55. Механизмы начального возбуждения и развития дугового разряда.

Механизмы начального возбуждения и развития дугового разряда.

1. I₀ = 0; 1А -33ом – 330мF;I_д=var

2) R- V- I₀ = var

3)

ЗАЖИГАНИЕ И РАЗВИТИЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

1.1. ДУГОВОЙ РАЗРЯД.

Сварочная дуга — это мощный разряд электричества в сильно ионизированной смеси газов и паров различных материалов, обычно происходящий при высоком давлении, большей, частью атмосферном.

Газы и пары при низких температурах состоят из нейтральных молекул и атомов, т. е. в отличие от металлических проводников не содержат свободных электронов. Поэтому газовый промeжуток, в котором происходит мощный дуговой разряд, должен быть ионизирован, т. е, содержать электроны и ионы. Для ионизации газовой молекулы или атома им необходимо сообщить энергию ионизации, т. е. энергию выделения из нейтрального атома пли молекулы одного электрона с образованием положительного иона.

Среду, в которой происходит дуговой разряд, можно расценивать как газовый проводник. Весь межэлектродный промежуток представляет собой ярко светящийся шнур газа, имеющий температуру в несколько тысяч градусов. В дуговом промежутке образуется .смесь атомов, электронов е и ионов i с концентрацией п, nе, пi получившая название плазмы. Ионы и электроны обуславливают прохождение электрического тока через область дуги, занятую плазмой. Количество положительных и отрицательных зарядов при отсутствии утечки зарядов одного знака примерно равно, в целом дуга электрически нейтральна. Это значит, что концентрация положительных ионов ni и отрицательных электронов ne равна между собой: ni=nе. Отношение называется степенью ионизации плазмы.

Электроны и ионы. участвуют в хаотическом тепловом движении со среднеквадратичной скоростью при отсутствии напряженности поля Е(т — масса частиц, Т —температура, К — постоянная Больцмана (рис. 1, а).

Так как масса электронов те намного меньше массы ионов rn-i, то первые движутся значительно быстрее вторых, и часть из них может выйти за пределы плазмы на расстояние х.

При обычной температуре столба дуги, равной (5 ... 10) * K, и высокой напряженности поля, когда электронов/ м движение заряженных частиц становится направленным (рис. 1, б).

Плазменный столб дуги. может непосредственно граничить с металлом электродов, так как в большинстве случаев точка кипения последних значительно ниже температуры столба. Поскольку бесконечные градиенты температуры невозможны, то необходимо допущение о существовании промежуточных слоев газа, температура которых, постепенно снижаясь, уменьшает степень ионизации газа. Поэтому процессы образования заряженных частиц и переноса тока в промежуточных слоях отличаются от аналогичных процессов в столбе дуги. Промежуточные слои газа называются катодной и анодной областями дуги (рис. 2), протяженность которых достоверно не установлена, но по ряду признаков она считается соизмеримой с несколькими свободными пробегами ионов у катода и электронов у анода.

Катодное падение напряжения Uк при изменении тока в широком диапазоне мало изменяется. Оно зависит от защитной среды и материала электрода, с которого происходит разряд [1,2,4,5].

Протяженность катодной области lк составляет несколько ангстрем. Анодное, пространство характеризуется анодным падением напряжения Ua я его протяженностью lа. Анодное падение напряжения, практически не зависит от тока и составляет 2...4 В. Протяженность анодной области 1a соизмерима с катодной и равна нескольким ангстремам.

Благодаря высокой температуре газа в столбе дуги (6000... 8000°С) решающее значение приобретает термическая ионизация.

Под влиянием продольного электрического поля в столбе дуги заряженные частицы получают направленную скорость. Так как ионы тяжелее электронов, то скорость их движения невелика, поэтому ионным током можно пренебречь. Ток в столбе дуги обусловлен главным образом движением электронов, т. е. подобен току в металлических проводниках.

Столб дуги характеризуется падением напряжения Uc, сопротивлением Rс и протяженностью lс.

Падение напряжения столба дуги Uс существенным образом зависит от величины, сварочного тока 1д, защитной среды, материала электродов и может изменяться от 6 до 40 В [1, 5].

Протяженность (длина) столба дуги 1с может составлять от одного до нескольких десятком миллиметров.

Падение напряжения столба дуги приближенно можно определить по формуле

(1) где — сопротивление столба дуги в установившемся состоянии;

lc— длина дуги, мм; S — сечение электрода, мм. у — удельная, электропроводность,

Отсюда падсние„напряжения в дуговом промежутке (2)

может быт равно 12...52 В. Каждый известный способ сварки ха.рактеризустся С!'.оим значением, Uд [1,2,3,4,5}. Зависимости Uд от материалов электродов, от защитной среды, от тока, от длины и сопротивления дуги позволяют определить параметры источника питания, обеспечивающие устойчивое горение дуги и качественное формирование шва. Наибольшее значение из перечисленных зависимостей для источника питания имеет вольтамперная характеристика дуги.