ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ДУГИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ.
Методичні вказівки призначені для студентів спеціальності «Обладнання і технологія зварювального виробництва» ГМТУ, що виконують лабораторні роботи з дисципліни «Джерела живлення».
ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ДУГИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ.
Мета роботи - ознайомлення з основними електричними властивостями дуги постійного струму, що визначають її особливості як елемента електричного кола і споживача електроенергії.
1. Зняти експериментально статичну залежність напруги дуги постійного струму від сили струму дуги Uд = f1 (I д) (статичну вольтамперних характеристику дуги) при незмінній довжині дуги Lд = const (значення Lд задається рівним 2, 4 і 6 мм.).
3. Зняти експериментально або побудувати за результатами вимірювань п. 2 залежність Uд = f4 (Lд)
4. Зняти експериментально залежність розривної довжини дуги Lр = f5 (I д).
2. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Електрична зварювальний дуга в умовах зварювання є потужний усталеною електричний розряд в іонізованій суміші газів і парів речовин, що входять до складу захисної атмосфери, електродного дроту і основного.
На рис.1 представлено схематичне зображення електричної дуги і розташованих уздовж її осі областей. Справа: еквівалентна схема заміщення на основі трьох послідовно з'єднаних активних опорів.
Загальною характеристикою газів є те, що вони в нормальних умовах не є провідниками електричного струму. Однак, при сприятливих умовах (висока температура і наявність зовнішнього електричного поля високої напруженості) гази можуть іонізуватися, тобто їх атоми або молекули можуть звільняти або, для електронегативний елементів навпаки, захоплювати електрони, перетворюючись відповідно в позитивні або негативні іони. Завдяки цим змінам гази переходять в четвертий стан речовини званого плазмою. Є очевидним, що плазма електропровідність. Під дією напруги джерела живлення електрони переміщаються до анода, а позитивно заряджені іони - до катода. Рухливість електронів в електричному полі на 3 порядки вище іонів і ток в дузі переважно електронний. Електричні властивості дуги визначаються процесами, що протікають в її трьох характерних зонах - стовпі, а також в приелектродних областях дуги (катодного і анодного), які знаходяться між стовпом дуги з одного боку і електродом і виробом з іншого.
Для підтримки плазми дуги при зварюванні досить забезпечити струм від 10 до 1000 ампер і прикласти між електродом і виробом електричну напругу близько 15 - 40 вольт. При цьому падіння напруги на власне стовпі дуги не перевищить декількох вольт. Решта напруга падає на катодного і анодного областях дуги. Довжина стовпа дуги в середньому досягає 10 мм, а довжина приелектродних зон значно менше (близько 10 -4 мм для катодного області, що можна порівняти з довжиною вільного пробігу електрона, і 10 -3 мм для анодної, що приблизно дорівнює вільному пробігу іона), і дуже високим градієнтом потенціалу (до 10 4 В / мм для катодного області і до 10 3 В / мм для анодної). Експериментально встановлено, що для випадку зварювання падіння напруги в катодного області (Uкат) перевищує падіння напруги в анодному області (UAН): 12 - 20 В і 2 - 8 В відповідно.
Мал. 1. Будова електричної дуги і розподіл потенціалу по її довжині.
Катодна і анодная області дуги сполучаються з поверхнями електродів через так звані активні плями, через які проходить струм дуги. Іноді катодного активну пляма розділяється на 2 - 3 окремих плями. Щільність струму в катодному активному плямі оцінюється між 1 · 10 - 3 · 10 2 A / мм 2. що трохи вище, ніж в анодному активному плямі, 1,5 · 10 - 3 · 10 A / мм 2. Це відбивається на площі активних плям. Так площа анодного активного плями, зазвичай, перевищує площу катодного. Щільності струму в активних плямах практично не змінюються при зміні струму дуги (струму зварювання); змінюються їх площа, яка зростає з підвищенням струму зварювання. Обидва активних плями мають тенденцію до хаотичного переміщення по поверхні електродів, хоча анодное пляма більш стійко.
Проходження струму через ці зони дуги супроводжується протіканням складних електронних і хімічних реакцій, результатом яких є виділення великої кількості тепла і світла. Зміни струму зварювання викликають адекватні зміни площі активних плям: чим вище струм, тим більше площі активних плям і, як результат, вище виділення тепла в цих областях. Це явище використовується при зварці для управління процесом розплавлення основного металу і електрода, включаючи управління розмірами крапель розплавленого електродного металу, тобто управління перенесенням металу
(Г. Лєсков. Електрична зварювальний дуга. Машинобудування. 1970 р.)
