2. Электрическая дуга, ее свойства и характеристики.

Электрические процессы в дуге.

Электрическая дуга (рис. 2.1) представляет собой мощный установившийся электрический разряд между двумя электродами в ионизированной газовой среде. 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.

Рис. 2.1. Модель сварочной дуги и распределение потенциала по ее длине.

Электрическая дуга, используемая для сварки металлов, называется сварочной дугой. Дуга, горящая между электродом и изделием, является дугой прямого действия.

Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в трех характерных зонах – катодной области, столбе и анодной области дуги.

Столб дуги. Заряженные частицы в столбе появляются из анодной и катодной областей, а также возникают в нем за счет термической ионизации нейтральных частиц. Сварочным током I_д считают ток проводимости, обусловленный упорядоченным движением свободных электронов и ионов. При этом электронная составляющая тока в сотни раз больше ионной. Длина столба сварочной дуги l_ст составляет 0,1…4 см, падение напряжения в столбе U_ст достигает 40 В, а напряженность поля в нем:

Е_ст = U_ст/ l_ст =10…40 В/см.

Катодная область. Катод эмитирует электроны как за счет нагрева его поверхности (термоэлектронная эмиссия), так и за счет создания у его 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 сопоставима с длиной свободного пробега нейтральных атомов и составляет l_кат = 10^-4…10^-5 см. Поскольку катодное падение напряжения U_кат = 5…15 В реализуется на такой малой длине, то градиент потенциала достигает

Е_кат = U_кат/ l_кат = 10⁶ В/см.

Анодная область. У поверхности анода наблюдается объемный отрицательный заряд. Протяженность анодной области сопоставима с длиной свободного пробега электрона, т.е. l_ан = 10^-3…10^-4 см, поэтому при анодном падении напряжения U_ан = 2…10 В градиент напряжения

Е_ан = U_ан/ l_ан = 10⁴ В/см,

т.е. ниже, чем в катодной области. 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.

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис. 2.1. Напряжение дуги складывается из падения в трех ее основных областях:

U_д = U_кат + U_ан + U_ст.

Характерным для графика является то, что в приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изменением потенциала в столбе дуги. Это объясняется различием физических процессов, протекающих в этих областях и в столбе дуги. Общее напряжение сварочной дуги находится в пределах 20…40 В.

Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины описывается линейным уравнением вида:

U_д = a + b·l_д,

где а = U_кат + U_ан, b = Е_ст.

Статическая вольтамперная характеристика дуги.

Статическая вольтамперная характеристика (СВАХ) представляет собой зависимость напряжения дуги от ее тока U_д = f(I_д) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Статическая вольтамперная характеристика дуги.

Ее строят по экспериментальным данным при плавном изменении тока и сохранении неизменными физических условий горения дуги. В частности, должны оставаться постоянными диаметр электрода d_э, длина дуги l_д, материал электрода, и состав газа. Дуга имеет криволинейную статическую характеристику и, следовательно, является нелинейным элементом электрической цепи. На СВАХ выделяют три участка: падающий (I), жесткий (II) и возрастающий (III). Наклон характеристики принято оценивать величиной дифференциального сопротивления R_д, которое представляет собой производную напряжения дуги по току в данной точке характеристики:

.

На падающем участке R_д < 0, на жестком – R_д = 0, на возрастающем – R_д > 0. Такая сложная связь напряжения и тока дуги определяется в основном свойствами столба дуги.

Напряжение столба дуги зависит от его сопротивления и силы тока:

U_ст = I_д· R_ст.

Учитывая, что сопротивление столба дуги цилиндрической формы площадью сечения S_ст и удельным сопротивлением ρ_ст равно:

,

а плотность тока дуги:

,

получаем зависимость:

U_ст = ρ_ст·J_д·l_д.

В маломощных дугах (участок I) с ростом тока I_д резко увеличивается площадь сечения столба S_ст, что приводит к снижению плотности тока J_д и к уменьшению U_ст и общего напряжения дуги U_д. Такая падающая характеристика наблюдается при сварке неплавящимся электродом и ручной сварке покрытым электродом.

При дальнейшем росте тока пропорционально увеличивается и площадь столба, плотность тока остается приблизительно постоянной, поэтому и напряжение дуги не меняется с ростом тока. Характеристика на участке II жесткая, она наблюдается при сварке покрытым электродом и сварке под флюсом.

