книги из ГПНТБ / Фролов В.В. Источники тепла при сварке плавлением

3. ЗОНЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

ние металла. Анодная зона имеет большую протяженность и также создает некоторое падение потенциала за счет плавле­

ния металла и большой теплоотдачи в изделие. Зона дугового промежутка, самая большая по протяженности, также создает падение потенциала за счет работы на перемещение заряжен­ ных частиц (сопротивление), работы на излучение в окружаю­ щую среду, работы ионизации и диссоциации газов в луговом

промежутке. Схема прохождения электрического тока через

дуговой промежуток представлена на рис; 9.

Электрический ток является результатом перемещения элек­ трически заряженных частиц в дуге, и в силу своей подвижно­ сти электроны в газе переносят большую долю электрического

заряда. Обозначим долю электронного тока /, а ионного тока (J—f}. Доли ионного и электронного тока изменяются в раз­ личных местах дугового разряда. Доля электронного тока долж­ на иметь наибольшее значение на аноде, а доля ионного токана катоде.

Энергетический баланс дугового разряда очень сложен и в настоящее время составить его точно не представляется воз­ можным. Однако схему статей прихода и расхода энергии от­ дельных зон дугового разряда можно показать для дуги пря­ мой полярности.

а) Схема энергетического баланса на катоде

Расход энергии:

а) На создание эмиссии электронов.

Каждый электрон уносит с собой работу выхода и некоторый

запас кинетической энергии

Мощность, отнесенная к 1а сварочного тока представляет собой падение потенциала:

21

Рис. 8. Схема дугового разряда

Рис. 9. Прохождение электрического тока через дуговой промежуток

АН—теплосодержание расплавленного электродного метал­ ла (кал/г).

Подставляя числовые значения, получим:

П р и х о I э н е р г и и :

а) Работа тока, проходящего через электрод. Эта статья

ги, то в уравнении, выражающем закон Стефана-Больцмана,

можно пренебречь температурой катода

23

©— телесный угол, определяемый сечением катода (рис. 10). Данный расчет является приближенным, причем его точ­ ность повышается, если он ведется для излучения в замкнутом

,т. к. температура дуги и ее протяженность лишь косвенно за­ висят от силы тока.

Рис. 10. Телесный угол для определения теплоты излучения дуги

Таким образом, общее падение потенциала на катоде будет

составлять:

^катода — U3M ~Ь Пплавл UH0H0B UT0Ka ^излучения

б) Схема электрического баланса в столбе дуги

Расход энергии в столбе дуги прямо пропорционален его объему, заключенному между электродами, и, следовательно, будет определяться его протяженностью. Потеря энергии на излучение определяется поверхностью дугового разряда и также будет возрастать с увеличением длины дугового про­ межутка.

Работа перемещения в столбе дуги заряженных частиц ио­

нов и электронов (сопротивление) прямо пропорциональна

длине дуги.

Высокая подвижность частиц в ионизированном газе вырав­ нивает изменение потенциала и делает его постоянным по

длине дугового столба.

24

Падение потенциала в столбе дуги: .

где в — падение потенциала в мм; L — длина дуги в мм.

Величина в зависит от состава дуговой атмосферы, как это показал в своей диссертаций Г. И. Лесков [3].

Введение в дуговой промежуток легко ионизирующихся веществ с высокой упругостью насыщенного пара или лету­ честью повышает значение величины в, указывая на увеличе­ ние поглощения энергии процессами ионизации. Например, при возбуждении дуги в парах Ba(AO3)2 величина в составила 3,3—

плавленного металла, нагретого значительно выше темпера­ туры плавления во время прохождения его через дуговой про­ межуток

,ще К — коэффициент, определяемый теплосодержанием метал­

ла, поступающего в сварочную ванну;

25

г) Теплота тока будет выделяться и на аноде, но ее трудно учесть, т. к. для этого надо знать распределение плотности тока по всем участкам нагретого металла.

Расход энергии а) Расход энергии на расплавление основного металла

Ч основн мет — ®р0 (#)> (34)

где Я—коэффициент, зависящий от теплосодержания расплав­ ленного основного металла;

аРи — коэффициент расплавления основного металла. б) Расход энергии на нагрев изделия (образца).

Величина теплоотвода в изделие значительно изменяется в зави­

В среднем падение потенциала на аноде составляет 2,5—3 в.

Из вышеприведенных соображений следует, что рассчитать общее падение потенциала на дуговой промежутке для опре­ деления необходимой мощности затруднительно даже для дан­ ного конкретного случая. При определении статей прихода и расхода энергии нами не учитывалтсь энергия на плавление и нагревание электродных покрытий или флюсов, что также

где а — равно сумме катодного и анодного падения потенциала.

4. УСТОЙЧИВОСТЬ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

Устойчивость дугового разряда измеряется по К. К. Хре­ нову величиной дуговою промежутка при естественном обры­

объема газа дугового промежутка,

3) от силы тока,

26

4)от материала электродов (анодное и катодное падение

потенциала),

5)от э'ектрических параметров сварочной цепи.

При увеличении напряжения дуги величина дугового про­ межутка при обрыве дуги увеличивается, как это и следует из уравнения (36). i днако в сварочной технике увеличение напря­ жения нежелательно по условиям техники безопасности.

При увеличении числа заряженных частиц в единице объема газа сопротивление дугового разряда уменьшается и длина дуги в момент ее обрыва увеличивается.

Число заряженных частиц' в единице объема газа может

увеличиваться по следующим причинам:

а) Увеличение концентрации легко ионизирующихся атомов,

снижающих эффективный потенциал ионизации.

Вданном случае растет эффективная степень ионизации х0 и число легкоподвижных электроном в газовой смеси, перенося­ щих основную часть электрических зарядов.

Это явление широко используется в сварочной технике пу­ тем введения в электродные покрытия и флюсы легко ионизи­ рующихся компонентов.

бУвеличение общей концентрации газа путем повышения давления в дуговом промежутке.

Вэтом случае общее число молекул растет быстрее, чем уменьшается степень их ионизации по уравнению М. Сага (12),

(13).

Влиянием повышенного давления в шлаковом пузыре при сварке под флюсом частично можно объяснить стабильность дугового разряда.

Снижение концентрации газовых молекул в вакууме, повы­ шая степень ионизации газа (х0), снижает устойчивость дуго­ вого разряда.

в) Замена легкоподвижных электронов отрицательно заря­ женными ионами снижает усюйчивость дугового разряда, что наблюдается при введении в атмосферу дугового промежутка атомов, обладающих большим сродством к электрону tF, Cl. О).

При повышении плотности тока на электроде устойчивость дугового разряда увеличивается, т. к. возрастает доля элект­ ронного тока на катоде и повышается электронная эмиссия.

Увеличение числа электроно'в эмиссии приводит к повыше­ нию конц нтрации их в дуговом промежутке, а, следовательно,

и к понижению его сопротивления.

Природа материала электродов определяет величину катод­ ного и анидного падения потенциала, а также влияние атмо­ сферы дугового промежутка на состояние поверхности электро­ дов (окисление, явление адсорбции).

Помимо указанных причин, на устойчивость дугового разря­ да влияют как собственное магнитное поле дуги, так и внешние наведенные магнитные поля.

27

При одинаковом направлении скорости разноименных частиц направления силы магнитного поля будут противоположными

(рис 12).

Однако в дуговом разряде разноименные частицы движутся в разных направлениях, и это приводит к концентрации заря­ женных частиц в центральной его части.

На рис. 13 представлена схема действия собственного маг­ нитного поля дуги на заряженные частицы.

Увеличение дугового тока приводит к росту напряженности магнитного поля, а это в свою очередь стабилизирует дуго­ вой разряд.

Если наложить продольное магнитное поле, окружив соле­ ноидом электрод и дуговой разряд, то в результате взаимо­ действия магнитных и электрических полей частицы будут двигаться по спиралям, еще более концентрируясь в централь­ ной части разряда.

Стабилизация продольным магнитным полем дугового раз­ ряда используется в сваротной технике.

Мри проектировании сварочных процессов следует всегда

учитывать наличие магнитных полей и ферромагнитных масс,

могущих влиять на устойчивость дугового разряда.

5. ОСОБЕННОСТИ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Дуговой разряд при переменном токе в отличие от разряда при постоянном токе, существует только при достаточном значении разности потенциалов в каждом полупериоде.

Сопоставляя осциллограмму напряжения холостого хода

Если длина дуги достаточно велика, то на осциллограмме появляютея резко выраженные пики зажигания, значительно превосходящие напряжение, необходимое для поддержания дуювою разряда (рис 14 .

Дуююй разряд при переменном токе обуславливает, при различных условиях рабою электродов, смещение кривой тока и напряжения от нулевой оси

Это явление имеет место и при изменении геометрии элект­ родов Так, например, дуга, возбужденная между двумя уголь­

ными, одинаково заточенными, электродами, дает симметричное paci.сложение кривых тока и напряжения, а дуга, возбужден­ ная между угольным элегтроюм и угольной пластинкой, уже показывает ассиметричное расположение кривых тока и на­ пряжения относительно нулевой оси.

30