Что такое электрическая дуга и как она возникает. Температура электрической дуги
Температура - электрическая дуга - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Температура - электрическая дуга
Cтраница 1
Температура электрической дуги достигает 4000 С, а воздух в зоне сварщика нагревается на 4 - 10 выше по сравнению с температурой вне сварочной кабины. [1]
Температура электрической дуги зависит от материала электродов: при угольных электродах на катоде она составляет около 3200 С; на аноде - около 3900 С; при металлических электродах соответственно 2400 и 2600 С. В центре дуги по ее оси, температура достигает 6000 - 7000 С. [2]
Температура электрической дуги ( средняя) достигает 4 000 С, и воздух в рабочей зоне сварщика при недостаточной эффективной вентиляции нагревается на 6 - 10 С выше по сравнению с воздухом вне сварочной кабины, что может привести при длительной работе в таких условиях к перегреву организма сварщика. [3]
Температура электрической дуги зависит от материала электродов; при угольных электродах она составляет на катоде около 3200 С, на аноде - около 3900 С; при металлических электродах - соответственно 2400 и 2600 С. В центре дуги, по ее оси, температура достигает 6000 - 7000 С. [4]
Температура электрической дуги зависит от материала электродов: при угольных электродах на катоде она составляет около 3200 С; на аноде - около 3900 С; при металлических электродах соответственно 2400 и 2600 С. В центре дуги по ее оси, температура достигает 6000 - 7000 С. [5]
Температура электрической дуги зависит от материала электродов. [7]
Температура электрической дуги составляет несколько тысяч градусов, и проводимость дуги обусловлена наличием свободных электронов и ионов. [8]
При температуре электрической дуги масло полностью разлагается на углерод и простые газы. [9]
При температуре электрической дуги углерод с азотом образуют дициан C2N2 - бесцветный, ядовитый газ, раздражающий дыхательные пути. [10]
При температуре электрической дуги углерод может непосредственно соединяться с азотом. Называется это соединение ц и а н, или синерод. Это бесцветный ядовитый газ, по свойствам сходный с галогенами. [11]
При температуре электрической дуги углерод с азотом образуют дициан C2N2 - бесцветный, ядовитый газ, раздражающий дыхательные пути. [12]
Образуется при температуре электрической дуги. [13]
При более высокой температуре ( температура электрической дуги) образуется преимущественно ацетилен, хотя и в этом случае получается небольшое количество метана. Температуру, при которой происходит образование метана соединением углерода и водорода, оказалось возможным значительно понизить, применяя катализаторы: в данном случае, катализатором служит свеже-восстановленный, мелкораздробленный никель. [14]
На практике процесс ведут при температуре электрической дуги, около 2000 С. Газовую смесь, находящуюся при этой температ уре, быстро охлаждают, причем такой процесс охлаждения, называемый закалкой, проводят настолько быстро, что на обратную реакцию в ответ на изменение условий не остается времени. [15]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
Температура сварочной дуги в разных зонах горения, ее длина и условия возбуждения
Принцип электродуговой сварки основан на использовании температуры электрического разряда, возникающего между сварочным электродом и металлической заготовкой.
Дуговой разряд образуется вследствие электрического пробоя воздушного промежутка. При возникновении этого явления происходит ионизация молекул газа, повышение его температуры и электропроводности, переход в состояние плазмы.
Горение сварочной дуги сопровождается выделением большого количества световой и особенно тепловой энергии, вследствие чего резко повышается температура, и происходит локальное плавление металла заготовки. Это и есть сварка.
Основные свойства дугового разряда
В процессе работы, для того, чтобы возбудить дуговой разряд, производится кратковременное касание заготовки электродом, то есть, создание короткого замыкания с последующим разрывом металлического контакта и установлением требуемого воздушного зазора. Таким способом выбирается оптимальная длина сварочной дуги.
При очень коротком разряде электрод может прилипать к заготовке, плавление происходит чересчур интенсивно, что может привести к образованию наплывов. Длинная дуга отличается неустойчивостью горения и недостаточно высокой температурой в зоне сварки.
Неустойчивость и видимое искривление формы сварочной дуги часто можно наблюдать при работе промышленных сварочных агрегатов с достаточно массивными деталями. Это явление называется магнитным дутьем.
Суть его заключается в том, что сварочный ток дуги создает некоторое магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем, создаваемым током, протекающим через массивную заготовку.
То есть, отклонение дуги вызывается магнитными силами. Дутьем процесс назван потому, что дуга отклоняется, как будто под воздействием ветра.
Радикальных способов борьбы с этим явлением нет. Для уменьшения влияния магнитного дутья применяют сварку укороченной дугой, а также располагают электрод под определенным углом.
Среда горения
Существует несколько различных сварочных технологий, использующих электродуговые разряды, отличающиеся свойствами и параметрами. Электрическая сварочная дуга имеет следующие разновидности:
открытая. Горение разряда происходит непосредственно в атмосфере;
закрытая. Образующаяся при горении высокая температура вызывает обильное выделение газов от сгорающего флюса. Флюс содержится в обмазке сварочных электродов;
в среде защитных газов. В этом варианте, в зону сварки подается газ, чаще всего, это гелий, аргон или углекислый газ.
Защита зоны сварки необходима для предотвращения активного окисления плавящегося металла под воздействием кислорода воздуха.
Слой окисла препятствует образованию сплошного сварного шва, металл в месте соединения приобретает пористость, в результате чего снижается прочность и герметичность стыка.
В какой-то мере дуга сама способна создавать микроклимат в зоне горения за счет образования области повышенного давления, препятствующего притоку атмосферного воздуха.
Применение флюса позволяет более активно выдавливать воздух из зоны сварки. Использование среды защитных газов, подаваемых под давлением, решает эту задачу практически полностью.
Продолжительность разряда
Кроме критериев защищенности, дуговой разряд классифицируется по продолжительности. Существуют процессы, в которых горение дуги происходит в импульсном режиме.
В таких устройствах сварка осуществляется короткими вспышками. За время вспышки, температура успевает возрасти до величины, достаточной для локального расплавления небольшой зоны, в которой образуется точечное соединение.
Большинство же применяемых сварочных технологий использует относительно продолжительное по времени горение дуги. В течение сварочного процесса происходит постоянное перемещение электрода вдоль соединяемых кромок.
Область повышенной температуры, создающая сварочную ванну, перемещается вслед за электродом. После перемещения сварочного электрода, следовательно, и дугового разряда, температура пройденного участка снижается, происходит кристаллизация сварочной ванны и образование прочного сварного шва.
Структура дугового разряда
Область дугового разряда условно принято делить на три участка. Участки, непосредственно прилегающие к полюсам (аноду и катоду), называют соответственно, анодным и катодным.
Центральную часть дугового разряда, расположенную между анодной и катодной областями, называют столбом дуги. Температура в зоне сварочной дуги может достигать нескольких тысяч градусов (до 7000 °C).
Хотя тепло не полностью передается металлу, его вполне хватает для расплавления. Так, температура плавления стали для сравнения составляет 1300-1500 °C.
Для обеспечения устойчивого горения дугового разряда необходимы следующие условия: наличие тока порядка 10 Ампер (это минимальное значение, максимум может достигать 1000 Ампер), при поддержании напряжения дуги от 15 до 40 Вольт.
Падение этого напряжения происходит в дуговом разряде. Распределение напряжения по зонам дуги происходит неравномерно. Падение большей части приложенного напряжения происходит в анодной и катодной зонах.
