электрическая дуга в магнитном поле

Электрическая дуга в магнитном поле

Электрическая дуга является газообразным про­водником тока. На этот проводник, так же как на метал­лический, действует магнитное поле, создавая силу, про­порциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и переме­щает элементы дуги в пространстве.
Поперечное перемещение элементов электрической дуги создает ин­тенсивное охлаждение, что приводит к повышению гради­ента напряжения на столбе дуги.
При движении дуги в среде газа с большой скоро­стью возникает расслоение дуги на отдельные парал­лельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее проис­ходит расслоение электрической дуги.

Электрическая дуга является чрезвычайно подвижным проводником. Известно, что на токоведущую часть действуют такие силы, которые стремятся увеличить электромагнит­ную энергию контура. Поскольку энергия пропорцио­нальна индуктивности, то дуга под действием своего собственного поля стремится образовывать витки, петли, так как при этом возрастает индуктивность цепи. Эта способность дуги тем сильнее, чем больше ее длина.

Движущаяся в воздухе дуга преодолевает аэродина­мическое сопротивление воздуха, которое зависит от ди­аметра электрической дуги, расстояния между электродами, плотности газа и скорости движения. Опыт показывает, что во всех случаях в равномерном магнитном поле электрическая дуга движется с постоянной скоростью. Следовательно, электродинами­ческая сила уравновешивается силой аэродинамического сопротивления.

С целью создания эффективного охлаждения дуга с помощью магнитного поля втягивается в узкую (диаметр дуги больше ширины щели) щель между стен­ками из дугостойкого материала с высокой теплопровод­ностью. Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели градиент напряжения в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у электрической дуги, свободно перемещающей­ся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину и время гашения.

Способы воздействия на электрическую дугу в коммутационных аппаратах

Цель воздействия на столб возникающей в аппарате электрической дуги состоит в увеличении её активного электрического сопротивления вплоть до бесконечности, когда коммутационный орган переходит в изоляционное состояние. Практически всегда это достигается путем интенсивного охлаждения столба электрической дуги, уменьшения её температуры и теплосодержания, в результате чего снижается степень ионизации и количество носителей электричества и ионизированных частиц и повышается электрическое сопротивление плазмы.

Источник

ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ

электронный учебно-методический комплекс

Лекция 4


spacer

Столб дуги, представляющий собой ярко светящуюся смесь электронов, положительных ионов и возбужденных нейтральных атомов, называемую плазмой, имеет температуру до нескольких тысяч градусов. Он непрерывно теряет заряженные частицы вследствие их рекомбинации, приводящей к образованию нейтральных атомов, и диффузии в окружающую среду. При стационарном процессе убыль заряженных частиц компенсируется ионизацией в столбе дуги.

Напряжение на дуге и проводимость столба дуги зависят от значения тока. Эту зависимость при медленном изменении тока называют статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дуги. ВАХ дуги при постоянных ее длине и диаметре электродов показана на рисунке 4.2.

Характеристика состоит из трех участков токов: малых I, средних II и больших III. На первом участке увеличение тока приводит к снижению напряжения дуги, так как при этом возрастают площадь поперечного сечения столба дуги и интенсификация процессов ионизации. Это способствует росту электропроводности канала дугового разряда.

На втором участке наступает равновесие процессов ионизации и деионизации в разрядном промежутке, площадь поперечного сечения столба дуги увеличивается и напряжение ее стабилизируется, т.е. становится независящим от значения тока. На третьем участке увеличение тока приводит к росту напряжения на дуге, так как катодное пятно занимает всю площадь торцов электродов, а сопротивление канала разряда стабилизируется.

im2
Рис. 4.2
Статическая вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока

Связь общего падения напряжения UД на дуге с падением напряжения на отдельных ее элементах в области малых токов устанавливает формула Г. Айртон:

im3, (4.1)

В формуле (4.1) падение напряжения im4зависит от силы тока, что соответствует падающему характеру ВАХ. Для средних токов это слагаемое мало:

im5 (4.2)

Среда, в которой дуга горит, влияет на форму статической ВАХ. Так, в среде инертных газов даже при небольших токах характеристика дуги возрастающая. Ее применяют при сварке в среде защитных газов, плазменно-дуговых процессах.

