Электрическая дуга.

Отключение цепи контактным аппаратом характеризуется возникновением плазмы, которая проходит разные стадии газового разряда в процессе преобразования межконтактного промежутка из проводника электрического тока в изолятор.

При токах выше 0,5-1 А возникает стадия дугового разряда (область 1 )(рис. 1.); при снижении тока возникает стадия тлеющего разряда у катода (область 2 ); следующая стадия (область 3 ) – таунсендовский разряд, и наконец, область 4 – стадия изоляции, в которой носители электричества – электроны и ионы – не образуются за счет ионизации, а могут поступать только из окружающей среды.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика стадий электрического разряда в газах

Первый участок кривой – дуговой разряд (область 1) – характе­ризуется малым падением напряжения у электродов и большой плотностью тока. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сначала резко падает, а затем изменяется незначительно.

Второй участок (область 2 ) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (250 – 300 В) и малыми токами. С ростом тока возрастет падение напряжения на разрядном промежутке.

Таунсендовский разряд (область 3 ) характеризуется чрезвычайно малыми значениями тока при высоких напряжениях.

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана с этой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое.

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

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда дру­гих факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, – термоэлектрон­ная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, – термическая ионизация и ионизация толчком.

В коммутационных электрических аппаратах, предна­значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд встречается либо на контактах ма­ломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги.

Основные свойства дугового разряда.

1) Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины; минимальный ток дуги для металлов со­ставляет примерно 0,5 А;

2) Температура центральной части дуги очень вели­ка и в аппаратах может достигать 6000 – 18000 К;

3) Плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 10 2 – 10 3 А/мм 2 ;

4) Падение напряжения у катода составляет всего 10 – 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характер­ные области: околокатодную, область столба дуги (ствол дуги) и околоанодную (рис. 2.).

В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному в зависимо­сти от условий, которые там существуют. Поскольку ре­зультирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обес­печивающие возникновение необходимого количества за­рядов.

Рис. 2. Распределение напряжения и напряжённости электрического поля в стационарной дуге постоянного тока

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

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

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

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

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

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

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

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации .

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

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

Температура столба дуги с среднем равна 6000 – 10000 К, но может достигать и более высоких значений – до 18000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя заряженные частицы, т.е. происходит иони­зация газа. Основной характеристикой термической ионизации является сте­пень ионизации , представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т. е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Эти процессы носят название деионизации .

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии .

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

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

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

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в столбе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур столба дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения U Д и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) Е Д = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (рис. 2). Под градиентом напряжения Е Д по­нимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход харак­теристик U Д и Е Д в приэлектродных областях резко отличается от хода характе­ристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об­ластях, на промежутке дли­ны порядка 10 – 4 см имеет место резкое падение напря­жения, называемое катод­ным U к и анодным U а. Значение этого падения на­пряжения зависит от мате­риала электродов и окружа­ющего газа. Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 – 30 В, градиент напряжения достигает 10 5 – 10 6 В/см.

В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения U Д практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 – 200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения U Э не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

U Д = U Э + Е Д l Д,

где: Е Д – напряжённость электрического поля в столбе дуги;

l Д – длина дуги; U Э = U к + U а.

В заключение следует ещё раз отметить, что в стадии дугового разряда преобладает термическая ионизация – разбиение атомов на электроны и положительные ионы за счёт энергии теплового поля. При тлеющем – возникает ударная ионизация у катода за счет соударения с электронами, разгоняемыми электри­ческим полем, а при таунсендовском разряде ударная ионизация пре­обладает на всём промежутке газового разряда.

Статическая вольтамперная характеристика электрической

дуги постоянного тока.

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характерис­тика называется вольтамперной. С ростом тока i уве­личивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги r д.

Напряжение на дуге равно ir д.При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напря­жение на дуге падает, несмотря на то, что ток в це­пи возрастает. Каждому значению тока в установившем­ся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Дуго­вой промежуток обладает тепловой инерцией . Если ток изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока со­ответствует однозначное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.

Зависимость напряжения на дуге от тока при мед­ленном его изменении называется статической вольтамперной характеристикой дуги.

Статическая характеристика дуги зависит от рас­стояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.

Статические вольтамперные характеристи­ки дуги имеют вид кривых, изображенных на рис. 3.

Рис. 3. Статические вольтамперные характеристики дуги

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольтамперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается на­пряженность Е Д и поднимается вольтамперная характеристика аналогично рис. 3.

Охлаждение дуги существенно влияет на эту ха­рактеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольтампер­ная характеристика располагается выше. Этим широко поль­зуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

Динамическая вольтамперная характеристика электрической

дуги постоянного тока.

Если ток в цепи изменяется медленно, то току i 1 со­ответствует сопротивление дуги r Д1 ,абольшему току i 2 соответствует меньшее сопротивление r Д2 , что отражено на рис. 4. (см. статичес­кую характеристику дуги – кривая А ).

Рис. 4. Динамическая вольтамперная характеристика дуги.

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения то­ка.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быст­ром его изменении называется динамической вольтамперной характеристикой .

При резком возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В ), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает мед­леннее, чем растет ток. При уменьшении – ниже, по­скольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С ).

Динамическая характеристика в значительной степе­ни определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бес­конечно малое по сравнению с тепловой постоянной вре­мени дуги, то в течение времени спада тока до нуля со­противление дуги останется постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой, про­ходящей из точки 2 в начало координат (прямая D ),т. е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

Условия гашения дуги постоянного тока.

Чтобы погасить электрическую дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, чтобы в дуговом промежутке при всех значениях тока процессы деионизации протекали бы интенсивнее, чем процессы ионизации.

Рис. 5. Баланс напряжений в цепи с электрической дугой.

Рассмотрим электрическую цепь, содержащую сопротивление R , индуктивность L и дуговой промежуток с падением напряжения U Д, к которой приложено напряжение U (рис. 5, а ). При дуге, имеющей неизменную длину, для любого момента времени будет справедливо уравнение баланса напряжений в этой цепи:

где падение напряжения на индуктивности при изменении тока.

Стационарным режимом будет такой, при котором ток в цепи не меняется, т.е. а уравнение баланса напряжений примет вид:

Для погасания электрической дуги необходимо, чтобы ток в ней всё время уменьшался, т.е. , а

Графическое решение уравнения баланса напряжений представлено на рис. 5, б . Здесь прямая 1 представляет собой напряжение источника U ; наклонная прямая 2 – падение напряжения на сопротивлении R (реостатная характеристика цепи), вычитаемое из напряжения U , т.е. U – iR ; кривая 3 – вольтамперную характеристику дугового промежутка U Д.

Особенности электрической дуги переменного тока.

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

Вольтамперная характеристика дуги переменного тока за один период приведена на рис. 6. Поскольку, даже при промышленной частоте 50 Гц, ток в дуге меняется достаточно быстро, то представленная характеристика является динамической. При синусоидальном токе напряжение на дуге сначала увеличивается на участке 1, а затем, в связи с ростом тока, падает на участке 2 (участки 1 и 2 относятся к первой половине полупериода). После прохождения тока через максимум динамическая ВАХ возрастает по кривой 3 в связи с уменьшением тока, а затем уменьшается на участке 4 в связи с приближением напряжения к нулю (участки 3 и 4 относятся ко второй половине этого же полупериода).

Рис. 6. Вольтамперная характеристика дуги переменного тока

При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и к моменту перехода тока через нуль температура дуги хотя и уменьшается, но остаётся достаточно высокой. Всё же имеющее место снижение температуры при переходе тока через нуль способствует деионизации промежутка и облегчает гашение электрической дуги переменного тока.

Электрическая дуга в магнитном поле.