Экспериментальным путем установлено, что при сварке плавящимся электродом, наибольшее падение напряжения наблюдается в катодной зоне. В этой же части дуги наблюдается наиболее высокий градиент температуры.
Поэтому, при выборе полярности сварочного процесса, катод соединяют с электродом, когда хотят добиться наибольшего его плавления, повысив его температуру. Наоборот, для более глубокого провара заготовки, катод присоединяют к ней. В столбе дуги падает наименьшая часть напряжения.
При производстве сварочных работ неплавящимся электродом, катодное падение напряжения меньше анодного, то есть, зона повышенной температуры смещена к аноду.
Поэтому, при этой технологии, заготовка подключается к аноду, чем обеспечивается хороший ее прогрев и защита неплавящегося электрода от излишней температуры.
Температурные зоны
Следует заметить, что при любом виде сварки, как плавящимся, так и неплавящимся электродом, столб дуги (его центр) имеет самую высокую температуру – порядка 5000-7000 °C, а иногда и выше.
Зоны наиболее низкой температуры располагаются в одной из активных областей, катодной или анодной. В этих зонах может выделяться 60-70% тепла дуги.
Кроме интенсивного повышения температуры заготовки и сварочного электрода, разряд излучает инфракрасные и ультрафиолетовые волны, способные оказывать вредное влияние на организм сварщика. Это обусловливает необходимость применения защитных мер.
Что касается сварки переменным током, понятие полярности там не существует, так как положение анода и катода изменяется с промышленной частотой 50 колебаний в секунду.
Дуга в этом процессе обладает меньшей устойчивостью по сравнению с постоянным током, ее температура скачет. К преимуществам сварочных процессов на переменном токе, можно отнести только более простое и дешевое оборудование, да еще практически полное отсутствие такого явления, как магнитное дутье, о котором сказано выше.
Вольт-амперная характеристика
На графике представлены кривые зависимости напряжения источника питания от величины сварочного тока, называемые вольт–амперными характеристиками сварочного процесса.
Кривые красного цвета отображают изменение напряжения между электродом и заготовкой в фазах возбуждения сварочной дуги и устойчивого ее горения. Начальные точки кривых соответствуют напряжению холостого хода источника питания.
В момент возбуждения сварщиком дугового разряда, напряжение резко снижается вплоть до того периода, когда параметры дуги стабилизируются, устанавливается значение тока сварки, зависящее от диаметра применяемого электрода, мощности источника питания и установленной длины дуги.
С наступлением этого периода, напряжение и температура дуги стабилизируются, и весь процесс приобретает устойчивый характер.
svaring.com
Электрическая дуга, свойства, температура. Защита от электрической дуги
Привет всем посетителям моего блога. Тема сегодняшней статьи электрическая дуга и защита от электрической дуги. Тема не случайная, пишу из больницы имени Склифосовского. Догадываетесь почему?
Что такое электрическая дуга
Это один из видов электрического разряда в газе (физическое явление). Также ее называют – Дуговой разряд или Вольтова дуга. Состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа (плазмы).
Может возникнуть между двумя электродами при увеличении напряжения между ними, либо приближении друг к другу.
Вкратце о свойствах: температура электрической дуги, от 2500 до 7000 °С. Не маленькая температура, однако. Взаимодействие металлов с плазмой, приводит к нагреву, окислению, расплавлению, испарению и другим видам коррозии. Сопровождается световым излучением, взрывной и ударной волной, сверхвысокой температурой, возгоранием, выделением озона и углекислого газа.
В интернете есть немало информации о том, что такое электрическая дуга, каковы ее свойства, если интересно подробнее, посмотрите. Например, в ru.wikipedia.org.
Теперь о моем несчастном случае. Трудно поверить, но 2 дня назад я напрямую столкнулся с этим явлением, причем неудачно. Дело было так: 21 ноября, на работе, мне было поручено сделать разводку светильников в распаечной коробке, после чего подключить их в сеть. С разводкой проблем не возникло, а вот когда полез в щит, возникли некоторые трудности. Жаль андройд свой дома забыл, не сделал фото электрощита, а то было бы более ясно. Возможно сделаю еще, как выйду на работу. Итак, щит был очень старый — 3 фазы, нулевая шина (она же заземление), 6 автоматов и пакетный выключатель (вроде все просто), состояние изначально не вызывало доверия. Долго боролся с нулевой шиной, так как все болты были ржавые, после чего без труда посадил фазу на автомат. Все хорошо, проверил светильники, работают.
После, вернулся к щиту, чтобы аккуратно уложить провода, закрыть его. Хочу заметить, электрощит находился на высоте ~2 метра, в узком проходе и чтобы добраться до него, использовал стремянку (лестницу). Укладывая провода, обнаружил искрения на контактах других автоматов, что вызывало моргание ламп. Соответственно я протянул все контакты и продолжил осмотр остальных проводов (чтобы 1 раз сделать и не возвращаться больше к этому). Обнаружив, что один контакт на пакетнике имеет высокую температуру, решил протянуть его тоже. Взял отвертку, прислонил к винту, повернул, бах! Раздался взрыв, вспышка, меня отбросило назад, ударившись об стену, я упал на пол, ничего не видно (ослепило), щит не переставал взрываться и гудеть. Почему не сработала защита мне не известно. Чувствуя на себе падающие искры я осознал, что надо выбираться. Выбирался на ощупь, ползком. Выбравшись из этого узкого прохода, начал звать напарника. Уже на тот момент я почувствовал, что с моей правой рукой (ей я держал отвертку) что-то не так, ужасная боль ощущалась.
Вместе с напарником мы решили, что нужно бежать в медпункт. Что было дальше, думаю не стоит рассказывать, всего обкололи и в больницу. Никогда походу не забуду этот ужасный звук долгого короткого замыкания – зуд с жужжанием.
Сейчас лежу в больнице, на коленке у меня ссадина, врачи думают, что меня било током, это выход, поэтому наблюдают за сердцем. Я же считаю, что током меня не било, а ожег на руке, был нанесен электрической дугой, которая возникла при замыкании.
Что там случилось, почему произошло замыкание мне пока не известно, думаю, при повороте винта, сдвинулся сам контакт и произошло замыкание фаза-фаза, либо сзади пакетного выключателя находился оголенный провод и при приближении винта возникла электрическая дуга. Узнаю позже, если разберутся.
Блин, сходил на перевязку, так руку замотали, что пишу одной левой теперь )))
Фото без бинтов делать не стал, очень не приятное зрелище. Не хочу пугать начинающих электриков….
Итак, идем дальше:
Защита от электрической дуги
Какие бывают меры защиты от электрической дуги, что могло меня защитить? Проанализировав интернет, увидел, что самым популярным средством защиты людей в электроустановках от электрической дуги является термостойкий костюм. В северной Америке большой популярностью пользуются специальные автоматы фирмы Siemens, которые защищают как от электрической дуги, так и от максимального тока. В России, на данный момент, подобные автоматы используются только на высоковольтных подстанциях. В моем случае мне бы хватило диэлектрической перчатки, но сами подумайте, как в них подключать светильники? Это очень неудобно. Также рекомендую использовать защитные очки, чтобы защитить глаза.
В электроустановках борьба с электрической дугой осуществляется с помощью вакуумных и масляных выключателей, а также при помощи электромагнитных катушек совместно с дугогасительными камерами.
Это все? Нет! Самым надежным способом обезопасить себя от электрической дуги, на мой взгляд, являются работы со снятием напряжения. Не знаю как вы, а я под напряжением работать больше не буду...
Сегодня без анекдотов и новостей. Рекомендую прочитать статью средства защиты в электроустановках, все они созданы для нашей с вами защиты. Но от несчастного случая никто не застрахован, берегите себя.
Полезные записи:
На этом моя статья электрическая дуга и защита от электрической дуги заканчивается. Есть что дополнить? Оставь комментарий.
elektrobiz.ru
причины возникновения и способы применения
При коммутации электрических приборов или перенапряжений в цепи между токоведущими частями может появится электрическая дуга. Она может использоваться в полезных технологических целях и в то же время нести вред оборудованию. В настоящее время инженеры разработали ряд методов борьбы и использования в полезных целях электрической дуги. В этой статье мы рассмотрим, как она возникает, ее последствия и область применения.
Образование дуги, её строение и свойства
Представим, что мы в лаборатории проводим эксперимент. У нас есть два проводника, например, металлических гвоздя. Расположим их острием друг к другу на небольшом расстоянии и подключим к гвоздям выводы регулируемого источника напряжения. Если постепенно увеличивать напряжение источника питания, то при определенном его значении мы увидим искры, после чего образуется устойчивое свечение подобное молнии.
Таким образом можно наблюдать процесс её образования. Свечение, которое образуется между электродами — это плазма. Фактически это и есть электрическая дуга или протекание электрического тока через газовую среду между электродами. На рисунке ниже вы видите её строение и вольт-амперную характеристику:
А здесь – приблизительные величины температур:
Почему возникает электрическая дуга
Всё очень просто, мы рассматривали в статье об электрическом поле, а также в статье о распределении зарядов в проводнике, что если любое проводящее тело (стальной гвоздь, например) внести в электрическое поле — на его поверхности начнут скапливаться заряды. При том, чем меньше радиус изгиба поверхности, тем их больше скапливается. Говоря простым языком — заряды скапливаются на острие гвоздя.
Между нашими электродами воздух — это газ. Под действием электрического поля происходит его ионизация. В результате всего этого возникают условия для образования электрической дуги.
Напряжение, при котором возникает дуга, зависит от конкретной среды и её состояния: давления, температуры и прочих факторов.
Интересно: по одной из версий это явление так называется из-за её формы. Дело в том, что в процессе горения разряда воздух или другой окружающий её газ разогревается и поднимается вверх, в результате чего происходит искажение прямолинейной формы и мы видим дугу или арку.
Для зажигания дуги нужно либо преодолеть напряжение пробоя среды между электродами, либо разорвать электрическую цепь. Если в цепи есть большая индуктивность, то, согласно законам коммутации, ток в ней не может прерваться мгновенно, он будет протекать и далее. В связи с этим будет возрастать напряжение между разъединенными контактами, а дуга будет гореть пока не исчезнет напряжение и не рассеется энергия, накопленная в магнитном поле катушки индуктивности.
Рассмотрим условия зажигания и горения:
Между электродами должен быть воздух или другой газ. Для преодоления напряжения пробоя среды потребуется высокое напряжение в десятки тысяч вольт – это зависит от расстояния между электродами и других факторов. Для поддержания горения дуги достаточно 50-60 Вольт и тока в 10 и больше Ампер. Конкретные величины зависят от окружающей среды, формы электродов и расстояния между ними.
Вред и борьба с ней
Мы рассмотрели причины возникновения электрической дуги, теперь давайте разберемся какой вред она наносит и способы её гашения. Электрическая дуга наносит вред коммутационной аппаратуре. Вы замечали, что, если включить мощный электроприбор в сеть и через какое-то время выдернуть вилку из розетки — происходит небольшая вспышка. Это дуга образуется между контактами вилки и розетки в результате разрыва электрической цепи.
Важно! Во время горения электрической дуги выделяется много тепла, температура её горения достигает значений более 3000 градусов Цельсия. В высоковольтных цепях длина дуги достигает метра и более. Возникает опасность как нанесения вреда здоровью людей, так и состоянию оборудования.
Тоже самое происходит и в выключателях освещения, другой коммутационной аппаратуре среди которых:
автоматические выключатели;
магнитные пускатели;
контакторы и прочее.
В аппаратах, которые используются в сетях 0,4 кВ, в том числе и привычные 220 В, используют специальные средства защиты – дугогасительные камеры. Они нужны чтобы уменьшить вред, наносимый контактам.
В общем виде дугогасительная камера представляет собой набор проводящих перегородок особой конфигурации и формы, скрепленных стенками из диэлектрического материала.
При размыкании контактов образовавшаяся плазма изгибается в сторону камеры дугогашения, где разъединяется на небольшие участки. В результате она охлаждается и гасится.
В высоковольтных сетях используют масляные, вакуумные, газовые выключатели. В масляном выключателе гашение происходит коммутацией контактов в масляной ванне. При горении электрической дуги в масле оно разлагается на водород и газы. Вокруг контактов образуется газовый пузырь, который стремиться вырваться из камеры с большой скоростью и дуга охлаждается, так как водород обладает хорошей теплопроводностью.
В вакуумных выключателях не ионизируются газы и нет условий для горения дуги. Также есть выключатели, заполненные газом под высоким давлением. При образовании электрической дуги температура в них не повышается, повышается давление, а из-за этого уменьшается ионизация газов или происходит деионизация. Перспективным направлением считаются элегазовые выключатели.
Также возможна коммутация при нулевом значении переменного тока.
Полезное применение
Рассмотренное явление нашло и целый ряд полезных применений, например:
Осветительные приборы. Например, дугоразрядные лампы (ДРЛ, ксеноновые и другие виды). Если добавить на электроды соли определенных металлов — цвет электрической дуги изменится.
Электродуговая сварка. При касании электродом поверхности металла протекает высокий ток, который разогревает металл. Когда вы отрываете электрод, ток не может прерваться, разогретые поверхности эмитируют электроды и возникает дуга. При оплавлении металлических свариваемых поверхностей и расплавлении самого электрода возможно соединение двух частей или их разрезание. Есть различные виды сварки, например, с использованием электродов или газа — углекислого или аргона. Она используется повсеместно и внесла огромный вклад в жилое и промышленное строительство.
Дуговая плавка. Электрическая дуга зависит от электрических параметров источников питания, таким образом можно регулировать её горение. Благодаря высокой температуре удается расплавить большое число металлов.
Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:
Теперь вы знаете, что такое электрическая дуга, какие причины возникновения данного явления и возможные сферы применения. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!
Материалы по теме:
Нравится(0)Не нравится(0)
samelectrik.ru
Высокая температура - электрическая дуга
Высокая температура - электрическая дуга
Cтраница 1
Высокая температура электрической дуги исключает начальный разогрев материала, что является особенно ценным при резке деталей с небольшой протяженностью линии реза. [2]
Высокая температура электрической дуги и большая концентрация теплоты, выделяемой ею, позволяют почти мгновенно расплавлять небольшие объемы металлов изделия и электрода. [4]
Высокая температура электрической дуги, возникающей между расходящимися контактами выключателя, ведет к тому, что масло, окружающее дугу, разлагается, превращаясь в газы. Газы выходят из бака и смешиваются с воздухом распределительного устройства. При некоторых определенных соотношениях объемов этих газов с воздухом создаются смеси, взрывающиеся при высокой температуре. Но при более благоприятных условиях эти газы могут вызывать электрический разряд между частями, находящимися под напряжением. [5]
Высокая температура электрической дуги позволяет наносить покрытия из тугоплавких металлов. [7]
Высокая температура электрической дуги способствует поглощению из окружающего воздуха не только кислорода, но и азота, причем в значительно большей степени, чем при газовой сварке. При наличии в наплавленном металле азота в виде нитридов Fe4N и Fe2N он становится более жестким и хрупким, чем при газовой сварке ацети-лено-кислородным пламенем. [8]
Высокая температура электрической дуги разлагает масло п вызывает образование газового пузыря, давление в котором возрастает. В газовом пузыре имеется до 70 % водорода, обладающего теплопроводностью, в 7 раз превышающей теплопроводность масла. Благодаря этому свойству водорода электрическая дута лучше. [9]
Высокая температура электрической дуги способствует осуществлению реакции диссоциации газов, находящихся в воздухе. Так, атмосферный азот и кислород, попадая в столб дуги, нагреваются и частично диссоциируют, а диссоциируемый азот может окисляться. [10]
Под действием высокой температуры электрической дуги, образуемой при - размыкании контактов выключателя, органическое стекло выделяет газы, образующие под давлением интенсивный поток, который гасит дугу. Если выключатели нагрузки снабжены пристроенными к ним высоковольтными кварцевыми предохранителями, то они служат и для защиты от токов к. В типовом обозначении наличие предохранителей указывается буквой П; например, выключатель нагрузки типа ВН-16 не имеет предохранителей, а типа ВНП-16 снабжен предохранителями. [12]
Под действием высокой температуры электрической дуги, образующейся во время процесса отключения, органическое стекло разлагается с выделением газов. Потоки этих газов, направленные на дуговой промежуток, гасят дугу. [13]
Описанный способ из-за высокой температуры электрической дуги не может распространяться на получение коллоидных систем в органических жидкостях, так как последние обугливаются. Сведберг ( 1905), применяя колеблющийся - искровой разряд, т.е. пользуясь переменным током очень высокой частоты, достиг такого понижения температуры дуги, что даже в низкокипящих и легко разлагающихся органических жидкостях, как например в эфире, можно получить золи щелочных и щелочноземельных металлов. [14]
Процесс плавления металла проволоки отличается высокой температурой электрической дуги, цикличностью и кратковременностью явлений, протекающих в очаге плавления. [15]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
Температура сварочной дуги
Сварочная дуга
Источниками энергии при сварке плавлением элементов строительных металлоконструкций могут служить газовое пламя или электрическая дуга.
Температура газового пламени в зависимости от характера горючего газа и среды, в которой он сгорает, может составлять от 700 до 3500 °С (в ядре пламени) (рис. 2).
Рис. 2. Распределение температуры газового пламени а — ацетилено-кислородное пламя; б — пропан-бутан-кислородное пламя
При изготовлении стальных строительных конструкций для сварки и термической резки (в качестве подогревающего пламени) можно использовать тепло, выделяющееся при сгорании смеси пропан-бутана или ацетилена с кислородом. Максимальная температура такого пламени достигает 3000—3500 °С, но низкая сосредоточенность выделяемого тепла, отрицательно влияющая на производительность процесса, и высокая площадь нагрева металла в зоне сварки, влияющая на величину внутренних напряжений в конструкциях и на величину их деформаций, а также необходимость обеспечения поста горючими газами и кислородом, горелками и шлангами, редукторами и предохранителями, невозможность автоматизации или механизации процесса привели к тому, что газовая сварка при изготовлении строительных конструкций не применяется и основным способом сварки металлоконструкций признана дуговая сварка плавящимся электродом.
Источником тепла при дуговой сварке является сварочная дуга, устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров металлов, использованных при сварке и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.
Температура сварочной дуги составляет 4500—6000 °С, а наименьшая площадь нагрева свариваемой поверхности в несколько десятков раз меньше площади, нагреваемой газовой горелкой эквивалентной мощности.
Дуга может быть прямого действия (рис. 3, а, б), когда горит между электродом и изделием, может быть косвенного (рис. 3, в) и комбинированного действия (рис. 3, г).
Рис. 3. Сварочная дуга а — прямого действия прямой полярности; б —прямого действия обратной полярности; в — косвенного действия; г — комбинированного действия
В промышленном строительстве в качестве источника тепла для сварки применяется дуга прямого действия.
Дуга может быть переменного и постоянного тока. При постоянном токе она может быть прямой или обратной полярности. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу источника и является катодом, изделие, подключенное к положительному полюсу источника, является анодом.
Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность ее использования для сварки.
К физическим свойствам относятся электрические, электромагнитные, кинетические, температурные и световые; к технологическим свойствам — мощность и устойчивость дуги.
В дуговом промежутке выделяются катодная и анодная области, в которых отмечается значительное падение напряжения, и расположенный между ними столб дуги. На поверхности анода и катода образуются высокотемпературные пятна, через которые проходит весь сварочный ток, в связи с чем они максимально разогреваются.
При сварке на постоянном токе на аноде выделяется около 43—45 % тепла сварочной дуги; на катоде 36— 38 %, остальное тепло исходит из столба дуги.
Так как из анодной зоны происходит повышенное выделение тепла, то можно выбирать наиболее рациональную полярность для сварки определенных конструкций или материалов. Например, при сварке тонколистовой стали, легкоплавких сплавов и легированных сталей, когда желательно уменьшить количество выделяемого тепла в металл конструкции, применяют сварку дугой обратной полярности. Когда же необходимо получить повышенный провар с уменьшенным усилением шва, применяют дугу прямой полярности. В этом случае скорость расплавления металла электрода несколько уменьшается, а доля основного металла в металле шва увеличивается.
Page 2
Полную тепловую мощность дуги, т. е. количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени, приближенно считают равной ее электрической мощности Электрическая мощность дуги соответствует произведению величины сварочного тока на падение напряжения на дуге и выражается в ваттах (Вт) или в джоулях в секунду (1 Вт=1 Дж/с).
Количество тепла, вводимое в металл источником нагрева, отнесенное к единице длины шва, называется погонной энергией сварки. Погонная энергия равна отношению эффективной мощности дуги к скорости ее перемещения и выражается в джоулях на погонный метр.
Эффективная тепловая мощность дуги есть количество теплоты, введенное за единицу времени в металл изделия и затраченное на его нагрев.
При сварке плавлением значительная часть выделяемого при горении сварочной дуги тепла не участвует в работе по образованию неразъемного соединения.
Характер использования полной тепловой мощности процесса можно установить по тепловому балансу, наглядно показывающему, как и на что расходуется полная тепловая мощность при дуговой сварке. Диаграммы распределения тепловой энергии при различных способах дуговой сварки приведены на рис. 4.
Рис. 4. Диаграмма распределения тепловой энергии, выделяемой сварочной дугой а — при сварке штучными покрытыми электродами; б — при сварке плавящимся электродом в среде защитного газа; в — при сварке под флюсом; г — при сварке под флюсом с ППМ; 1 — расход тепла на нагрев электрода, на угар и разбрызгивание; 2 — расход тепловой энергии на подогрев защитного газа, на расплавление флюса или покрытия электрода; 3 — расход тепла на подогрев металла под сварочной ванной и в околошовной зоне; 4 — расход тепловой энергии на проплавление свариваемых кромок на глубину 1,5—2 мм; 5 — количество тепловой энергии, участвующей в создании непосредственно сварного соединения; б — размер сварного соединения, получаемого при равной затрате электроэнергии
Энергия расходуется на нагрев электродного стержня, причем чем больше свободный вылет электрода, тем больше потери тепловой энергии в окружающее пространство. Например, при сварке угольным электродом потери энергии на нагрев электрода и излучение с его поверхности в пространство могут составлять до 40— 45 % и более полной тепловой мощности дуги. При сварке металлическим неплавящимся электродом эти потери составляют около 25 % тепловой мощности дуги. При сварке плавящимся электродом значительная часть энергии, затрачиваемой на нагрев электрода, возвращается с каплями электродного металла в сварочную ванну. Эта энергия (1) несколько повышает коэффициент наплавки и способствует снижению скорости затвердевания поверхности сварочной ванны.
