Что такое столб дуги
Электрическая сварочная дуга
Содержание:
Электрическая сварочная дуга – это электрический разряд большой мощности, который протекает в среде газов, металлических паров и флюса, применяемого при сварке. Сварочная дуга характеризуется следующими параметрами
Разновидности электрической сварочной дуги.
Электрическая сварочная дуга может быть разной – ее тип полностью зависит от типа сварки и от той среды, в которой производятся сварочные работы.
Питание дуги.
Источник питания дуги может быть как постоянным, так и переменным. Если сварочные работы производятся от источника постоянного тока, то тот электрод, который присоединен к положительному полюсу этого источника, является в получаемой электрической цепи анодом, а тот электрод, который присоединен к отрицательному полюсу источника питания дуги, является катодом.
Данная дуга может характеризоваться прямой или обратной полярностью. Дуга прямой полярности отличается тем, что отрицательный полюс источника постоянного питания находятся на электроде, а положительный полюс – на металле свариваемой поверхности. В дуге обратной полярности полюса распределяются по-другому – отрицательный полюс присоединяется к металлу, а положительный – к электроду.
Если сварочная дуга питается от источника переменного тока, то каждый электрод выполняет попеременно обе функции – то есть, является то анодом, то катодом.
Строение сварочной дуги.
Расстояние между электродами при сварке называется дуговым промежутком. А длина его – это и есть длина электрической сварочной дуги.
По всей длине дугового промежутка электрическую сварочную дугу можно разделить на три зоны – катодную зону, анодную зону и зону столба дуги, которая находится в середине.
Качество электрической сварочной дуги – это залог качества всего сварного соединения. А главным показателем качества дуги является ее стабильное, длительное горение, при котором дуга не переходит в другие разновидности электрических разрядов. Для достижения такого результата необходимо очень тщательно подходить к выбору параметров силы тока и напряжения. Взаимосвязь напряжения электрической дуги и силы тока, зависимость одного от другого и является главной характеристикой любой сварочной электрической дуги.
Что такое сварочная дуга
Сварочная дуга — это мощный электрический разряд между электродом и металлом. Вокруг сварочной дуги образуется плотное облако, состоящее из паров и газов, которое призвано защищать сварочную ванну от кислорода.
Характеризуется сварочная дуга большой плотностью тока и высокой температурой. Вместе с электродом, сварочная дуга образует единую энергетическую систему. Температура сварочной дуги более 3000 градусов, а её основная задача преобразовывать энергию электричества в тепло.
Происхождение и строение сварочной дуги
Природа происхождения сварочной дуги такая: ток, пройдя через катод, попадает в ионизированный газ, где и происходит мощный разряд с обильным выделением тепловой энергии. Температура сварочной дуги может достигать 10 тысяч градусов, что способствует плавлению даже самых тугоплавких металлов.
Как бы там ни было, но столь высокая температура сварочной дуги оказывает вредное воздействие на человеческий организм. Её горение сопровождается мощным инфракрасным и ультрафиолетовым излучением, которое очень вредное для глаз и кожи. Вот почему во время осуществления сварочного процесса следует беспрекословно соблюдать технику безопасности.
Строение сварочной дуги выглядит в виде трех областей — анодной, катодной и столба. Данные области и составляют одну из самых важных характеристик, а именно, длину сварочной дуги. Наиболее благоприятной длиной дуги, является длина от 4 до 6 мм. Именно данное расстояние от электрода к металлу способствует выделению стабильного и постоянного тепла.
Сварочная дуга — что нужно знать начинающему сварщику
На стабильное и устойчивое горение сварочной дуги влияют многие моменты.
В первую очередь, это:
Все вышеперечисленные факторы, так или иначе, влияют на сварочную дугу. Однако наибольшее значение в процессе сварки оказывает расстояние между электродом и свариваемой заготовкой. Именно данное расстояние и определяет так называемую длину сварочной дуги.
Существует короткая, средняя и длинная дуга. Короткая дуга, это такая дуга, при которой расстояние от электрода до поверхности металла не более 3 мм. Начинающим электросварщикам очень трудно определиться с правильной длиной дуги, поэтому для них существует одно важное правило.