Электрическая дуга является газообразным про­водником тока. На этот проводник, так же как на метал­лический, действует магнитное поле, создавая силу, про­порциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и переме­щает элементы дуги в пространстве. Поперечное перемещение элементов дуги создает ин­тенсивное охлаждение, что приводит к повышению гради­ента напряжения на столбе дуги. При движении дуги в среде газа с большой скоро­стью возникает расслоение дуги на отдельные парал­лельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее проис­ходит расслоение дуги.

Дуга является чрезвычайно подвижным проводником. Известно, что на токоведущую часть действуют такие силы, которые стремятся увеличить электромагнит­ную энергию контура. Поскольку энергия пропорцио­нальна индуктивности, то дуга под действием своего собственного поля стремится образовывать витки, петли, так как при этом возрастает индуктивность цепи. Эта способность дуги тем сильнее, чем больше ее длина.

Движущаяся в воздухе дуга преодолевает аэродина­мическое сопротивление воздуха, которое зависит от ди­аметра дуги, расстояния между электродами, плотности газа и скорости движения. Опыт показывает, что во всех случаях в равномерном магнитном поле дуга движется с постоянной скоростью. Следовательно, электродинами­ческая сила уравновешивается силой аэродинамического сопротивления.

С целью создания эффективного охлаждения дуга с помощью магнитного поля втягивается в узкую (диаметр дуги больше ширины щели) щель между стен­ками из дугостойкого материала с высокой теплопровод­ностью. Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели гра­диент напряжения в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у дуги, свободно перемещающей­ся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину и время гашения.

Способы воздействия на электрическую дугу в коммутационных аппаратах.

Цель воздействия на столб возникающей в аппарате дуги состоит в увеличении её активного электрического сопротивления вплоть до бесконечности, когда коммутационный орган переходит в изоляционное состояние. Практически всегда это достигается путем интенсивного охлаждения столба дуги, уменьшения её температуры и теплосодержания, в результате чего снижается степень ионизации и количество носителей электричества и ионизированных частиц и повышается электрическое сопротивление плазмы.

Для успешного гашения электрической дуги в коммутационных низковольтных аппаратах необходимо выполнить следующие условия:

1) увеличить длину дуги путем её растяжения или увели­чения числа разрывов на полюс выключателя;

2) переместить дугу на металлические пластины дугогасительной решётки, которые являются как радиаторами, поглощающими тепловую энергию столба дуги, так и разбивают её на ряд последовательно соединённых дуг;

3) переместить столб дуги магнитным полем в щелевую камеру из дугостойкого изоляционного материала с большой теплопроводностью, где дуга интенсивно охлаж­дается, соприкасаясь со стенками;

4) образовывать дугу в закрытой трубке из газогенерирующего материала – фибры; выделяемые под воздействием температуры газы создают высокое давление, что способствует гашению дуги;

5) уменьшить концентрацию паров металлов в дуге, для чего на этапе проектирования аппаратов использовать соответствующие материалы;

6) гасить дугу в вакууме; при очень низком давлении газа недо­статочно атомов газа, чтобы ионизировать их и поддержать проведение тока в дуге; электрическое сопротивление канала столба дуги стано­вится очень высоким и дуга гаснет;

7) размыкать контакты синхронно перед переходом переменно­го тока через нуль, что существенно снижает выделение тепловой энергии в образовавшейся дуге, т.е. способствует гашению дуги;

8) применять чисто активные сопротивления, шунтирующие дугу и облегчающие условия её гашения;

9) применять шунтирующие межконтактный промежуток полу­проводниковые элементы, переключающие на себя ток дуги, что практиче­ски исключает образование дуги на контактах.

• Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́, дугово́й разря́д) - физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.

  Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. Петровым в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества - плазмы - и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

  Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

  При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 - 5 В, а напряжение дугообразования - в два раза больше (9 - 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона - до 6 В).

  Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

  Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд - плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

  Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

  После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

  При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

2.1. ПРИРОДА СВАРОЧНОЙ ДУГИ

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

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

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 2.1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги.

Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примы­кающую к ней. Протяженность катодной области мала, но она характе­ризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процес­сами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400-2700 °С. На нем выделяется до 38 % общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой об­ласти является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение на­пряжения в катодной области ик составляет порядка 12-17 В.

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

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового проме­жутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основ­ным процессом образования заряженных частиц здесь является иониза­ция газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа. При доста­точной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание элек­тронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию назы­вают ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ио­низации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны — к аноду, ионы — к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заря­женные электроны, ионы становятся нейтральными атомами.

Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряжен­ных частиц. Температура столба дуги достигает 6000-8000 °С и более. Падение напряжения в нем (Uc) изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее лег­ко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются ще­лочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее паде­ние напряжения в дуге Uд=Uк+Ua+Uc. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uc=Elc, где Е — напряженность по длине, lc — длина столба. Значения ик, Ua, E практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяжен­ностью катодной и анодной областей можно считать практически 1с=1д. Тогда получается выражение

II}{ = а + Ы}{, (2.1)

показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где а=ик+иа; b=E. Непременным условием получения качест­венного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее ста­бильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при ко­тором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разрядов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее параметры — сила тока и напряжение — находятся в определенной взаимозависимости. По­этому одной из основных характеристик дугового разряда является за­висимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (в состоянии устойчивого горения дуги) называют статической вольтамперной характеристикой дуги (рис. 2.2).

С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая ста­тической вольтамперной характеристики поднимается, выше с уменьше­нием длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму. Кривую статической характеристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области уве­личение тока приводит к резкому падению напряжения дуги. Это обу­словлено тем, что с увеличением силы тока увеличивается площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отличается малой устойчивостью. Во второй области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения дуги. Это объясняется тем, что пло­щадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорциональ­но силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными. Сварка дугой с жесткой статической харак­теристикой находит широкое применение в сварочной технологии, осо­бенно при ручной сварке . В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуге возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрастающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки.

Рис. 2.3. Статистическая вольтамперная характеристика дуги при разных скоростях подачи электродной проволоки: а — малая скорость; б — средняя скорость, в — большая скорость

При механизированной сварке плавящимся электродом иногда применяют статическую вольтамперную характеристику дуги, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи элек­тродной проволоки (рис. 2.3).

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

Дуговая сварка, будь то ручная или механизированная, осуществляется благодаря электрической дуге, которая, по сути, является электроразрядом. Сварочная электрическая дуга характеризуется выделением большого количества тепла и света. Отметим, что температура дуги может достигать до 6 000 градусов по Цельсию.

Стоит обратить внимание на то, что выделяемые дугой свет и тепло может нанести вред здоровью человека. Поэтому все сварочные работы методом дуговой сварки осуществляются исключительно в спецодежде и в маске или очках, защищающих глаза сварщика.

Сварочная электрическая дуга не всегда одинакова, существуют несколько ее видов, которые зависят от среды, где проводятся сварочные работы, от металлоизделия и прочих факторов.

Виды сварочной электрической дуги.

Если говорить о зависимости среды и дуги, то можно выделить такие виды электрического разряда:

• Открытая электродуга. Сваривание металлоизделия производится на открытом воздухе, без использования специальных газов для защиты. Дуга горит в среде, которую образуют окружающий воздух и пары, появляющиеся в ходе сваривания металлоизделия, плавления электрода либо проволоки, их покрытий.
• Закрытая электродуга. Этот вид дуги образовывается при сварке под флюсом. Защищает дугу при сваривании газовая смесь, которая образовывается в результате смешивания паров от свариваемого металлоизделия, плавящегося электрода и, собственно, флюса.
• Дуга в среде защитных газов. В данном случае речь идет о сварке в среде, так называемых, защитных газов: инертных либо активных, (используются как чистые газы, так и их смеси). В результате сваривания образовывается газовая среда, состоящая из защитного газа, паров металла и электрода.