Возрастающий участок III наблюдается при таком токе, когда дуга уже заняла весь торец стержневого электрода (d_кат ≈ d_э), и дальнейшее увеличение площади S_ст затруднено. Поэтому с ростом тока пропорционально увеличивается его плотность и напряжение на дуге. Возрастающая характеристика наблюдается при механизированной сварке под флюсом и при сварке в защитных газах тонкой электродной проволокой. Граница между I и II участками при различных способах и условиях дуговой сварки приходится приблизительно на 100 А. Поскольку положение границы между II и III участками существенно зависит от площади сечения столба и электрода, то ее правильней охарактеризовать плотностью тока в электроде. Граница примерно соответствует J_э = 100 А/мм².

Положение статической характеристики зависит от длины дуги l_д и диаметра электрода (рис. 2.3). Изменение длины дуги отражается на величине падения напряжения в столбе и, следовательно, на общем напряжении дуги:

U_д = U_кат + U_ан + Е_ст·l_д.

Рис. 2.3. Влияние длины дуги и диаметра электрода на статическую ВАХ дуги.

При увеличении длины дуги ВАХ смещается вверх. Изменение диаметра электрода отражается на положении границы между жестким и возрастающим участками характеристики. Чем больше диаметр, тем при большем токе произойдет заполнение торца электрода катодным пятном и переход к возрастающему участку.

Динамическая вольтамперная характеристика дуги.

Условием построения статической ВАХ является плавное изменение тока и напряжения, при котором успевает устанавливаться энергетическое равновесие между дугой и источником. Рассмотрим, как зависит напряжение дуги от тока при быстром его изменении. Как и при построении СВАХ, остальные параметры системы остаются постоянными (длина дуги, диаметр и материал электрода, состав газовой среды и т.д.).

Пусть исходный режим отражается точкой А на статической харак­теристике дуги (см. рис. 2.4,а). Если исходный ток I_дА, то напряжение дуги равно:

U_дА = U_кат + U_ан + I_дА· R_стА.

Рис. 2.4. Динамическая вольтамперная характеристика дуги.

При скачкообразном увеличении тока до значения I_дВ катодное U_кат и анодное U_ан напряжения практически не изменяются, также не успе­ет измениться и сопротивление столба R_ст , поэтому напряжение дуги скачком достигнет в точке В значения

U_дВ = U_кат + U_ан + I_дВ· R_стА.

Следовательно, динамическая вольтамперная характеристика (ДВАХ) U_д =f(I_д) на участке АВ представляет собой отрезок прямой линии, про­ходящей через точку О с координатами (I_д = 0; U_д = U_кат + U_ан) и имею­щей угол наклона β, соответствующий постоянному значению R_стА.

Затем система "источник – дуга" двинется к равновесному состоя­нию, которое будет достигнуто только на статической характеристике дуги, т.е. в точке С, где напряжение дуги снизится с U_дB до U_дС , а ток I_дС останется равным I_дB. Таким образом, на участке ВС динамическая вольтамперная характеристика представляет собой вертикаль. При этом сопротивление столба снизится до R_стC за счет увеличении температуры и поперечного сечения столба дуги. Естественно, этот про­цесс растянут во времени, в чем и проявляется тепловая инерция дуги. В целом ДВАХ дуги представляет собой ломаную линию ABC (1).

На рис. 2.4,б показана осциллограмма и_д =f(t) напряжения дуги, соответствующая ДВАХ (рис. 2.4,а). Исходный режим (до скачка тока) с неизменными параметрами (I_дА = const; U_дA = const) принято называть установившимся состоянием системы. После скачка тока от I_дА до I_дB начинается переходный процесс, на осциллограмме он проявляется в виде пикообразного импульса АВ напряжения от U_дA до U_дB с последую­щим быстрым спадом по экспоненте ВС от U_дB до U_дС. После этого дуга приходит в новое установившееся состояние (I_дC = const, U_дC = const). Длительность переходного процесса принято характеризовать значения­ми Т_д и t_пер. Постоянная времени дуги Т_д представляет собой время, за которое закончился бы переходный процесс, если бы шел с постоянной максимальной скоростью (по касательной BD). Постоянная Т_д характери­зует тепловую инерционность столба дуги, для сварочных дуг она имеет порядок Т_д = 10^-4…10^-5 сек. Полное время переходного процесса t_пер при­мерно втрое больше (t_пер ≈ 3Т_д). На рис. 2.4,в показана также осциллог­рамма тока ABC в виде скачка, сформированного источником и вызвав­шего описанный переходный процесс в дуге.