Кроме нагрева электродного стержня, энергия (1) дуги теряется с испаряющимся из сварочной ванны материалом (угар), с брызгами расплавленного металла и излучениями с поверхности сварочной ванны.
Другим расходом энергии, который отсутствует, например при сварке в вакууме, при дугоконтактной сварке и контактной сварке оплавлением, является расход ее на плавление флюса, на плавление обмазки (покрытия) электрода или на нагрев защитного газа. Это тоже потери (2), которые могут достигать 25 % энергии, выделяемой сварочной дугой. Сократить их можно при сварке под флюсом за счет использования ППМ, когда толщина расплавляемого флюса сокращается при наиболее рациональном использовании тепла дуги на плавление порошкового присадочного металла. При сварке штучными электродами с органическим покрытием или с покрытием, в состав которых входят металлические компоненты, такие потери уменьшаются.
При газовой сварке расход тепловой энергии на подогрев металла чрезвычайно велик и зависит в основном от концентрации газового пламени. В этом случае потери составляют около 45—60 % полной энергии сгорания. Дуговая сварка, отличающаяся большой концентрацией источника тепла, позволяет значительно снизить потери на подогрев изделия в процессе сварки. Эти потери (3) связаны с большой теплопроводностью металла и они тем меньше, чем больше скорость сварки и меньше угол разделки кромок. При сварке правильно подготовленным электродом в среде аргона или при сварке в среде активных газов тонкой проволокой эти потери минимальны.
www.stroitelstvo-new.ru
Свойства сварочной дуги
Зажигание сварочной дуги начинается с момента касания электродом свариваемого металла т. е. с короткого замыкания.
На рис. 1 приведена последовательность процессов при зажигании сварочной дуги.
а — короткое замыкание; б — образование перемычки из жидкого металла; в — возникновение дуги
Так как торец электрода и поверхность свариваемого металла имеют неровности, то контакт между ними при коротком замыкании происходит в отдельных точках (рис. 1,а). Поэтому плотность тока в точках контакта достигает больших значений, металл мгновенно расплавляется, образуя перемычку из жидкого металла между электродом и свариваемым металлом (рис. 1,б).
При отводе электрода от поверхности металла на некоторую длину, называемую длиной дуги Ɩ, жидкая перемычка растягивается с уменьшением сечения, затем в момент достижения металлом перемычки температуры кипения он испаряется, и происходит разрыв перемычки (рис. 1,в).
Образуется разрядный промежуток, который заполняется заряженными частицами паров металла, покрытия электрода и газов. Так возникает сварочная дуга, которая представляет собой светящийся столб нагретого газа, состоящего из электронов, ионов и нейтральных атомов.
падения напряжения: UK — в катодной области; UCT — в столбе дуги; UA — в анодной области; UД — напряжение на дуге; Ɩ — длина дуги; h — глубина проплавления (провар)
Это состояние газа называется плазмой, которая электрически нейтральна, так как в ней количество положительных и отрицательных частиц одинаково.
Температура столба дуги выше температуры точки кипения металла электрода и изделия, и конец электрода и изделие отделены от столба дуги промежуточными газовыми слоями, называемыми приэлектродными областями дуги (рис. 2).
В катодной области 3 из катодного пятна 2 происходит эмиссия электронов в столб дуги 4, где они ионизируют нейтральные атомы.
В катодной области на длине в доли миллиметра сосредоточена значительная часть напряжения дуги, которое называется катодным падением напряжения UК и достигает 10... 16 В.
В анодной области 5 около анодного пятна 6 происходит резкое падение напряжения на длине свободного пробега электрона. Это падение напряжения называется анодным падением напряжения UA, величина которого составляет 6...8 В. На этом участке электроны резко увеличивают скорость своего движения и нейтрализуются на анодном пятне. Анод получает энергию от дуги в виде потока электронов и теплового излучения, поэтому температура анодной области выше температуры катодной области, и на аноде выделяется большее количество тепла.
Общее падение напряжения в электрической дуге
UД = UА + UК + UСТ
где UД — общее падение напряжения; UA — падение напряжения в анодной области; UK — падение напряжения в катодной области; UСТ — падение напряжения в столбе дуги.
В среднем величина напряжения на дуге
UД = UA + UK + UСТ = (10...16) + (6...8) + (2...12) = (18...36) В.
Дуга горит устойчиво при сварке плавящимся электродом при UД = 18...28 В, а при сварке неплавящимся электродом — при UД = 30...35 В
При сварке на постоянном токе прямой полярности температура в различных зонах сварочной дуги:
в середине столба дуги — около 6000 °С;
в анодной области — 2600 °С;
в катодной области — 2400 °С;
в сварочной ванне — 1700...2000 °С.
При сварке на переменном токе распределение тепла дуги и температуры в катодной и анодной областях примерно одинаково (катодная область на электроде).
otdelka-profi.narod.ru
Определение сварочной дуги, ее строение, условия зажигания и горения
Определение сварочной дуги, ее строение, условия зажигания и горения
Электрической сварочной дугой называют устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, происходящий при давлении, близком к атмосферному, используемом при сварке, и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.
Температура в столбе сварочной дуги достигает 5 000–12000 °C и зависит от плотности тока, состава газовой среды дуги, материала и диаметра электрода. А потому сварочная дуга является мощным концентрированным источником теплоты. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию.
В столбе сварочной дуги протекают следующие процессы:
1. Столб дуги заполнен заряженными частицами – электронами и ионами. В нем присутствуют также и нейтральные частицы – атомы и даже молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды. Под действием электродинамических сил частицы перемещаются. Скорость их перемещения различна. Быстрее всего перемещаются электроны. Они легко разгоняются и, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию. Столкновения электронов с атомами могут быть упругими и неупругими. При упругих столкновениях атомы начинают двигаться быстрее – увеличивается их кинетическая энергия. В результате повышается температура плазмы дуги.
2. Электрон, который в электрическом поле приобрел достаточно большую энергию, является источником неупругих столкновений. Столкнувшись с атомом, он возбуждает его, а когда удар достаточно силен, то и выбивает из атома его собственные электроны.
Энергию, которая должна быть сообщена электрону для ионизации какого-либо атома, выражают в электронвольтах (эВ) и называют потенциалом ионизации. Величина потенциала ионизации зависит от строения атома. Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше энергии необходимо затратить для ионизации. Наименьшим потенциалом ионизации (3,9 эВ) обладает атом цезия, поскольку он самый тяжелый из всех щелочных металлов. Самый легкий из инертных газов – элемент последней, нулевой группы – гелий обладает наивысшим потенциалом ионизации (24,5 эВ).
Энергия, расходуемая на диссоциацию (разделение) различных молекул, также различна. Так, например, для диссоциации молекулы водорода необходимо затратить 4,48 эВ, фтора – 1,6 эВ, а углекислого газа – 9,7 эВ. Эти величины имеют для сварщиков особое значение. При разработке электродных покрытий, флюсов и проволок приходится учитывать, молекулы каких веществ диссоциируют раньше, а каких – позже, какие элементы ионизируются легче, а какие – труднее, и сколько для этого потребуется энергии.
