Электрическая дуга и ее свойства

Электрическая дуга и ее свойства

Категория:

Сборка металлоконструкций

Электрическая дуга и ее свойства

Электрическая дуга представляет собой длительный электрический разряд, происходящий в газовом промежутке между двумя проводниками — электродом и свариваемым металлом при значительной силе тока. Непрерывно возникающая под действием стремительного потока положительных и отрицательных ионов и электронов в дуге ионизация воздушной прослойки создает необходимые условия для продолжительного устойчивого горения сварочной дуги.

Рис. 1. Электрическая дуга между металлическим электродом и свариваемым металлом: а — схема дуги, б — график напряжений дуги длиной 4 мм; 1 — электрод, 2 — ореол пламени, 3 — столб дуги, 4 — свариваемый металл, 5 — анодное пятно, 6 — расплавленная ванна, 7 — кратер, 8 — катодное пятно; h — глубина проплавления в дуге, А — момент зажигания дуги, Б — момент устойчивого горения

Дуга состоит из столба, основание которого находится в углублении (кратере), образующемся на поверхности расплавленной ванны. Дуга окружена ореолом пламени, образуемым парами и газами, поступающими из столба дуги. Столб имеет форму конуса и является основной частью дуги, так как в нем сосредоточивается основное количество энергии, соответствующее наибольшей плотности проходящего через дугу электрического тока. Верхняя часть столба, расположенная на электроде 1 (катоде), имеет небольшой диаметр и образует катодное пятно 8. Через катодное пятно излучается наибольшее количество электродов. Основание конуса столба дуги расположено на свариваемом металле (аноде) и образует анодное пятно. Диаметр анодного пятна при средних значениях сварочного тока больше диаметра катодного пятна примерно в 1,5 … 2 раза.

Для сварки применяют постоянный и переменный ток. При использовании постоянного тока минус источника тока подключают к электроду (прямая полярность) или к свариваемому изделию “”{обратная полярность). Обратную полярность применяют в тех случаях, когда нужно уменьшить выделение теплоты на свариваемом изделии: при сварке тонкого или легкоплавкого металла, чувствительных к перегреву легированных, нержавеющих и высокоуглеродистых сталей, а также при пользовании некоторыми видами электродов.

Выделяя большое количество теплоты и имея высокую темпе-оатуру. электрическая дуга вместе с тем дает очень сосредоточенный нагрев металла. Поэтому металл во время сварки остается сравнительно мало нагретым уже на расстоянии нескольких сантиметров от сварочной дуги.

Действием дуги металл расплавляется на некоторую глубину h называемую глубиной проплавления или проваром.

Возбуждение дуги происходит при приближении электрода к свариваемому металлу и замыкании им сварочной цепи накоротко. Благодаря высокому сопротивлению в точке соприкосновения электрода с металлом конец электрода быстро нагревается и начинает излучать поток электронов. Когда конец электрода быстро отводят от металла на расстояние 2…4 мм, возникает электрическая дуга.

Напряжение в дуге, т. е. напряжение между электродом и основным металлом, зависит в основном от ее длины. При одном и том же токе напряжение в короткой дуге ниже, чем в длинной. Это обусловлено тем, что при длинной дуге сопротивление ее газового промежутка больше. Возрастание же сопротивления в электрической цепи при постоянной силе тока требует увеличения напряжения в цепи. Чем выше сопротивление, тем выше должно быть и напряжение для того, чтобы обеспечить прохождение в цепи того же тока.

Дуга между металлическим электродом и металлом горит при напряжении 18… 28 В. Для возбуждения дуги требуется более высокое напряжение, чем то, которое необходимо для поддержания ее нормального горения. Это объясняется тем, что в начальный момент воздушный промежуток еще недостаточно нагрет и необходимо придать электронам большую скорость для расцепления молекул и атомов воздуха. Этого можно достичь только при более высоком напряжении в момент зажигания дуги.

График изменения тока I в дуге при ее зажигании и устойчивом горении (рис. 1, б) называется статической характеристикой дуги и соответствует установившемуся горению дуги. Точка А характеризует момент зажигания дуги. Напряжение дуги V быстро падает по кривой АБ до нормальной величины, соответствующей в точке Б устойчивому горению дуги. Дальнейшее увеличение тока (вправо от точки Б) увеличивает нагрев электрода и скорость его плавления, но не оказывает влияния на устойчивость горения дуги.

Устойчивой называется дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания. Если дуга горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, то такая дуга называется неустойчивой. Устойчивость дуги зависит от многих причин, основными из которых являются род тока, состав покрытия электрода, вид электрода, полярность и длина дуги.

При переменном токе дуга горит менее устойчиво, чем при постоянном. Это объясняется тем, что в тот момент, когда ток п, дает до нуля, ионизация дугового промежутка уменьшается и дуга может гаснуть. Чтобы повысить устойчивость дуги переменного тока, приходится наносить на металлический электрод ио-крытия. Пары элементов, входящих в покрытие, повышают ионизацию дугового промежутка и тем способствуют устойчивому горению дуги при переменном токе.

Длину дуги определяют расстоянием между торцом электрода и поверхностью расплавленного металла свариваемого изделия. Обычно нормальная длина дуги не должна превышать 3…4 мм для стального электрода. Такая дуга называется короткой. Короткая дуга горит устойчиво и при ней обеспечивается нормальное протекание процесса сварки. Дуга длиной больше 6 мм называется длинной. При ней процесс плавления металла электрода идет неравномерно. Стекающие с конца электрода капли металла в этом случае в большей степени могут окисляться кислородом и обогащаться азотом воздуха. Наплавленный металл получается пористым, шов имеет неровную поверхность, а дуга горит неустойчиво. При длинной дуге понижается производительность сварки, увеличивается разбрызгивание металла и количество мест непровара или неполного сплавления наплавленного металла с основным.

Перенос электродного металла на изделие при дуговой сварке плавящимся электродом является сложным процессом. После зажигания дуги (положение /) на поверхности торца электрода образуется слой расплавленного металла, который под действием сил тяжести и поверхностного натяжения собирается в каплю (положение //). Капли могут достигать больших размеров и перекрывать столб дуги (положение III), создавая на непродолжительное время короткое замыкание сварочной цепи, после чего образовавшийся мостик из жидкого металла разрывается, дуга возникает вновь, и процесс каплеобразования повторяется.

Размеры и количество капель, проходящих через дугу в единицу времени, зависят от полярности и силы тока, химического состава и физического состояния металла электрода, состава покрытия и ряда других условий. Крупные капли, достигающие 3…4 мм, обычно образуются при сварке непокрытыми электро-дами, мелкие капли (до 0,1 мм)—при сварке покрытыми электл родами и большой силе тока. Мелкокапельный процесс обеспечивает стабильность горения дуги и благоприятствует условиям переноса в дуге расплавленного металла электрода.

Рис. 2. Схема переноса металла с электрода на свариваемый металл

Рис. 3. Отклонение электрической дуги магнитными полями (а—ж)

Сила тяжести может способствовать или препятствовать переносу капель в дуге. При потолочной и частично при вертикальной сварке сила тяжести капли противодействует переносу ее на изделие. Но благодаря силе поверхностного натяжения жидкая ванна металла удерживается от вытекания при сварке в потолочном и вертикальном положениях.

Прохождение электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создает магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Газовый столб электрической дуги является гибким проводником электрического тока, поэтому он подвержен действию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре. В нормальных условиях газовый столб дуги, открыто горящей в атмосфере, расположен симметрично оси электрода. Под действием электромагнитных сил происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении, что по внешним признакам подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. Это явление называют магнитным дутьем.

Присоединение сварочного провода в непосредственной близости к дуге резко снижает ее отклонение, так как собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздействие на столб дуги. Подвод тока к изделию в отдалении от Дуги приведет к отклонению ее вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода.

Реклама:

Читать далее:

Процесс сварки металла

Статьи по теме:

Основные свойства электрической дуги.

Сварочная дуга как элемент электрической

Цепи.

При дуговой сварке для нагрева металла используется тепловая энергия дуги. Стабильность горения дуги зависит от многих факторов и, в первую очередь, от правильного выбора параметров сварочной цепи.

Свойства сварочной дуги зависят от рода тока (постоянный, переменный), среды и материала электродов.

Дуги с плавящимися и неплавящимися электродами.

По характеру среды различают:

а) открытая дуга

б) закрытая дуга, горящая под слоем флюса

в) дуга, защищенная различными газами.

Среда, в которой горит дуга, оказывает существенное влияние на ее свойства, а следовательно и на выбор типа и параметров источника питания.

 

Основные свойства электрической дуги.

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц в проводнике. Электрическая проводимость может быть вызвана движением электронов (электронная проводимость в металлах), ионов (ионная проводимость в электролитах), а также электронов и ионов (электрический разряд в газах).

Электрическая дуга это один из видов электрического разряда через газовый промежуток. Этот разряд характеризуется высокими плотностью тока и температурой. Ток при этом протекает через газ, находящийся между двумя электродами, к источнику питания. Электрод, являющийся отрицательным полюсом, называется катодом, а электрод, подключенный к положительному полюсу – анодом. При питании дуги переменным током полярность электродов меняется с частотой, определяемой частотой источника питания.

В обычных условиях газ изолятор и газовые молекулы электрически нейтральны. Для того чтобы газ стал проводником тока необходимо, чтобы в нем находились заряженные частицы – электроны и ионизированные молекулы – ионы. Ионами являются молекулы, потерявшие или присоединившие к себе электрон. Соответственно первые приобретут положительный заряд, а вторые – отрицательный. Под действием напряжения, имеющегося между полюсами, электроны и отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительные заряженные ионы – к катоду. Вследствие этого и возникает явление прохождения электрического тока через газовый промежуток.

Процесс образования заряженных частиц путем разрушения нейтральных атомов и молекул, а также процесс увеличения заряда ионов называется ионизацией газа.

При рассмотрении дуги, как элемента электрической цепи, большое значение придается процессом, происходящим в катодной области и в столбе дуги. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией электронов с поверхности катода и ионизацией газов, находящихся в промежутке.

Для выхода электрона за пределы электрода необходимо сообщить ему дополнительную энергию или совершить работу выхода. Величина работы выхода электрона зависит от свойств электрода. Процесс испускания заряженных частиц с поверхностей, ограничивающих зону разряда, называется эмиссией.