В реальных сварочных источниках получить такой резкий скачок тока невозможно. Поэтому реальные осциллограммы тока и напряжения имеют вид плавных кривых, показанных линиями 2. В этом слу­чае ДВАХ имеет вид плавной кривой 2 (рис. 2.4,а). При различных ско­ростях нарастания тока можно получить семейство ДВАХ. Если же вре­мя нарастания тока на порядок больше постоянной времени дуги Т_д, имеем переходный процесс, показанный линией 3. В этом случае тепло­вое равновесие в дуге успевает устанавливаться по мере роста тока источ­ника, поэтому ДВАХ совпадает со статической характеристикой дуги.

Таким образом, положение ДВАХ в отличие от СВАХ зависит еще и от скорости изменения тока источника. Эту скорость необходимо учитывать при построении ДВАХ. Отдельно рассматривают ДВАХ дуги переменного тока, ДВАХ импульсной и пульсирующей дуги, ДВАХ при сварке с короткими замыканиями и т.д.

Начальное зажигание дуги.

Под начальным зажиганием дуги понимают процесс возбуждения дуги в начале сварки. От него нужно отличать повторное зажигание после случайных обрывов дуги, которое выполняется теми же способа­ми, что и начальное, но происходит в более благоприятных условиях при уже разогретых электродах. Непосредственным критерием при оцен­ке надежности начального зажигания принято считать процент успеш­ных попыток или количество попыток до первой успешной.

Практическое применение при дуговой сварке нашли два способа начального зажигания:

– высоковольтным искровым разрядом,

– разрывом цепи короткого замыкания электрода на изделие.

Зажигание дуги высоковольтным разрядом иллюстрирует рис. 2.5. При этом последовательно с основным источником или параллельно с ним подключается вспомога­тельный высоковольтный источник малой мощности – осциллятор. По соображениям безопасности он выполняется импульсным или высокочастотным (частота f >100 кГц). Назначение высоковольтного источника – пробить искрой, т.е. ионизировать межэлектродный промежуток, по которому за­тем пойдет ток от основного источника.

Рис. 2.5. Схема процесса (а) и осциллограммы напряжения (б) и тока (в) при зажигании дуги высоковольтным разрядом.

Механизм высоковольтного пробоя газового промежутка можно представить следующим образом. Высоковольтный источник создает между электродами сильное электрическое поле напряжением в не­сколько тысяч вольт. При любой температуре в межэлектродном проме­жутке имеется небольшое количество свободных электронов. Такой эле­ктрон разгоняется полем и при столкновении с нейтральными частицами ионизирует их. При этом образуется лавина электронов, быстро несу­щихся к аноду, и облако положительных ионов, медленно движущихся к катоду. Другие свободные электроны, а также электроны, образованные фотоионизацией от возбужденных атомов, вызывают новые короткие лавины, вливающиеся в первую. В результате образуется плазменный канал – стример, состоящий из заряженных частиц. Головка стримера, состоящая из положительно заряженных ионов, постепенно прорастает в направлении к катоду, из которого в результате вырывается рой элек­тронов. Рой многократно усиливает ионизацию в стримере и увеличивает его проводимость. Происходит пробой газового промежутка, между электродами образуется ионизированный плазменный мостик, по кото­рому начинает протекать ток от основного источника, под действием которого про­исходит разогрев электродов и развитие термоэлектронной эмиссии с катода.

Условие надежного зажигания дуги высоковольтным разрядом:

U_ви ≥ U_il_д/λ_е,

где U_ви – напряжение высоковольтного источника, U_i – потенциал ионизации газа, λ_е – длина свободного пробега электрона.