В зависимости от числа электродов и способов включения электродов и свариваемой детали в электрическую цепь различают следующие виды сварочных дуг (рис. 46):
1. Прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием.
2. Косвенного действия, когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь.
3. Трехфазную дугу, возбуждаемую между двумя электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.
Рис. 46.
Виды сварочных дуг:
а – прямого; б – косвенного; в – комбинированного действия (трехфазная)
По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При использовании постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности.
При прямой полярности электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие – к положительному полюсу и служит анодом.
При обратной полярности электрод подключается к положительному полюсу и служит анодом, а изделие – к отрицательному и служит катодом.
В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными, вольфрамовыми) и плавящимися металлическими электродами.
Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность использования дуги при сварке.
К физическим свойствам относятся электрические, электромагнитные, кинетические, температурные, световые.
К технологическим свойствам относятся мощность дуги, пространственная устойчивость, саморегулирование.
Электрическим разрядом в газе называют электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами.
Сварка дугой переменного тока имеет некоторые особенности. Вследствие того, что мгновенные значения тока переходят через нуль 100 раз в 1 с, меняет свое положение катодное пятно, являющееся источником электронов, ионизация дугового промежутка менее стабильна и сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока.
Общепринятой мерой повышения стабилизации сварочной дуги переменного тока является включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления. Последовательное включение в сварочную цепь катушек со стальным сердечником (дросселей) позволяет вести сварочные работы металлическими электродами на переменном токе при напряжении сварочного трансформатора 60–65 В.
Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, называют ионизацией. При обычных температурах ионизацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить при помощи электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.
В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов в газах. Поэтому, чтобы вызвать в газе мощный электрический ток, т. е. образовать электрическую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами.
Ионизацию можно произвести, если приложить к электродам достаточно высокое напряжение, тогда имеющиеся в газе свободные электроны и ионы будут разгоняться электрическим полем и, получив энергию, смогут разбить нейтральные молекулы на ионы.
Однако при сварке, исходя из правил техники безопасности, нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому применяют другой способ. Так как в металлах имеется большая концентрация свободных электронов, то надо извлечь эти электроны из объема металла в газовую среду и затем использовать для ионизации молекул газа.
Существует несколько способов извлечения электронов из металлов. Из них для процесса сварки имеют значения два: термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии.
Во время термоэлектронной эмиссии происходит «испарение» свободных электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура металла, тем большее число свободных электронов приобретают энергии, достаточные для преодоления «потенциального барьера» в поверхностном слое и выхода из металла.
Во время автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля, которое несколько изменяет потенциальный барьер у поверхности металла и облегчает выход тех электронов, которые внутри металла имеют достаточно большую энергию и могут преодолеть этот барьер.
Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной.
Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической. При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах в процессе ионизации начинает также играть заметную роль излучение газа и раскаленных электродов.
Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации будет равна единице.
При температуре 6000–8000 °C такие вещества, как калий, натрий, кальций, обладают достаточно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуговом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Это свойство щелочных металлов объясняется тем, что атомы этих металлов обладают малым потенциалом ионизации. Поэтому для повышения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.
Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкосновении торца электрода и кромок свариваемой детали. Контакт в начальный момент осуществляется между микровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали. Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих выступов и образованию пленки жидкого металла, которая замыкает сварочную цепь на участке «электрод – свариваемая деталь». При последующем отводе электрода от поверхности детали на 2–4 мм пленка жидкого металла растягивается, а сечение уменьшается, вследствие чего возрастает плотность тока и повышается температура металла.
Эти явления приводят к разрыву пленки и испарению вскипевшего металла. Возникшие при высокой температуре интенсивные термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии обеспечивают ионизацию паров металла и газов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной среде возникает электрическая сварочная дуга. Процесс возбуждения дуги кратковременен и осуществляется в течение долей секунды.
В установившейся сварочной дуге различают три зоны: катодную, анодную и столба дуги.
Катодная зона начинается с раскаленного торца катода, на котором расположено так называемое катодное пятно. Отсюда вылетает поток свободных электронов, осуществляющих ионизацию дугового промежутка. Плотность тока на катодном пятне достигает 60–70 А/мм2 к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют и отдают ему свою энергию, вызывая нагрев до температуры 2500–3000 °C.
Анодная зона расположена у торца положительного электрода, в котором выделяется небольшой участок, называемый анодным пятном. К анодному пятну устремляются и отдают свою энергию потоки электронов, разогревая его до температуры 2500–4000 °C.
Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000–7000 °C в зависимости от плотности сварочного тока.
Для возбуждения дуги в начальный момент необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации недостаточно высокая и необходимо большее напряжение, способное сообщить свободным электронам достаточно большую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти ионизация.
Увеличение концентрации свободных электронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение тока падает до значения, которое необходимо для устойчивого горения дуги. Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.
Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области: падающую, жесткую и возрастающую.
В первой (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги.
Во второй области (100–1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока.
В третьей области увеличение тока вызывает возрастание напряжения вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода.
Дуга первой области горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга второй области горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.
Необходимое напряжение для возбуждения дуги зависит от рода тока (постоянный или переменный), материала электрода и свариваемых кромок, дугового промежутка, покрытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2–4 мм, находятся в пределах 40–70 В.
Напряжение для установившейся сварочной дуги определяется по формуле:
где: а – коэффициент, по своей физической сущности составляющий сумму падений напряжений в зонах катода и анода, В;
b – коэффициент, выражающий среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм;
1 – длина дуги, мм.
Рис. 47.
Схема сварочной дуги и падения напряжений в ней:
1 – электрод; 2 – изделие; 3 – анодное пятно;
4 – анодная область дуги; 5 – столб дуги;
6 – катодная область дуги; 7 – катодное пятно
Длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и поверхностью сварочной ванны. Короткой дугой называют дугу длиной 2–4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4–6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной.
Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво – металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется, увеличиваются угар и разбрызгивание металла.
При помощи магнитных полей, создаваемых вокруг дуги и в свариваемой детали, электрическая сварочная дуга может быть отклонена от своего нормального положения. Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называют магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и достигает заметного значения при сварочных токах более 300 А.
Магнитные поля оказывают отклоняющее действие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги. Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс.
В некоторых случаях магнитное дутье затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. К таким мерам относятся:
• сварка короткой дугой;
• подвод сварочного тока в точке, максимально близкой к дуге;
• наклон электрода в сторону действия магнитного дутья;
• размещение у места сварки ферромагнитных масс.
При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени напряжение и ток периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего. При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходят деионизация газов и уменьшение электропроводности столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с отводом теплоты в массу основного металла.
Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле.
Для облегчения повторного зажигания, снижения пика зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяют меры, позволяющие снизить эффективный потенциал ионизации газов в дуге. В этом случае электропроводность дуги после ее угасания сохраняется дольше, пик зажигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее.
Применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов, относится к этим мерам.
Следующая глава
info.wikireading.ru
Свойства сварочной дуги в инертных газах – аргоне и гелии
В статье «Электрическая дуга» подробно рассказано, что такое сварочная дуга. В данной статье речь пойдет о свойствах сварочной дуги в среде инертного газа – аргоне или гелии.