Эмиссия электронов с поверхности электродов происходит в результате нагрева поверхности катода, большой напряженности электрического поля в катодной области, фотоэлектронных процессов и др.

Термоэлектронная эмиссия для плавящегося электрода не играет основной роли.

При автоэлектронной эмиссии выход электронов с катода происходит под действием электрического поля высокой напряженности, которое создается положительным объемным зарядом ионов, непрерывно движущихся к катоду.

Выражение для определения плотности тока электронной эмиссией с поверхности нагретого катода имеет следующий вид

где

А, С – коэффициенты зависящие от материала катода

Т_к – абсолютная температура катодного пятна.

Е_к – напряженность электрического поля в катодном пространстве.

е – заряд электрона.

u_в – потенциал выхода.

К – постоянная Больцмана.

Кинетическая энергия эмитированных электронов, приобретенная ими в электрическом поле вблизи катода, расходуется на ионизацию и подогрев газа в разрядном промежутке.

Температура газа в столбе дуги 6000 — 8000^O С и более. При этом важную роль приобретает термическая ионизация, т.е. ионизация в результате столкновения частиц. Степень ионизации газа характеризует отношение количества образовавшихся заряженных частиц, к общему количеству частиц, существовавших в данном объеме газа до его ионизации. Степень ионизации зависит от потенциала ионизации и температуры.

Для расчета степени ионизации смеси газов пользуются эффективным потенциалом ионизации, который может быть вычислен по известным потенциалам ионизации компонентов смеси и их концентрациям. При введении в атмосферу дуги небольшого количества веществ с низким потенциалом ионизации эффективный потенциал резко снижается. Этим эффектом часто пользуются для повышения устойчивости горения дуги.

Наибольшее значение для образования заряженных частиц имеют ионизация электронным ударом, фотоионизация и термоионизация.

Дуговой промежуток разделяют на три области: анодную, катодную и столб дуги.

Распределение потенциала в дуге показано на рис. 1.1.

 

 

Рис.1.1. Распределение потенциала по дуге.

 

Протяженность анодной и катодной областей в направлении оси дуги очень мала, поэтому длину дуги с достаточной точностью можно считать равной длине ее столба.

Напряжение на дуге равно сумме падений напряжения в столбе U_с и в приэлектродных областях U_k и U_a

U_d = U_k + U_a + U_c .

Напряженность поля в столбе дуги значительно ниже, чем в катодной области, и практически не зависит от длины дуги. Поэтому зависимость падения напряжения на дуге от ее длины имеет линейный характер.

U_d = a + bL_d ,

где a, b—постоянные, зависящие от материала электродов, давления и свойств газовой среды.

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) – зависимость напряжения на дуге от ее тока (U = f(I)) , изменяется по мере увеличения тока, переходя из падающей в жесткую, а затем и возрастающую (рис.1.2).

 

Рис.1.2. Вольтамперная характеристика дуги.

Зависимость u_d = f(i_d) в переходном режиме называется динамической характеристикой дуги. Форма динамической характеристики дуги зависит от скорости изменения тока во времени поэтому не может быть выражена

какой-то одной определенной кривой. Чем больше скорость изменения тока, тем значительнее тепловая инерция дуги, тем больше отклонение динамической характеристики от статической.

 

Узнать еще:

что это такое, причины возникновения, свойства

Наблюдать искровые разряды приходилось каждому, в том числе и людям, далёким от познаний в электротехнике. Гигантскими искровыми разрядами сопровождаются грозы. Высвобождение огромной энергии, сконцентрированной в электрическом разряде молнии (см. рис. 1), сопровождается ослепительной вспышкой раскалённого ствола. Одним из видов искровых разрядов, созданных человечеством, является дуговой разряд, или попросту, электрическая дуга.

Рис. 1. Грозовой разряд

На сегодняшний день причины возникновение и свойства электрической дуги детально изучено наукой. Физики установили, что в области её горения возникает огромная концентрация зарядов, которые образуют плазму ствола. Температуры столба достигает нескольких тысяч градусов.

Что такое электрическая дуга?

Это загадочное явление впервые описал русский учёный В. Петров. Он создавал электрическую дугу, используя батарею, состоящую из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, учёный пришёл к выводу, что воздушный промежуток между электродами при определённых условиях приобретает электропроводимость.

Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый промежуток может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, который сильно разогревается во время горения дуги.

Рис. 2. Электрическая дуга

Возникает резонный вопрос: «Почему воздух, являющийся отличным изолятором в обычном состоянии, вдруг становится проводником?».

Объяснение может быть только одно – в стволе дуги образуются носители зарядов, способные перемещаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, то вывод напрашивается только один – ионизация газов (см. рис. 3). То есть, запуск процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.

Рис. 3. Физика электрической дуги

Ионизация воздуха происходит под действием различного вида излучений, включая рентгеновское и космическое облучение. Поэтому в воздухе всегда находятся небольшое количество ионов. Но поскольку ионы почти сразу рекомбинируются (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), то концентрация заряженных частиц всегда мизерная. Получить вспышку дуги при такой концентрации невозможно.

Для возникновения дугового разряда нужен лавинообразный процесс ионизации. Его можно вызвать путём сильного нагревания газа, которое происходит при зажигании.

При размыкании контактов происходит эмиссия электронов, скапливающихся на очень маленьком пространстве. Под действием напряжённости электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.

При достижении напряжения пробоя, между электродами возникает искровой разряд, разогревающий область между электродами. Если ток достаточно большой, то количество тепла будет достаточно для запуска лавинообразного процесса ионизации воздуха.

На участке, который называют дуговым промежутком, образуется ствол, называемый столбом дуги и состоящий из горячей проводимой плазмы. По этому стволу протекает ток, поддерживающий разогревание плазмы. Так происходит процесс зажигания дугового разряда.

Насыщение плазменного ствола ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Разогревание плазмы приводит также к увеличению давления в стволе. Поэтому часть ионов улетучивает в окружающее пространство.

Если не поддерживать образование новых зарядов, то произойдёт гашение дуги. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них, приведёт к гашению дуги.

Таким образом, можем сформулировать определение электрической дуги. А именно электрическая дуга — это вид искрового разряда, сопровождающегося большой плотностью тока, длительностью горения, малым падением напряжения на промежутке ствола, характеризующегося повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.

Электрическая дуга отличается от обычного разряда большей длительностью горения.

Строение

Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:

• катодной;
• анодной;
• плазменного столба.

В сварочных дугах размеры катодной и анодной зоны незначительные, по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В зоне катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагревания.

На рисунке 4 изображена схема строения дуги, создаваемой сварочным аппаратом.

Рис. 4. Строение сварочной дуги

Обратите внимание: с целью достижения наглядности, на картинке сильно преувеличены электродные зоны. В действительности их толщина измеряется в микронах.

Свойства

Высокая плотность тока в стволе электрической дуги определяет её главные свойства:

1. Чрезвычайно высокую температуру плазменного ствола и околоэлектродных зон.
2. Длительное горение, при поддержании условий образования ионов.

Эти свойства необходимо учитывать при борьбе с возникновением электрической дуги, так и при её применении в некоторых сферах.

Полезное применение

Как это ни странно, но физики нашли применение этому электрическому явлению ещё на этапе развития науки об электричестве. Пример тому – лампочка Яблочкова. Она состояла из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.

У этой лампы были два недостатка. Электроды быстро изнашивались (выгорали), а спектр света смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно влияло на зрение. По этим причинам дуговые лампы не нашли широкого применения и их быстро вытеснили лампы накаливания, существующие до сегодняшнего дня.

Исключение составляют дугоразрядные лампы, а также мощные прожектора, используемые преимущественно в военных целях.
Дуговой разряд стал массово применяться на практике с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговую сварку применяют для сварки металлов. (см. рис. 5)

Рис. 5. Дуговая сварка

Используя проводимость плазмы, включая в сварочную цепь специальные сварочные электроды, достигают высокой температуры в сосредоточенном пятне. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от тепловых потерь, металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.

Электрическую дугу применяют в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка удобна тем, что можно регулировать её температуру путём изменения параметров тока.

Наряду с полезным применением, в электротехнике часто приходится бороться с дуговыми разрядами. Не контролированный дуговой разряд может нанести существенный вред на линиях электропередач, в промышленных и бытовых сетях.

Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП

Причины возникновения

Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:

• наличие разнополярных электродов с большими токами;
• создание искрового разряда;
• поддержание напряжения на электродах;
• обеспечение условий для сохранения температуры ствола.

Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном соприкосновении электродов или при приближении к параметрам пробоя. Мощный электрический пробой всегда зажигает ствол.

При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается самостоятельно. Однако, с увеличением промежутка между электродами, происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. В конце концов, в стволе, вследствие падения температуры, образование ионов лавинообразно прекратится, в результате чего произойдёт гашение пламени.

Пробои часто случаются на высоковольтных ЛЭП. Они могут привести к разрушению изоляторов и к другим негативным последствиям. Длинная электрическая дуга довольно быстро гаснет, но даже за короткое время горения её разрушительная сила огромна.

Дуга имеет склонность к образованию при размыкании контактов. При этом контакты выключателя быстро выгорают, электрическая цепь остаётся замкнутой до момента исчезновения ствола. Это опасно не только для сетей, но и для человека.

Способы гашения

Следует отметить, что гашение дуги происходит и по разным причинам. Например, в результате остывания столба, падения напряжения или когда воздух между электродами вытесняется сторонними испарениями, препятствующими ионизации.

С целью недопущения образования дуг на высоковольтных проводах ЛЭП, их разносят на большое расстояние, что исключает вероятность пробоя. Если же пробой между проводами всё-таки случится, то длинный ствол быстро охладится и произойдёт гашение.

Для охлаждения ствола его иногда разбивают на несколько составляющих. Данный принцип часто используют в конструкциях воздушных выключателей, рассчитанных на напряжения до 1кВ.

Некоторые модели выключателей состоят из множества дугогасительных камер, способствующих быстрому охлаждению.

Быстрой ионизации можно достигнуть путём испарения некоторых материалов, окружающих пространство подвижных ножей. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к гашению.

