Что такое электрическая дуга и как она возникает

Особенности

Будучи сопоставлена с другими видами электроразрядов, электрическая дуга демонстрирует следующие от них отличия:

  • Большая плотность тока (до тысяч А/см2) дает возможность развивать высокие температуры (до нескольких 1000 °С).
  • Неравномерность падения напряжения вдоль столба разряда. В анодной и катодной зоне оно весьма высоко, по всей длине столба — пренебрежимо мало.
  • Температура, развиваемая в зоне разряда, обратно пропорциональна ее толщине.
  • Многовариантность режимов работы при использовании различных участков вольтамперной характеристики.

На сегодняшний день сварочная дуга является самым быстрым, надежным и доступным методом создания неразъемных соединений металлических деталей и конструкций.

Электросварка стала и самым распространенным способом соединения. Она применяется в самых разных отраслях человеческой жизни, строительства, промышленности и транспорта.

Сварка TIG

Для получения качественных, прочных и долговечных швов необходимо точно подбирать рабочие режимы, определяющие основные свойства дугового разряда. Современное сварочное оборудование позволяет автоматически поддерживать эти параметры, облегчая работу оператора.

Сварочные аппараты «Дуга»

Надежность соединения зависит от следующих особенностей оборудования:

  • качества сборки;
  • встроенной электроники;
  • используемой оснастки.

Хороший аппарат стоит дорого, а дешевый не позволяет получить аккуратный и прочный шов. Оборудование марки «Дуга» лишено обоих недостатков. Оно имеет доступную стоимость, но только за счет упрощения конструкции, а не потери качества. Производитель не стал оснащать аппараты дорогим инвертором. Он взял за основу трансформаторное изделие и внес ряд усовершенствований, назвав конечный результат «сварочным выпрямителем». Получился простой в использовании агрегат средней мощности, предназначенный для работ в быту на постоянном токе.

Наиболее востребованы 2 модели:

  • 318МА;
  • 318М1.

Первая характеризуется следующим образом:

  1. Сварочный ток — до 160 А.
  2. Тип электрода — плавящийся или вольфрамовый с подачей аргона и других защитных газов.
  3. Питание — от сети 220 В или генератора.
Как научиться держать сварочную дугу?Видео для начинающих сварщиковКак научиться держать сварочную дугу?Видео для начинающих сварщиков

Модель «Дуга 318М1» позиционируется как полупрофессиональная.

Ее параметры:

  1. Сварочный ток — до 300 А со ступенчатой регулировкой.
  2. Разновидность расходников — плавящиеся с покрытием, диаметром до 6 мм.
  3. Питание — сеть 220 В (включается в розетку).
  4. Охлаждение — принудительное.

Возможно производство следующих видов работ:

  1. Сварка деталей из нержавеющей стали.
  2. Резка металлов.
  3. Наплавка.

Недостаток аппаратов «Дуга» — большие габариты и вес (50 кг).

Особенности

Она имеет следующие особенности по сравнению с другими электрическими зарядами:

  • Высокая плотность тока, которая достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр, благодаря чему достигается очень высокая температура;
  • Неравномерность распределения электрического поля в пространстве между электродами. Вблизи электродов падение напряжения очень велико, когда в столбе – наоборот;
  • Огромная температура, которая достигает самых больших значений в столбе из-за высокой плотности тока. При увеличении длины столба температура уменьшается, а при сужении – наоборот увеличивается;
  • С помощью сварочных дуг можно получать самые различные вольт-амперные характеристики – зависимости падения напряжения от плотности тока при постоянной длине, то есть установившемся горении. На данный момент существует три вольтамперные характеристики.

Первая – падающая, когда при увеличении силы и ,соответственно, плотности тока, напряжение падает. Вторая- жесткая, когда изменение силы тока никак не влияет на значение величины напряжения итретья – возрастающая, когда при увеличении силы тока напряжение также увеличивается.

