2. Електродні зони дуги

Відповідно сучасної теорії дуг умови існування анодної зони базується на таких чинниках: 1. В межах анодної плями d_а температура металу, що випаровується є постійною і відповідає температурі кипіння (для заліза 3013⁰К); 2. Втрати енергії у анодній зоні обумовлені лише теплопровідністю в метал аноду; 3. Іонізація газів в анодній зоні незначна (ступінь іонізації α =2∙10^-5, в той час як для стовпа α =2,5∙10^-2), а просторовий заряд обумовлений електронною складовою дугового струму. Спад напруги у анодній зоні в залежності від струму дуги наведено на рис.2а.

Струм дуги у катодній зоні обумовлений електронною складовою струму дуги густиною j_k = 1∙(10³…10⁵) а/м². Протяжність катодної зони відповідає пробігу вільного йону, а спад напруги характеризується значним градієнтом по мірі зростання струму (рис.2б). Середнє значення спаду напруги у катодній зоні для дуг у парі заліза становить 15В.

Рис. 2.а. Залежність спаду напруги анодної зони від дугового струму.

Рис. 2.б. Залежність спаду напруги катодної зони від дугового струму.

1.2. Розподіл потенціалів у дузі

З огляду на розглянутий процес протікання струму через виділені зони дуги та носії електрики в дузі, що забезпечують провідність таких зон, а також експериментальні дослідження, розподіл потенціалів дуги за її довжиною (рис.3) характеризує зварювальну дугу як нелінійний електричний опір.

Рис.3. Розподілення потенціалів за довжиною дуги.

З рис. 3. витікає, що типовою є наявність різкої зміни потенціалів у біля електродних зонах у порівнянні зі зміною миттєвих потенціалів у стовпі дуги. Таким чином сумарна напруга на дузі U_д являє собою суму різниць потенціалів у анодній U_а, катодній U_к зонах та стовпі дуги U_ст і становить

(3)

Відповідно загальна довжина дуги складається з аналогічних складових

(4)

Оскільки протяжність катодної зони оцінюється вибігом вільного йону (=10^-4…10^-5 см), а протяжність анодної зони вибігом вільного електрону (=10^-3…10^-4 см), то відповідна до них напруженість електричного поля становить Е_к= 2∙10⁶В/см, Е_а= 1∙10⁴В/см, що відповідає типовим значенням спаду напруги U_к= 10…15В, U_а = 2…5В.

Таким чином за порядком величин сумарною протяжністю біля електродних зон можна нехтувати і довжина відкритої дуги у розрахунках приймається відповідною протяжності її стовпа (4).

Оскільки потенціали складових спаду напруги на дузі залежать від дугового струму вираз (3) можна надати у вигляді

, (5)

де - напруженість електричного поля стовпа дуги (В/см).

Якщо просторово –часові показники розвинутої стаціонарної дуги незмінні, то потенціали у біля електродних зонах також є незмінними через стабільність фізичних процесів, що протікають у них. Якщо також урахувати миттєві потенціали у кожній точці за довжиною для будь – якої складової дуги, тобто (см/В), то з (3,5) та урахуванням (4) випливає

(6)

Напруженість електричного поля стовпа дуги виражена через електричні параметри середовища, у якому протікає струм певної густини становить

, (7)

де - густина струму (А/мм²), , тут - площа перерізу стовпа нормальна до осі дуги; - питома провідність (1/Ом∙мм).

Тоді вираз (6) можна привести до вигляду

(8)

Звідки (9)

1.3. Електричні характеристики зварювальної дуги

Для визначення вимог до зварювальних джерел дугового зварювання використовують статичні та динамічні характеристики дуги.

1.3.1. Залежність напруги на дузі від її довжини

Якщо струм дуги та фізичні умови її існування є незамінними, то залежність між спадом напруги на дузі та дуговим струмом , виходячи з (8,9), пов’язані лінійною залежністю (рис.4)

(10)

Вираз (10) є коректним лише для ізотропних середовищ, коли і для мало амперних дуг є неприйнятним.

Рис.4. Залежність напруги на дузі від її дожини (,= const).

1.3.2. Залежність спаду напруги на дузі від дугового струму

Оскільки дуговий розряд є нелінійним за провідністю елементом, то зв’язок між струмом та напругою на дузі (6) визначається через його статичну вольт - амперну характеристику (ВАХ - дуги) з умови: 1. довжина дуги незмінна; 2. Незмінні фізичні параметри, які обумовлюють існування дугового розряду (рис.5).

Рис.5. Статична вольт – амперна характеристика дуги та застосування її окремих ділянок для різних способів зварювання: R_дд – динамічний опір.