Существуют и другие способы: помещение контактов в масло, автодутьё, применение электромагнитного гашения и др.

Воздействие на человека и электрооборудование

Электрическая дуга представляет опасность для человека своим термическим воздействием, а также ультрафиолетовым действием излучающего света. Огромную опасность таит в себе высокое напряжение переменных токов. Если незащищённый человек окажется на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов, может произойти пробой электричества с образованием дуги. Тогда на тело, кроме воздействия тока, окажет действие термической составляющей.

Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выжиганием электронных элементов, плат и соединений.

Видео по теме

https://www.youtube.com/watch?v=wuIIgOvi-EI

Понятие об электрической дуге и ее свойства

Дуга – мощный стабильный разряд электричества в иони­зированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3 – 6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда.

По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате, дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда 6 (рис. 4.2, в).Короткое замыкание (рис. 4.2, а) выполняется для разогрева торца электрода 1 и заго­товки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис. 4.2, 6) с его разогретого торца (катода) под действием электри­ческого поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов 3. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду 2 электро­нов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4.

Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающий его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь на короткое время подклю­чают источник высокочастотного переменного тока высокого напря­жения (осциллятор). Этот способ применяют для зажигания дуги при сварке неплавящимся электродом.

Температура столба дуги 6 (рис. 4.2, в) зависит от материала электрода и состава газов в дуге, а температура катодного 5 и анодного 7 пятен приближается к температуре кипения металла электродов. Эти тем­пературы для дуги покрытого стального электрода составляют соответственно ~6000 и ~3000 К. При этом в анодной области дуги, как правило, выделяется значительно больше тепловой энергии, чем в катодной.

Электрическая дуга, способы сварки и сварные соединения

Природа сварочной дуги

Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электрического тока через газовый промежуток под воздействием электрического поля. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, называют сварочной дугой. Дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному — катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги. В обычных условиях при низких температурах газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электрической проводимостью. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных частиц — электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют ионизацией, а сам газ — ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между электродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, поперечное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании электродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электронов — электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связывают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги. Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примыкающую к ней.

 

Протяженность катодной области мала, но она характеризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процессами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400 — 2700°С. На нем выделяется до 38% общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение напряжения в катодной области UK составляет порядка 12 — 17 В.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью. Падение напряжения в ней Uк составляет порядка 2 — 11 В. Протяженность этой области также мала.

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц здесь является ионизация газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа. При достаточной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание электронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию называют ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ионизации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны — к аноду, ионы — к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заряженные электроны, становятся нейтральными атомами. Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряженных частиц. Температура столба дуги достигает 6000 — 8000°С и более. Падение напряжения в нем Uc изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее легко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются щелочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее падение напряжения в дуге Uд = Uк + Uа + Uс. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uс = Еlс, где Е — напряженность по длине, lс — длина столба. Значения Uк, Uа, Е практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяженностью катодной и анодной областей можно считать практически lс = lд. Тогда получается выражение Uд = a + blд показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где а = Uк + Uа; b = Е.

Непременным условием получения качественного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее стабильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при котором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разрядов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее параметры- сила тока и напряжение- находятся в определенной взаимозависимости. Поэтому одной из основных характеристик дугового разряда является зависимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (в состоянии устойчивого горения дуги)называют статической вольтамперной характеристики дуги (рис. 2).

С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая статической вольтамперной характеристики поднимается выше, с уменьшением длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму. Кривую статической характеристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области увеличение тока приводит к резкому падению напряжения дуги.

Это обусловлено тем, что с увеличением силы тока увеличиваются площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отличается малой устойчивостью. Во второй области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения дуга. Это объясняется тем, что площадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорционально силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными.

 

 

Сварка дугой с жесткой статической характеристикой находит широкое применение в сварочной технологии, особенно при ручной сварке. В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуге возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрастающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки. При механизированной сварке плавящимся электродом иногда применяют статическую вольтамперную характеристику дуги, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 3).

 

Как видно из рисунка, каждой скорости подачи электродной проволоки соответствует узкий диапазон токов с устойчивым горением дуга. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замыканию электрода с изделием, а слишком большой- к резкому возрастанию напряжения и ее обрыву.

 

Особенности дуги на переменном токе

При сварке на постоянном токе в установившемся режиме все процессы в дуге протекают с определенной скоростью и горение дуги отличается высокой стабильностью.

При питании дуга переменным током полярность электрода и изделия, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. Так, дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц погасает и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Поэтому особо возникает вопрос об устойчивости горения дуги переменного тока. В первую очередь устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым погасанием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через нуль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. В следующий за погасанием дуги момент меняется полярность напряжения на дуговом промежутке (рис. 4).

 

Одновременно изменяется и направление движения заряженных частиц в дуговом промежутке. В условиях пониженной температуры активных пятен и степени ионизации в дуговом промежутке повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышенном напряжении между электродами, именуемым пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги. Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному режиму ее горения. При этом величина пика зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания и влечет снижение устойчивости дуги. Поэтому затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. При наличии в дуговом промежутке паров легко-ионизующихся элементов пик зажигания уменьшается и устойчивость горения дуга переменного тока повышается.

С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания является важной характеристикой -дуги переменного тока и оказывает существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем больше разница между пиком зажигания и напряжением дуги. Чем выше пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги током. При сварке на переменном токе неплавящимся электродом, когда материал его и изделия резко различаются по своим теплофизическим свойствам, проявляется выпрямляющее действие дуги. Это характеризуется протеканием в цепи переменного тока некоторой составляющей постоянного тока, сдвигающей в определенном направлении кривые напряжения и тока от горизонтальной оси (рис. 5). Наличие в сварочной цепи составляющей постоянного тока отрицательно сказывается на качестве сварного соединения и условиях процесса: уменьшается глубина проплавления, увеличивается напряжение дуги, значительно повышается температура электрода и увеличивается его расход. Поэтому приходится применять специальные меры для подавления действия постоянной составляющей.

 

При сварке плавящимся электродом, близким по составу к основному металлу, на режимах, обеспечивающих устойчивое горение дуги, выпрямляющее действие дуги незначительно и кривые тока и напряжения располагаются практически симметрично относительно оси абсцисс.

 

Технологические свойства дуги

Под технологическими свойствами сварочной дуги понимают совокупность ее теплового, механического и физико-химического воздействия на электроды, определяющие интенсивность плавления электрода, характер его переноса, проплавление основного металла, формирование и качество шва. К технологическим свойствам дуги относятся также ее пространственная устойчивость и эластичность. Технологические свойства дуги взаимосвязаны и определяются параметрами режима сварки.

Важными технологическими характеристиками дуги являются зажигание и стабильность горения дуги. Условия зажигания и горения дуги зависят от рода тока, полярности, химического состава электродов, межэлектродного промежутка и его длины. Для надежного обеспечения процесса зажигания дуй? необходимо подведение к электродам достаточного напряжения холостого хода источника питания дуги, но в то же время безопасного для работающего. Для сварочных источников напряжение холостого хода не превышает 80 В на переменном токе и 90 В на постоянном. Обычно напряжение зажигания дуги больше напряжения горения дуги на переменном токе в 1,2 — 2,5 раза, а на постоянном токе — в 1,2 — 1,4 раза. Дуга зажигается от нагрева электродов; возникающего при их соприкосновении. В момент отрыва электрода от изделия с нагретого катода происходит электронная эмиссия. Электронный ток ионизует газы и пары металла межэлектродного промежутка, и с этого момента в дуге появляются электронный и ионный токи. Время установления дугового разряда составляет 10-5 – 10-4 с. Поддержание непрерывного горения дуги будет осуществляться, если приток энергии в дугу компенсирует ее потери. Таким образом, условием для зажигания и устойчивого горения дуги является наличие специального источника питания электрическим током.

Вторым условием является наличие ионизации в дуговом промежутке. Степень протекания этого процесса зависит от химического состава электродов и газовой среды в дуговом промежутке. Степень ионизации выше при наличии в дуговом промежутке легкоионизующихся элементов. Горящая дуга может быть растянута до определенной длины, после чего она гаснет. Чем выше степень ионизации в дуговом промежутке, тем длиннее может быть дуга. Максимальная длина горящей без обрыва дуги характеризует важнейшее технологическое свойство ее — стабильность. Стабильность дуги зависит от целого ряда факторов: температуры катода, его эмиссионной способности, степени ионизации среды, длины дуги и др.

К технологическим характеристикам дуги относятся также пространственная устойчивость и эластичность. Под этим понимают способность сохранения дугой неизменности пространственного положения относительно электродов в режиме устойчивого горения и возможность отклонения и перемещения без затухания под воздействием внешних факторов. Такими факторами могут быть магнитные поля и ферромагнитные массы, с которыми дуга может взаимодействовать. При этом взаимодействии наблюдается отклонение дуги от естественного положения в пространстве. Отклонение столба дуги под действием магнитного поля, наблюдаемое в основном при сварке постоянным током, называют магнитным дутьем (рис. 6).

 

 

Возникновение его объясняется тем, что в местах изменения направления тока создаются напряженности магнитного поля. Дуга является своеобразной газовой вставкой между электродами и как любой проводник взаимодействует с магнитными полями. При этом столб сварочной дуги можно рассматривать в качестве гибкого проводника, который под воздействием магнитного поля может перемещаться, как любой проводник, деформироваться и удлиняться. Это приводит к отклонению дуги в сторону, противоположную большей напряженности. При сварке переменным током в связи с тем, что полярность меняется с частотой тока, это явление проявляется значительно слабее. Отклонение дуги также имеет место при сварке вблизи ферромагнитных масс (железо, сталь). Это объясняется тем, что магнитные силовые линии проходят через ферромагнитные массы, обладающие хорошей магнитной проницаемостью, значительно легче, чем через воздух. Дуга в этом случае отклонится в сторону таких масс.

Возникновение магнитного дутья вызывает непровары и ухудшение формирования швов. Устранить его можно за счет изменения места токоподвода к изделию или угла наклона электрода, временным размещением балластных ферромагнитных масс у сварного соединения, позволяющих выравнивать несимметричность магнитных полей, а также заменой постоянного тока переменным.