Для маломощных дуг напряжение UП погасания несколько меньше напряжения Uз зажигания. При силе тока дуги более 100 А напряжение UП мало отличается от Uз и напряжение Uд горения практически не зависит от тока дуги, т.е. Uз

При включении индуктивности последовательно с дугой сдвигается ток относительно напряжения на угол φ (рис. 4.3, в). Изменяя значение индуктивности, можно получить такой угол сдвига фаз, что при уменьшении напряжения источника ниже напряжения горения дуги ЭДС самоиндукции, складывающаяся с напряжением источника, обеспечит напряжение, достаточное для поддержания горения дуги до тех пор, пока ток не перейдет через нулевое значение. В этот момент напряжение источника будет иметь другой знак и увеличится до значения, достаточного для зажигания дуги, т.е. ток в дуге возникает без всякого перерыва. При малом значении индуктивности появляются перерывы в горении дуги и кривая тока существенно искажается.

im6
Рис. 4.3.
Изменение тока i д и напряжения U д в контуре с активным сопротивлением маломощных (а) и мощных (б) дуг, в контуре дуги с индуктивным (в) сопротивлением

Источник питания сварочной дуги должен обеспечивать надежное зажигание дуги, ее устойчивое горение и регулирование тока.

Первоначально дуга зажигается при соприкосновении электродов, одним из которых является изделие, и при последующем их разведении. При соприкосновении электродов замыкается цепь источника питания, ток которого расплавляет и испаряет металл в месте контакта. При последующем отрыве электрода от изделия в пространстве, заполненном ионизированными газами и парами металла, под действием Напряжения источника возникает электрическая дуга. Она зажигается легче при высоком напряжении источника. Чтобы обеспечить надежное зажигание, напряжение холостого хода источника питания должно быть больше напряжения зажигания дуги. В то же время напряжение холостого хода должно быть безопасным для сварщика.

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006

Источник

Adblock
detector
1,25 Iк/ Iк 2 дуги источник питания должен иметь еще более крутопадающую внешнюю характеристику 1. Равенство токов и напряжений дуги и источника в этом случае будет в точках А и В. Из них только точка А соответствует устойчивому горению дуги.

В статическом состоянии баланс напряжений в сварочной цепи имеет вид

im8, (4.4)

При изменении тока в сварочной цепи баланс мгновенных напряжений выглядит следующим образом:

im9, (4.5)

ЭДС самоиндукции контура с дугой

im10 (4.6)

В точке В при увеличении тока I1 на Δ IYL(di/dt)>0. Так как L>0, то di/dt >0, то в результате ток в цепи будет продолжать расти до значения Iа. При уменьшении тока и Δ IYL(di/dt) di/dt В неустойчивый.

Иначе обстоит дело в точке А. Если ток I2 возрастет на ΔI то в соответствии с уравнением (4.6) L(di/dt) 0 и di/dt I2. При снижении тока I2 на Δ IYL(di/dt)>0 и di/dt>0, вследствие чего ток возрастает до прежнего значения I2, т.е. дуга горит устойчиво.

При жесткой статической ВАХ устойчивое горение дуги обеспечивается при использовании источников питания с круто- и пологопадающей внешней характеристикой. При возрастающей статической ВАХ дуги применяют источники с жесткими внешними характеристиками.

Сварочный ток при питании дуги от источника с падающей ВАХ можно регулировать, изменяя полное сопротивление цепи дуги, ее длину, напряжение холостого хода источника питания.

При изменении полного сопротивления цепи дуги (рис. 4.6) можно уменьшать сварочный ток от номинального значения до значения, соответствующего пересечению статической ВАХ дуги и внешней характеристики источника. При большом полном сопротивлении цепи дуга вообще гореть не будет, так как для любого значения тока напряжение питания будет меньше напряжения, необходимого для горения дуги.

im12
Рис. 4.6.
Регулирование тока (а) изменением полного сопротивления цепи дуги, напряжения (б) холостого хода, длины (в) дуги

При уменьшении напряжения холостого хода источника его внешние характеристики смещаются влево (рис. 4.6, б) и пересекаются со статической ВАХ дуги при меньших значениях тока. Очевидно, что снижать напряжение холостого хода источника можно до значений, при которых обеспечивается зажигание дуги. При увеличении ее длины статические ВАХ смещаются вверх, а точки их пересечения с внешней характеристикой источника будут соответствовать меньшим значениям тока (рис. 4.6, в). При черезмерном увеличении длины дуга погаснет.

Кроме основных требований по обеспечению надежного зажигания, устойчивости горения и регулирования сварочного тока, которые являются общими для всех источников питания сварочной дуги, к источникам переменного тока предъявляются дополнительные требования. Они связаны с их динамическими свойствами, т. е. способностью восстанавливать напряжение в соответствии с изменившимся током. Так, при погасании дуги напряжение должно быстро восстанавливаться до значения зажигания, так как в противном случае повторного зажигания может не произойти и в горении дуги наступят значительные перерывы. Для надежного повторного зажигания дуги переменного тока необходимо увеличивать сварочный ток и напряжение холостого хода источника, а также использовать источники с большой индуктивностью.

От динамических свойств источников переменного тока зависит качество сварочного шва. Быстрое нарастание тока короткого замыкания при касании каплей электродного металла шва приводит к ее разбрызгиванию и ухудшению качества сварочных работ. Для устранения этого в сварочную цепь последовательно с дугой включают дроссель или применяют источники с крутопадающими характеристиками.

Швы сварных соединений в зависимости от взаимного расположения деталей подразделяют на стыковые, угловые, тавровые и нахлесточные форма и размеры шва зависят от режима сварки. При ручной дуговой сварке основными параметрами режима являются диаметр электрода, значения тока и напряжения, род и полярность тока скорость сварки.

При выборе значения сварочного тока необходимо помнить, что с его увеличением возрастает количество выделенной теплоты и повышается давление дуги. При этом глубина провара возрастает. Большой ток повышает скорость плавления электрода и приводит к образованию швов с повышенной напряженностью металла.

Значение сварочного тока определяется также видом соединения: тавровые и нахлесточные соединения выполняют большим током по сравнению со стыковым.

Если для работ используют электроды диаметром 1,5. 6 мм, что соответствует толщине свариваемого металла 0,5. 10 мм, значение рабочего тока ориентировочно можно определить по формуле

dэл, мм 1…2 3…4 5…6
К, А/мм 25…30 30…45 45…60

С уменьшением диаметра электрода при неизменной силе тока возрастает плотность тока. стабилизируется перемещение.

— способствует улучшению устойчивости горения дуги из-за меньшего катодного падения напряжения, чем в воздухе;

— из-за меньшей теплопроводности аргона уменьшаются тепловые потери столба дуги, что также приводит к увеличению устойчивости горения дуги;

— при разряде в аргоне происходит катодное распыление металла, что приводит к его очистке, в частности от оксидов, например от оксида алюминия и улучшению качества шва.

Технические данные аппаратов для аргонодуговой сварки приведены в таблице 4.2. При горении дуги возникает термоэмиссия с катода.

Тип аппарата Основное назначение Толщина детали, мм Род тока Номин ток, А Диаметр электрода, мм
УДАР-300 Сварка алюминиевых сплавов 1-12 500 2-10
АГВ-2 Автоматическая сварка различных металлов 0,8-16 = 400 2-6
АВТ Автоматическая сварка труб из нержавеющей стали 0,5-10 = 250 1-3

Это явление нежелательное, поэтому для увеличения тепловой мощности дуги применяют обратную полярность. Кроме того, при прямой полярности расплавленная ванна металла покрывается пленкой окиси, что препятствует сплавлению деталей. Поэтому аргонодуговую сварку ведут на переменном токе или на постоянном токе обратной полярности. При сварке на переменном токе в схему включается осциллятор для облегчения зажигания дуги и для повышения устойчивости ее горения.

Аргонодуговая сварка производится с плавящимся и неплавящимся вольфрамовым электродом. Чаще используется неплавящийся вольфрамовый электрод. При работе на постоянном токе применяются обычные сварочные генераторы с баластными реостатами РБ-200, РБ-300, включаемыми последовательно в сварочную цепь для регулирования сварочного тока при малых значениях и для обеспечения устойчивости горения дуги. Максимальный сварочный ток некоторых горелок составляет А) ГРАД-200-250, ГРАД-400-400, ЭЗР-3-58-100, АР-10 малая-120, АР-10 большая-400. Напряжение холостого хода 130-200В.