Таким образом, сварочную дугу можно назвать самым лучшим и надежным способом скрепления металлических конструкций. Сварочный процесс оказывает большое влияние на сегодняшнюю промышленность, потому что только высокая температура сварочной дуги способна скреплять большинство металлов. Для получения качественных и надежных швов необходимо правильно и верно учитывать все характеристики дуги, следить за всеми значениями, благодаря этому процедура пройдет быстро и наиболее эффективно. Также необходимо учитывать свойства дуги: плотность тока, температуру и напряжение.

Литература

  • Дуга электрическая — статья из Большой советской энциклопедии. 
  • Искровой разряд — статья из Большой советской энциклопедии. 
  • Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. — ISBN 5-02014615-3.
  • Родштейн Л. А. Электрические аппараты, Л 1981 г.
  • Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milián, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, François (2015-06-01). «Laser-assisted guiding of electric discharges around objects». Science Advances 1 (5): e1400111. Bibcode:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375—2548.

Физические явления

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 — 5 В, а напряжение дугообразования — в два раза больше (9 — 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона — до 6 В).

Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь. Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых при коммутации электрической цепи неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами.
Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Строение дуги

Строение электрической дуги. 1-анодная область, 2-область дуги и защитного газа, 3-дуга, 4-катодные пятна, 5-катодная область

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области — около 0,0001 мм.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги — от 7 000 до 18 000°С, в области катода — 9000 — 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине.

Сварочные дуги классифицируют по:

  • Материалам электрода — с плавящимся и неплавящимся электродом;
  • Степени сжатия столба — свободную и сжатую дугу;
  • По используемому току — дуга постоянного и дуга переменного тока;
  • По полярности постоянного электрического тока — прямой полярности («-» на электроде, «+» — на изделии) и обратной полярности;
  • При использовании переменного тока — дуги однофазная и трехфазная.

Саморегулирование дуги

При возникновении внешнего возмущения — изменения напряжения сети, скорости подачи проволоки и др. — возникает нарушение в установившемся равновесии между скоростью подачи и скоростью плавления. При увеличении длины дуги в цепи уменьшаются сварочный ток и скорость плавления электродной проволоки, а скорость подачи, оставаясь постоянной, становится больше скорости плавления, что приводит к восстановлению длины дуги. При уменьшении длины дуги скорость плавления проволоки становится больше скорости подачи, это приводит к восстановлению нормальной длины дуги.

На эффективность процесса саморегулирования дуги значительно влияет форма вольт-амперной характеристики источника питания. Большое быстродействие колебания длины дуги отрабатывается автоматически при жестких ВАХ цепи.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Напряжение дуги увеличивается с увеличением длины дуги, при этом становится больше ширина шва и несколько уменьшается глубина проплавления.  

Форма статической ( вольт-амперной характеристики дугиз.  

Напряжение дуги зависит от величины сварочного тока и длины дуги. Эта зависимость называется статической ( вольт-амперной) характеристикой дуги. На рис. 24 приведены примерные формы статических характеристик дуг длиной 2 и 3 мм. Как видно из кривых, напряжение дуги резко падает при небольших значениях тока. Для больших токов, которые обычно применяются при автоматической сварке, напряжение дуги не зависит от тока, а определяется только длиной дуги.  

Напряжение дуги изменяется пропорционально длине дуги. С увеличением длины дуги повышается ее напряжение и возрастает доля тепла, идущая на плавление флюса и металла. В результате этого ширина шва увеличивается, а глубина провара и высота усиления уменьшаются.  

Напряжение дуги зависит от ее длины: чем длиннее дуга, тем выше в ней напряжение. С увеличением напряжения дуги увеличивается ширина шва и уменьшается глубина провара. Напряжение дуги автоматически устанавливается в зависимости от выбранной величины сварочного тока при данной длине дуги.  

Характеристика сварочных тракторов.  

Напряжение дуги активизирует катушку реле напряжения РНЗ-1. Реле напряжения срабатывает: три нормально разомкнутых контакта включают трехфазный мотор М перемещения трактора, а нормально замкнутый контакт разомкнет щетки мотора УМ — 22, якорь которого получит нормальное питание от потенциометра R — Rz и изменит направление своего вращения. С этого момента начинается установившийся процесс работы схемы при сварке: трактор передвигается вдоль свариваемого изделия, а электродная проволока подается в зону горения сварочной дуги.  