Отсюда следует, что для повышения надежности зажигания следует увеличивать напряжение высоковольтного источника U_ви или сни­жать длину дуги l_д. Напряженность поля, достаточная для пробоя воздуха между электродами при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, составляет около 10 кВ/см. При распространенных длинах дуги 2…5 мм напряжение высоковольтно­го высокочастотного источника – осциллятора – должно составлять 2000…5000 В. Как видно, пробивное напряжение зависит от потенциала ионизации газа U_i и длины λ_е свободного пробега электрона в нем. Например, в аргоне пробивное напряжение почти вдвое ниже, чем в воздухе и других двухатомных газах.

На второй стадии зажигания необходимо обеспечить развитие са­мостоятельного дугового разряда с питанием от основного источника (см. рис. 2.5,б и в). Для этого напряжение источника U_и должно быть не ниже напряжения дуги U_д.

U_и ≥ U_д = U_кат +U_ан + Е_ст·l_д.

Напряжение U_д зависит от длины дуги. Напряжение холостого хода источника U₀ в 2…4 раза выше среднего напряжения дуги U_д и составляет для источников общепромышленного применения 60…110 В. Считается, что самостоятельный дуговой разряд существует при мощно­сти не менее 200…300 Вт на 1 см длины дуги, поэтому основной ис­точник при различных условиях сварки должен обеспечивать ток 1_д не менее 3…10 А.

Зажигание дуги разрывом цепи короткого замыкания поясняет рис. 2.6.

Рис. 2.6. Стадии процесса (а) и осциллограммы напряжения (б) и тока (в) при зажигании дуги разрывом цепи короткого замыкания.

При замыкании электрода на изде­лие сопротивление нагрузки составляет всего 0,01…0,2 Ом, поэтому ток короткого замыкания достигает сотен ампер. С начала короткого замыкания (точка 1) напряжение источника резко снижается до срав­нительно низкой величины U_ик = 2…5В. Ток короткого замыкания быстро возрастает до пикового значения I_кп, а затем несколько снижа­ется до установившегося значения I_к. Разрыв цепи короткого замыка­ния (точка 2) происходит через t_к = 0,01…1 сек. после начала процесса в результате отдергивания электрода или разрушения перемычек меж­ду электродом и изделием. Дело в том, что площадь таких перемычек сравнительно мала, поэтому плотность тока в них настолько велика, что наблюдается их мгновенное расплавление и даже испарение.

После разрыва цепи короткого замыкания с момента 2 наступает стадия развития дугового разряда. Напряжение источника быстро уве­личивается до значения U_{и min}, а затем сравнительно плавно восстанав­ливается до установившегося значения U_и равного напряжению дуги (точка 3). Начальный пик ЭДС самоиндукции источника в момент 2 имеет малую продолжительность и практически не влияет на надеж­ность зажигания. На стадии развития дугового разряда ток создается движением первичных носителей (электронов и ионов), возникших в результате разрыва цепи короткого замыкания. Источником первичных электронов может служить автоэлектронная эмиссия с катода. Установ­лено, что на ранней стадии разведения электродов при расстоянии меж­ду ними около 10^-10 см даже относительно низкое напряжение источни­ка обеспечивает напряженность электрического поля до 10¹² В/см, достаточную для вырывания электронов из катода. Возмож­ным источником первичных электронов является и термоэлектронная эмиссия с катода, поскольку при плавлении и испарении перемычки ме­талл на поверхности электрода достигает температуры 2000…6000 ºС. Наконец, пар металла, образовавшийся между электродами при такой температуре, достаточно электропроводен благодаря частичной иониза­ции. При последующем увеличении числа носителей возникает само­стоятельный дуговой разряд.

Оценим условия надежного зажигания. На первой стадии необхо­димо обеспечить энергичный разрыв цепи короткого замыкания. При недостаточной плотности тока в электроде (менее 20 А/мм) жидкие перемычки между электродом и изделием не взрываются, а, наоборот, застывают. "Примерзание" электрода можно предотвратить его рез­ким отдергиванием или увеличением тока. Превышение тока короткого замыкания I_к над сварочным в 1,2…5 раз благоприятствует надежному за­жиганию дуги.

На второй стадии важно, чтобы напряжение источника было доста­точным для питания дуги (U_и ≥ U_д). Длину дуги I_д с этой же целью снижают. Действительно, при чрез­мерном отдергивании возникшая дуга может оборваться. Кроме того, полезно в цепь источника вводить индук­тивность. Запасенная в ней на стадии короткого замыкания энергия отдается дуге, стремясь поддержать ток на высоком уровне без провала.