Неровный В.М. Теория сварочных процессов (Неровный, Коновалов, Куркин - Теория сварочных процессов), страница 7

Назовите основные признаки классификации сварочных процессов. 9. В каких случаях целесообразно использовать удельную энергию при оценке энергетической эффективности сварки? 36 Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ 2.1. Электрический разряд в газах 2.1.1. Виды разряда В обычном (нормальном) состоянии газы являются хорошими электрическими изоляторами — диэлектриками. Однако, приложив достаточно сильное электрическое поле, можно вызвать нарушение изолирующих свойств газа (пробой) и его ионизацию: в газе возникают заряженные частицы, и он становится проводником, благодаря чему появляется возможность пропускать через проводник электрический ток и воздействовать на него электромагнитными полями.

Протекание тока через газ получило название электрического разряда в газах (или газового разряда). Различают самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды, последний прекращается при устранении внешнего источника ионизации. Явления, возникающие при протекании электрического тока через газ, зависят от рода и давления газа, от материала, из которого изготовлены электроды, от геометрии электродов и соединяющего их канала, а также от величины протекающего тока.

Газовый разряд может быть неустойчивым (например, искровым) и устойчивым (стационарным). В дальнейшем будем рассматривать только самостоятельные и стационарные газовые разряды. Их можно классифицировать по внешнему виду: темнавой (таунсендовский), тлеющий, в том числе коронный, и дуговой разряды. Например, если в длинной цилиндрической стеклянной трубке, заполненной газом при давлении около 100 Па, медленно повышать разность потенциалов между катодом и анодом, то при— !2 боры фиксируют наличие тока начиная с 10 А. Он появляется вследствие вызываемой космическими лучами ионизации в объеме газа на стенках трубки и на электродах. С помощью ограничивающего сопротивления можно получить все три формы разряда (рис.

2.!). Темновой разряд переходит в тлеющий, который отличается уже заметным свечением, используемым в газосветных трубках. При этом катодное падение потенциала (7«> 100 В; — 2 — ! 2 плотность тока 7' = 10 ...10 А!см . Практически повсюду, за исключением приэлектродных областей, ионизованный газ электронейтрален, т. е. представляет собой 37 кт 1000 800 400 Рис.

2.2. Характерное распределение потенциала по длине дуги с положительным анодным падением потенциала (кривая 1) и с отрицательным анодным падением потенциала (кривая 2) 1 — кятодняя обяястги и — столб дуги; 1П вЂ” янодняя область; К вЂ” катон; А — анод Рис. 2.3. Характерное распределение осевой температуры плазмы по длине дуги: 1 — катодняя область; П вЂ” столб дуги; 11! — вводная область; К вЂ” катод; А— анод 38 39 10 10 10 1О 1О 10 1 10 10 У, А Рис.

2.1. Статическая вольт-амперная характеристика различных видов газового разряда слабоионизованную неравновесную плазму. Это так называемый положительный столб тлеющего разряда. Температура атомов или молекул газа в тлеющем разряде практически не повышается и равна 300...350 К. Затем через аномальный тлеющий разряд происходит переход к дуговому разряду (существующему, как правило, на токах более 1 А, низком общем напряжении — менее 100 В) с катодным падением потенциала Ц, < 20 В и большой плотностью тока на катоде: 2 5 2 1к = 10 ...10 А/см . Дуговой разряд, или дуга, характеризуется высокой температурой газа в проводящем плазменном канале (при атмосферном давлении Т = 5000...50000 К) и высокими концентрациями частиц в катодной области. 2.1.2. Возбуждение дуги и ее зоны Возбуждение дуги возможно в следующих случаях; 1) при переходе из устойчивого маломощного газового разряда в дуговой (см.

рис. 2.1); 2) в процессе создания высокоионизованного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство (в большинстве случаев с помощью третьего электрода); 3) при электрическом пробое газового или вакуумного промежутка между электродами, обеспечивающем переход из неустой- чивого искрового разряда в устойчивый разряд (осуществляется подачей импульса высокой частоты и высокого напряжения); 4) при размыкании контактов или разрыве перемычки между электродами в цепи с током. При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом — высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с помощью конденсатора.

