Что выражает статическая вольт амперная характеристика дуги кратко

Обновлено: 07.07.2024

Статической (вольтамперной) характеристикой дуги называется зависимость между током и напряжением дуги, снятая при медленных изменениях тока. Характеристика дуги, снятая при быстрых изменениях тока, называется динамической.

Обычно статические характеристики строят по данным, полученным при сварке на постоянном токе.

Динамическая характеристика дуги снимается по осциллограмме переменного тока и представляет собой зависимость между мгновенными значениями тока и напряжения дуги за один период.

Статическая характеристика дуги может быть положительной или отрицательной в зависимости от тока и условий, в которых протекает дуговой разряд.

К условиям, ведущим к положительной зависимости между U _д и 1l, относятся:

а) увеличение плотности тока на электроде-катоде (катодном пятне);

в) увеличение эффективного напряжения дуги.

Повидимому, в большей степени на характеристику дуги при сварке влияет плотность тока на электроде - катоде. При малых плотностях тока на электроде - катоде характеристика дуги отрицательная. С увеличением плотности тока на электроде - катоде отрицательная характеристика переходит в положительную. Например, возрастающая (положительная) характеристика дуги под флюсом, по мнению Н. Г. Остапенко, объясняется, в первую очередь, высокими плотностями тока на электроде - катоде, т. е. явлениями на катоде.

Таблица 6. Плотности тока на электроде при различных способах сварки:

Характеристики вольфрамовой дуги

На фиг. 17 представлено семейство вольтамперных характеристик вольфрамовой дуги в аргоне. Характерным является то, что при больших токах и малых дуговых промежутках напряжение на дуге меньше ионизационного потенциала. Минимальное напряжение дуги при этих условиях приближается к потенциалу возбуждения аргона, находящегося в состоянии, близком к метастабильному. Это указывает на то, что метастабильные состояния атомов аргона играют, вероятно, большую роль в дуге, горящей в инертной газовой атмосфере.

Кривые на фиг. 17 не зависят от направления изменения тока и поэтому могут быть получены без заметных различий как при увеличении, так и при уменьшении тока.

При горении вольфрамовой дуги в гелии напряжение на дуге при одинаковых токах вдвое больше, чем в аргоне. Вольтамперные кривые дуги, горящей в гелии, могут быть получены различными в зависимости от направления изменения тока. При токах 15-80 а и дуговых промежутках 1,3-7,5 мм для каждого зазора могут быть получены две кривые (фиг. 18). Как правило, напряжение и ток следуют по верхней кривой при уменьшении тока и по нижней - при увеличении. За пределами токов, где обе кривые для одного дугового промежутка пересекаются, изменения напряжения и тока могут следовать любой кривой. Момент перехода с верхней кривой на нижнюю случаен и не происходит при каком-то определенном токе. Этот переход может быть внезапным или постепенным.

Переход сопровождается появлением голубой дуги и исчезновением яркокрасного катодного пламени. При уменьшении тока происходит прыжок с нижней кривой на верхнюю, но повышение напряжения обычно происходит при меньшем токе, и обратный переход совершается постепенно. Таким образом, в некоторых случаях возможно уменьшение напряжения на дуге с увеличением длины дуги при постоянном токе.

С увеличением тока при малых дуговых промежутках напряжение дуги приближается к первому потенциалу возбуждения (мета-стабильному состоянию) гелия - 19,8 в. Электрические характеристики дуги в смеси аргона и гелия (фиг. 19 а и б) по виду занимают промежуточное положение между соответствующими характеристикам дуги в аргоне или гелии. При добавке гелия к чистому аргону напряжение дуги растет линейно до содержания гелия, равного 85%. Затем напряжение резко возрастает до его значения в чистом гелии. До резкого скачка напряжения дуга имеет точную характеристику дуги в аргоне. При высоких концентрациях гелия появляется двойная кривая, типичная для дуги в гелии (фиг. 19,б).

Переход от верхней кривой к нижней на фиг. 18 может быть объяснен наличием вблизи катода паров вольфрама, что может иметь место при энергии электрода - катода, достаточной для выделения тепла, необходимого для испарения определенного количества вольфрама. Наличие вблизи катода смеси гелия и паров вольфрама, обладающих значительно меньшим ионизационным потенциалом, чем гелий, повидимому, приводит к снижению напряжения.

Падение напряжения в плазме высокоамперной дуги при атмосферном давлении всегда принимается независимым от длины дуги. Величина его снижается с увеличением тока.

