Назад: Введение. Назначение и основные типы источников питания

Глава 1. СВОЙСТВА СВАРОЧНОЙ ДУГИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

1.1. Электрические характеристики дуги

Сварочная дуга – технологический инструмент (рис.1.1), представляет собой установившийся электрический разряд в ионизированной смеси газов и паров металла, веществ, входящих в состав электрода, электродного покрытия и флюса.

Электропроводность межэлектродного промежутка обусловлена наличием электрически заряженных частиц электронов и ионов. Под действием напряжения источника электроны перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду. Электрические параметры сварочных дуг могут изменяться в широких пределах. В наиболее важной для практики сварочной дуге прямого действия мощность дуги может изменяться от десятков ватт до десятков киловатт.

Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в трех ее характерных зонах: катодной, анодной областях и столбе [1,8,13].

Катодная область. Катод эмитирует электроны как за счет нагрева его поверхности (термоэлектронная эмиссия), так и за счет создания у поверхности электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Кроме того, электроны и ионы образуются в самой катодной зоне благодаря термической ионизации нейтрального газа. У поверхности катода создается объемный положительный заряд, вызванный высокой концентрацией положительно заряженных ионов. Протяженность катодной области очень мала и соизмерима с длиной свободного пробега иона, ℓ_кат = 10^–4…10^–5 см. Поскольку катодное падение напряжения U_k = 10...17 В реалии-зуется на такой малой длине, градиент потенциала достигает Е_k=U_k/ℓ_кат=10⁵ В/см.

Анодная область. У поверхности анода наблюдается объемный отрицательный заряд. Протяженность анодной области сопоставима с длиной свободного пробега электрона, т.е. ℓ_ан=10³...10^–4 см. Анодное падение напряжения составляет U_a–2...5 В, а градиент напряжения в анодной области Е_а = U_a/ℓ_ан = 10⁴ В/см, т.е. ниже, чем в катодной области.

Столб дуги. Заряженные частицы в столбе приходят из анодной и катодной областей, а также возникают в нем за счет ионизации нейтральных частиц. Столб дуги квазинейтрален, поскольку суммарные заряды отрицательных и положительных частиц в нем одинаковы. Сварочным током считают ток проводимости, обусловленный упорядоченным движением свободных электронов и ионов. При этом электронная составляющая тока в сотни раз больше ионной. Длина столба дуги ℓ_ст составляет 0,1...0,4 см.

Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравнению с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба:

ℓ_д = ℓ_кат + ℓ_ан + ℓ_ст » ℓ_ст. (1.1)

Напряжение дуги складывается из падения напряжения в трех ее основных областях:

U_д = U_k + U_а + U_ст. (1.2)

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис.1.1,б.

Рис.1.1. Сварочная дуга (а) и распределение потенциала по длине дуги (б)

Характерным для распределения потенциала в дуге является то, что в приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изменением потенциала в столбе дуги. Это связано с различными физическими процессами, протекающими в них и в столбе дуги. Зависимость всех трех составляющих напряжения дуги от тока обусловливает свойства дуги как нелинейного элемента электрической цепи и определяет вид ее статической характеристики U_д = f(I_д).

Статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) дуги получают экспериментально при плавном изменении ее тока I_д и сохранении неизменными физических условий ее горения. В частности, должны оставаться постоянными диаметр электрода d_э, длина дуги ℓ_д, материал электродов и состав газа межэлектродного промежутка. Дуга имеет криволинейную статическую характеристику (рис.1.2) и, следовательно, является нелинейным активным сопротивлением. На характеристике выделяют три участка: падающий (I), жесткий (II) и возрастающий (III). Наклон характеристики принято оценивать величиной дифференциального сопротивления дуги r_д;

r_д = dU_д/dI_д = lim(DU_д / DI_д) = tga. (1.3)