3. Статична вольт-амперна характеристика дуги (ВАХ).
ВАХ є залежність падіння напруги на дузі від її струму (Рис. 2).
Її будують за експериментальними даними при плавній зміні струму і збереженні незмінними фізичних умов її горіння (діаметра електрода, довжини дуги, і т.п.).
Рис.2. Вольт-амперна характеристика дуги і її окремі зони.
ВАХ дуги має нелінійну форму, тобто її активний опір не постійно, а змінюється зі зміною струму. У малопотужних дугах (падаюча ділянка ВАХ дуги) з ростом струму, завдяки розвивається термічної іонізації та емісії електронів з катода, площа поперечного перерізу дуги збільшується більш швидкими темпами, ніж
Її будують за експериментальними даними при плавній зміні струму і збереженні незмінними фізичних умов її горіння (діаметра електрода, довжини дуги, і т.п.).
ВАХ дуги має нелінійну форму, тобто її активний опір не постійно, а змінюється зі зміною струму. У малопотужних дугах (падаюча ділянка ВАХ дуги) з ростом струму, завдяки розвивається термічної іонізації та емісії електронів з катода, площа поперечного перерізу дуги збільшується більш швидкими темпами, ніж щільність струму в ній, що призводить до зниження падіння загального напруги дуги. Така падаюча характеристика дуги може спостерігатися при зварюванні неплавким електродом.
У зоні 2 з ростом струму напруга на дузі практично не змінюється. Отже, щільність струму залишається приблизно постійною, тому напруга дуги змінюється незначно. Зростаючий ділянку ВАХ дуги спостерігається при такому струмі, коли розширення активних плям і стовпа дуги вже утруднено і щільність струму в цих областях починає зростати з відповідним підвищенням падіння напруги на них, а разом з ними і напруга дуги. Ця ділянка ВАХ дуги відповідає умовам зварюванні MIG / MAG. Дугу, радіус стовпа якої залежить від сили струму, називають вільно розширюється, а дугу з постійним радіусом хоча б в одному перерізі називають стислій.
Довжина дуги (тобто її електричний опір) впливає на форму і особливо на стан ВАХ дуги. При збільшенні довжини дуги її ВАХ зміщується вгору.
Експериментальне дослідження ВАХ дуги полягає у встановленні залежності
Uд = f1 (I д), яке проводиться шляхом поступового збільшення зварювального струму I д від 10 до 150 А з одночасною реєстрацією напруги Uд. Схема установки для дослідження приведена на рис. 3.
Мал. 3. Схема установки для експериментального визначення вольтамперних характеристик дуги.
Результати вимірювань заносяться в таблицю 1.
4. Визначення розривної довжини дуги.
Розривної довжиною дуги Lр називається максимальна довжина дуги для заданих умов зварювання, на яку її можна розтягнути без небезпеки обриву.
Малюнок 4. Схема для дослідження розривної довжини зварювальної дуги.
Порядок виконання роботи.
Переміщенням затиску 3 встановити торець електрода на рассто-янии 2 мм від поверхні сталевої пластини 4.
Підключити напруга до електродів. Порушити дугу між електродом і сталевий пластиною, заступники-кая на короткий час проміжок між ними заточеним вугільним електродом. Після догорання електрода до природного обриву відключити напругу.
Після відключення напруги з електродів виміряти расстоя-ня між торцем електрода і наплавлений металом. При наявності шлаку він повинен бути знищений. Досліди виробляти згідно з таблицею 3.
Таблиця 3 - Залежність розривної довжини дуги від сили струму корот-кого замикання для різних електродів при зварюванні на по-постійному струмі зворотної полярності
За даними таблиці визначити середнє значення розривної довжини дуги і побудувати графік Lр = f5 (I д).
5. Визначення параметрів дуги.
За результатами експериментів визначаються параметри дуги. За графіком залежності Uд = f4 (Lд)
визначається сума приелектродних падінь напруги Ua, k і градієнт потенціалу в стовпі дуги Ес. Сума приелектродних падінь напруги Ua, k розділяється на анодноеUa і катодного падіння потенціалу
де # 966; - робота виходу електронів з поверхні катода, В. визначається, в залежності від матеріалу катода.
6. Висновки по роботі.
Оцінити вид вольт-амперних характеристик дуги, отриманих в експерименті, і їх електричні характеристики. Пояснити залежність розривної довжини дуги Lр від струму і марки електрода.
Список літератури: Г.І. Лєсков. Електрична зварювальний дуга. Машинобудування. 1970 р