Внешние характеристики вольфрамовой дуги (фиг. 20) показывают, что при данном типе дуги это не так. Здесь отдельные градиенты напряжения связаны с анодным и катодным падением одновременно. Градиент напряжения для дуговых промежутков 1,3-7,6 мм, равный в пределах изученных токов 0,7 в/мм, повидимому, связан с катодным пламенем, так как при этих дуговых промежутках не было замечено анодное пламя (см. стр. 20). При больших дуговых промежутках, когда появляется анодное пламя (см. фиг. 15), градиент напряжения уменьшается. Кривые фиг. 20 показывают, что при малых дуговых промежутках процессы на катоде играют главную роль в механизме дуги.

Главное различие между внешними характеристиками дуги в гелии и в аргоне то, что градиент напряжения в гелии для больших дуговых промежутков больше, чем для меньших дуговых промежутков. Обратное явление имеет место для дуги в аргоне.

При токах меньше 30 а в гелии обнаружен подъем напряжения на 15-25 в в пределах весьма узкого интервала дуговых промежутков 1,3-2,5 мм (пунктирные кривые на фиг. 20). При этом катод ное пламя находится в прямом контакте с электродом-анодом. Резкий рост напряжения сопровождается уменьшением размера пламени, изменением вида колебаний напряжения и резким свистящим звуком, исходящим от дуги. Это явление не наблюдается в дугах при токах более 35 а, а также в аргоне при любых применявшихся токах.

В смеси аргона и гелия внешние характеристки подобны кривым в чистых газах. Для смесей с содержанием гелия меньше 85% градиент напряжения анодного пламени приблизительно равен градиенту дуги в чистом аргоне. Для смеси с содержанием гелия около 95% или выше градиент напряжения анодного пламени близок к его значению в чистом гелии. В смесях с содержанием гелия между 85 и 95% из-за нестабильности дуги невозможно измерить градиент напряжений анодного пламени.

Дуга вольфрам - нержавеющая сталь

При прямой полярности, токах от 40 до 200 а и длинах дуги от 0,8 до 12 мм статические характеристики дуги W - Fe-Сr-Ni имеют слабо выраженную U-образную форму. Построенные по этим кривым зависимости U_d=f(l_д) при 1_д = const имеют немного выпуклую форму, но в пределах практически используемой области эти зависимости без существенной ошибки можно принять за линейные.

При обратной полярности характеристики также имеют U-образную форму, причем вогнутость кривых в, данном случае выражена несколько сильней. Самой характерной особенностью является значительное увеличение напряжения дуги по сравнению с дугой прямой полярности при том же токе и длине дуги. Таким образом, для прохождения одного и того же тока через дуговой промежуток одной и той же длины требуется значительное увеличение затраты энергии в том случае, когда вольфрамовый электрод становится анодом. Это увеличение энергии при короткой дуге может достигать 50-75% и, повидимому, связано с процессами у анода, так как эффект возрастания энергии при перемене полярности можно непосредственно наблюдать на плавлении вольфрамового электрода при сравнительно небольших токах.

Подобное явление наблюдается также у других дуг, например, у дуги уголь - железо или уголь - медь в атмосфере воздуха, водорода и других газов, что, вероятно, связано с природой материала электродов, но не с газовой атмосферой.

Зависимость между напряжением дуги W Fe - Сr - Ni и ее длиной для различных диаметров электродов в защитной среде гелия (98,2%) и аргона (99,8%) представлен на фиг. 21 и 22.

Из рассмотрения графиков можно сделать вывод о том, что диаметр электрода, расход защитного газа и сварочный ток при горении дуги в аргоне мало отражаются на характере зависимости напряжения дуги от ее длины. Напротив, при горении дуги в атмосфере гелия напряжение дуги может быть изменено более чем на 3 в простым изменением расхода газа. Увеличение сварочного тока до 250 а снижает напряжение дуги. Влияние сварочного тока и расхода газа на напряжение дуги остается таким же и при горении дуги в среде гелия повышенной частоты (99,99 %). Не обнаружено заметной разницы в напряжении при горении дуги между малоуглеродистой сталью и вольфрамом или между нержавеющей сталью и вольфрамом.

Дуги вольфрам - алюминий и вольфрам - медь

На фиг. 23 показана зависимость напряжения от длины дуги между вольфрамом и алюминием в среде аргона при напряжении холостого хода источника переменного тока, равном 300 в. При длине дуги до 2,5 мм изменение напряжения дуги не превы

шает 0,5 в. При длине дуги меньше 0,5 мм расплавленный металл ванны имеет склонность к наплавлению на электрод.

На фиг. 23 показана также зависимость U_d=f(l_d) для дуги постоянного тока обратной полярности (вольфрам - анод) в аргоне. Эта кривая получается более пологой во всем интервале длин дуги. При длинах менее 5 мм кривая дуги постоянного тока проходит выше кривой дуги переменного тока.

