Свойства дуги и ее характеристики

Определение и основные свойства дуги

Электрической сварочной дугой называют мощный длительный электрический разряд между сварочными электродами, протекающий в ионизированной газовой среде при близком к атмосферному давлении. Такая дуга характеризуется сравнительно низким рабочим напряжением, очень большим током и экстремально высокой температурой. Протекание тока через дугу сопровождается выделением огромного количества тепла и ярким световым излучением. Сварочная дуга вместе со своим источником питания образует взаимосвязанную систему, в которой дуга выступает потребителем электроэнергии.

Основные свойства сварочной дуги:

• Очень высокая температура. Температура столба дуги достигает порядка 6000 °C, в то время как в приэлектродных зонах (анодной и катодной) она существенно ниже – около 2400–2600 °C.

• Большая плотность тока. Плотность тока в столбе дуги может достигать нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр, поскольку через узкий плазменный канал проходит ток огромной силы.

• Низкое напряжение. Для устойчивого горения дуги требуется относительно небольшое напряжение (десятки вольт), благодаря малому сопротивлению ионизированного столба разряда.

• Интенсивное излучение. Горящая дуга испускает не только видимый свет, но и мощное ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, опасное для зрения и кожи сварщика.

Строение и характеристики дуги

В электрической дуге выделяют три зоны:

• Катодная область — зона длиной ~10⁻⁴…10⁻⁵ см, где за счёт термо- и автоэлектронной эмиссии с катода формируются электроны. Здесь создаётся высокое электрическое поле — до 10⁶ В/см.

• Столб дуги — центральная часть длиной 0,1–4 см. В нём происходит термическая ионизация нейтральных частиц, основная проводимость обеспечивается электронами. Плотность тока здесь определяется отношением тока к площади сечения столба.

• Анодная область — длиной ~10⁻³…10⁻⁴ см, где оседают электроны и формируются отрицательные объемные заряды. Градиент напряжённости — до 10⁴ В/см.
  
  

Общее напряжение дуги складывается из падений напряжения в этих трёх зонах: Uд = Uкат + Uан + Uст,

Температура в дуге наивысшая в центральной части столба (~5000–6000 °C) и заметно ниже у поверхности электродов (~2400–2500 °C). Таким образом, основное тепло сосредоточено в столбе дуги, который нагревает и расплавляет металл.

Большая часть падения напряжения также приходится на столб дуги, поэтому общее напряжение разряда растёт почти линейно с увеличением длины дугового промежутка. В катодной и анодной областях падение напряжения мало и практически постоянно для данных условий.

При горении дуги глаз видит лишь яркий факел столба – катодная и анодная зоны не светятся из-за малого размера и напряжения. Плазма дуги излучает широкий спектр, включая жёсткий ультрафиолет и ИК-диапазон, поэтому сварщик должен защищать глаза и кожу маской и спецодеждой.

Классификация дуги по типу электрода и защитного газа

Различают два основных типа дуги, каждый из которых имеет свои особенности и применяется в разных видах сварки.

Дуга с плавящимся электродом

Этот тип дуги наиболее распространён в промышленности. Здесь электрический разряд горит между торцом плавящегося электрода (проволоки) и свариваемым изделием. Электрод служит не только для поддержания дуги, но и является присадочным материалом, который расплавляется и формирует сварочный шов. Капли расплавленного металла с кончика электрода под действием электромагнитных сил и силы тяжести переносятся в сварочную ванну.

Дуга с неплавящимся электродом

В этом случае дуга создаётся и поддерживается между изделием и неплавящимся электродом, как правило, из тугоплавкого вольфрама. Электрод не участвует в формировании шва, а присадочный материал подается в зону сварки отдельно, если это необходимо.

Вольт-амперная характеристика дуги

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги – это зависимость напряжения U_д от тока I_д при постоянной длине дуги. Эта зависимость нелинейна: между током и напряжением нет прямой пропорции.

График ВАХ имеет три характерных участка:

1. Падающий участок (I). При росте тока напряжение на дуге снижается. Это объясняется расширением проводящего столба дуги и повышением его электропроводности.

∂Uд/∂I < 0

|∂Uи/∂I|р > |∂Uд/∂I|р

1. Жёсткий участок (II) . Увеличение тока практически не изменяет напряжение дуги (плоская характеристика). Столб дуги и приэлектродные пятна расширяются пропорционально току, сохраняя прежнюю плотность тока и падение напряжения.
   ∂Uд/∂I = 0

∂Uи/∂I < 0

1. Возрастающий участок (III) . На очень больших токах напряжение вновь растёт. При дальнейшем увеличении тока плотность тока на катоде растёт без расширения катодного пятна, сопротивление столба увеличивается, и требуется большее напряжение.
   ∂Uд/∂I > 0
   |∂Uи/∂I|р < |∂Uд/∂I|р

Переход ко 2–3 участку зависит от плотности тока в электроде, критическое значение — 100 А/мм².

ВАХ смещается вверх при увеличении длины дуги, так как возрастает падение напряжения в столбе:

Uд = Uкат + Uан + Ест · lд.

Динамическая характеристика дуги

Динамическая ВАХ описывает поведение дуги при быстром изменении тока. При резком увеличении тока напряжение сначала возрастает по прямой, а затем по мере роста температуры и сечения столба снижается до нового равновесного значения. Это отражает тепловую инерцию дуги.

Время установления нового режима составляет:

• Постоянная времени дуги: Тд ≈ 10⁻⁴–10⁻⁵ сек

• Полное время переходного процесса: tпер ≈ 3·Тд