Электропитание для сварочной электродуги.

Сварочная дуга образовывается когда подается электрический ток. Отметим, что питаться дуга может как от источников с переменным током, так и с постоянным током. Разные источники питания дают разные виды дуг.

При использовании постоянного тока можно получить дугу двух видов: сварщики используют как дугу прямой полярности, так и обратной. Разница этих двух видов заключается в подключении питания. Так, при прямой полярности подается минус непосредственно на электрод, а плюс на металлоизделие, которое будет свариваться. При обратной полярности подключение происходит наоборот: плюс подается на электрод, тогда как минус на свариваемое металлоизделие.

Отметим также, что свариваемое металлоизделие иногда не включается в электрическую цепь. В таких случаях говорят о том, что используется дуга косвенного действия, то есть ток подается только на электрод. Если же к источнику питания подключают и электрод, и металлоизделие, то в этом случае говорят о дуге прямого действия. Стоит заметить, что чаще всего применяется именно эта электродуга, Дугу косвенного действия сварщики используют крайне редко.

Значения плотности тока для сварочной дуги.

При сваривании металлоизделий электрической дугой большую роль играет и показатель плотности тока. В режиме обычной ручной дуговой сварки плотность тока стандартная, а именно 10-20 А/мм 2 . Это же значение сварщики выставляют и при сваривании в среде определенных газов. Большая плотность тока, а именно 80-120 А/мм 2 , а также выше, используется при полуавтоматической или других видах сварки, осуществляемой под защитой газов или флюса.

Плотность тока влияет на напряжение дуги. Эту зависимость принято называть статической характеристикой дуги (она изображается графически). Отметим, что если плотность тока небольшая, то эта характеристика бывает падающей: то есть происходит падение напряжения, когда ток, наоборот, увеличивается. Такое явление обуславливается тем, что при увеличении значения тока проводимость электричества возрастает, так же как и площадь сечения столба дуги, тогда как плотность тока уменьшается.

Когда используется обычная для ручной сварки плотность тока, то напряжение теряет зависимость от величины тока. При этом площадь столба растет пропорционально току. Отметим также, что электропроводность практически не изменяется, также постоянной остается и плотность тока в столбе.

Как возникает сварочная дуга?

Сварочная дуга возникает только при условии, когда газовый столб, расположенный между металлоизделием и электродом достаточно ионизирован (то есть имеет нужное количество электронов и ионов). Для достижения нормального уровня ионизации молекулам газа передается электроэнергия. В результате этого процесса начинают выделяться электроны. По сути, среда дуги - это газовый проводник тока, он имеет кругло-цилиндрическую форму.

Отметим, что собственно электрическая дуга состоит из 3 составляющих:

• анодной части;
• столба электродуги;
• катодной части.

На показатель устойчивости электродуги в процессе сваривания влияют многие факторы, среди них напряжение холостого хода, род электрического тока, его величина, полярность и прочее. В процессе сварки за всеми этими показателями надо тщательно следить и правильно выставлять режим сварки при разных способах и для разных металлоизделий.

Электрическая дуга и её свойства

Наибольшее распространение в машиностроении получила электродуговая сварка. Рассмотрим подробнее особенности электродуговой сварки.

Электрической дугой называется продолжительный разряд электрического тока между двумя электродами, происходящий в газовой среде. Электрическая дуга, используемая для сварки металлов, называется сварочной дугой. Такая дуга в большинстве случаев горит между электродом и изделием, т.е. является дугой прямого действия.

Дуга прямого действия постоянного тока, горящая между металлическим электродом (катодом) и свариваемым металлом (анодом), имеет несколько ясно различимых областей (рис.2.3). Электропроводный газовый канал, соединяющий электроды, имеет форму усеченного конуса или цилиндра. Его свойства на различных расстояниях от электродов неодинаковы. Тонкие слои газа, примыкающие к электродам, имеют сравнительно низкую температуру. В зависимости от полярности электрода, к которому они примыкают, эти слои называются катодной 2 и анодной 4 областями дуги.