Рис. 1.2 Статическая вольтамперная характеристика дуги

Из рис. 1.2 видно, что на падающем участке характеристики дуги r_д < 0, на жестком участке r_д = 0, на возрастающем r_д > 0. Такая сложная связь напряжения и тока дуги определяется в основном зависимостью U_д =f(I_д, Т). Уравнение, связывающее напряжение столба дуги с другими параметрами дуги, имеет вид:

U_ст = I_д × R_ст. (1.4)

Для столба дуги цилиндрической формы с сопротивлением R_ст, удельной проводимостью g_ст, площадью поперечного сечения S_cт и плотностью тока j_ст очевидны соотношения:

I_д = j_ст × S_ст; R_cт = ℓ_д / (g_ст, S_ст ), (1.5)

откуда следует зависимость

U_ст = I_д × ℓ_д / (g_ст × S_ст) = j_ст × ℓ_д /g_ст = k_д × ℓ_д, (1.6)

где k_д = j_ст /g_ст.

Ток дуги и основные характеристики плазмы дугового столба, определяющие его электропроводность, связаны соотношением

I = p × r_д²× n_e × e_o× n_c, (1.7)

где r_д – радиус столба дуги, м; n_e – концентрация электронов, 1/м³; e_o – заряд электрона, Кл; n_c – средняя скорость движения электрона вдоль электрического поля, м/с.

Все физические величины, входящие в уравнение (1.7), не являются постоянными при изменении любой другой из них. Это является причиной нелинейности вольтамперной характеристики дуги (рис.1.2) и сильно затрудняет теоретический расчет ее параметров.

Причиной падения характеристики на участке I является снижение сопротивления дуги при увеличении тока за счет роста температуры, концентрации заряженных частиц и скорости их движения. При этом с ростом тока увеличивается диаметр дугового столба и требуется меньшее напряжение для прохождения возрастающего тока. Проходящий через разряд ток создает магнитное поле вокруг столба дуги. Взаимодействие тока и магнитного поля приводит к появлению сил магнитного сжатия столба дуги, которые стремятся ограничить диаметр столба. Это способствует росту плотности тока и повышению напряженности электрического поля.

С помощью уравнений (1.1) и (1.2) оценим закономерности формирования вольтамперной характеристики дуги (рис.1.2). В маломощных дугах (участок 1) с ростом тока резко увеличивается площадь сечения столба S_ст, возрастает и удельная проводимость g_ст. Следовательно, снижается U_ст (1.2). Катодное падение напряжения U_к из-за значительного нагрева электрода также снижается. Такая падающая характеристика наблюдается в дуге с неплавящимся электродом на плотностях тока порядком 5…7 А/мм², а также в начальный момент зажигания дуги и для целей сварки не применяется.

При дальнейшем росте тока на участке II ВАХ дуги жесткая. При сохранении условия d_к < d_э пропорционально увеличивается и площадь столба дуги. Следовательно, плотность тока в катодном пятне остается приблизительно постоянной. При этом не меняются величины катодного и анодного падений напряжения, а напряжение дуги U_д остается постоянным. Жесткая ВАХ дуги наблюдается при сварке покрытыми электродами, механизированной сварке под флюсом толстой проволокой и неплавящимся электродом.

Возрастающий участок (III) начинается при таком токе, когда дуга уже заняла весь торец стержневого электрода (d_к » d_э), дальнейшее увеличение площади S_cт затруднено. Поэтому с ростом тока пропорционально увеличивается его плотность j_ст и, следовательно, увеличивается U_ст и U_д. (1.2). Возрастающий участок характеристики дуги наблюдается при механизированной сварке под флюсом тонкой проволокой и особенно в защитном газе на высоких плотностях тока.

Изменение длины дуги ℓ_д приводит к эквидистантному смещению характеристики дуги за счет изменения величины падения напряжения в столбе и, следовательно, общего напряжения дуги:

U_д = U_к + U_а + k_д × ℓ_д + k_дт × I_д , (1.8)

где k_д – градиент потенциала столба дуги, В/см; k_дт – угол наклона статической характеристики дуги в рабочей точке.

Далее: 1.2 Внешняя характеристика источника