Характеристики сварочной дуги различны в зависимости от выбранного защитного газа. Любой дуговой заряд поддерживается благодаря тому, что между электродами заключено ионизированное пространстве, в котором наблюдается движение ионов и электронов от одного электрода к другому.
В среде двухатомных газов электроны при своем движении теряют больше энергии, чем при движении в среде аргона или гелия, так как при этом происходит много неупругих столкновений. Это и ведет к большой потере энергии, ионизация молекул сопровождается их диссоциацией. Данный процесс одновременно обусловливает и меньшую подвижность свободных электронов. Подвижность их в среде инертного газа в несколько раз больше чем в среде активных газов, что увеличивает вероятность возбуждения и ионизации нейтральных частиц газа. При разряде в среде двухатомного газа в дуговом промежутке образуются отрицательные ионы, которые затрудняют движение электронов из-за увеличения электрического сопротивления, чего не наблюдается в среде инертных газов.
Отсутствие отрицательных ионов снижает коэффициент рекомбинации, что ведет к увеличению стабильности разряда. В аргоне и гелии меньше вероятность самопроизвольного прекращения разряда, чем в других газах, так как первые обладают меньшими потенциалами зажигания самостоятельного разряда. Катодное падение напряжения минимально, поэтому для поддержания разряда требуется минимальное напряжение. Нахождение атомов аргона и гелия в метастабильном состоянии облегчает ступенчатую ионизацию газов, а это ведет к тому, что потенциал горения дуги оказывается ниже ионизационного потенциала газов.
Обычно потенциал возбуждения и ионизации инертных газов выше соответствующих потенциалов паров металла, азота и кислорода, что затрудняет зажигание дуги переменного тока при ее питании от обычных трансформаторов. Во время сварки в среде гелия при одинаковой силе тока напряжение дуги на электродах, состоящих из W - Me (металл), Al - Al, Ti - Ti, значительно выше, чем дуги в аргоне. При сварке стали напряжение между железными электродами очень низкое, примерно 8 - 10 В.
Дуга в гелии имеет большую проплавляющую способность и менее концентрирована, она создает более равномерную форму проплавления, чем дуга в аргоне, а последняя обеспечивает большую глубину проплавления в центре. Перепад напряжения в столбе дуги в гелии больше, чем в аргоне, поэтому изменение длины дуги в гелии более заметно сказывается на напряжении и общей тепловой эффективности.
Изменение формы проплавления в зависимости от свойства инертного газа
В зависимости от того, какой инертный газ применяется, меняется поверхностное натяжение на границе металл - газовая фаза. Так, поверхностное натяжение жидких хромоникелевых сталей аустенитной структуры при сварке в гелии заметно меньше, чем в аргоне. Указанное обстоятельство сказывается на формировании поверхности усиления шва. В гелии наблюдается более плавный переход усиления к основному металлу, что иногда ведет к уменьшению концентрации напряжений в этом районе и улучшению работоспособности сварного соединения. Поэтому в ряде случаев становится целесообразным применение аргоно-гелиевых смесей в разных пропорциях смешения.
Дуга, горящая между вольфрамовым электродом и металлом в среде аргона, имеет свои особенности. Статическая характеристика такой дуги в аргоне, как и дуги под слоем флюса, имеет положительный характер. Это объясняется охлаждающим действием газовой струи и высокой плотностью тока на вольфрамовых электродах, которая составляет 10-90 А/мм2. На рисунке ниже приведены статические характеристики для вольфрамовой дуги, горящей в аргоне. Можно видеть, что при больших токах и малых дуговых промежутках напряжение на дуге Uд меньше потенциала ионизации Uп.
для аргона Uп = 15,7 В
для гелия Uп = 25,4 В
Минимальное напряжение на дуге приближается к потенциалу возбуждения аргона, метастабильное состояние которого, вероятно, в этом случае играет значительную роль. Градиент напряжения в гелии для больших дуговых промежутков больше, чем для малых промежутков. Обратное явление наблюдается в аргоне. Здесь расход газа и диаметр электрода мало отражаются на характере зависимости напряжения дуги от ее длины, а в гелии, наоборот, напряжение дуги можно изменять, меняя расход газа. Свойства дуги, горящей в аргоне между вольфрамовым электродом и металлом, могут меняться в зависимости от свойств металла и состава газовой смеси.
Статические характеристики вольфрамовой дуги в аргоне для различных длин дуг
Технологические свойства вольфрамовой дуги при сварке ухудшаются из-за выпрямления переменного тока (если он применяется) и появления в цепи составляющей постоянного тока.
Анализ этого явления, проведенный по осциллограммам, показывает, что степень выпрямления тока в дуге зависит от различия термических временных постоянных материала электродов (теплоемкости, умноженной на величину, обратную теплопроводности). Чем больше разность этих постоянных, тем больше степень выпрямления тока в дуге. При разных материалах электродов разность их температур во время горения дуги пропорциональна разности термических временных постоянных. Однако различие температур катода в разные полуциклы горения дуги ведет к появлению составляющей постоянного тока, и степень выпрямления оказывается пропорциональной разности термических временных постоянных материалов электродов. Наряду с различием теплофизических свойств электродов на выпрямляющее действие дуги в аргоне сказывается и изменение геометрической формы электродов. Наибольшее значение составляющей постоянного тока, обусловленное различием теплофизических свойств, наблюдается для дуги, возникающей при использовании электродов системы W - Al.
Uхх – напряжение холостого хода Uд - напряжение на дуге
Iд – сила сварочного тока
Постоянная составляющая в сварочной цепи переменного тока для дуги системы W – Al в аргоне
В полупериодах, когда катодное пятно расположено на вольфрамовом электроде (прямая полярность), из-за мощной термоэлектронной эмиссии катода создаются благоприятные условия для возбуждения и горения дуги при низком напряжении. В полупериодах, когда катодное пятно находится на алюминии (обратная полярность), катод холодный и термоэлектронная эмиссия затруднена. В данном случае для возбуждения дуги требуются более высокие максимальные (пиковые) значения напряжения, а горение дуги будет происходить при большем значении напряжения, чем в предыдущий полупериод. При сварке на малых токах возбуждение дуги в полупериоды обратной полярности может не произойти вообще, и дуга станет «выпрямительным вентилем». Это ведет к резкому ухудшению стабильности ее горения. При наличии постоянной составляющей и значительно увеличивается сопротивление магнитопровода трансформатора и понижается мощность, отдаваемая дуге. При уменьшении тока в полупериоды обратной полярности затрудняется катодная очистка свариваемых кромок и поверхности сварочной ванны от тугоплавких окисных пленок. Поэтому установки для сварки вольфрамовой дугой (особенно алюминия и его сплавов) должны содержать специальные устройства (стабилизаторы, импульсные возбудители, батареи конденсаторов, полупроводниковые вентили), либо подавать импульсы в полупериод обратной полярности для облегчения зажигания дуги или частичного (полного) подавления возникшей постоянной составляющей тока.
weldering.com
www.samsvar.ru
Сварочная дуга
В современной промышленности сварка имеет большое значение, она имеет очень широкую область применения во всех отраслях промышленности. Для осуществления сварочного процесса необходима сварочная дуга.
Что такое сварочная дуга, ее определение
Сварочной дугой считается очень большой по величине мощности и длительности электрический разряд, который существует между электродами, на которые подано напряжение, в смеси газов. Ее свойства отличаются высокой температурой и плотностью тока, благодаря которым она способна расплавлять металлы, имеющие температуру плавления выше 3000 градусов. Вообще можно сказать, что электрическая дуга – это проводник из газа, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Электрическим зарядом называется прохождение электрического тока через газовую среду.