Расстояние между электродом и поверхностью металла в момент сварки должно быть равным от 0,5 до 1,1 диаметра электрода, который используется. Такая дуга считается нормальной и подходит для большинства случаев сварки.
Увеличение сварочной дуги способствует снижению её устойчивого горения, уменьшает проплав металла и увеличивает разбрызгивание металла. Способность удерживать стабильную и постоянную длину дуги говорит о высокой квалификации и большом опыте сварщика.
Что такое сварочная дуга
Сварочная дуга используется человечеством для неразъемного, герметичного соединения металлов более века назад. Ее изучением занимался физик Вольт. Затем появились устройства для сварки. Электрический разряд возникает в момент короткого замыкания между электродом и свариваемой деталью. Электрическая энергия преобразуется в тепловую, образуется ванна расплава. Создается диффузный однородный слой металла на месте свариваемого стыка.
Изучив вольт-амперные характеристики процесса, ученые усовершенствовали процесс сварки, создали сварочные аппараты, поддерживающие стабильное горение дуги.
Что такое сварочная дуга, определение
Что можно назвать сварочной дугой – это, по сути, длительный проводник, состоящий из ионизированных частиц, существующий во времени благодаря поддерживающему электрическому полю. Дуговой разряд характеризуется непрерывной формой, высокой температурой, возникает в газовой среде, способной к ионизации.
В учебниках сварщика определение сварочной электродуги звучит следующим образом: это длительный электрический разряд в плазме, состоящей из смеси ионизированных воздушных или защитных газов, а также испарившихся компонентов присадочного и основного металла.
Природа и строение
За короткое время разогреть металл до температуры плавления можно мощной сварочной дугой. Ее свойства характеризуются плотностью тока, вольтамперными показателями. С точки зрения электротехники, дуговой столб – ионизированный газовый проводник между катодом и анодом с большим сопротивлением, способностью к свечению. Детальное рассмотрение строения сварочной дуги поможет понять сущность температурного воздействия. Длина электродуги в среднем составляет 5 мм, она делится на основные зоны:
За температуру сварочной дуги отвечает поток свободных электронов. Они образуются на катодном пятне. Оно разогревается до 38% температуры плазмы. В дуговом столбе электроны двигаются к аноду, а положительные частицы – к катоду. У столба нет собственного заряда, он остается нейтральным. Внутри частицы разогреваются до 10 000°С, металл при этом в среднем нагревается до 2350°С, стандартная температура ванны расплава составляет 1700°С.
Место входа и нейтрализации электронов называют анодным пятном. Его температура выше, чем катодного на 4–6%.
Напряжение в анодной и катодной зонах существенно снижается, свечения не возникает. Видима только плазма, излучающая ультрафиолетовые, инфракрасные и световые волны. Они вредны для органов зрения, кожи. Поэтому сварщики используют индивидуальные средства защиты.
Виды сварочной дуги
Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По типу сварочного тока и положению электрода относительно свариваемых элементов выделяют следующие разновидности:
Классификация состава плазмы столба:
Классифицируют дуговую сварку по материалу разжигающего электрода. Используют электроды:
По длительности воздействия различают стационарную (постоянную) электродугу и импульсную, применяемую при контактной сварке.
Условия горения
Сущность сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.
Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали прогревают, чтобы воздух вокруг них был теплым, или подают в рабочую зону газ, способный ионизироваться. Легче всего ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.
Чтобы дуговой столб не угасал, важно поддерживать постоянную температуру в катодной области. Она напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужная температура поддерживается источником тока, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.
Как возникает электрическая сварочная дуга
Как и любой электрический разряд, сварочная электродуга появляется при замыкании цепи. Возникновение тока при касании электрода к свариваемому металлу приводит к выработке большого количества тепла. В точке замыкания появляется расплав, он тянется за кончиком электрода, образуется шейка, которая мгновенно распыляется из-за сильного тока. Происходит ионизация молекул воздуха и защитного облака, они переносят поток электронов.