Напряжение дуги при установившемся режиме не зависит от силы тока, а зависит только от длины дуги, которая при сварке плавящимся электродом может многократно меняться, что связано в значительной степени с процессами плавления и переноса металла ( см. гл.  

Процесс отключения корот-козамкнутой цепи постоянного тока.  

Напряжение дуги увеличивается линейно до максимального значения и далее остается неизменным до момента погасания дуги.  

Напряжение дуги ограничивается условием электрической прочности оборудования. При срабатывании автомата напряжение на кольцах ротора ы / U — ия не должно превышать половины амплитуды испытательного напряжения ротора.  

Напряжение дуги является очень важным элементом режима сварки.  

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

3245

Закладки

Последние публикации

Умные розетки EKF сделают бытовые устройства управляемыми

Вчера, в 23:46

13

Управляемые удлинители для умного дома от EKF

Вчера, в 23:45

13

Однофазные многотарифные счетчики электроэнергии SKAT 115 от EKF

Вчера, в 23:44

13

Новые модемы EKF для беспроводной передачи данных

Вчера, в 23:42

14

Новые компактные миниклеммы STB от EKF для проводников разных сечений

Вчера, в 23:42

13

Расширение линейки ЯТП от EKF с тремя автоматическими выключателями

Вчера, в 23:41

14

Официальный мерч EKF для электриков

Вчера, в 23:40

14

Обучение EKF в феврале

Вчера, в 23:39

15

«ЗЭТО» продолжает совершенствовать выпускаемую продукцию

Вчера, в 11:32

29

Промышленный контроллер Devlink-С1000 сертифицирован в Республике Казахстан

3 февраля в 18:23

39

Самые интересные публикации

Новая газотурбинная ТЭЦ в Касимове выдаст в энергосистему Рязанской области более 18 МВт мощности

4 июня 2012 в 11:00

160795

Выключатель элегазовый типа ВГБ-35, ВГБЭ-35, ВГБЭП-35

12 июля 2011 в 08:56

36113

Выключатели нагрузки на напряжение 6, 10 кВ

28 ноября 2011 в 10:00

24481

Элегазовые баковые выключатели типа ВЭБ-110II

21 июля 2011 в 10:00

16570

Признаки неисправности работы силовых трансформаторов при эксплуатации

29 февраля 2012 в 10:00

15061

Распределительные устройства 6(10) Кв с микропроцессорными терминалами БМРЗ-100

16 августа 2012 в 16:00

14982

Оформляем «Ведомость эксплуатационных документов»

24 мая 2017 в 10:00

13632

Правильная утилизация батареек

14 ноября 2012 в 10:00

13477

Проблемы в системе понятий. Отсутствие логики

25 декабря 2012 в 10:00

11352

Расчет сетей по потерям напряжения

27 февраля 2013 в 10:00

9549

Условия гашения дуги постоянного тока

Для
того чтобы погасить электрическую дугу
постоянного тока, необходимо создать
такие условия, при которых процессы
деионизации дугового промежутка
превосходили бы процессы его ионизации.
Если параметры цепи постоянны, то
уменьшение ионизации дугового промежутка
ведет к увеличению сопротивления дуги
и уменьшению тока. В результате этого
дуга начинает гореть неустойчиво.

В
момент погасания дуги напряжение на
дуговом промежутке соответствует
напряжению гашения. Это напряжение
зависит от интенсивности деионизации
дугового промежутка. С усилением
деионизации растет сопротивление дуги,
быстро уменьшается ток и к концу гашения
дуги напряжение на контактах резко
возрастает. Поэтому при отключении
цепей постоянного тока возникают
значительные перенапряжения. Величина
их зависит от индуктивности цепи и
быстроты гашения дуги. Перенапряжение
растет с увеличением скорости изменения
тока и зависит от индуктивности цепи
L.