Существует несколько видов электрического разряда:
Тлеющий разряд. Возникает в низком давлении, применяется в люминесцентных лампах и плазменных экранах;
Искровой разряд. Возникает, когда давление равно атмосферному, отличается прерывистой формой. Искровому разряду соответствует молния, также применяется для зажигания двигателей внутреннего сгорания;
Дуговой разряд. Применяет при сварке и для освещения. Отличается непрерывистой формой, возникает при атмосферном давлении;
Коронный. Возникает, когда тело электрода шероховато и неоднородно, второй электрод может отсутствовать, то есть возникает струя. Применяется для очистки газов от пыли;
Природа и строение
Природа сварочной дуги не так уж и сложна, как может показаться на первый взгляд. Электрический ток, проходя через катод, затем проникает в ионизированный газ, происходит разряд с ярким свечением и очень высокой температурой, поэтому температура электрической дуги может достигать 7000 – 10000 градусов. После этого ток перетекает на обрабатываемый свариваемый материал. Так как температура настолько высока дуга выделяет вредное для человеческого организма ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, оно может навредить глазам или оставить световые ожоги на коже, поэтому при проведении сварочного процесса необходима надлежащая защита.
Строение сварочной дуги представляет собой три главные области: анодная, катодная и столб дуги. Во время горения дуги на катоде и аноде образуются активные пятна – области, в которых температура достигает самых высоких значений, именно через данные области проходит весь электрический ток, анодные и катодные области представляют собой более большие падения напряжения. А сам столб располагается между этими областями падение напряжения в столбе очень незначительно. Таким образом, длина сварочной дуги представляет собой сумму вышеперечисленных областей, обычно длина равна нескольким миллиметрам, когда анодные и катодные области, соответственно, равны 10-4 и 10-5 см. Самая благоприятная длина примерно равна 4-6мм, при такой длине обеспечивается постоянная и благоприятная температура.
Разновидности
Виды сварочной дуги отличаются схемой подвода сварочного тока и средой, в которой они возникают, наиболее распространенными вариантами являются:
Прямое действие. При таком способе сварочный располагается параллельно свариваемой металлической конструкции и дуга возникает под углом девяносто градусов по отношению к электроду и металлу;
Сварочная дуга косвенного действия. Возникает, когда используется два электрода, которые располагаются под углом 40-60 градусов к поверхности свариваемой детали, дуга возникает между электродами и сваривает металл;
Также существует классификация в зависимости от атмосферы, в которой они возникают:
Открытый тип. Дуга данного типа горит на воздухе и вокруг нее образовывается газовая фаза, содержащая пары свариваемого материала, электродов и их покрытий;
Закрытый тип. Горение такой дуги происходит под слоем флюса, в газовую фазу, образовавшуюся вокруг дуги входят пары металла, электрода и флюса;
Дуга с подачей газов. В горящую дугу подаются сжатые газы – гелий, аргон, углекислый газ, водород и другие различные смеси газов, подаются они для того, чтобы не окислялся свариваемый металл, их подача способствует восстановительной или нейтральной среде. В газовую фазу вокруг дуги входят – подающийся газ, пары металла и электрода;
Также различают по длительности действия – стационарная (для долгого применения) и импульсная (для однократного), по материалу используемого электрода – угольные, вольфрамовые – неплавящиеся электроды и металлические – плавящиеся. Самый распространенный плавящийся электрод – стальной. На сегодняшний день наиболее часто применяется сварка с неплавящимся электродом. Таким образом, виды сварочных дуг разнообразны.
Условия горения
При стандартных условиях, то есть температуре в 25 градусов и давлении в 1 атмосферу газы не способны проводить электрический ток. Для того, чтобы образовалась дуга необходимо, чтобы газы между электродами были ионизированы, то есть имели в своем составе различные заряженные частицы – электроны или ионы (катионы или анионы). Процесс образования ионизированного газа будет называться ионизацией, а работа, которую необходимо затратить на отрыв электрона у атомной частицы для образования электрона и иона – работой ионизации, которая измеряется в электрон-вольтах и называется потенциалом ионизации. Какую именно энергию необходимо затратить для отрыва электрона от атома зависит от природы газовой фазы, значения могут быть от 3,5 до 25 эВ. Самый маленький потенциал ионизации имеют металлы щелочной и щелочно-земельной группы – калий, кальций и, соответственно, их химический соединения. Такими соединениями покрывают электроды, для того, чтобы они способствовали устойчивому существованию и горению сварочной дуги.
Также для возникновения и горения дуги необходима постоянная температура на катод, которая зависит от природы катода, его диаметра, размера и температуры окружающей среды. Температура электрической дуги поэтому должна быть постоянной и не колебаться, благодаря огромным значениям силы тока температура может достигать 7 тысяч градусов, таким образом, сваркой можно присоединять абсолютно все материалы. Постоянная температура обеспечивается с помощью исправного источника питания, поэтому его выбор при конструировании сварочного аппарата очень важен, он оказывает влияние на свойства дуги.
Возникновение
Она возникает при быстром замыкании, то есть когда электрод соприкасается с поверхность свариваемого материала, из-за колоссальной температуры поверхность материала расплавляется, а между электродом и поверхность образуется небольшая полоса из расплавившегося материала. К моменту расхождения электрода и свариваемого материала образуется шейка из материала, которая моментально разрывается и испаряется из-за высокого значений плотности тока. Газ ионизируется и возникает электрическая дуга. Возбудить ее можно с помощью касания или чирканья.
Особенности
Она имеет следующие особенности по сравнению с другими электрическими зарядами:
Высокая плотность тока, которая достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр, благодаря чему достигается очень высокая температура;
Неравномерность распределения электрического поля в пространстве между электродами. Вблизи электродов падение напряжения очень велико, когда в столбе – наоборот;
Огромная температура, которая достигает самых больших значений в столбе из-за высокой плотности тока. При увеличении длины столба температура уменьшается, а при сужении – наоборот увеличивается;
С помощью сварочных дуг можно получать самые различные вольт-амперные характеристики – зависимости падения напряжения от плотности тока при постоянной длине, то есть установившемся горении. На данный момент существует три вольтамперные характеристики.
Первая – падающая, когда при увеличении силы и ,соответственно, плотности тока, напряжение падает. Вторая- жесткая, когда изменение силы тока никак не влияет на значение величины напряжения итретья – возрастающая, когда при увеличении силы тока напряжение также увеличивается.
Таким образом, сварочную дугу можно назвать самым лучшим и надежным способом скрепления металлических конструкций. Сварочный процесс оказывает большое влияние на сегодняшнюю промышленность, потому что только высокая температура сварочной дуги способна скреплять большинство металлов. Для получения качественных и надежных швов необходимо правильно и верно учитывать все характеристики дуги, следить за всеми значениями, благодаря этому процедура пройдет быстро и наиболее эффективно. Также необходимо учитывать свойства дуги: плотность тока, температуру и напряжение.
(0)Не нравится
(0) 
Область дугового разряда условно принято делить на три участка. Участки, непосредственно прилегающие к полюсам (аноду и катоду), называют соответственно, анодным и катодным.
Следует заметить, что при любом виде сварки, как плавящимся, так и неплавящимся электродом, столб дуги (его центр) имеет самую высокую температуру – порядка 5000-7000 °C, а иногда и выше.