 

Понятие о сварке и ее сущность

Сложные конструкции, как правило, получают в результате объединения между собой отдельных элементов (деталей, агрегатов, узлов). Такие объединения могут выполняться с помощью разъемных или неразъемных соединений.

В соответствии с ГОСТ 2601-74 сварка определяется как процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместным действием того и другого.

Неразъемные соединения, выполненные с помощью сварки, называют сварными соединениями. Чаще всего с помощью сварки соединяют детали из металлов. Однако сварные соединения применяют и для деталей из неметаллов — пластмасс, керамик или их сочетаний.

Для получения сварных соединений не требуется применения каких-либо специальных соединительных элементов (заклепок, накладок и т. п.). Образование неразъемного соединения в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы. При этом происходит образование связей между атомами металла соединяемых деталей. Для сварных соединений характерно возникновение металлической связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов.

Для получения сварного соединения совершенно недостаточно простого соприкосновения поверхностей соединяемых деталей. Межатомные связи могут установиться только тогда, когда соединяемые атомы получат некоторую дополнительную энергию, необходимую для преодоления существующего между ними определенного энергетического барьера. При этом атомы достигают состояния равновесия в. действии сил напряжения и отталкивания. Эту энергию называют энергией активации. При сварке ее вводят извне путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация).

Сближение свариваемых частей и приложение энергии активации — необходимые условия для образования неразъемных сварных соединений.

В зависимости от вида активации при выполнении соединений различают два вида сварки: плавлением и давлением. При сварке плавлением детали по соединяемым кромкам оплавляют под действием источника нагрева. Оплавленные поверхности кромок покрываются расплавленным металлом, который, сливаясь в общий объем, образует жидкую сварочную ванну. При охлаждении сварочной ванны жидкий металл затвердевает и образует сварной шов. Шов может быть образован или только за счет расплавления металла свариваемых кромок, или за счет их и дополнительного введения в сварочную ванну расплавляемой присадки.

Сущность сварки давлением состоит в непрерывном или прерывистом совместном пластическом деформировании материала по кромкам свариваемых деталей. Благодаря пластической деформации и течению металла облегчается установление межатомных связей соединяемых частей. Для ускорения процесса применяют сварку давлением с нагревом. В некоторых способах сварки давлением нагрев может производиться до оплавления металла свариваемых поверхностей.

 

Классификация видов сварки

В настоящее время различают более 150 видов сварочных процессов. ГОСТ 19521-74 устанавливает классификацию сварочных процессов по основным физическим, техническим и технологическим признакам.

Основой физических признаков классификации является форма энергии, используемой для получения сварного соединения. По физическим признакам все виды сварки относят к одному из трех классов: термическому, термомеханическому и механическому.

К термическому классу относят все виды сварки плавлением, осуществляемые с использованием тепловой энергии, — газовую, дуговую, электрошлаковую, электронно-лучевую, лазерную и др.

К термомеханическому классу относят все виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления,— контактную, диффузионную, газо- и дугопрессовую, кузнечную и др.

К механическому классу относят все виды сварки давлением, осуществляемые с использованием механической энергии, — холодная, трением, ультразвуковая, взрывом и др.

К техническим признакам классификации сварочных процессов относят способы защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень его механизации (рис. 7).

Технологические признаки классификации устанавливаются для каждого вида сварки отдельно. Например, вид дуговой сварки может быть классифицирован по следующим признакам: виду электрода, характеру защиты, уровню автоматизации и т. п.

 

Основные разновидности дуговой сварки

Источником нагрева при дуговых способах сварки является сварочная дуга, представляющая собой устойчивый электрический разряд, происходящий в газовой среде между двумя электродами или электродом и деталью. Для поддержания такого разряда нужной продолжительности необходимо применение специальных источников питания дуги (ИПД). Для питания дуги переменным током применяют сварочные трансформаторы, при постоянном токе- сварочные генераторы или сварочные выпрямители. На рис. 8 показана схема электрической цепи дуговой сварки.

 

 

Разработка дуговой сварки обусловлена открытием электрической дуги в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым. Впервые для соединения металлических частей с помощью электрической дуги, горящей между неплавящимся угольным электродом и свариваемым изделием, было осуществлено Н.Н. Бенардосом в 1882 г. При необходимости в сварочную ванну дополнительно подавался присадочный материал. В 1888 г. русский инженер Н.Г. Славянов усовершенствовал процесс, заменив неплавящийся угольный электрод на плавящийся металлический. Тем самым было достигнуто объединение функций электрода для существования дугового разряда и присадочного металла для образования ванны. Предложенные Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы дуговой сварки неплавящимся и плавящимся электродами легли в основу разработки наиболее распространенных современных способов дуговой сварки.

Дальнейшее совершенствование дуговой сварки шло по двум направлениям: 1) изыскание средств защиты и обработки расплавленного металла сварочной ванны; 2) автоматизация процесса. По характеру защиты свариваемого металла и сварочной ванны от окружающей среды могут быть выделены способы дуговой сварки с шлаковой, газошлаковой и газовой защитой. По степени автоматизации процесса способы разделяют на ручную, механизированную и автоматическую сварку. Ниже приводятся характеристики и описание основных разновидностей дуговой сварки.

Дуговая сварка покрытыми электродами (рис. 9). При этом способе процесс выполняется вручную. Сварочные электроды могут быть плавящиеся — стальные, медные, алюминиевые и др. — и неплавящиеся — угольные, графитовые, вольфрамовые.

 

 

Наиболее широко применяют сварку стальными электродами, имеющими на поверхности электродное покрытие. Покрытие электродов готовится из порошкообразной смеси различных компонентов и наносится на поверхность стального стержня в виде затвердевающей пасты. Его назначение — повысить устойчивость горения дуги, провести металлургическую обработку сварочной ванны, и улучшить качество сварки. Сварной шов образуют за счет расплавления металла свариваемых кромок и плавления стержня сварочного электрода. При этом сварщик вручную осуществляет два основных технологических движения: подачу покрытого электрода в зону сварки по мере его расплавления и перемещение дуги вдоль свариваемого шва. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами — один из наиболее распространенных способов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Она отличается простотой и универсальностью, возможностью выполнения соединений в различных пространственных положениях и труднодоступных местах. Существенный недостаток ее — малая производительность процесса и зависимость качества сварки от квалификации сварщика.

Дуговая сварка под флюсом (рис. 10). Электрическая дуга горит между плавящимся электродом и деталью под слоем сварочного флюса, полностью закрывающего дугу и сварочную ванну от взаимодействия с воздухом. Сварочный электрод выполнен в виде проволоки, свернутой в кассету и автоматически подаваемой в зону сварки. Перемещение дуги вдоль свариваемых кромок может выполняться или вручную, или с помощью специального привода. В первом случае процесс ведется с помощью сварочных полуавтоматов, во втором — сварочных автоматов. Дуговая сварка под флюсом отличается высокой производительностью и качеством получаемых соединений. К недостаткам процесса следует отнести трудность сварки деталей небольших толщин, коротких швов и выполнение швов в основных положениях, отличных от нижних. Подробную информацию о дуговой сварке под флюсом читайте в

 

 

Дуговая сварка в защитных газах (рис. 11). Электрическая дуга горит в среде специально подаваемых в зону сварки защитных газов. При этом можно использовать как неплавящийся, так и плавящийся электроды, а выполнять процесс ручным, механизированным или автоматическим способом. При сварке неплавящимся электродом применяют присадочную проволоку, при плавящемся электроде присадки не требуется. Сварка в защитных газах отличается широким разнообразием и применяется для широкого круга металлов и сплавов.

 

Электрошлаковая сварка (рис. 12). Процесс сварки является бездуговым. В отличие от дуговой сварки для расплавления основного и присадочного металлов используется теплота, выделяющаяся при прохождении сварочного тока через расплавленный электропроводный шлак (флюс). После затвердевания расплава образуется сварной шов. Сварку выполняют чаще всего при вертикальном положении свариваемых деталей с зазором между ними. Для формирования шва по обе стороны зазора устанавливают медные ползуны-кристаллизаторы, охлаждаемые водой. Электрошлаковую сварку применяют для соединения деталей больших толщин (от 20 до 1000 мм и более).

Сварные соединения и швы

Согласно ГОСТ 2601-84 устанавливается ряд терминов и определений связанных со сварными соединениями и швами.

Сварное соединение — это неразъемное соединение нескольких деталей, выполненное сваркой. Конструктивный тип сварного соединения определяется взаиморасположением свариваемых частей. При сварке плавлением различают следующие типы сварных соединений: стыковое, угловое, тавровое, нахлесточное и торцовое. Применяется также соединение нахлесточное с точечным сварным швом, выполненное дуговой сваркой.

Металлическую конструкцию, изготовленную сваркой из отдельных деталей, называют сварной конструкцией. Часть такой конструкции называют сварным узлом.

Стыковое соединение представляет собой сварное соединение двух деталей, расположенных в одной плоскости и примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями (рис. 13, а). Оно наиболее распространено в сварных конструкциях, поскольку имеет ряд преимуществ перед другими видами соединений. Условные обозначения стыковых соединений: С1 — С48.

Угловое соединение представляет собой сварное соединение двух элементов, расположенных под углом друг к другу и сваренных в месте приложения их кромок (рис.13, б). Условные обозначения угловых соединений: У1 — У10.

Тавровое соединение — это соединение, в котором к боковой поверхности одного элемента примыкает под углом и приварен торцом другой элемент. Как правило, угол между элементами прямой (рис. 13, в). Условные обозначения тавровых соединений: Т1 — Т8.

Нахлесточное соединение представляет собой сварное соединение, в котором соединяемые элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга (рис. 13, г). Условные обозначения: h2 — Н9.

 

Торцовое соединение — это соединение, в котором боковые поверхности элементов примыкают друг к другу (рис. 13, д). Условных обозначений в стандарте пока нет.

Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

Сварочная ванна — это часть металла сварного шва, находящаяся в момент сварки в расплавленном состоянии. Углубление, образующееся в сварочной ванне под действием дуги, называют кратером. Металл соединяемых частей, подвергающихся сварке, называют основным металлом. Металл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному, называют присадочным металлом. Переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну или наплавленный на основной металл, называют наплавленным металлом. Сплав, образованный переплавленным основным или переплавленным основным и наплавленным металлами, называют металлом шва. В зависимости от параметров и формы подготовки свариваемых кромок деталей доли участия основного и наплавленного металлов в формировании шва могут существенно изменяться (рис. 14):

 

В зависимости от доли участия основного и присадочного металлов в формировании шва его состав может изменяться. Торцовые поверхности деталей, подлежащие нагреву и расплавлению при сварке, называют свариваемыми кромками. Для обеспечения равномерного проплавления свариваемых кромок в зависимости от толщины основного металла и способа сварки им придают наиболее оптимальную форму, выполняя предварительно подготовку кромок. На рис. 15 приведены применяемые формы подготовки кромок для различных типов сварных соединений. Основными параметрами формы подготовленных кромок и собранных под сварку соединений являются е, R, b, a, с — высота отбортовки, радиус закруглений, зазор, угол скоса, притупление кромок.

 

Отбортовку кромок применяют при сварке тонкостенных деталей. Для толстостенных деталей применяют разделку кромок за счет их скоса, т.е. выполнение прямолинейного или криволинейного наклонного скоса кромки, подлежащей сварке. Нескошенная часть кромки с носит название притупления кромки, а расстояние b между кромками при сборке — зазором. Острый угол b между плоскостью скоса кромки и плоскостью торца называют углом скоса кромки, угол a между скошенными кромками — углом разделки кромок.

Значения параметров формы подготовки кромок и их сборки регламентируются ГОСТ 5264-80. В зависимости от типов сварных соединений различают стыковые и угловые сварные швы. Первый вид швов используется при получении стыковых сварных соединений. Второй вид швов используется в угловых, тавровых и нахлесточных соединениях.

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.

Электрическая сварочная дуга и ее свойства, особенности дуг

Электродугой для сварки называется мощный электроразряд, который проходит в газовой среде. Он имеет температуру примерно шесть тысяч градусов по Цельсию. Его отличают две характеристики: яркий эффект света и сильное выделение тепла.

Электродуга излучает множество УФ-лучей и ИК-лучей, часть из них видна глазу и относительно безопасна. Свет, который невозможно увидеть, опасен для кожи и глаз человека. При работе с такой дугой нужно надевать специальные щитки и одежду.

---

Особенности электрических дуг

---

• Напряжение дуги меняется соразмерно плотности тока, что именуется статической характеристикой дуги. Если ток неплотный, она уменьшается пропорционально увеличению тока. Причина в том, что когда ток увеличивается, больше становится площадь сечения столба и способность проводить ток. Соответственно, плотность тока и потенциальный градиент становятся меньше. На параметры катодного и анодного уменьшения напряжения влияет состав металла и электрода, среда газа и его давление.
• Плотность тока бывает нормальной (10-20 ампер на квадратный метр, используется при стандартной сварке вручную или при соединении в ряде защитных газов) и большой (от 80 до 120 ампер на квадратный метр или больше, применяется при автомате или полуавтомате под флюсом, в защитных газах).
• Электродуга питается от постоянного или переменного тока. В первом варианте, она может иметь прямую и обратную полярность.
• Во время сваривания электродуга бывает прямого и косвенного действия. В первом случае сталь принимает участие в электрической цепи, во втором – не принимает, что используется довольно редко.
• Материалы электродов определяют их способность плавиться.
• Разряд дуги появляется только тогда, когда столб газа между электродом и металлом будет наполнен ионами и электронами. Для этого молекуле газа передается энергия ионизации. Среда разряда является газовым проводником электротока с особой формой цилиндра. Сама дуга включает в себя столб, анодную и катодную области. Когда дуга горит, на электроде и стали возникают активные зоны. Это пятна с измененной температурой, через которые проходит ток электродуги.

---

Существует несколько видов дуг, отличающих средой

---

• Открытая, горящая в воздухе с небольшим количеством паров металла, состава электродов и их покрытий.
• Закрытая, горящая под сберегающим флюсом, парами основного состава и электродов.
• С подачей защитных газов, паров электрода и применяемой стали. В качестве защиты используется гелий, аргон, водород и разные смеси.

Электрическая дуга — свойства дуги — газ, ионы, электроны и ток

Электрическая дуга была впервые обнаружена в 1808 году британским химиком Хамфри Дэви. Он увидел яркое светящееся пламя, когда два стержня из углерода , проводящих ток, были разделены, и конвекционный поток горячего газа отклонил его в форме дуги. Типичные характеристики дуги включают относительно низкий градиент потенциала между электродами (менее нескольких десятков вольт) и высокую плотность тока (от 0.От 1 ампера до тысячи ампер или выше). В проводящем канале существуют высокие температуры газа (несколько тысяч или десятков тысяч градусов Кельвина), особенно при высоких давлениях газа. Испарение электродов также является обычным явлением, и газ содержит молекулы материала электродов. В некоторых случаях может быть слышен шипящий звук, заставляющий дугу «петь». Градиент потенциала между электродами неоднороден. В большинстве случаев можно различить три различных участка: область вблизи положительного электрода, называемая катодным падением ; область вблизи отрицательного электрода или анодный подъем ; и тело основной дуги.Внутри корпуса дуги существует равномерный градиент напряжения. Эта область электрически нейтральна, где кумулятивная ионизация приводит к тому, что количество положительных ионов равно количеству электронов или отрицательных ионов. Ионизация происходит в основном за счет возбуждения молекул и повышения температуры.

Область катодного падения составляет примерно 0,01 мм с разностью потенциалов менее примерно 10 вольт. Часто на катоде достигается термоэлектронная эмиссия. Электроды в этом случае изготовлены из преломляющих материалов, таких как вольфрам и углерод, а область содержит избыток положительных ионов и большой электрический ток .На катоде происходит переход от металлического проводника, в котором ток переносится электронами, к газу, в котором проводимость осуществляется как электронами, так и отрицательными ионами и положительными ионами. Газообразные положительные ионы могут свободно достигать катода и образовывать потенциальный барьер. Электроны, вылетающие из катода, должны преодолеть этот барьер, чтобы войти в газ.

На аноде происходит переход от газа, в котором и электроны, и положительные ионы проводят ток, к металлическому проводнику, в котором ток переносится только электронами.За некоторыми исключениями, положительные ионы не попадают в газ из металла . Электроны ускоряются по направлению к аноду и обеспечивают за счет ионизации запас ионов для колонки. Электронный ток может разогреть анод до высокой температуры, что сделает его термоэлектронным эмиттером, но испускаемые электроны возвращаются к аноду, внося свой вклад в большой отрицательный объемный заряд вокруг него. Оплавление электродов и введение их паров в газ увеличивает давление в их окрестностях.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

Электрическая дуга — это форма самоподдерживающегося газового разряда, т. Е. Разряда, который не требует внешнего источника ионизации газа для непрерывного горения. Электрическая дуга горит между двумя электродами: положительным (анод) и отрицательным (катод). Если электрическая дуга подается от источника (переменного тока) с заданной частотой, то катод и анод заменяют друг друга с той же частотой. Термин «дуга» связан с тем, что достаточно длинный разряд между горизонтальными электродами имеет форму дуги, вызванную свободноконвективным вертикальным движением газа.Длинную электрическую дугу можно разделить на три области: проводящий столб, свойства которого на некотором расстоянии от электродов не зависят от физических явлений около электродов; и две области около электродов, а именно прианодная и прикатодная области. В приэлектродных областях обычно происходит заметное увеличение напряженности электрического поля по сравнению со столбом электрической дуги. Падения напряжения в этих областях называются катодными и анодными падениями напряжения. Их значения обычно не превышают 10 вольт.

В столбе электрической дуги газ нагревается до высокой температуры, и его электропроводность связана в основном с процессами термической ионизации. При давлениях выше атмосферного газ в столбе электрической дуги обычно находится в состоянии локального термодинамического равновесия.

Электрическая дуга, которая горит в большом объеме газа и не подвержена влиянию внешних факторов (например, потока газа или приложенного магнитного поля), называется дугой свободного горения. Такая дуга обычно быстро и беспорядочно перемещается и меняет свою форму.В специальных устройствах, в частности в плазмотронах, можно иметь стационарную электрическую дугу (например, дугу, горящую в узком цилиндрическом изолирующем канале) или упорядочивать ее движение. Такие электрические дуги называются стабилизированными дугами.

Зависимость напряжения электрической дуги от ее тока называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ классифицируются на статические ВАХ, которые основаны на стационарных значениях тока и напряжения, и на динамические ВАХ, которые связывают соответствующие мгновенные значения.

ВАХ большинства электрических дуг постоянного тока (DC) такова, что повышение тока приводит к снижению напряжения (характеристика спада, см. Рисунок 1, кривая 1) или к постоянному напряжению (независимая характеристика). Таким образом, электрическая дуга не подчиняется закону Ома и представляет собой нелинейный элемент электрической цепи. Чтобы поддерживать стабильное горение электрической дуги, дополнительный резистор подключается последовательно с дугой для увеличения наклона собственной ВАХ источника питания (см. Рисунок 1: кривая 2 — ВАХ источника питания без резистора; кривая 3 — ВАХ источника питания. источник питания с резистором).Точка A соответствует нестабильному горению электрической дуги, поскольку при случайном увеличении тока I _a на величину ΔI возникает положительная разность потенциалов ΔV, которая вызывает дальнейшее увеличение тока до достижения точки B. Это соответствует стабильному горению дуги при токе I _b . Дополнительный резистор существенно снижает энергоэффективность электродугового устройства. Чтобы избежать этого недостатка, иногда используются специальные источники питания. Некоторые стабилизированные электрические дуги имеют повышающуюся ВАХ; в этом случае можно существенно уменьшить величину резистора или полностью исключить его из цепи питания.

Рисунок 1. ВАХ для электрических дуг (1 — «падающая» характеристика, 2 — ВАХ для источника питания без резистора, 3 — ВАХ с резистором).