При сварке угольным (графитовым) электродом дугу возбуждают, используя чаще всего третий электрод. В газовых промежутках (при атмосферном давлении) с резко неоднородным электрическим полем напряжение возбуждения самостоятельного дугового разряда не совпадает с напряжением пробоя, которому соответствует перекрытие газового промежутка плазменным каналом с падающей вольт-амперной характеристикой, В этих условиях сопротивление плазменного канала, перекрывающего межэлектродный промежуток разряда, становится меньше, чем сопротивление внешней цепи, включая внутреннее сопротивление источника напряжения.

Поэтому правильно считать, что при достаточной мощности источника напряжения искровой пробой завершается образованием плазменного канала дуги. В самостоятельном дуговом разряде начиная с токов выше нескольких ампер наблюдается неравномерное распределение потенциала и температуры между электродами (рис. 2.2, 2.3). и, в 40 41 Скачки потенциала в катодной и анодной областях обусловлены скоплениями пространственного заряда и повышенным сопротивлением этих областей по сравнению со столбом дуги. Неравномерным оказывается и распределение температуры по длине столба дуги. Высокие значения температуры в столбе дуги (плазменном канале) снижаются до существенно меньших значений на поверхности электродов. Все это приводит к тому, что условия в приэлектродных областях заметно отличаются от условий в плазменном канале (шнуре), и, следовательно, при изучении процессов в дуге следует выделить три зоны; катодную К ' 1, анодную 2 и столб дуги 3 (рис.

2.4). 1: д 1 3 '. В газовом промежутке между двумя А 2 электродами заряженные частицы могут возникнуть во всех трех зонах, но главным образом они появляются в реобъемной ионизации в столбе дуги. В 4 3 дуг и с в Я з и с о Р а н и ч е н н о с ь ю э м и с с и и э л е к тронов столб дуги (как и любой проводник) вдали от катода сохраняет по отношению к нему положительный потенциал, поэтому часто его называют положительным столбом. В то же время не следует забывать, что плазма столба обычно квазинейтральна. 2.1.3.

Вольт-ампериая характеристика дуги Для газового разряда сопротивление не является постоянным сопз1), так как число заряженных частиц в нем зависит от ин- (Я ~ тенсивности ионнзации и, в частности, от силы тока. Поэтому электрический ток в газах, как правило, не подчиняется закону Ома и вольт-амперная характеристика газового разряда обычно является нелинейной. В зависимости от плотности тока вольт-амперная характеристика дуги может быть падающей, пологой и возрастающей (рнс.

2.5). В области 1 при малых токах (примерно до 100 А) с увеличением тока дуги уд интенсивно возрастает число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной Рис. 25. Вольт-амперные характеристики сварочных дуг ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается и падает нужное для поддержания разряда напряжение Пд, вольтамперная характеристика дуги является падаюшей. В области П при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродов столб дуги несколько сжимается и объем газа, участвуюшего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц.

Напряжение дуги в этой области слабо зависит от тока, а вольт-амперная характеристика является пологой. Первые две области на рис. 2.5 описывают сварочные дуги с так называемым отрицательным электрическим сопротивлением. Падающая и пологая вольт-амперные характеристики сварочных дуг типичны для ручной дуговой сварки штучными электродами с покрытием (РД) и газоэлектрической (ГЭ) сварки, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ). Сварка при высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют области 111 на рис 2.5.

Они характеризуются сильным сжатием столба дуги и возрастаюшей вольтамперной характеристикой, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги. В сильноточных сжатых дугах степень ионизации газа в столбе дуги может достигать значений, близких к 100 %, а термоэмиссионная способность катода оказывается исчерпанной. В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге.

Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным (Я = сопз1). Высокоионизованная сжатая плазма по электропроводности близка к металлическому проводнику и для нее справедлив закон Ома. 2.2. Элементарные процессы в плазме дуги 2.2.1. Основные параметры плазмы Как известно, плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами плазмы являются положительные ионы (газовая плазма) и дырки (плазма твердого тела), а отрицательно заряженными частицами — электроны и отрицательные ионы. Состав нейтрального компонента плазмы может быть достаточно сложным: помимо атомов и молекул, находящихся в нормальном состоянии, в плазме в гораздо большем количестве могут присутствовать атомы и молекулы в различных возбужденных состояниях.