11

Лекция 6.

Электродуговой нагрев

Установки электродугового нагрева используют явление электродугового разряда между электродами, к которым прикладывается напряжение.

Выделяющееся тепло используется для сварки, плавки или нагрева.

При электродуговой сварке для нагрева и плавления соединяемых металлов используется энергия электрического дугового разряда, возбуждаемого и поддерживаемого в пространстве между электродом и деталью. Энергия берется от электрической сети или от двигателей внутреннего сгорания.

При питании от электрической сети используются преобразователи:

1. Сварочные трансформаторы 380В/60В (понижающий).

2. Трансформатор + выпрямитель.

Виды дуги:

1. Непрерывная (на постоянном или переменном токе, когда ток течет непрерывно).

2. Импульсная.

1. Физические процессы в дуговом промежутке

Рис. 1. Дуговой промежуток:

F_О – сила осевого действия магнитного поля на частицы дуги;

F_Р - сила радиального действия магнитного поля на частицы дуги.

Iд – ток дуги

Столб дуги – ионизированный газ, содержащий нейтральные атомы и молекулы газов и паров металла, свободные электроны и положительные ионы, возникающие при ионизации газов. Сварочный ток – ток проводимости обусловленный упорядоченным движением свободных электронов.

2 . Зависимость напряжения дуги от длины дуги

Рис. 2. Распределение потенциалов по длине дуги

Под действием тока создается магнитное поле, которое действует на заряженные частицы с силой F. Радиальная составляющая силы при любом направлении тока направлена перпендикулярно к оси столба дуги и оказывает сжимающее действие на столб дуги (пинч-эффект). Сила, действующая вдоль столба дуги, направлена на отрыв капли от электрода. Изменение полярности дуги не изменяет направление F.

Uд = Uа + Uс + Uк ; Lд = Lа + Lс + Lк

Uс >> Uа + Uк ; Uд = Uс = E  Lc

Для электродной сварки при диаметре электродов dэл = 1…6 мм :

Напряжение дуги Uд = 10…25 В,

Ток дуги Iд = 100…1000 А;

Сварочный ток (ориентровочно) Iсв = (20 + 5 dэл)dэл, А

Полная мощность дуги (Вт)

Рд = Uд Iд

Эффективная (полезная) мощность дуги

Рд = Uд Iд  _Д ; _Д = 0,7 … 0,85

3. Зависимость напряжения дуги от тока

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость падения напряжения на дуге от значения тока

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика дуги:

I - падающая; II – жесткая; III - круто возрастающая

В области малых токов падающая, обратнопропорциональная):

Uд =  +  Lд + ( +   Lд) / Iд

 = Uк + Uа

 - градиент потенциала в столбе дуги, В/м

Lд – длина дуги, м

 и  - мощности, затрачиваемые на вырывание электронов из катодного пятна, Вт/А, и на продвижение электронов в межэлектродном промежутке на единицу расстояния, Вт/(А м)

В области средних токов (статическая, устойчивая, жесткая). ( +   Lд) / Iд  0 - мало

Uд =  +  Lд

В области больших токов (восходящая часть, прямопропорциональная).

Uд = Iд  Lд /   Sд

 - отношение плотности тока в столбе дуги к напряженности;

Sд - площадь столба дуги.

Падающие характеристики – свободные малоамперные дуги, горящие в атмосфере воздуха и в среде аргона, при токе 7080 А. Причина снижения U_d – уменьшение U_CT (т. е. U_к и U_a постоянны, а U_CT уменьшается). С ростом тока происходит ионизация и увеличение . Поэтому проводимость дуги увеличивается, а R_{дифференциальное}<0.

Жесткие характеристики – сварочные дуги с токами более 80 А. При ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом с током 300400 А ВАХ дуги полого возрастающая.

Круто возрастающая – при сварке плавящимся электродом в CО₂ и сжатой дугой в среде аргона неплавящимся электродом, при сварке под флюсом: