Строение электронной дуги

А.А. Трофимов

ОСНОВЫ СВАРКИ

Санкт-Петербург

Рецензент:

кандидат технических наук, доцент

Ю.К. Лопарев

Трофимов А.А.

Основы сварки:лабораторный практикум, учебное пособие. – СПб.: СПГУВК, 2007. - 84 с.

Учебное пособие содержит общие положения по отдельным разделам технологии сварки плавлением и уделено внимание практической части по усвояемому разделу.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения, специальностей 180101.65 Кораблестроение, 180103.65 Судовые энергетические установки и 180403.65 Эксплуатация судовых энергетических установок, изучающие дисциплину «Основы сварки».

Ó Санкт - Петербургский государственный

университет водных коммуникаций, 2007

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Важную роль в освоении предмета студентами играет непосредственное закрепление полученных знаний на практике. Это касается теоретических положений, которые в первую очередь влияют на выбор технологии сварки. Подбор тем проведен с учетом краткого изложенного курса лекций и предполагает активное включение студентов в процессе накопления знаний и элементарных навыков по разработке технологии сварки металлов.

В каждом разделе изложены теоретические материалы, которые далее закрепляются в разработке отдельных операций или рекомендаций по технологии сварки и реализуются путем выполнения отдельных характерных операций при сварке металлов.

СВОЙСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Цель и содержание работы

Цель работы: практическое ознакомление со свойствами электрической сварочной дуги постоянного и переменного тока. Установить связь между свойствами дуги ее технологическими возможностями.

Содержание работы: изучение строения дуги, условия ее горения. Влияние условий горения дуги на ее технологические возможности. Практически опробовать различные способы повышения устойчивости горения дуги.

Основные сведения

Электрическая сварочная дуга – это мощный длительно существующий дуговой заряд в смеси газов и паров между находящимися под напряжением электродами. Отличительная особенность – низкое катодное напряжение и высокая плотность тока.

Сварка может выполняться на постоянном или переменном токе. При постоянном токе различают сварку на прямой полярности: катодом является электрод, а анодом – изделие (= -), и на обратной полярности анод – электрод, катод- изделие (= +).

Строение электронной дуги

Схема дуги постоянного тока прямой полярности приведена на рис.1 (электрод и изделие приняты неплавящимися).

Рис 1. Схема строения сварочной дуги и падения напряжения в дуге.

l- столб дуги, 2- катодное пятно, 3- прикатодная область, 4 – прианодная область, 5- анодное пятно, 6- пламя/ореол/дуги, 7 – сварочная ванна; d_к – диаметр катодного пятна, d_а – диаметр анодного пятна, d_э – диаметр электрода, l_к и l_а – длина прикатодной и прианодной областей, l_ст – длина столба дуги, l_g – длина дуги, U_g - падение напряжения в дуге.

Дуга имеет форму конуса, расширяющегося от катода к аноду и состоит из трех зон: катодного пространства, столба дуги и анодного пространства. Площадь анода, через которую проходит ток дуги, называется анодным пятном. Последнее значительно больше катодного пятна и при обратной полярности занимает всю поверхность торца электрода.

Длину дуги можно разделить на длину катодной зоны, примерно равную 10^-4 мм; длину анодной зоны l_к, примерно равную 10^-3 мм и длину столбца дуги l_ст.

Катодное пятно является источником излучения свободных электронов, т.е. его температура близка к температуре кипения металла электрода (для железа 3500⁰С).

Анодное пятно место входа и нейтрализации свободных электронов. В результате ударов потока электронов на аноде выделяется значительно больше тепла, чем на катоде. Поверхность анодного пятна имеет форму вогнутой сферы, которая называется кратером, и температура его несколько выше катодного пятна.

Столб дуги – это участок дуги, имеющий температуру 4000⁰ ÷ 14000⁰К в котором происходит перемещение электронов и ионов.

Общее падение напряжения дуги складывается из падения напряжений в отдельных ее зонах

U_g = U_к +U_ст +U_а

где : U_g – общее падение напряжения дуги в вольтах; U_к ,U_ст ,U_а – падения напряжения соответственно в катодной, анодной зонах и в столбе дуги в вольтах.

Так как падение напряжения в анодной и катодной зонах невелико: U_к = 6…8 В, U_а = 2…3 В, то подаваемого напряжения от внешнего источника расходуется на преодоление сопротивления столба дуги электрическим током.

Поэтому в дуге, горящей между плавящимися электродами, при неизменном токе напряжение, потребляемого дугой, прямо пропорционально ее длине.

U_g = a+b∙l _ст

где: а – const, равная сумме катодного и анодного падения напряжений, для одних и тех же условий сварки; b – const, равная величине напряжения, приходящегося на один мм длины столба дуги.