Електрична дуга

Відкрита у 1802 р. проф. В.В. Петровим.

Електрична дуга (рисунок 1.11) являє собою встановлений вільний електричний розряд в іонізованій суміші газів і парів речовин, що входять у склад електроду, електродного покриття і флюсу. Електропровідність міжелектродного проміжку обумовлена рухом заряджених частинок - електронів і іонів. Заряджені частинки у дуговому проміжку виникають за рахунок емісії електронів з поверхні електродів і іонізації газу. Необхідною умовою електричного дугового розряду є генерація заряджених частинок в кількості, достатній для існування дуги.

Зварювальна дуга складається з трьох зон: катодної області, стовпа і анодної області.

Довжина катодної області дуже малою і співмірною із довжиною вільного пробігу іона: l_кат=10^-4…10^{-5 см. Катод емітує електрони як за рахунок нагрівання його поверхні (термоелектронна емісія), так і в результаті створення біля його поверхні електричного поля високої напруги (автоелектронна емісія). Крім того, електрони і іони утворюються у самій катодній зоні завдяки термічній іонізації нейтрального газу. Біля поверхні катоду утворюється об’ємний позитивний заряд. Катодне падіння напруги U}_кат=5…25 В на невеликій довжині катодної зони обумовлює значення градієнта потенціалу у цій зоні 10⁵ В/см.

Заряджені частинки в стовпі дуги з’являються з анодної і катодної областей, а також виникають в ньому за рахунок термічної іонізації нейтральних частинок. Зварювальним струмом вважають струм провідності, обумовлений впорядкованим рухом вільних електронів і іонів.

При цьому електронна складова струму в сотні разів більша ніж іонна. Довжина стовпа дуги l_ст складає 1…40 мм, зниження напруги U_ст сягає 40 В, напруженість поля у ньому 10…40 В/см.

Рисунок 1.11 - Модель зварювальної дуги і розподіл потенціалу по її довжині: lд- поточне значення довжини дуги

Протяжність анодної області співмірна з довжиною вільного пробігу електрона: l_ан =10^-3…10^{-4 см, тому при анодному зниженні U}_ан = 2…10 В градієнт напруги складає 10⁴ В/см, тобто нижче, ніж в катодній області. Біля поверхні анода спостерігається об’ємний від’ємний заряд.

Оскільки протяжність приелектродних зон мала у порівнянні з довжиною стовпа, то довжину дуги рахують рівною довжині стовпа:

(1.2)

Відмінність фізичних процесів, що протікають в приелектродних областях в стовпі дуги, пояснює різкі зміни потенціалів при переході із зони в зону.

Температура плазми в стовпі дуги досягає 6000…7000°С, тому процес зварювання починається відразу, як тільки збуджується дуга. Цим обумовлені висока швидкість плавлення електрода і основного металу і, як наслідок, висока продуктивність зварювання.

Баланс теплоти яка виділяється розподіляється наступним чином: на анод припадає близько 43%, на катод 36% і на зварювальну дугу 21%. На електроді-аноді виділяється енергії на 20% більше, ніж на електроді-катоді. Тому якщо при зварюванні необхідно збільшити кількість металу, що розплавляється і глибину проплавлення, то зварювання ведуть на прямій полярності, підключаючи деталі до аноду.

Статична вольт-амперна характеристика дуги в координатах U – I (рисунок 1.12) має складну залежність, тобто активний опір дуги змінюється зі зміною струму. На характеристиці виділяють три ділянки: спадаючу І, жорстку ІІ, і зростаючу ІІІ. Опір дуги на її спадаючій ділянці від’ємний (<0), на жорсткій рівний нулю і на зростаючій - додатній (>0).

Опір дуги при зафіксованих її значеннях U_д і І_д в точці А чисельно рівний тангенсу кута α_д між дотичною до кривої графіка в цій точці і віссю І_д.

В малопотужних дугах (ділянка І) зі зростанням струму збільшується площа перерізу стовпа дуги, що призводить до зниження густини струму, а згодом і до зменшення загальної напруги дуги. Така спадаюча характеристика спостерігається при зварюванні неплавким електродом і ручному зварюванні покритим електродом.

Рисунок 1.12 - Статична вольт-амперна характеристика дуги

При подальшому зростанні струму пропорційно збільшується і площа стовпа. Густина струму при цьому залишається відносно постійною, тому і напруга дуги не змінюється зі зростанням струму. Характеристика на ділянці ІІ жорстка, вона спостерігається при зварюванні покритим електродом і механізованому зварюванні під флюсом. Межа між ділянками І і ІІ при різних способах і умовах зварювання відповідає значенню ~100 А.

Зростаюча ділянка ІІІ спостерігається при такому струмі, коли дуга вже зайняла всю торцеву площу електрода. Тому зі зростанням струму пропорційно збільшується його густина і напруга. Зростаюча характеристика спостерігається при механізованому зварюванні під флюсом і особливо при зварюванні в диоксиді вуглецю. Межа між ділянками ІІ і ІІІ відповідає густині струму 100 А/мм².