Для электрических дуг переменного тока (AC) зависимость тока от времени в течение каждого полупериода близка к синусоидальной; Зависимость напряжение-время обычно имеет форму, близкую к прямоугольной, с характерным резким пиком напряжения в точке возникновения (так называемый пик зажигания). Динамическая ВАХ переменного тока имеет форму петли, которая указывает на явление гистерезиса, вызванное тепловой инерцией столба электрической дуги.ВАХ, построенная по действующим значениям тока и напряжения, имеет ту же форму, что и дуга постоянного тока при тех же условиях. Поэтому для стабильного горения дуги переменного тока в цепь последовательно с дугой подключают индукционную катушку (реже используется резистор). Преимущество индукционной катушки перед резистором состоит в том, что катушка имеет низкое сопротивление и, следовательно, не влияет на эффективность электродугового устройства. С другой стороны, это приводит к значительному снижению коэффициента мощности.

Электрическая дуга — это мощный высококонцентрированный источник тепла и света.Эти свойства электрической дуги определяют основные области ее применения. Электрические дуги широко используются в различных сварочных аппаратах, в дуговых сталеплавильных печах и плазмотронах. Источники дугового света используются в различных осветительных приборах (например, в прожекторах). В кинопроекционной технике используются ксеноновые дуговые лампы высокого давления . Спектр света ксеноновой электрической дуги близок к солнечному, поэтому такие лампы обеспечивают «белый» свет и правильную цветопередачу.

Количество просмотров: 28333 Статья добавлена: 2 февраля 2011 г. Последнее изменение статьи: 10 февраля 2011 г. © Авторское право 2010-3921 К началу

Electric Arc — обзор

16.2 Материалы и методология

Электродуговый шлак, произведенный на заводе LARCO S.A Larymna Ferronickel, Греция, был использован для синтеза геополимеров. Годовое производство шлака составляет около 1 700 000 т, из которых около 450 000 т используется в цементной промышленности. Стоимость утилизации оставшихся объемов достигает 650 000 евро в год. Размер частиц хрупкого шлака колеблется от 0,075 до 4 мм (большая часть приходится на фракцию 0,1–1,5 мм). Шлак сушили и измельчали ​​(91% –50 мкм, 47% –10 мкм) с помощью пульверизатора FRITSCH, чтобы увеличить площадь поверхности и улучшить прочность на сжатие произведенных геополимеров (Захараки, 2005; Захараки и Комницас, 2005; Захараки ). и др. ., 2006). Используемые добавки включают каолинит (Fluka), метакаолинит (полученный путем прокаливания каолинита при 600 ° C в течение 4 часов), CaO (Alfa Aesar), кварцевый песок, а также пуццолан, летучую золу, красный шлам и стекло.

В таблице 16.1 показан химический анализ шлака и используемых добавок в виде оксидов и микроэлементов. Содержание железа в шлаке показано как Fe ₂ O ₃ , но также присутствует значительная часть двухвалентного железа. Микроэлементы видны в элементарной форме.Основные минералогические фазы, присутствующие в шлаке, а именно фаялит, анортит, кварц, тридимит, кристобалит, магнетит, форстерит и хромит, видны на рентгенограмме рис. 16.1. По форме рисунка предполагается, что содержание аморфного вещества превышает 50%.

Таблица 16.1. Химический анализ сырья и добавок

900 8,32

%	Ферроникелевый шлак	Пуццолан	Летучая зола	Красный шлам	Техническое стекло
Fe 2 O 3	43.83	1,09	5,60	45,48	—
SiO 2	32,74	72,22	33,40	6,96	74,00
Al 2 O	3	17,73	13,10	15,65	1,30
CaO	3,73	0,95	35,31	14,84	10,50
Cr 2 O 3	3.07	—	—	—	—
MgO	2,76	1,10	3,67	—	—
Mn 3 O 4	0,44	0,19	0,19	—	—
Na 2 O	—	3,30	0,46	3,26	13,00
K 2 O	—	3.05	0,76	—	—
P 2 O 5	—	0,56	—	—	—
TIO 2	—	0,14	0,71	4,80	—
SO 3	—	—	6,58	—	—
S	0,18	—	—	—	—
С	0.11	—	—	—	—
Ni	0,10	—	—	—	—
Co	0,02	—	—	—	—

16.1. Рентгенограмма шлака (Fa: фаялит, A: анортит, Q: кварц, T: тридимит, Ct: кристобалит, M: магнетит, Fo: форстерит, Ch: хромит).

Песок кварцевый, закупаемый в гранулированном виде, состоит из кварца.Пуццолан, добываемый на острове Милос в Греции, является очень дешевым материалом и при использовании в портландцементном бетоне увеличивает его долговременную прочность на сжатие. Летучая зола была получена от Ptolemais, N.W. Греция, тепловая электростанция и классифицируется согласно ASTM как тип C; его основные минералогические фазы — кварц SiO ₂ , кальцит CaCO ₃ , ангидрит CaSO ₄ , геленит Ca ₂ (Al (AlSi) O ₇ ), альбит NaAl ₄ Si ₃ O ₈ , известь CaO и портландит Ca (OH) ₂ .Красный шлам был получен из АО «Алюминий Греции» и состоит из кварца SiO ₂ , гематита Fe ₂ O ₃ , гиббсита Al (OH) ₃ , диаспора AlO (OH), кальцита CaCO ₃ , канкринит Na ₆ Ca ₂ Al ₆ Si ₆ O ₂₄ (CO ₃ ) ₂ и катоит Ca ₃ Al ₂ (SiO ₄ ) (OH) ₈ . Техническое стекло — это аморфный материал, состоящий в основном из оксидов кремния, кальция и натрия.Перед использованием стекло и кварцевый песок измельчали ​​в порошок.

Шлак и добавки смешивали и медленно добавляли в активирующий раствор, приготовленный растворением безводных гранул гидроксида натрия или калия (ACS-ISO для анализа) в дистиллированной воде и смешиванием с раствором силиката натрия (Merck, Na ₂ O: SiO ₂ = 0,3, Na ₂ O = 7,5–8,5%, SiO ₂ = 25,5–28,5%). При непрерывном механическом перемешивании получали реактивную однородную пасту. Массовый процент добавления шлака и добавок варьируется и зависит от реагентов, используемых в каждом случае для получения рабочей пасты.Было синтезировано несколько контрольных образцов с использованием шлака и активирующего раствора в каждой серии опытов.

Пасту отливали в пластиковые кубические формы (по 5 см с каждой стороны), которые подвергали вибрации в течение пяти минут для удаления захваченного воздуха. Некоторые образцы предварительно отверждали при комнатной температуре в течение максимум 4 дней, а затем нагревали в лабораторной печи (MMM GmbH) при требуемой температуре в течение 24 или 48 часов. После извлечения из формы старение происходило при комнатной температуре в течение 7 или 28 дней, чтобы усилить развитие структурных связей.Затем была измерена прочность на сжатие с использованием силовой рамы MTS 1600. Все эксперименты проводились в двух экземплярах. Лишь в единичных случаях, когда отклонение результатов эксперимента превышало 10%, были изготовлены дополнительные образцы.

Для изучения геохимической стабильности полученных геополимеров образцы, синтезированные с использованием шлака и каолинита в условиях 80 ° C, 48 часов, 28 дней, были погружены в растворы, содержащие дистиллированную, морскую воду и 0,5N HCl, и оставлены на максимальное время. от 9 месяцев.Первоначально использовалось 400 мл каждого раствора, а при необходимости добавлялись свежие растворы для учета потерь при испарении. Жидкие пробы собирали ежемесячно и анализировали на pH, окислительно-восстановительный потенциал (pH / Eh-метр Hanna 211) и электропроводность (кондуктометр Hanna EC215). Морская вода считалась выщелачивающим средством для оценки целостности геополимеров при использовании в прибрежных или подводных строительных работах. Раствор HCl использовался для оценки их поведения в чрезвычайно агрессивных / коррозионных промышленных средах.

Образцы были подвергнуты циклам замораживания-оттаивания (с использованием –15 ° C и 20 ° C в качестве крайних температур) в течение 9 месяцев, а также высокотемпературному нагреванию (до 800 ° C) в течение 6 часов для оценки их целостность конструкции; Каолинит не добавлялся во время синтеза геополимера, когда изучалось влияние высокотемпературного нагрева.

XRD-анализ выполнялся на дифрактометре Siemens D500 с использованием Fe-трубки и диапазона сканирования от 3 ° до 70 ° 20 с шагом 0,03 ° и временем измерения 4 секунды / шаг.Качественный анализ проводился с использованием программного обеспечения Diffrac _plus (Bruker AXS) и базы данных PDF. Визуализацию микроструктуры геополимера проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-5400, оборудованного оксфордским энергодисперсионным рентгеновским спектрометром (EDS). Перед анализом образцы были покрыты углеродом для увеличения проводимости поверхности. Анализ FTIR выполняли с помощью FTIR Spectrometer Model 1000 (Perkin-Elmer) с использованием метода таблеток KBr (1.Образец порошка 5 мг, смешанный с 150 мг KBr). Анализ ТГ выполняли с использованием термогравиметрического анализатора Perkin Elmer TGA 6 (максимальная температура нагрева составляла 950 ° C при скорости 10 ° C мин. ^-1 с использованием скорости продувки азотом 60 мл мин. ^-1 ).

Электрические дуги | Encyclopedia.com

Электропроводность в газах

Свойства дуги

Использование электрической дуги

Электрическая дуга — это электрический разряд между электродами в присутствии газов.В электрической дуге электроны испускаются нагретым катодом. Дуги могут образовываться при высоком, атмосферном или низком давлении и в различных газах. Они используются для ярких ламп, печей, резки и сварки, а также в качестве инструментов для спектрохимического анализа.

Газы состоят из нейтральных молекул и поэтому являются хорошими изоляторами; они не поставляют свободные электроны, которые могут двигаться и, таким образом, образовывать электрический ток. Однако при определенных условиях это изолирующее свойство нарушается, и ток может проходить через газ.С электрическим разрядом в газах связано несколько явлений; Среди них искра, темный (таунсендский) разряд, свечение, корона и дуга. В воздухе при обычных условиях электрическое поле напряженностью около 30 000 вольт на сантиметр отделяет электроны от молекул воздуха и позволяет протекать току — искру или дугу.