При
отключении цепей постоянного тока
напряжение на дуговом промежутке в
момент погасания дуги может в несколько
раз превысить напряжение источника
тока. Эти перенапряжения опасны не
только для цепи тока, но и гасящих сред,
имеющих высокое напряжение гашения.
Поэтому при отключении цепей постоянного
тока не применяются также среды,
напряжение гашения которых велико,
например масло. Масляные выключатели
не применяются для размыкания цепей
постоянного тока.

Для
уменьшения перенапряжения применяют
различные способы шунтирования
индуктивностей цепи активными
сопротивлениями, емкостями и вентилями.
Это уменьшает перенапряжение и облегчает
процесс гашения дуги.

В
процессе гашения дуги в дуговом промежутке
выделяется определенное количество
энергии. Величина энергии в основном
определяется током цепи, напряжениями
цепи и дуги, сопротивлением дуги, временем
ее горения и постоянными дугогасительных
устройств. В дуге постоянного тока при
ее гашении выделяются энергия магнитного
поля, запасенная цепью в начальный
момент отключения, и энергия, поступающая
от генератора за время горения дуги, за
вычетом потерь в цепи. Отсюда следует,
что чем больше индуктивность цепи, тем
больше в ней запас энергии магнитного
поля и тем труднее погасить дугу
постоянного тока. В устойчиво горящей
дуге вся выделяющаяся в ней энергия
поступает от генератора. Энергия,
выделяемая в дуге, расходуется на
нагревание дугового промежутка и
частично рассеивается в окружающей
среде.

Гашение
дуги происходит в том случае, если
температура дугового промежутка будет
падать. Это условие выполняется при
отрицательном энергетическом балансе
дуги, т. е. когда количество тепла,
отводимое от дуги, больше количества
энергии, подводимой к дуге в процессе
ее гашения.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70…80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой. В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем. В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Популярные марки электродов

Как мы упоминали ранее, зачастую для сварки алюминия используют угольный электрод. Но помимо него есть ряд марок, не менее популярных у начинающих и опытных сварщиков. Итак, какие можно использовать электроды для сварки алюминия своими руками?

Стержни марки ОК

Эти электроды изготавливает компания ESAB и маркировка OK является их особенностью. Мы рекомендуем использовать модели 96.10, 96.20 и 96.50. Да, они не являются универсальными, но с их помощью можно сварить технический алюминий или алюминиевые сплавы на основе марганца. Эти электроды по алюминию для сварки в домашних условиях показали себя с положительной стороны, но учтите, что за ними необходим особый уход и строгое соблюдение срока годности.

Стержни марки ОЗА

Такие электроды для сварки алюминия своими руками в принципе можно сделать, поскольку в их основе простая алюминиевая проволока. Эти стержни используются для сварки чистого алюминия или его кремниевых сплавов.

Стержни марки УАНА

Это очень узконаправленные стержни, используемые для сварки литейных алюминиевых сплавов. Их практически не используют при домашней сварке, но мы не могли ни включить их в наш список.

Стержни марки ЭВЧ

ЭВЧ — это вольфрамовые электроды, их нужно использовать при сварке аргоном. Сложно сделать такие электроды по алюминию своими руками, но если у вас есть возможность приобрести их, то обязательно попробуйте в своей работе. Да, с их помощью сложно правильно зажечь дугу, и профессионалы часто не рекомендуют такие электроды. Но если вы научитесь держать дугу с такими стержнями, то и со всеми остальными у вас не будет проблем.

Температурные зоны

Следует заметить, что при любом виде сварки, как плавящимся, так и неплавящимся электродом, столб дуги (его центр) имеет самую высокую температуру – порядка 5000-7000 °C, а иногда и выше.

Зоны наиболее низкой температуры располагаются в одной из активных областей, катодной или анодной. В этих зонах может выделяться 60-70% тепла дуги.

Кроме интенсивного повышения температуры заготовки и сварочного электрода, разряд излучает инфракрасные и ультрафиолетовые волны, способные оказывать вредное влияние на организм сварщика. Это обусловливает необходимость применения защитных мер.

Что касается сварки переменным током, понятие полярности там не существует, так как положение анода и катода изменяется с промышленной частотой 50 колебаний в секунду.