На фиг. 24 показаны зависимости напряжения от длины дуги в среде гелия для постоянного и переменного тока. Напряжение холостого хода источника переменного тока равно 300 в. Обращает на себя внимание большая крутизна кривых; напряжение дуги в среде гелия примерно вдвое больше напряжения дуги в среде аргона при тех же длинах дуги. Это приводит к тому, что при горении дуги в среде гелия выделяемая тепловая мощность вдвое больше, чем при горении дуги в аргоне.

Характеристики дуги W - А1 в смеси аргона и гелия близки к характеристикам дуги в аргоне (фиг. 25).

Для дуги W - ↔ Сu+, горящей в аргоне (99%) при токах 30 и 75 а, зависимость Uд = f(lд) показана на фиг. 26.

Термический анализ дуги постоянного тока с вольфрамовым электродом - катодом и медным анодом, если допустить, что обмен теплом между зоной катодного падения, положительным столбом и зоной анодного падения (фиг. 27) невелик и им можно пренебречь и зоны катодного и анодного падения очень малы по сравнению с нормальными длинами дуги, приводит к следующим соотношениям.

Для катодного падения

для положительного столба

для анодного падения

В этих выражениях:

U_к - катодное падение напряжения;

U_с - падение напряжения в положительном столбе;

U_а - анодное падение напряжения;

Q_к - потеря тепла катодом при нулевой длине дуги;

Q_c - потеря тепла положительным столбом дуги при длине дуги l;

Q_c - потеря тепла анодом при нулевой длине дуги;

Фк - работы выхода катода;

Фа - работа выхода анода;

r - постоянная Больцмана;

T - абсолютная температура;

e - заряд электрона.

Были измерены электрические характеристики (фиг. 28 и 29) и с помощью калориметрирования выделение тепла дуги W Cu при торированном вольфраме в аргоне и токе 30-100 а (фиг. 30 и 31). Затем с помощью приведенных выше выражений подсчитаны анодное и катодное падение напряжения (фиг. 32). Во всех случаях катодное падение имеет падающую характеристику, в то время как для чистого вольфрама анодное падение почти постоянно и составляет около 3 в (см. фиг. 32). При торированном вольфраме анодное падение снижается от 3 в при токе. 30 а до 2 в при токе 100 а (см. фиг. 32), что вызвано изменением работы выхода анода вследствие загрязнения торием.

Наиболее интересные и неожиданные результаты получены для положительного столба. Градиент кривой U = f(lд) не является постоянным: он .оставляет около 9 в/см при коротких дугах и 6 в/см при длинных дугах Однако из анализа кривых Q = f(lд) (см. фиг. 30) для анода и катода явствует, что эти значения не представляют собой действительного градиента потенциала в дуге и что градиент в районе, связанном с анодом (анодное пламя) (фиг. 33), значительно выше чем в районе, связанном с катодом (катодное пламя). Приблизительные значения этих градиентов составляют 19 в/см для анодного пламени и 3 в/см для катодного пламени. Это объясняется тем, что в анодном пламени преобладают пары меди, ионизированные в наибольшей степени, в то время как в катодном пламени ионизированной средой являются пары вольфрама.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.

Ее строят по экспериментальным данным при плавном изменении тока и сохранении неизменными физических условий ее горения (диаметра электрода, длины дуги, и т.п.). Экспериментальное исследование ВАХ дуги заключается в установлении зависимости U_д = f₁ (I_д),которое производится путем постепенного увеличения сварочного тока I_д от 10 до 150 А с одновременной регистрацией напряжения U_д.

Наиболее достоверные статические ВАХ могут быть получены для дуги с неплавящимися электродами, длина которой остается практически постоянной в большом диапазоне изменения тока. В сварочной дуге с плавящимся проволочным электродом длина дуги вследствие оплавления конца электрода и последующего переноса металла в шов не является постоянной, и такая дуга, строго говоря, имеет неустановившийся характер. Построение более или менее достоверных статических ВАХ в этом случае возможно лишь для начальной стадии дугового разряда при неподвижном электроде.

В общем случае статические вольтамперные характеристики дуги имеют форму, показанную на рис. 1.3.

При неизменных прочих условиях (длина дуги, материал и геометрия электродов, состав и давление дугового газа) форма ВАХ зависит от порядка величины тока, что позволяет выделить на ней три характерных области.

Первая область I характеризуется резким падением напряжения Uд на дуге с увеличением тока сварки Iсв. Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электропроводности столба дуги.

Во второй области II характеристики увеличения тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Такое положение характеристики на этом участке происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катодного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными.

В третьей области III с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге Uд. Такая характеристика называется возрастающей. При работе на этой характеристике плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги и напряжение на дуге увеличивается.