Сущность этого метода заключается в том, что в зону сварки с постоянной скоростью подается электродная проволока диаметром 0,5-2 мм в струе углекислого газа (рис. 4.7). Роль углекислого газа состоит в защите расплавленного металла от окружающей среды. С целью уменьшения окисляющего действия углекислого газа электродная проволока имеет повышенное содержание раскисляющих элементов (марганца, кремния).

Данный способ сварки особенно эффективен для сварки металлов небольших толщин порядка 1-2 мм и особенно для швов сложной конфигурации, так как их сварка другими способами, например под флюсом, затруднена или вообще невозможна закрытия шва слоем флюса.

Сварка в углекислом газе выполняется в полуавтоматическом ил» автоматическом режиме. Для этого используются источники постоянного тока:

— генераторы типа ГРС.

Горелки для полуавтоматической сварки бывают двух типов:

— для сварки на малых токах без водяного охлаждения (до 300 А).

— для сварки на больших токах с водяным охлаждением. Для сварки используется углекислый газ, получаемый из углекислоты, транспортируемой в черных баллонах с желтой надписью «СО 2 сварочный» емкостью 40 л, в который заливается 12,7 м 3 углекислоты, дающей при испарении 25 кг углекислого газа. Если использовать пищевую углекислоту, то ее необходимо осушать, для этого между баллоном и редуктором устанавливается осушитель газа.

Наилучшие результаты получаются при сварке различных видов сталей и особенно при работе на постоянном токе обратной полярности. В этом случае уменьшается разбрызгивание металла, уменьшается устойчивость горения дуги.

Принцип данного вида сварки заключается в том, что расплавление электродного металла и свариваемых деталей осуществляется за счет протекания электрического тока через расплавленный флюс (шлак), обладающий электропроводностью. Этот вид обеспечивает сварку деталей большой толщины, доходящей до 2.5м, что невозможно осуществить другими способами сварки.

Свариваемые детали заключаются в медные водоохлаждаемые ползуны и нижнюю (начальную)и верхнюю(конечную) планки, служащие одновременно для начала и окончания шва. Шлаковая ванна формируется внизу, в колодце, образованном свариваемыми деталями, держателями и нижней планкой. По мере сваривания деталей медные держатели поднимаются вверх со скоростью, равной скорости образования шва.

Электроды могут быть проволочными, пластинчатыми или ленточными. Может быть один или несколько электродов. Наиболее распространенные аппараты с одним и тремя электродами, хотя могут быть (и имеются) аппараты с 9 и 18 электродами. Данные некоторых аппаратов электрошлаковой сварки приведены в таблице 10-3.

Принцип электронно-лучевой сварки заключается в концентрированном нагреве соединяемых деталей за счет использования кинетической энергии ускоренных электронов в высоком вакууме. В результате бомбардировки электронным пучком кинетическая энергия превращается в теплоту, используемую для осуществления сварки плавлением.

Для осуществления этого вида сварки необходимо получить свободные электроны, сфокусировать их в тонкий пучок и ускорить до необходимой энергии. Все это осуществляется в устройстве, называемом электронной пушкой. Свободные электроны получаются из накаленного катода, а ускорение осуществляется при прохождении электронами электрического поля высокой напряженности между катодом и анодом. Фокусировка пучка осуществляется специальной магнитной линзой, а его отклонение в заданном направлении или сканирование по определенной программе осуществляется отклоняющими катушками.

Технические характеристики аппаратов электрошлаковой сварки

Этот способ сварки имеет ряд существенных достоинств перед другими, главными из которых являются следующие:

1. Плотность поступающей в зону энергии можно очень точно регулировать, что позволяет широко варьировать глубину провара толщину свариваемых изделий.

2. Возможна сварка деталей любой конфигурации, поскольку электронный луч легко управляется с помощью электрических и магнитных полей, то возможна сварка деталей любой конфигурации.

3. Околошовная зона имеет очень незначительную толщ] поэтому при сварке практически не происходит нагрев свариваемых деталей.