Дуга в этом процессе обладает меньшей устойчивостью по сравнению с постоянным током, ее температура скачет. К преимуществам сварочных процессов на переменном токе, можно отнести только более простое и дешевое оборудование, да еще практически полное отсутствие такого явления, как магнитное дутье, о котором сказано выше.

Что это такое?

Сварочной дугой называют энергетический электрозаряд между электродами, который имеет длительную продолжительность и большое количество выделяемой энергии, ему характерна разница потенциалов, что возникает в среде газов. Определение данного понятия также свидетельствует о том, что металл с высокой плотностью электрического напряжения нагревается с высокой скоростью, изначально становясь пластичным, а в последующем готовым к плавке.

Максимальным показателем температуры, которую может достичь электрическая дуга, принято считать не более 7000 градусов по Цельсию. На практике в сварке известно, что таким образом обрабатываются металлы, которым присуще свойство плавки при температурном показателе более 3000 градусов. Согласно теоретическим данным о свойствах и строении данного электрического заряда он имеет вид проводника, в основе которого ионизированный газ. Он состоит из частей, зон, которые выделяют большой объем тепловой энергии во время протекания по ним тока.

Во время поджига дуги происходит создание гальванической цепи. В этом процессе принимает участие пара электродов, что представляют собой совокупность анода, катода, а также ионизированного газа. При протекании ток способствует нагреванию, свечению. Последнее обусловлено фотонным излучением.

При построении сварочных цепей не обойтись без участия таких областей:

  • анодной;
  • катодной;
  • столба дуги, который имеет длину от 4 до 6 миллиметров.

На первых участках происходит возникновение активных пятен, также осуществляется максимальный спад напряжения и нагревание. Во время действия электрической дуги наблюдается не только повышенная температура, но и ультрафиолетовое излучение.

Благодаря вольт-амперной характеристике определяют мощность напряжения дуги, которая напрямую связана с источником питания. От того, какой будет мощность сварочной дуги, зависит множество иных факторов, например ее длина. Характеризуясь одинаковыми параметрами источников электричества, у дуги с большей длиной будет выше мощность.

Сварочную дугу используют при стандартном процессе сваривания, при этом она характеризуется простотой проведения процедуры. Помимо этого, данный энергетический электрозаряд нашел свое применение в газовой сварке полуавтоматического типа. В этом случае на дугу подают сварочную проволоку, что способствует расплавлению материала.

Также дуги используются в автоматах, которые считаются довольно простыми в создании, и поэтому распространены в промышленном производстве. В данном случае могут использоваться как плавкие, так и неплавкие электроды. Ручная дуговая сварка работает с обычной конструкционной сталью, при этом она обеспечивает стабильность горения и надежность швов.

Мощность сварочных дуг имеет прямую зависимость от следующих факторов:

  • длины сварочной электрической дуги – она также способна определять объем тепла, что выделяется во время горения;
  • силы тока – большая сила тока препятствует угасанию длинной дуги;
  • напряжения – при повышении напряжения в небольшом диапазоне мощность возрастает.

Вольт-амперная характеристика энергетического электрозаряда – это график, который выражает зависимость напряжения от смены тока. Данный показатель может иметь такие виды:

  • нисходящий, который снижается при росте напряжения;
  • стабильный, который не меняется при смене силы тока;
  • восходящий, растущий при повышении силы тока, он обычно используется в сварках-автоматах.

По сравнению с другими электрическими зарядами дуге характерны такие особенности:

  • высокая плотность тока;
  • неравномерное падение напряжения вдоль по разрядному столбу;
  • обратная пропорциональность температуры относительно ее толщины;
  • большое число вариантов рабочего режима.

Электросварку можно назвать самым быстрым и при этом надежным вариантом неразъемного соединения деталей металлической конструкции. Ее можно применять в самых разнообразных сферах человеческой жизни, начиная от строительства и заканчивая транспортом.