Направленность потока зависит от рода тока. Дуга разжигается на постоянном токе обратной и прямой полярности, на переменном. Частота угасания и розжига электродуги зависит от параметров рабочего тока.
Чем определяется мощность сварочной дуги
На мощностные параметры электродуги влияют несколько факторов:
Длиной сварочной дуги называют расстояние от сварного кратера до кончика электрода. От этой величины зависит объем выделившегося тепла.
По мощности сварочной дуги определяют скорость плавления металла. От этой характеристики зависит время выполнения сварочных работ. Регулировка силы тока производится для корректировки температуры в рабочей зоне, даже на длинном столбе электродуга не будет затухать при большом ампераже. Напряжение редко изменяют в процессе сварки.
Вольт-амперная характеристика
ВАХ описывает зависимость токовых параметров. С помощью этого графика определяют:
Динамическая ВАХ описывает неустановившееся состояние электродуги, когда ее длина колеблется. Статическая вольт-амперная характеристика отражает зависимость вольтажа от ампеража при постоянной дуговой длине. График делится на три области:
ВАХ процесса обычной ручной сварки с использованием плавящихся и неплавящихся электродов на воздухе или в облаке защитного газа ограничена двумя первыми областями, до третьей ампераж не доходит. Механизированной сварки с использованием флюсов соответствует графику II и III областей, сварка плавящимся электродом в облаке защитной атмосферы – III.
При использовании оборудования, генерирующего переменный ток, возбуждение сварочной дуги происходит в каждом полупериоде, на пике зажигания. При переходе через ноль электродуга затухает, нагрев активных пятен прекращается. Покрытия электродов, содержащие активные щелочные металлы, повышают устойчивость ионизации. Защитное облако затрудняет розжиг на переменном токе, но поддерживают горение на постоянном. Между полюсами возникает ионизация молекул газа.
При выборе оборудования необходимо это учитывать, что вольт-амперная характеристика электродуги зависит от внешней ВАХ. Работу сварочного аппарата рассматривают как наложение графиков. Для ручной сварки необходимы источники питания с падающими областями ВАХ (повышенным напряжением холостого хода), чтобы была возможность изменять длину дуги, регулируя ампераж. Сила тока короткого замыкания во время падения капли с плавящегося электрода на свариваемый металл на 20–50% выше дугового тока. Для сварки плавящимся электродом используют дугу размыкания. Для розжига дуги вольфрамовым или угольным электродом желателен вспомогательный разряд.
При высоких значениях тока короткого замыкания возрастает риск прожогов металла. При падении капли происходит замыкание, затем резко возрастает до первоначальных значений – ампераж возрастает до величины тока короткого замыкания, образовавшийся мостик перегорает, дуга возбуждается снова. Изменения тока и напряжения в столбе происходят моментально, за доли секунды. Сварочное оборудование должно быстро реагировать на колебания, стабилизировать напряжение.
Особенности дуги
Благодаря особым свойствам, электрическая дуга используется при сварке с тугоплавкими и плавящимися электродами. Она быстро разогревает металл, образуя ванну расплава. Электрический ток эффективно преобразуется в тепловую энергию с минимальными потерями.
По природе происхождения электрическую сварочную дугу можно сравнить с другими видами электрических зарядов. Основные отличительные характеристики дуги:
Зажигание производится двумя способами:
Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?
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.
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.
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.
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:
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:
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:
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.
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.
Что называют сварочной дугой и какие её характеристики?
Современная промышленная сфера подразумевает под собой сварочные процессы, которые используются в разных направлениях.
Для того чтобы провести эту работу качественно, надежно, быстро и без затрат особых усилий, необходимо разобраться в понятии сварочная дуга – что это такое, каковы её особенности и другие моменты, пригодившиеся в работе.
Что собой представляет сварочная дуга?
Характеризуется рассматриваемый элемент для сварки повышенной температурой, плотностью тока, за счет чего механизм может расплавить любой металл с температурой плавления больше, чем 3000 градусов.
