Статические характеристики дугового разряда

Сварочная дуга (рис. 1.5) – это установившийся мощный электрический разряд, например, между электродами 1 и 2 в ионизированной смеси газов, паров металлов и веществ, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и других защитных средств. Носителями электричества в сварочной дуге являются электроны и ионы. Электрическая проводимость дугового промежутка обеспечивается тем, что под действием электрического поля между катодом и анодом отрицательно заряженные электроны движутся к аноду 2, а положительно заряженные ионы – к катоду 1. Но основными носителями электричества в сварочной дуге, по большей части и определяющими ее проводимость, являются электроны.

Рис. 1.5. Распределение потенциала по длине столба дуги

Электроны в дуге появляются в основном за счет их эмиссии с поверхности катода как термоэлектронной (вследствие нагрева его поверхности до температуры Т ~ Т_пл), так и автоэлектронной (вследствие наличия у его поверхности электрического поля высокой напряженности ε_к ≈ 10⁴ В/мм). Кроме того, электроны появляются при термической ионизации нейтральных газов и паров металлов.

В сварочной дуге четко выражены три области: катодная, столб дуги и анодная, характеризуемые падениями напряжения U_к, U_ст и U_а.

Падение напряжения в катодной области U_к, непосредственно прилегающей к катодному пятну диаметром d_к обычно преобладает в общем падении напряжения на дуге, а его величина зависит от конкретных физических условий для данной дуги, в том числе от потенциала ионизации газов и паров катодной области. Протяженность катодной области l_к очень мала: l_к ≈ 10^–3...10^–4 мм.

В анодной области, непосредственно прилегающей к анодному пятну диаметром d_a, ионизации практически не происходит. Как показывают экспериментальные данные, анодное падение напряжения зависит от физических условий в анодной области и степени влияния пространственного отрицательного заряда. Оно практически не зависит от сварочного тока. Протяженность анодной области l_а также очень мала: l_a ≈ 10^–2...10^–3мм.

Падение напряжений в катодной области, которое преобладает в общем падении напряжения на дуге, составляет U_к ≈ 5...25 В, и в анодной области, которое также весьма значимо U_а ≈ 2...10 В, не зависит от длины дуги, а падение напряжения в столбе U_ст пропорционально длине дуги l_д:

,

где – градиент напряжения в столбе, равный = 1...4 В/мм.

Падение напряжения на дуге U_д – это сумма падений напряжений в анодной и катодной областях, а также в столбе дуги:

. (1.2)

Мощность дуги P_д можно выразить следующим образом:

. (1.3)

Экспериментально сумму катодного и анодного падения напряжений можно найти, постепенно уменьшая длину дуги и замеряя напряжение при минимальной ее длине, когда падением в столбе можно пренебречь. Отдельные же величины, входящие в выражение мощности дуги, определяют следующим образом. Катодное падение напряжения U_к часто принимают равным потенциалу ионизации газа. Например, потенциал паров железа равен U_iFe = 7,83 В, а воздуха – U_iвозд = 14 В.
В случае если нет точных измерений потенциала паров металла, которые экспериментально довольно трудно выполнить, в среднем берут U_к ≈ 10 В. Для анодного падения напряжения, сильно меняющегося в зависимости от разных обстоятельств, при ручной сварке стальным электродом часто принимают U_а = 6...8 В. Что же касается столба дуги, то градиент напряжения в нем можно принять 2...3 В/мм, в среднем – 2,5 В/мм. Таким образом, напряжение дуги длиной 6 мм будет

В.

При прямом действии электрической дуги свариваемое изделие включается в электрическую цепь и служит одним из электродов дуги. Если дуга питается постоян-ным током и электрод присоединяется к отрицательному полюсу источника тока (электрод 1), а изделие – к положительному полюсу (электрод 2), то имеем прямую полярность дуги. Присоединение электрода к положительному полюсу, а изделия – к отрицательному полюсу дает обратную полярность. Изменение полярности влияет на распределение тепла и перенос электродного металла в дуге. В практике дуговой сварки применяют и прямую, и обратную полярность, учитывая особенности технологии сварки.

Напряжение и ток дуги связаны между собой сложной зависимостью, которая определяет свойства дуги как нелинейного элемента электрической цепи.

Аналитические выражения зависимости U_д = f(I) очень громоздки и для практического использования малопригодны. Чаще всего эту зависимость представляют графически в виде вольтамперных характеристик (ВАХ). При этом ВАХ называются статическими, если они построены по результатам измерений относительно медленно изменяющихся тока и напряжения в состоянии устойчивого равновесия дугового разряда.

Наиболее достоверные статические ВАХ могут быть получены для дуги с неплавящимися электродами, длина которой остается практически постоянной в большом диапазоне изменения тока. В сварочной дуге с плавящимся проволочным электродом длина дуги вследствие оплавления конца электрода и последующего переноса металла в шов не является постоянной, и такая дуга, строго говоря, имеет неустановившийся характер. Построение более или менее достоверных статических ВАХ в этом случае возможно лишь для начальной стадии дугового разряда при неподвижном электроде. В общем случае статические вольтамперные характеристики дуги имеют форму, показанную на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Общий вид статических вольтамперных характеристик дугового разряда (l_д2>l_д1)

При неизменных прочих условиях (длина дуги, материал и геометрия электродов, состав и давление дугового газа) форма ВАХ зависит от порядка величины тока, что позволяет выделить на ней три характерных участка.

1. При относительно небольших токах напряжение дуги с ростом тока уменьшается и ВАХ является падающей. Это объясняется тем, что рост тока на этом участке характеристики сопровождается резким увеличением сечения и электропроводности столба, что ведет к уменьшению напряжения на нем, а значит и напряжения дуги, поскольку катодное и анодное падение напряжения от тока практически не зависят. Такая форма статических ВАХ свойственна малоамперным дугам при сварке неплавящимся электродом. Сварка плавящимся электродом в этом диапазоне токов не производится ввиду недостаточной устойчивости дуги.

2. Дальнейший рост тока сопровождается пропорциональным увеличением площади катодного пятна и сечения столба, в то время как его проводимость изменяется незначительно. Поэтому напряжение дуги остается практически постоянным в широком интервале изменения тока. Такая форма ВАХ, называемая жесткой, имеет место при ручной сварке покрытыми электродами, в большинстве случаев сварки под слоем флюса, а также при сварке неплавящимся электродом на токах от 20...30 А и более.

3. При больших плотностях тока в электроде площадь катодного пятна и сечение столба не могут сколько-нибудь существенно увеличиться, поэтому рост тока сопровождается увеличением падения напряжения в столбе дуги. Возрастающая форма ВАХ свойственна сварочным дугам, в которых используется тонкая
(до 2 мм) электродная проволока. Больший угол наклона имеет место при сварке в среде защитного газа, поскольку его струя способствует охлаждению и некоторому сжатию столба дуги.