Условия горения

В нормальных условиях, при обычном давлении и температуре 20 °С газы, и прежде всего — воздух не являются проводниками. Чтобы они смогли проводить электричество, нужно создать особые условия: высвободить с атомных орбит большое количество ионов. Такой процесс называют ионизацией.

Работу, затрачиваемую на высвобождение одного электрона, называют потенциалом ионизации. Для различных материалов она составляет он 3,5 до 20 электрон-вольт. Наименьший потенциал характерен для щелочных элементов: калия, кальция и их соединений. Эти вещества добавляют в обмазку электродов или сварочную проволоку с целью поддержания стабильных параметров разряда. Добавляют их и в состав флюсового порошка для закрытого типа сварки.

Для обеспечения высокого качества сварного соединения необходимо поддерживать стабильные параметры электродуги, такие, как сила тока, напряжение, температура.

Температура определяется следующими факторами:

  • Материал катода.
  • Размеры катода.
  • Условия окружающей среды.

Распределение температуры дуги

Постоянство параметров тока — напряжение и сила — обеспечивается источником тока. Для сварочных работ разработано большое количество конструкций таких источников – от устаревших громоздких сварочных трансформаторов и выпрямителей до современных инверторов и полуавтоматов.

Природа возникновения явления

Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:

  1. Сварщик на долю секунды касается электродом металлической заготовки.
  2. В момент контакта происходит короткое замыкание, сопровождающееся протеканием тока большой силы и, как следствие, мощным выделением тепла.
  3. Металл в точке прикосновения плавится. Он становится вязким, тягучим.
  4. В момент отрыва расходника от заготовки за ним тянется капля расплава.
  5. Удлиняясь, она утоньшается с образованием т.н. шейки. В какой-то момент та испаряется и превращается в облако заряженных частиц. Одновременно вследствие высокой температуры в данной зоне ионизируется воздух или защитный газ.
  6. Под действием электрического поля носители отрицательного заряда устремляются к аноду, положительного — к катоду. Начинается процесс протекания тока в плазме.


В момент контакта происходит короткое замыкание, металл в точке прикосновения плавится.

Каждый этап длится миллисекунды, разряд возникает практически мгновенно. Далее ток поддерживается эмиссией электронов на катоде. По пути к аноду они ионизируют газ и пары металла, увеличивая число свободных носителей заряда.

При каких условиях начинается горение

Электрическая сварочная дуга возникает при силе тока от 10 до 1000 А и разности потенциалов 15-40 В. В холодном воздухе розжиг затрудняется, поскольку тот слабо ионизируется. В таких условиях прогревают заготовку либо подают теплый защитный газ.

Источники питания дуги

Для создания разряда используют и постоянное, и переменное напряжение. В первом случае сварной шов получается более качественным, а металл разбрызгивается меньше.

Ток из сети 220 В преобразуется трансформатором, дающим на выходе 15-40 В.

С целью уменьшения его габаритов в современных сварочных аппаратах используют схему, состоящую из таких узлов:

  1. Входного выпрямителя.
  2. Инвертора — электронного устройства с быстропереключающимися транзисторами, управляемого микросхемой.
  3. Трансформатора.
  4. Выходного выпрямителя.


Инвертор является источником питания дуги.

Инвертор превращает постоянный ток в переменный с частотой до 80 кГц. Это позволяет не только уменьшить размеры трансформатора, но и повысить КПД аппарата.

Параметры источника подбирают с учетом способа выполнения работ. Например, при ручной сварке длина дуги колеблется, поэтому нужен аппарат с крутопадающей вольт-амперной характеристикой. Благодаря ему разряд при растягивании не гаснет, а при его укорочении ток не становится слишком большим.

При сварке плавящимся электродом с него стекают на заготовку капли металла. В такие моменты возникает ток короткого замыкания, превышающий дуговой на 20%-50%. Он пережигает образовавшийся металлический мостик, и плазменный разряд образуется снова. Эти колебания происходят в короткие моменты времени, поэтому источник должен быстро реагировать на них, стабилизируя разность потенциалов.