Кроме этого данная деталь в сварочном инструменте выступает газовым проводником, c помощью которого преобразовывается тепловая энергия из электрической. Электрический заряд, в свою очередь, – это прохождение тока под напряжением сквозь газы.
Можно выделить несколько основных типов электрического заряда, при помощи которого происходит процесс горения:
Природа и строение
По своим особенностям, характеристика сварочной дуги и её природа достаточно легкие в понимании. Максимальная температура в электрическом рассматриваемом элементе для сварки может быть до 10 тысяч градусов.
Это получается за счет прохождения электрического тока через катоды, куда он попадает в ионизированный газ, а затем, после разряда с яркой вспышкой, дает возможность разогреться до необходимой температуры.
После ток попадает на металл, который подвергается сварке и дальнейшей обработке.
Поскольку температура достаточно большая, то данный элемент для сварки излучает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, которые является опасными для организма человека. От этого может нарушиться зрение, либо возникнуть сильный ожог на кожном покрове.
Чтобы защитить себя от негативных последствий необходимо изучить ее свойства, характеристики, а также обеспечить себя или мастера надежной защитой.
Ещё одним немаловажным аспектом является строение сварочной дуги. Вопрос о том, из скольких частей состоит сварочный элемент, достаточно интересный и познавательный. В первую очередь стоит отметить, что она обладает тремя главными зонами: анодной, катодной и столбом.
Когда горит механизм на катоде или аноде, появляются небольшого размера пятна – места, где температура имеет максимальное значение. Сквозь эти области и протекает электрический ток, а анодное и катодное места на поверхности подразумевают под собой пониженное действие напряжения.
Столб зачастую находится посреди этих локаций, и напряжение может незначительно спадать в нем. За счет этого сварочный элемент имеет длину, которая включает в себя все перечисленные области.
Самым оптимальным размером длины детали является 5 миллиметров, благодаря чему температура горения становиться постоянной, благоприятной и стабильной.
Разновидности
Существует несколько классификаций рассматриваемого элемента, которые имеют различные схемы подвода тока и среды, где он появляется.
Помимо этого, можно поделить по принципу атмосферы, где появляется сварочная дуга:
Помимо перечисленных классификаций можно также выделить виды по длительности действия:
Также можно выделить разновидности в зависимости от материала, применяемого электрода – уголь, вольфрам, плавящийся либо неплавящийся электрод соответственно.
Одним из самых востребованных деталей является стальной, т.е. плавящийся электрод. Однако на сегодняшний день большинство профессионалов отдают предпочтение неплавящемуся, из чего можно сделать вывод, что типы рассматриваемых элементов достаточно различны между собой.
Условия горения
Со стандартными условиями температура в столбе сварочной дуги достигает 7000 градусов, в максимальном своем значении. Используя катод, необходимо добиться постоянной температуры, при которой будет возникать и горечь дуга. В этом случае также учитываются такие факторы, как диаметр, размер и температура окружающей среды.
Важно следить за тем, чтобы значение не колебалось, благодаря чему можно сваривать абсолютно любой материал. Исправный источник питания — залог постоянного показателя температуры элемента, именно это дает влияние на свойство работы элемента.
Основные области сварочной дуги – это работа ионизированного газа, а также применение щелочной либо щелочно-земельной группы в виде калия или кальция, чтобы способствовать надежному и хорошему горению сварочной дуги. Вопрос, в какой среде может гореть сварочная дуга достаточно актуальный.
Необходимо учитывать много физических и химических факторов, уметь рассчитывать, сколько энергии затрачивается для отрыва электрона от атома, в зависимости от природы газового новообразования и т.д.
Исходя из всего сказанного, можно сделать вывод, что при сварке дуговой металлические конструкции скрепляются надежнее всего. Сварочные работы сильно влияют на промышленную сферу сегодняшнего дня, из-за возможности под высокой температурой сварочной дуги припаивать различные материалы друг к другу.
Чтобы получить качественный и надежный шов нужно задействовать силы, действующие в сварочной дуге, изучить всю её характеристику, понимать каждое значение плотности тока, температуры, напряжения, что даст возможность провести процедуру быстро и без трудностей.