Аналіз форми ВАХ – дуги (рис.5) демонструє (9,10): 1 ділянка. Спадна частина характерна для вільних мало амперних дуг у повітрі або аргоні і характеризується струмами від одиниць ампер до 50…100А (типове значення 70…80А). Причиною спаду потенціалу дуги при зростанні струму є збільшення ступеню іонізації газів у стовпі, площі його перерізу та розвиток катодної плями. Відповідно густина дугового струму спадає, а провідність дугового проміжку зростає. Спад напруг у анодній та катодній зонах лишаються незмінними, оскільки не залежать від навантаження дуги та обумовлені лише фізичними умовами існування дугового розряду. ІІ ділянка (інваріантність між струмом та напругою). При подальшому зростанні навантаження (починаючи від струмів 80А і більше) продовжує зростати площа перерізу стовпа. Відповідно густина струму лишається практично незмінною, так само як питома провідність (баланс між процесами іонізації та рекомбінації носіїв електрики на одиницю об’єму стовпа дуги незмінний). Збільшення струму та площі перерізу відповідає умові незмінності напруженості електричного поля стовпа, тобто при заданій довжині дуги потенціал стовпа та різниця потенціалів анодної і катодної зон лишаються незалежними від зростання дугового струму. ІІІ ділянка (зростальна частина ВАХ - дуги). Подальше збільшення навантаження на дузі від 300…400А і вище через повне вичерпання катодною плямою вільної площі торця електроду обмежує розвиток площі перерізу стовпа дуги, відповідно каналової її моделі, гранично площею катодної плями. Тоді прирощення густини струму стає пропорційним до зростання струму, а питома провідність через обмеження кількості носіїв електрики у стовпі дуги спадає (2,7,9); напруга стовпа пропорційно залежна до дугового струму.

Для інваріантної та зростальної ділянок ВАХ – дуги запропонований емпіричний опис залежності напруги на дузі від струму , де - розрахункова за каналовою моделлю різниця потенціалів стовпа дуги, - коефіцієнт, що враховує зростання густини струму при заданому діаметрі електроду.

Оскільки потенціал стовпа дуги залежить від напруженості електричного поля та довжини дугового проміжку

(11)

То при зміні довжини дуги, з рештою рівних умов, спостерігається зміщення ВАХ – дуги за координатою напруги (рис.6). Вплив інших чинників, наприклад діаметр електролу, призводить до зміни кількісних показників ділянок ВАХ- дуги за координатою струму при незмінності потенціалу.

Рис.6. Вплив довжини дуги на діаметру електрода на статичну ВАХ – дуги.

Викладене поняття статичної ВАХ – дуги для зварювальних процесів базованих на плавленні електродного металу є не коректним, оскільки в умовах утворення краплі на торці електрода, її зростанні, відриві та крапле перенесенні, гранично до короткого замикання через крапельну перемичку електрода з металом ванни, довжина дуги безперервно змінюється і така характеристика на певних етапах плавлення металу електроду приблизно вироджується у сімейство функціональних кривих (рис.6).

Таке протиріччя знімається, якщо одночасно розглядати ВАХ – дуги при її сталій довжині та ВАХ – дуги при незмінному значенні дугового струму, що виливається у сімейство таких характеристик, які відповідають граничним значенням питомої провідності стовпа дуги з умови незмінності решти фізичних параметрів, обумовлюючих існування дугового розряду.

Розрахунок нелінійних електричних ланцюгів, які характеризуються складною залежністю між струмом та напругою, значно полегшується при введенні поняття диференціального опору нелінійного елементу такого ланцюга. Зазначений опір відповідає відношенню безмежно малого прирощення різниці потенціалів дуги до безмежно малого зростання дугового струму

, (12)

Або за графічною інтерпретацією , де - кут між дотичною до даної точки ВАХ – дуги та координатою дугового струму (рис.7).

Рис. 7. ВАХ – дуги: а) спадні; б) жорсткі; в) зростальні; 1- l_д1, σ_д1, 2 - l_д2, σ_д2;

l_д1≤ l_д2; σ_д1≤ σ_д2. (l_д, σ_д – відповідно довжина та провідність дугового проміжку).

Це дає можливість переходу від реального фізичного процесу дугового розряду до еквівалентного йому модельного опису нелінійного за елементами електричного ланцюга у вигляді схеми заміщення зварювальної дуги (рис.8).

Рис.8. Схема заміщення зварювальної дуги: а) дуговий ланцюг та схема його заміщення; б) диференціальний опір при різних ВАХ – дуги. Е_д – напруженість електричного поля стовпа дуги при заданій протяжності дугового проміжку або електрорушійна сила (е.р.с.) для схеми її заміщення.

Математична модель нелінійного ланцюга становить

, (13)

де - е.р.с. схеми заміщення зварювальної дуги; ; - масштаб напруги та струму при графічному аналізі ВАХ –дуги та диференціального опору.

Таким чином графічне рішення (13) дозволяє визначити е.р.с. для будь – якої ділянки ВАХ нелінійного елемента схеми заміщення зварювального ланцюга.