Для того, чтобы провести электричество, необходимы два условия. Во-первых, обычно нейтральный газ должен создавать заряды или принимать их из внешних источников, или и то, и другое.Во-вторых, должно существовать электрическое поле, вызывающее направленное движение зарядов. Заряженный атом или молекула, или ион может быть положительным или отрицательным; электроны — отрицательные заряды. В электрических устройствах электрическое поле создается между двумя электродами, называемыми анодом и катодом, сделанными из проводящих материалов. Процесс превращения нейтрального атома или молекулы в ион называется ионизацией. Ионизированный газ называется плазмой. Проводимость газов отличается от проводимости твердых тел и жидкостей тем, что газы играют активную роль в этом процессе.Однако газ не только позволяет проходить бесплатную зарядку, но и сам по себе может производить заряды. Кумулятивная ионизация происходит, когда исходный электрон и его потомок набирают достаточно энергии, чтобы каждый мог произвести еще один электрон. Когда процесс повторяется снова и снова, возникающий в результате процесс называется лавиной.

Для любого газа при заданном давлении и температуре существует определенное значение напряжения, называемое потенциалом пробоя , которое вызывает ионизацию. Приложение напряжения выше критического значения сначала вызовет увеличение тока из-за кумулятивной ионизации, а затем напряжение снизится.Если давление не слишком низкое, проводимость концентрируется в узком освещенном «искровом» канале. Получая энергию от тока, канал нагревается и может образовывать ударные волны. Природные явления — это молния и связанный с ней гром, которые состоят из высоких напряжений и токов, которые не могут быть достигнуты искусственно.

Дуга может образоваться под высоким давлением после искры. Это происходит, когда достигаются установившиеся условия и напряжение низкое, но достаточное для поддержания требуемого тока.При низких давлениях переходная стадия искры приводит к тлеющему разряду, и дуга может позже образоваться при дальнейшем увеличении тока. В дугах термоэлектронный эффект отвечает за образование свободных электронов, которые испускаются горячим катодом. Сильное электрическое поле на металлической поверхности снижает барьер для электронной эмиссии и обеспечивает полевую эмиссию . Однако из-за высокой температуры и большого тока некоторые механизмы возникновения дуги не могут быть легко изучены.

Электрическая дуга была впервые обнаружена в 1808 году британским химиком Хамфри Дэви. Он увидел яркое светящееся пламя, когда два углеродных стержня, проводящих ток, были разделены, и конвекционный поток горячего газа отклонил его в форме дуги. Типичные характеристики дуги включают относительно низкий градиент потенциала между электродами (менее нескольких десятков вольт) и высокую плотность тока (от 0,1 до тысяч ампер или выше). В проводящем канале существуют высокие температуры газа (несколько тысяч или десятков тысяч градусов Кельвина), особенно при высоких давлениях газа.Испарение электродов также является обычным явлением, и газ содержит молекулы материала электродов. В некоторых случаях может быть слышен шипящий звук, заставляющий дугу «петь». Градиент потенциала между электродами неоднороден. В большинстве случаев можно различить три различных участка: область вблизи положительного электрода, называемая катодным падением ; область вблизи отрицательного электрода или анодный подъем ; и тело основной дуги. Внутри корпуса дуги существует равномерный градиент напряжения.Эта область электрически нейтральна, где кумулятивная ионизация приводит к тому, что количество положительных ионов равно количеству электронов или отрицательных ионов. Ионизация происходит в основном за счет возбуждения молекул и повышения температуры.

Область катодного падения составляет примерно 0,01 мм с разностью потенциалов менее примерно 10 вольт. Часто на катоде достигается термоэлектронная эмиссия. Электроды в этом случае изготовлены из преломляющих материалов, таких как вольфрам и углерод, а область содержит избыток положительных ионов и большой электрический ток.На катоде происходит переход от металлического проводника, в котором ток переносится электронами, к газу, в котором проводимость осуществляется как электронами, так и отрицательными ионами и положительными ионами. Газообразные положительные ионы могут свободно достигать катода и образовывать потенциальный барьер. Электроны, вылетающие из катода, должны преодолеть этот барьер, чтобы войти в газ.

На аноде происходит переход из газа, в котором и электроны, и положительные ионы проводят ток, в металлический проводник, в котором ток переносится только электронами.За некоторыми исключениями, положительные ионы не попадают в газ из металла. Электроны ускоряются по направлению к аноду и обеспечивают за счет ионизации запас ионов для колонки. Электронный ток может разогреть анод до высокой температуры, что сделает его термоэлектронным эмиттером, но испускаемые электроны возвращаются к аноду, внося свой вклад в большой отрицательный объемный заряд вокруг него. Оплавление электродов и введение их паров в газ увеличивает давление в их окрестностях.

Есть много типов дуговых устройств. Некоторые работают при атмосферном давлении и могут быть открытыми, а другие работают при низком давлении и поэтому закрыты в контейнере, например, в стекле. Свойство большого тока дуги используется в ртутных дуговых выпрямителях, таких как

Ключевые термины

Искусственная (горячая) дуга — Электрическая дуга, катод которой нагревается внешним источником для обеспечения термоэлектронной эмиссии, а не самим разрядом.

Дуга с холодным катодом — Электрическая дуга, работающая на материалах с низкой температурой кипения.

Термоэлектронная дуга — Электрическая дуга, в которой электронный ток от катода создается преимущественно за счет термоэлектронной эмиссии.

тиратрон. Применяется переменная разность потенциалов, и дуга передает ток только в одном направлении. Катод нагревается нитью накала.

Высокая температура, создаваемая электрической дугой в газе, используется в печах. Аппараты для дуговой сварки используются для сварки, при которой металл плавится и добавляется в соединение.Дуга может подавать только тепло, или один из ее электродов может служить расходуемым основным металлом. Плазменные горелки используются для резки, напыления и газового нагрева. Резку можно производить с помощью дуги, образованной между металлом и электродом.

Дуговые лампы обеспечивают высокую светоотдачу и большую яркость. Свет исходит от сильно раскаленных (около 7000 ° F [3871 ° C]) электродов, как в углеродных дугах , или от нагретых ионизированных газов, окружающих дугу, как в дугах пламени .Угольная дуга, в которой два угольных стержня служат в качестве электродов, была первым практическим коммерческим электрическим осветительным устройством и до сих пор остается одним из самых ярких источников света. Он используется в кинопроекторах для театров, в больших прожекторах и маяках. Дуги пламени используются в цветной фотографии и в фотохимических процессах, потому что они очень близки к естественному солнечному свету. Уголь пропитан летучими химическими веществами, которые при испарении загораются и попадают в дугу. Цвет дуги зависит от материала; материалом может быть кальций, барий, титан или стронций.В некоторых случаях длина волны излучения находится за пределами видимого спектра. Дуги ртути производят ультрафиолетовое излучение под высоким давлением. Они также могут излучать видимый свет в трубке низкого давления, если внутренние стенки покрыты флуоресцентным материалом, например люминофором; люминофор излучает свет при освещении ультрафиолетовым излучением ртути.

Другое использование дуг включает клапаны (использовавшиеся на заре радио) и в качестве источника ионов в ядерных ускорителях и термоядерных устройствах.Возбуждение электронов в дуге, в частности прямая электронная бомбардировка, приводит к узким спектральным линиям. Следовательно, дуга может предоставить информацию о составе электродов. Спектры металлических сплавов широко изучаются с помощью дуг; металлы соединяются с материалом электродов и при испарении дают отчетливые спектры.

См. Также Электроника.

Ilana Steinhorn

LP — пустая страница AAA

Электрическая дуга возникает как чистый электрический разряд с высокой плотностью тока.При повседневном использовании силового оборудования, такого как автоматические выключатели или выключатели нагрузки, электрическая дуга возникает в результате электрических неисправностей или коротких замыканий. Из-за повышенной плотности тока происходит повышение температуры, что приводит к дополнительному выделению тепла. Это тепло вызывает ионизацию среды между контактами (в случае воздушной среды) или испарение и ионизацию (в случае масляной среды). Этот ионизированный воздух или пар действует как проводник, и между контактами возникает дуга. Возникновение дуги неизбежно, когда два проводящих элемента соединены вместе, и иногда это приводит к повреждению или отказу компонентов электрической системы и физическим опасностям.В результате в систему изоляции необходимо включить соответствующие изоляционные или диэлектрические материалы для управления высоковольтным оборудованием и обращения с ним.

Сопротивление дуги определяется как способность изоляционного материала выдерживать электрическую дугу высокого напряжения и сопротивляться образованию проводящего пути вдоль его поверхности. Этот токопроводящий путь является результатом термического и химического разложения и эрозии материала. Поэтому для работы в приложениях, подверженных возникновению электрической дуги, выбираются пластмассовые материалы с превосходными характеристиками сопротивления дуге.Отслеживание, которое обычно ассоциируется с дугой, происходит, когда источник тока высокого напряжения приводит к утечке или короткому замыканию на поверхности изоляционного материала, медленно образуя обугленный путь, который выглядит как тонкая линия между двумя электродами. Отслеживание ускоряется при наличии поверхностных загрязнений, таких как грязь, масло или влага. Поскольку сопротивление дуги варьируется от материала к материалу, сравнение свойств материалов позволяет количественно определить это свойство в единицах времени. Он выражается как количество секунд, в течение которых материал сопротивляется образованию электропроводящего пути вдоль его поверхности, когда он подвергается воздействию высоковольтной слаботочной дуги вблизи его поверхности.Таким образом, он действует как ощутимый источник различий между различными пластиковыми материалами в отношении сопротивления дуге.

Разрушение пластических материалов из-за электрической дуги

Разрушение пластмассовых материалов из-за образования дуги происходит по следующим причинам:

• Многие неорганические диэлектрические материалы раскалены при воздействии высоковольтной электрической дуги. Впоследствии они становятся способными проводить электрический ток. После охлаждения они восстанавливают свои изоляционные свойства.
• Некоторые органические соединения воспламеняются без образования видимого проводящего пути через материал.
• Другие материалы выходят из строя в результате отслеживания.
• Последняя форма отказа происходит из-за карбонизации поверхности, когда углерода достаточно для проведения электрического тока через материал.

Факторы, влияющие на сопротивление дуги

• Степень ионизации : Сопротивление дуги увеличивается с уменьшением количества ионизированных частиц между контактами.
• Длина дуги : Сопротивление дуги увеличивается с увеличением длины дуги. то есть: расстояние между контактами.
• Поперечное сечение дуги : Сопротивление дуги увеличивается с уменьшением площади поперечного сечения дуги.

