TO kategorija:
Montaža metalnih konstrukcija
Električni luk i njegove osobine
Električni luk je dugotrajno električno pražnjenje koje se javlja u plinskom razmaku između dva vodiča - elektrode i metala koji se zavaruje značajnom strujom. Jonizacija vazdušnog sloja, koji kontinuirano nastaje pod uticajem brzog strujanja pozitivnih i negativnih jona i elektrona u luku, stvara neophodne uslove za dugotrajno sagorevanje luk za zavarivanje.
Rice. 1. Električni luk između metalne elektrode i metala koji se zavari: a - dijagram luka, b - grafik napona luka dužine 4 mm; 1 - elektroda, 2 - plameni oreol, 3 - stub luka, 4 - metal koji se zavari, 5 - anodna tačka, 6 - rastopljeni bazen, 7 - krater, 8 - katodna tačka; h - dubina prodiranja u luk, A - momenat paljenja luka, B - momenat stabilnog sagorevanja
Luk se sastoji od stupa čija se osnova nalazi u udubini (krateru) formiranoj na površini rastopljenog bazena. Luk je okružen oreolom plamena formiranog od para i gasova koji dolaze iz stuba luka. Stup ima oblik stošca i glavni je dio luka, jer je u njemu koncentrirana glavna količina energije, što odgovara najvećoj gustoći električne struje koja prolazi kroz luk. Gornji dio kolone, smješten na elektrodi 1 (katoda), ima mali prečnik i formira katodnu tačku 8. Najveći broj elektroda emituje kroz katodnu tačku. Osnova konusa stuba luka nalazi se na metalu koji se zavari (anodi) i formira anodno mesto. Prečnik anodne tačke pri prosečnim vrednostima struja zavarivanja veći prečnik katodna tačka približno 1,5 ... 2 puta.
Za zavarivanje se koriste istosmjerna i naizmjenična struja. Kada se koristi istosmjerna struja, minus izvora struje je spojen na elektrodu (ravni polaritet) ili na radni komad koji se zavari "" (obrnuti polaritet). Obrnuti polaritet se koristi u slučajevima kada je potrebno smanjiti oslobađanje topline na proizvodu koji se zavari: pri zavarivanju tankih ili nisko topivih metala, legiranih, nehrđajućih i visokougljičnih čelika osjetljivih na pregrijavanje, kao i pri korištenju određene vrste elektroda.
Proizvode veliku količinu toplote i imaju visoku temperaturu. U isto vrijeme, električni luk proizvodi vrlo koncentrirano zagrijavanje metala. Stoga, tokom zavarivanja, metal ostaje relativno malo zagrijan čak i na udaljenosti od nekoliko centimetara od luka zavarivanja.
Djelovanje luka topi metal do određene dubine h, koja se naziva dubina prodiranja ili penetracije.
Luk se pobuđuje kada se elektroda približi metalu koji se zavari i kratko spoji krug zavarivanja. Zbog velikog otpora na mjestu kontakta elektrode s metalom, kraj elektrode se brzo zagrijava i počinje emitirati struju elektrona. Kada se kraj elektrode brzo odmakne od metala na udaljenosti od 2...4 mm, dolazi do električnog luka.
Napon u luku, odnosno napon između elektrode i osnovnog metala, zavisi uglavnom od njegove dužine. Pri istoj struji, napon u kratkom luku je manji nego u dugom luku. To je zbog činjenice da je s dugim lukom otpor njegovog plinskog jaza veći. Povećanje otpora u električni krug pri konstantnoj struji, to zahtijeva povećanje napona u kolu. Što je veći otpor, veći napon mora biti da bi se osiguralo da ista struja prolazi kroz kolo.
Luk između metalne elektrode i metala gori na naponu od 18 ... 28 V. Da bi se pokrenuo luk, potreban je veći napon od onog koji je neophodan za održavanje njegovog normalnog sagorijevanja. To se objašnjava činjenicom da u početnom trenutku zračni jaz još nije dovoljno zagrijan i potrebno je elektronima dati veliku brzinu da razdvoje molekule i atome zraka. To se može postići samo s višim naponom u trenutku paljenja luka.
Grafikon promjene struje I u luku za vrijeme njegovog paljenja i stabilnog gorenja (slika 1, b) naziva se statička karakteristika luka i odgovara postojanom gorenju luka. Tačka A karakterizira trenutak paljenja luka. Napon luka V brzo opada duž AB krive do normalne vrijednosti koja odgovara stabilnom luku u tački B. Daljnji porast struje (desno od tačke B) povećava zagrijavanje elektrode i brzinu njenog topljenja, ali ne utiče na stabilnost luka.
Stabilan luk je onaj koji gori ravnomjerno, bez proizvoljnih prekida koji zahtijevaju ponovno paljenje. Ako luk gori neravnomjerno, često se lomi i gasi, tada se takav luk naziva nestabilnim. Stabilnost luka ovisi o mnogim razlozima, od kojih su glavni vrsta struje, sastav elektrodnog premaza, vrsta elektrode, polaritet i dužina luka.