Рисунок 1.3. - статическая вольт-амперная характеристика дуги

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольт-амперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Е и поднимается вольт-амперная характеристика. Охлаждение дуги существенно влияет на эту характеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрастать мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольт-амперная характеристика поднимается. Этим широко пользуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

Показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине.

В общем случае статические вольтамперные характеристики дуги имеют форму, показанную на рис. 1.3.

Рисунок 1.3. - статическая вольт-амперная характеристика дуги

Статическая вольт-амперная характеристика дуги – показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине. Электрическая дуга, как элемент цепи тока, обладает ярко выраженной нелинейностью, т. е. между ее током I и напряжением U нет пропорциональной связи. Зависимости U = f (I) при прочих неизменных условиях для таких элементов чаще всего изображаются в виде кривых, называемых вольт-амперными характеристиками (см. рис.).;Если величины U измерены в состояниях устойчивого равновесия разряда при разных токах, то характеристики называются статическими. Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.Построение вольт-амперных характеристик связано с большими трудностями не только из-за сложности измерения длины дуги между плавящимися электродами, но и поддержания неизменными прочих условий.

Статическая ВАХ имеет три области

Первая область (I) характеризуется резким падением напряжения U на дуге с увеличением тока сварки I. Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электропроводности столба дуги.
Во второй области (II) характеристики увеличения тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Такое положение характеристики на этом участке происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катодного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными.
В третьей области (III) с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге U. Такая характеристика называется возрастающей. При работе на этой характеристике плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги и напряжение на дуге увеличивается.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой.
При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической, так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток.

Для стабильного горения дуги необходимо, чтобы было равенство между напряжениями и токами дуги и источника питания.
Источники питания с падающей и жесткой характеристиками применяют при ручной дуговой сварке, с возрастающей характеристикой – при полуавтоматической сварке, с жесткой и возрастающей – при автоматической сварке под флюсом и для наплавки.
Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда источник питания сварочной дуги поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.

В представленных на сайте сварочных агрегатах Shindaiwa предусмотрена возможность переключения типа ВАХ – СС (крутопадающая) и CV (жесткая). За счет этого агрегаты могут использоваться для многих видов сварочных работ (DGW500DM DGW400DMK DGW310MC).

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характеристика называется волтамперной. Имеет место статическая вольт-амперная характеристика и динамическая вольт-амперная характеристика.

С ростом тока iувеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированныхчастицв разряде и падает электрическое сопротивление дуги . Напряжение на дуге равно .

Зависимость напряжения на дуге от тока при медленном его изменении называется статической вольт-амперной характеристикой дуги.

а) Статическая вольт-амперная характеристика

- напряжение на дуге;

- сумма околоэлектродного падений напряжений;

- напряженность поля в столбе дуги;

l - длина дуги.

Величина l зависит от тока и условий, в которых горит дуга. Статические вольт-амперные характеристики дуги имеют вид:

ВАХ дуги (рис.1) приведена для небольших плотностей токов (до 100 А/мм 2 ). При дальнейшем увеличении тока ВАХ становится горизонтальной. Если продолжить увеличение тока – напряжение начнет увеличиваться.

б) Динамическая вольт-амперная характеристика дуги.

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой.

При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В на рис. 2), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении - ниже, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С на рис.2).

Динамическая характеристика в значительной степени определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бесконечно малое по сравнению с тепловой постоянной времени дуги, то в течение времени спада тока до нуля сопротивление дуги остается постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой проходящей из точки 2 в начало координат (прямая Д), т.е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

В реальном аппарате после размыкания контактов расстояние между ними меняется и дуга имеет переменную длину. В этом случае процесс отключения можно представить следующим образом.

Разобьем путь, который проходит контакт, на участки и нанесем статические вольт-амперные характеристики, соответствующие концу каждого участка (рис. 3). Если индуктивность цепи мала, то по мере увеличения длины дуги ток будет быстро принимать значения, соответствующие точке пересечения статических характеристик с прямой . В точке0 ток достигнет критического значения. При дальнейшем увеличении длины дуги наступят условия для гашения.

Длина дуги, при которой статическая характеристика касается прямой , называется критической длиной дуги. После точкиО ток быстро уменьшается до нуля, дута гаснет.

В цепи с большой индуктивностью спадание тока из-за большой величины индуктивности замедляется; вольт-амперная характеристика дуги сразу же после расхождения контактов поднимается выше прямой . В момент гашения дуги возможны большие перенапряжения.

При отключении активной нагрузки гашение происходит быстро, никаких перенапряжений не происходит.

3.Практические задания.

Задача

Билет №14