Выбор электроизоляционного материала на основе сопротивления дуги

Электроизоляционные материалы обычно выбираются на основе их устойчивости к искрообразованию или слежению.Пластиковые материалы, такие как фенольные смолы, имеют тенденцию легко карбонизоваться и имеют относительно низкую стойкость к дуге. Однако пластмассы, такие как алкидные, меламиновые и фторуглеродные, обладают отличными характеристиками устойчивости к дуге. Отказы из-за дуги не всегда возникают из-за карбонизации или трекинга. Многие пластмассы, такие как акрил, образуют горючие газы, которые вместо карбонизации приводят к выходу из строя производственной линии.

Устойчивость пластмасс к дуге можно улучшить, добавив наполнители, такие как стекло, минерал, дерево, мука, асбест и другие неорганические наполнители.В таблице ниже показано сопротивление дуге некоторых распространенных пластмасс.

В тяжелых условиях эксплуатации, где существует значительный риск электрического повреждения из-за дуги, можно использовать керамику. Вообще говоря, керамика имеет лучшую стойкость к дуге по сравнению с органическими материалами, такими как пластмассы.

Испытание на сопротивление дуги

Для испытания различных материалов на сопротивление дуге доступен стандартный метод с использованием высоковольтной и слаботочной установки в сухих условиях согласно ASTM D495.Как правило, этот метод не используется для определения относительного сопротивления дуге материалов, подверженных воздействию других типов дуг, таких как дуги низкого напряжения при низких или высоких токах. Из-за удобства и короткого времени испытания испытание на сопротивление сухой дуге предназначено по трем причинам:

• Предварительная проверка материалов
• Обнаружение влияния изменений в рецептуре
• Контроль качества *

* После того, как была установлена ​​корреляция с другими типами испытаний и опытом моделирования рабочей дуги.

Испытание обычно проводится в чистых, сухих лабораторных условиях, которые редко встречаются при эксплуатации. Следовательно, прогноз относительных характеристик материала в типичных применениях и в различных чистых и загрязненных средах может быть существенно изменен. Существуют также стандарты для тестирования сопротивления дуги во влажных и сухих условиях, если это необходимо.

Выводы

Электрическая дуга представляет собой сложную проблему и может иметь пагубные последствия для передачи электроэнергии, систем распределения и различного электронного оборудования.Сопротивление дуги различных материалов представлено как общее время, в течение которого они могут сохранять свои изоляционные свойства без разрушения и протекания тока по его поверхности.

Значения сопротивления дуге можно использовать для оценки свойств сопротивления различных пластмасс. Исходя из этого, можно выбрать лучший материал, что снизит риск повреждения оборудования, пожаров и опасности для человека.

свойств электрической дуги [11] | Скачать научную диаграмму

Контекст 1

… дуги считаются термической плазмой, которая имеет много преимуществ, таких как высокий ток, высокая температура и интенсивность высокого излучения [1], где величина тока порядка 1 А или более [2] состоит из трех дуговых разрядов. основные области: область анода и столба плазмы и катодная область, области электродов (анод и катод) формируются из зон конвергенции между плазменным газом и проводящими твердыми телами. Облако [3], а области дуги, показанные на рисунке 1, имеют производит этот тип разряда в промышленных масштабах «с начала прошлого века, и с этого периода началось развитие исследований с целью улучшения его приложений [4]. Существует множество применений дуги, которая используется в широких областях, таких как плазменная резка напылением, освещение и обработка токсичных отходов, резка, сварка и другие [5], и было проведено множество исследований для проверки влияния различных условий, таких как газовый фактор и материалы-электрод, формы и приложения магнитного поля к дуге и сложные взаимодействия ионы между плазмой и свойствами электродов (или охлаждают стенки) [6], где исследователь Ксиу и его группа изучали экспериментальное исследование дефекта постоянного тока электрической дуги и выясняли дефект, где проводились различные тесты для определения влияния различных факторов на дугу, таких как длина промежутка между электродами, ток и другие отметили, что напряжение дуги увеличивается с увеличением промежутка [7] Исследователь Чжао Пэн и его группа изучали характеристики плазменной дуги азота с расплавленным анодом, который он использовал в своем исследовании катода, сделанного Графита и испытательного напряжения как функции тока и плазмы вдоль виртуальной отметили, что напряжение возрастает нелинейно с увеличением плазмы вдоль виртуальной [8]…

Контекст 2

… представляет соотношение между расстоянием между электродами и напряжением для всех полярностей, используемых для газа CO 2. Рисунок 10 представляет соотношение между давлением и напряжением различных электродов газа CO 2.

Контекст 3

… 10.9790 / 4861-03641 www.iosrjournals.org 41 | Страница Рисунок 10 представляет соотношение между давлением и напряжением на различных электродах газообразного CO 2 …

Контекст 4

… дуги считаются термической плазмой, которая имеет много преимуществ, таких как высокий ток, высокая температура и интенсивность высокого излучения [1], где величина тока порядка 1 А или более [2] состоит из трех дуговых разрядов. основные области: область анода и столба плазмы и катодная область, области электродов (анод и катод) формируются из зон конвергенции между плазменным газом и проводящими твердыми телами. Облако [3], а области дуги, показанные на рисунке 1, имеют производит этот тип разряда в промышленных масштабах «с начала прошлого века, и с этого периода началось развитие исследований с целью улучшения его приложений [4]. Существует множество применений дуги, которая используется в широких областях, таких как плазменная резка напылением, освещение и обработка токсичных отходов, резка, сварка и другие [5], и было проведено множество исследований для проверки влияния различных условий, таких как газовый фактор и материалы-электрод, формы и приложения магнитного поля к дуге и сложные взаимодействия ионы между плазмой и свойствами электродов (или охлаждают стенки) [6], где исследователь Ксиу и его группа изучали экспериментальное исследование дефекта постоянного тока электрической дуги и выясняли дефект, где проводились различные тесты для определения влияния различных факторов на дугу, таких как длина промежутка между электродами, ток и другие отметили, что напряжение дуги увеличивается с увеличением промежутка [7] Исследователь Чжао Пэн и его группа изучали характеристики плазменной дуги азота с расплавленным анодом, который он использовал в своем исследовании катода, изготовленного из графита и испытательного напряжения как функции тока и плазмы вдоль виртуальной отметили, что напряжение возрастает нелинейно с увеличением плазмы вдоль виртуальной…

Электрическая дуга [Определение, применение и дуговая вспышка]

18 июня 2018

Электробезопасность имеет первостепенное значение для поддержания любого эффективного и производительного объекта, и одной из самых больших угроз безопасности рабочих является электрическая дуга и вспышка дуги. Для менеджеров по безопасности — убедиться, что на предприятии нет опасностей, связанных с электрической дугой и вспышкой дуги, и приняты меры для минимизации ущерба в случае одной из этих аварий.

Электрические пожары вызывают катастрофические повреждения, а в промышленных условиях они часто вызываются электрическими дугами того или иного типа.В то время как некоторые типы электрических дуг трудно пропустить, «дуговая вспышка громкая и включает в себя большой яркий взрыв», некоторые электрические дуги, такие как дуговое замыкание, менее заметны, но могут быть столь же разрушительными. Дуговые замыкания часто являются причиной электрических пожаров в жилых и коммерческих зданиях.

Проще говоря, электрическая дуга — это электрический ток, который намеренно или непреднамеренно разряжается через зазор между двумя электродами через газ, пар или воздух и распространяет относительно низкое напряжение на проводники.Тепло и свет, производимые этой дугой, обычно являются интенсивными и могут использоваться для определенных применений, таких как дуговая сварка или освещение прожекторами. Непреднамеренные дуги могут иметь разрушительные последствия, например: возгорание, опасность поражения электрическим током и материальный ущерб.

В 1801 году британский химик и изобретатель сэр Хамфри Дэви продемонстрировал электрическую дугу своим коллегам из Лондонского королевского общества и предложил название — электрическая дуга. Эти электрические дуги, когда они не сдерживаются, выглядят как зазубренные удары молнии.За этой демонстрацией последовали дальнейшие исследования электрической дуги, как это проиллюстрировал русский ученый Василий Петров в 1802 году. Дальнейшие успехи в ранних исследованиях электрической дуги привели к таким важным отраслевым изобретениям, как сварочные аппараты.

По сравнению с искрой, которая является кратковременной, дуговый разряд представляет собой непрерывный электрический ток, который выделяет столько тепла от заряда, несущего ионы или электроны, что он может испарить или расплавить что-либо в пределах дугой. Дуга может поддерживаться как в электрических цепях постоянного, так и переменного тока, и она должна включать некоторое сопротивление, чтобы повышенный ток не оставался неконтролируемым и полностью разрушал фактический источник цепи с его потреблением тепла и энергии.

При правильном использовании электрические дуги могут быть полезны. Фактически, каждый из нас выполняет ряд повседневных задач, благодаря ограниченному применению электрических дуг.

Электрические дуги используются в некоторых вспышках фотокамер, прожекторах для освещения сцены, люминесцентном освещении, дуговой сварке, дуговых печах (для производства стали и таких веществ, как карбид кальция) и в устройствах плазменной резки (в которых сжатый воздух сочетается с мощной дугой и превращается в плазму, способную мгновенно прорезать сталь).

Электрическая дуга также может быть чрезвычайно опасной, если не предназначена. Ситуации, когда электрическая дуга возникает в неконтролируемой среде, как в случае вспышки дуги, могут привести к травмам, смерти, пожару, повреждению оборудования и материальному ущербу.

Чтобы защитить рабочих от электрической дуги, компании должны использовать следующие продукты для вспышки дуги, чтобы снизить вероятность возникновения электрической дуги и уменьшить ущерб в случае одного:

• Перчатки с защитой от дугового разряда — Эти перчатки предназначены для защиты рук от поражения электрическим током и минимизации травм в случае поражения электрическим током.
• Видеообучение «Вспышка дуги» — Эти учебные занятия познакомят ваших сотрудников с опасностями, связанными с работой в условиях повышенного напряжения, и с тем, как они могут защитить себя.
• Программа для калькуляции опасности дугового разряда — Этот интуитивно понятный калькулятор дугового разряда и программное обеспечение для анализа упрощают оценку электрических систем вашего предприятия.