Чем и как определяется мощность

Плазма представляет собой проводник с протекающим по нему электрическим током. Значит, на вопрос о том, чем определяется мощность сварочной дуги, дается тот же ответ, что и для любого резистора: напряжением и амперажем. Скорость выделения тепла равна произведению этих величин.


Мощность варьируют силой тока, которая зависит от длины дуги.

Чаще мощность варьируют силой тока, которая, в свою очередь, зависит от длины дуги. Одновременно меняется и температура нагрева металла, а с ней и скорость выполнения работ.

Как рассчитать энергию дуги

В соответствии с стандартом NFPA 70E 2018, разработанным американской Национальной ассоциацией противопожарной защиты (National Fire Protection Association, NFPA), граница вспышки дуги определяется как расстояние, на котором человек может получить ожог второй степени. (Ожоги второй степени обратимы и их можно вылечить).

«Границей вспышки дуги должно быть расстояние, на котором энергия падающего излучения равна 1,2 кал / см2 (5 Дж / см2)» (NFPA 70E 2018)

Таким образом при оценке риска опасность можно считать существенной если в результате возникновения дуги на человека может воздействовать энергия более 1,2 калорий на квадратный сантиметр.

В общем виде безопасными считаются сети с напряжением менее 50 В. Но нужно помнить, что они тоже могут давать искрение.

Вторым важным параметром для расчета энергии дуги является ток короткого замыкания (Iкз). В теории номинальные значения тока короткого замыкания должны быть указаны на оборудовании. Силу тока короткого замыкания можно получить у энергоснабжающей организации (по высокой стороне) или из проектной документации на электроустановку.

На практике, при реальной процедуре оценке рисков, быстро получить эти данные от энергослужбы предприятия очень затруднительно.

Одним из возможных способов решения этой проблемы является использование специальных приборов. Существует достаточно большая линейка измерителей тока короткого замыкания для бытовых и промышленных сетей. Проводить измерения должен сотрудник соответствующей квалификации.

Методологию для расчета потенциальных опасностей вспышки дуги предоставляет стандарт IEEE 1584-2018 «Руководство IEEE для выполнения расчетов опасности вспышки дуги».

В их исследовании был проведен ряд испытаний. В качестве примера, в таблице показаны данные, полученные для системы с напряжением 25 кВ:

Ток КЗ, кА

Разрыв дуги, мм

Падающая энергия, кал / см2

5

101,6

8,7

10

101,6

20,8

15

101,6

35,6

20

101,6

52,8

На основе тестовых данных комитет IEEE 1584 разработал эмпирические уравнения для расчета энергии вспышки дуги для систем переменного тока.

Однако надо понимать, что разные инженеры могут оценивать одну и ту же систему и получить совершенно разные результаты поскольку дуга является случайным динамическим процессом. К тому же дуги, инициированные на тестовых установках, вряд ли будут давать данные идентичные конкретному случаю.

Формулы стандарта IEEE 1584, получившиеся на основе измерений достаточно сложны. А поскольку у большинства специалистов по охране труда, формула с десятичными логарифмами инстинктивно вызывает отторжение, мы даже не будем здесь их приводить.

Как мы уже говорили, расчет энергии дуги зависит от многих составляющих, чья вариативность вносит существенную погрешность в измерения. Это и влажность воздуха, и наличие переходных процессов, и нелинейность тока КЗ во времени, и взаимное влияние элементов цепи и многое другое. Так что какой бы ни была точной формула, реальность легко внесет погрешность в 50, а то и более процентов.

По этой причине мы предлагаем при оценке риска для целей выбора уровня защиты СИЗ, пользоваться еще более упрощенными формулами:

Упрощённая эмпирическая формула для цепей разного напряжения:

Напряжение

Формула

До 480 В

Е =3 * I кз * t

От 480 В до 1000 В

Е =4 * I кз * t

Свыше 1000 В

Е =5 * I кз * t

Где

Е — Мощность дуги (кал/см2) 

I кз — Сила тока короткого замыкания (кА)

t — Время срабатывания защиты (сек)

Время срабатывания защиты должно быть указано в технической документации, но в случае отсутствия данных можно принимать его 0,5 сек.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий