварке долгих швов в нижнем положении сварочный провод возможно присоединить к металлической плитке и иногда перемещать ее по изделию на протяжении шва по мере продвижения дуги.
Рис. 3. Уменьшение отрицательного влияния магнитного дутья
Магнитное дутье проявляется существенно не сильный при применении электродов с толстым покрытием. В случае если все перечисленные методы борьбы с магнитным дутьем не дают результата, то нужно перейти на сварку переменным током.
Особенности горения дуги переменного тока. Устойчивость горения сварочной дуги, питаемой переменным током, ниже, чем питаемой постоянным током. Это разъясняется тем, что при переходе тока через нуль и трансформации полярности напряжения в конце и начале каждого полупериода дуговой разряд угасает. Дуга горит приблизительно 70% времени в течение каждого полупериода переменного тока.
При промышленной частоте переменного тока 50 герц перерывы в горении дуги повторяются 100 раз в секунду. В эти моменты быстро значительно уменьшается температура дугового промежутка и степень его ионизации. Наряду с этим электропроводимость дугового промежутка падает, и дуговой разряд может не появиться снова в начале следующего полупериода, т. е. дуга может погаснуть.
Продолжительность перерывов в горении дуги зависит от величины напряжения холостого хода источника питания переменного тока (трансформатора), состава электродного покрытия, температуры плавления электродного металла.
Для увеличения устойчивости горения дуги переменного тока возможно использовать источники питания сварочной дуги с повышенным напряжением холостого хода (в сравнении с источниками питания постоянного тока), возможно включать в сварочную цепь индуктивное сопротивление для сдвига нулевого значения тока довольно нулевого значения напряжения.
В случае если в зоне дуги присутствуют легкоионизируемые элементы, то зажигание дуги в начале каждого полупериода облегчается, т. е. увеличивается устойчивость горения дуги переменного тока. С целью этого в состав электродных покрытий вводят элементы с низким потенциалом ионизации: калий, натрий, кальций. Эти элементы находятся в таких компонентах электродных покрытий, как мел, мрамор, поташ, полевой шпат, жидкое стекло.
Производство штучных (покрытых) электродов все время совершенствуется. Созданы составы электродных покрытий, каковые снабжают достаточно устойчивое горение дуги при сварке переменным током.
Сварка переменным током отыскала широкое использование на производстве. Она имеет следующие преимущества:
а) экономические — оборудование сварочного поста и его эксплуатация намного проще и дешевле,
б) технологические — фактически отсутствует явление магнитного дутья.