Протяженность катодной области l k определяется длиной свободного пробега нейтральных атомов и составляет

̃порядка 10 -5 см. Протяженность анодной области l a определяется длиной свободного пробега электрона и составляет примерно 10 -3 см. Между приэлектродными областями располагается наиболее протяженная, высокотемпературная область разряда - столб дуги l c 3.

На поверхности катода и анода образуются пятна, называемые, соответственно, катодное 1 и анодное 5 пятно, являющиеся основаниями столба дуги, через которые проходит весь сварочный ток. Электродные пятна выделяются яркостью свечения при сравнительно невысокой их температуре (2600... 3200 К). Температура в столбе дуги достигается 6000...8000 К.

Общая длина сварочной дуги l д равна сумме длин всех трех её областей (l д =l a +l k) и для реальных условий составляет 2...6 мм.

Общее напряжение сварочной дуги, соответственно, слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги и находится в пределах от 20 до 40 В. Зависимость напряжения в сварочной дуге от её длины описывается уравнением , где а - сумма падений напряжений в катодной и анодной областях, В; l д - длина столба дуги, мм; b - удельное падение напряжения в дуге, т.е. отнесенное к 1 мм длины столба дуги, В/мм.

Одной из основных характеристик электрического дугового разряда является статическая вольт-амперная характеристика - зависимость напряжения дуги при постоянной ее длине от силы тока в ней (рис.2.4).

С увеличением длины дуги напряжение увеличивается и кривая статической вольтамперной характеристики дуги поднимается выше, примерно сохраняя при этом свою форму (кривые, а, б, в). На ней различают три области: падающую I, жесткую (почти горизонтальную) II и возрастающую III. В зависимости от условий горения дуги ей соответствует один из участков характеристики. При ручной дуговой сварке покрытыми электродами, сварке в защитных газах неплавящимся электродом и сварке под флюсом на сравнительно небольших плотностях тока характеристика дуги будет вначале падающей, а при увеличении тока полностью перейдет в жесткую. При этом с увеличением сварочного тока пропорционально увеличиваются поперечное сечение столба дуги и площади поперечного сечения анодного и катодного пятен. Плотность тока и напряжение дуги остаются постоянными.

При сварке под флюсом и в защитных газах тонкой электродной проволокой на больших плотностях тока характеристика дуги становится возрастающей. Это объясняется тем, что диаметры катодного и анодного пятен становятся равными диаметру электрода и больше увеличиваться не могут. В дуговом промежутке наступает полная ионизация газовых молекул и дальнейшее увеличение сварочного тока может происходить лишь за счет увеличения скорости движения электронов и ионов, т. е. за счет увеличения напряженности электрического поля. Поэтому для дальнейшего увеличения сварочного тока требуется увеличение напряжения дуги.

Сварочная дуга представляет собой мощный концентрированный источник теплоты. Почти вся электрическая энергия, потребляемая дугой, превращается в тепловую. Полная тепловая мощность дуги Q=I св U д (Дж/с) зависит от силы сварочного тока I св (А) и напряжения дуги U д (В).

Следует отметить, что не вся теплота дуги затрачивается на нагрев и плавление металла. Часть её бесполезно расходуется на нагрев окружающего воздуха или защитного газа, радиационное излучение и т.д. В связи с этим эффективная тепловая мощность дуги q эф (Дж/с) (та часть теплоты сварочной дуги, которая вводится непосредственно в изделие) определяется следующим соотношением: где η - коэффициент полезного действия (КПД) процесса нагрева изделия сварочной дугой, определяемый опытным путем.

Коэффициент η зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов. Например, при сварке открытой дугой угольным или вольфрамовых электродом он составляет в среднем 0,6; при сварке покрытыми (качественными) электродами - около 0,75; при сварке под флюсом - 0,8 и более.