4. Возможность фокусировки пучка электронов до микрон) размеров позволяет использовать этот вид сварки для целей микроэлектроники, радиотехники.

5. Сварка в вакууме исключает любое окисление свариваемых. деталей. Это позволяет соединять детали из весьма тугоплавких материалов, таких как молибден, вольфрам, что недоступно для других способов сварки.

Недостатком данного способа является наличие вакуумных насосов и вакуумных систем, а также сложность устройства и технологии, ] требует высококвалифицированного обслуживающего персонала.

Параметры некоторых типов установок для электронно-лучевой сварки приведены в таблице 44.

Тип установки Диаметр камеры Длина камеры U кв, В I, мА
ЭЛУ4
Общие виды сварки
700 1200 60 35
У-74:
Сварка труб
800 1000 40 75
У-101
Сварка труб
500 500 25 500

Конструкционной основой электронно-лучевой сварки являете вакуумная камера на которой сверху монтируется электронная пушка.

Ток пучка, а значит и мощность нагрева можно регулировать как изменением тока накала катода и плотности тока ускоренных электронов, а также ускоряющим напряжением. Катоды пушек могут быть прямонакаленные вольфрамовые в виде спиралей или нитей или подогревные, состоящие из подогревного катода и подогревной таблетки. Подогревные катоды обычно изготавливаются из гексаборида лантана, дают значительно большую плотность тока, чем прямонакальные. Но они более сложны в изготовлении.

Для создания потока ионизированных частиц используется дуговой разряд между двумя электродами в продуваемом инертными газами канале, стенки которого охлаждаются водой. За счет охлаждения внешней части плазменного столба, он концентрируется в центре канала, что приводит к высокой степени ионизации газа и концентрации в нем большой энергии. Эта энергия и используется для сварки или резки металлов.

Источниками питания плазменного сварочного аппарата являются сварочные генераторы постоянного тока или сварочные выпрямители. Возбуждение дугового разряда осуществляется осциллятором, включаемым параллельно источнику тока, а регулирование сварочного тока осуществляется балластным сопротивлением, включаемым последовательно источнику тока.

Плазменная струя нашла наиболее широкое применение для резки металлов, не поддающихся обычным способам резки, например, для резки нержавеющей стали, меди, алюминия, керамики. Обычно используется смесь аргона с водородом, концентрация которого может достигать 30%. Плазменной струей можно сваривать металлы и неметаллы, а также их сочетания. В таблице 4.5 приведены параметры установок плазменной сварки.

Контактная сварка или сварка сопротивлением.

Этот вид сварки относится к одной из разновидностей сварки давлением, при которой детали механически сжимаются для получения соединения и в месте стыка каким-то образом подводится энергия, используемая для разогрева свариваемых деталей. При контактной сварке или сварке сопротивлением энергия выделяется за счет пропускания тока через свариваемые детали и выделения тепловой энергии на большом сопротивлении контакта. Если сами детали не являются практически сопротивлением электрическому току, то место стыка представляет большое сопротивление и вся выделяемая на нем тепловая энергия идет на разогрев деталей.

Контактная сварка бывает трех разновидностей, определяемых геометрией шва и электродов: стыковая, точечная, роликовая. На рис. 10-6 показаны эти типы сварки. Во всех случаях переходное сопротивление контакта может быть определено выражением

im14 (4.8)

im15 (4.9)

При Т близкой к комнатной К т можно принять равным единице.

АL-АL-0,006; Сu-Сu-0,0004; АL-Сu-0,001 сталь-сталь-0,0076; Аg-Аg-0,0006; латунь-латунь-0,00067

im17
Рис. 4.9
Зависимость усилия сжатия от температуры разогрева при стыковой сварке малоуглеродистой стали

1. Как формируются падающие характеристики в сварочном трансформаторе?

2. Перечислите способы регулирования сварочного тока.

3. Какие величины определяют из опытов холостого хода и короткого замыкания?

4. Назовите способы сварки сварочными трансформаторами.

5. Как осуществляется плавное регулирование сварочного тока?

6. Каким должно быть безопасное напряжение для работы сварщика?

7. Для каких целей при сварке необходимо регулирование сварочного тока?

spacer nazad spacer

spacer back spacer

spacer top1 spacer

spacer spacer