При збільшенні довжини дуги графік залежності зміщується вверх, а при збільшенні діаметра електрода межа між жорсткою і зростаючою ділянками – вправо.

Стійкість горіння дуги досягається підбором електричних характеристик дуги і її джерела живлення (рисунок 1.13). Поєднання електричної характеристики дуги і джерела живлення дозволяє знайти в точці їх перетину умови (U і І_д) стійкої роботи. При використанні дуги на початковій ділянці її характеристики в точці В, де диференціальний опір дуги від’ємний (ρ_д<0), характеристика джерела І повинна бути круто спадаючою (ρ_д<<0) для отримання додатного значення коефіцієнта стійкості k_y=(ρ_д-ρ_н)>0. При використанні дуги на жорсткій ділянці її характеристики (ρ_д=0) у точці С характеристика джерела може бути і крутою 2, і пологою 3, але обов’язково падаючою (ρ_н<0). Якщо дуга має зростаючу характеристику в точці D (ρ_д>0), то для забезпечення стійкості джерело повинно мати падаючу 4 (ρ_и<0), жорстку 5 (ρ_и=0) і навіть полого зростаючу 6 (ρ_д>0) характеристику, якщо ρ_д>ρ_и. Найбільшим запасом в точці D володіє система з джерелом, що має характеристику 4, оскільки при цьому коефіцієнт k_y максимальний.

Рисунок 1.13 - Схема вибору характеристики джерела живлення в залежності від характеристики дуги

Інерційність джерела живлення визначається часом, на протязі якого сила струму досягає значення 0,63 від струму насичення після ввімкнення джерела.

Плазма

Плазмовий струмінь являє собою рухомий газ, в якому значна частина атомів іонізована, а концентрація електронів і негативних іонів рівна концентрації позитивних іонів.

Плазмовий струмінь отримують переміщенням газу через електричну дугу і стисканням цієї дуги. Стискання перерізу струменю виконують водоохолоджуваним соплом або магнітним полем. При такому стисканні різко зростає температура газу і значно підвищується напруга дуги.

Молекули плазмоутворюючого газу при нагріванні дисоціюють (розпадаються на атоми), а атоми іонізуються (втрачають електрони). Такий процес (таблиця 1.8) вимагає затрат енергії. При охолодженні такого газу спостерігається зворотний процес рекомбінації молекул з виділенням енергії рівній енергії їх дисоціації і іонізації атомів. Сукупність цих процесів принципово відрізняє плазмовий нагрів від інших видів нагріву. В якості плазмоутворюючих газів використовують аргон, азот, аміак, водень і гелій. Двоатомні гази (наприклад, азот) володіють більшою ентальпією, ніж одноатомні (наприклад, аргон), при однаковій температурі.

Таблиця 1.8 - Енергія дисоціації молекул і іонізації атомів різних газів

Елемент	Енергія дисоціації молекули, еВ	Енергія іонізації атома, еВ*
І	ІІ
Аргон Водень Гелій Азот	­- 4,777 - 9,760	15,755 13,595 24,580 14,54	27,620 - 54,400 29,605

* В графі I приведені значення енергії, необхідної для відриву одного електрону, у графі II – те ж для відриву двох електронів

Плазмовий струмінь відносять до потужних теплових джерел, які забезпечують інтенсивність введення тепла, набагато вищу швидкості тепловідведення. Густина енергії в плазмовому струмені в 10…50 разів вища, ніж в електричній дузі.

Висока іонізація плазми обумовлює температуру струменю, рівну 12…20 тис. К. Плазма володіє доброю електропровідністю, високою швидкістю протікання, в окремих умовах перевищуючій швидкість звуку.

Плазмове джерело тепла використовують для зварювання, наплавлення, різання, паяння і термообробки як металічних, так і неметалічних (скла, кераміки і ін.) матеріалів.

Схема плазмового генератора, що служить для наплавлення матеріалів, наведена на рисунку 1.14.

Рисунок 1.14 - Схема плазмового генератора: 1 - електрод-катод; 2 - сопло; 3 - матеріал (дріт або пруток); 4 - відновлювана деталь; 5 – реостат

Між вольфрамовим катодом і деталлю виникає дуга, через яку продувають плазмоутворюючий газ (наприклад, азот або аргон). Напруга може бути прикладена і до мідного охолоджуваного водою аноду. Струмінь стискається стінками аноду і струменями газу, який рухається, що викликає утворення плазми. Тепло плазмового струменю витрачається на нагрівання відновлюваної поверхні і матеріалу, що наноситься.

Гнучкість плазмового нагрівання обумовлена використанням великої потужності дуги при невеликій кількості матеріалу, що подається, або без нього, наприклад, у випадку плазмового зміцнення – гартування.

Розподіл теплового потоку q(r) по радіусу поверхні, яка нагрівається, визначається по формулі

, (1.3)

де q_max – найбільший тепловий потік в центрі плями нагрівання, Дж/см²·с;

k – коефіцієнт зосередження потоку тепла, см²;

r – відстань від осі джерела, см.