S naizmjeničnom strujom, luk gori manje postojano nego s istosmjernom strujom. To se objašnjava činjenicom da u trenutku kada struja n dostigne nulu, ionizacija lučnog jaza se smanjuje i luk se može ugasiti. Da bi se povećala stabilnost luka naizmjenične struje, potrebno je nanijeti premaze na metalnu elektrodu. Parovi elemenata koji su uključeni u premaz povećavaju ionizaciju lučnog razmaka i na taj način doprinose stabilnom gorenju luka naizmjeničnom strujom.
Dužina luka određena je razmakom između kraja elektrode i površine rastaljenog metala zavarenog predmeta. Tipično, normalna dužina luka ne bi trebala prelaziti 3...4 mm za čeličnu elektrodu. Takav luk se naziva kratak. Kratki luk stalno gori i osigurava normalan tok procesa zavarivanja. Luk duži od 6 mm naziva se dug. Uz to, proces topljenja metala elektrode odvija se neravnomjerno. U tom slučaju, kapi metala koje teku s kraja elektrode mogu se u većoj mjeri oksidirati kisikom i obogatiti dušikom iz zraka. Taloženi metal se ispostavi da je porozan, šav ima neravnu površinu, a luk gori nestabilno. S dugim lukom smanjuje se produktivnost zavarivanja, povećava se prskanje metala i povećava se broj mjesta nedostatka prodiranja ili nepotpunog spajanja nanesenog metala s osnovnim metalom.
Prijenos metala elektrode na proizvod tokom elektrolučnog zavarivanja je složen proces. Nakon paljenja luka (položaj /), na površini kraja elektrode formira se sloj rastopljenog metala koji se pod utjecajem gravitacije i površinske napetosti skuplja u kap (položaj //). Kapi mogu dostići velike veličine i preklapati stupac luka (položaj III), stvarajući kratki spoj u krugu zavarivanja na kratko vrijeme, nakon čega se nastali most tekućeg metala lomi, luk se ponovo pojavljuje i proces formiranja kapljica se ponavlja.
Veličina i broj kapi koje prolaze kroz luk u jedinici vremena zavise od polariteta i jačine struje, hemijskog sastava i fizičkog stanja metala elektrode, sastava premaza i niza drugih uslova. Velike kapi, dostižući 3...4 mm, obično nastaju pri zavarivanju neobloženim elektrodama, male kapi (do 0,1 mm) - pri zavarivanju obloženim elektrodama i velikom strujom. Proces finih kapljica osigurava stabilno sagorijevanje luka i pogoduje uvjetima za prijenos rastaljenog metala elektrode u luku.
Rice. 2. Šema prijenosa metala sa elektrode na metal koji se zavari
Rice. 3. Otklon električnog luka magnetnim poljima (a-g)
Gravitacija može potaknuti ili spriječiti prijenos kapljica u luku. Kod plafonskog i djelimično vertikalnog zavarivanja, gravitacija kapi suprotstavlja njenom prijenosu na proizvod. Ali zahvaljujući sili površinske napetosti, bazen tečnog metala se sprečava da iscuri pri zavarivanju u plafonskom i vertikalnom položaju.
Prolaskom električne struje kroz elemente kruga zavarivanja, uključujući i proizvod koji se zavari, stvara se magnetsko polje čija jačina ovisi o jačini struje zavarivanja. Stub plina električnog luka je fleksibilan provodnik električne struje, pa je podložan rezultujućem magnetskom polju koje se formira u krugu zavarivanja. IN normalnim uslovima Gasni stub luka, koji otvoreno gori u atmosferi, nalazi se simetrično u odnosu na os elektrode. Pod utjecajem elektromagnetskih sila, luk se skreće od ose elektrode u poprečnom ili uzdužnom smjeru, što je po izgledu slično pomicanju otvorenog plamena pod jakim strujama zraka. Ova pojava se naziva magnetna eksplozija.
Pristup žica za zavarivanje u neposrednoj blizini luka, naglo smanjuje njegov otklon, budući da vlastito kružno magnetsko polje struje ima ujednačen učinak na stub luka. Dovod struje na proizvod na udaljenosti od luka dovest će do njegovog otklona zbog kondenzacije energetskih vodova kružnog magnetskog polja sa strane strujnog vodiča.
Kada je riječ o karakteristikama naponskog luka, vrijedi spomenuti da on ima niži napon od usijanog pražnjenja i da se oslanja na termoionsko zračenje elektrona s elektroda koje podupiru luk. U zemljama engleskog govornog područja, termin se smatra arhaičnim i zastarjelim.
Tehnike suzbijanja luka mogu se koristiti za smanjenje trajanja ili vjerovatnoće nastanka luka.
U kasnim 1800-im, voltaični luk se naširoko koristio za javnu rasvjetu. Neki električni lukovi nizak pritisak se koriste u mnogim aplikacijama. Na primjer, za rasvjetu se koriste fluorescentne lampe, živine, natrijumove i metal-halogene lampe. Xenon lučne lampe koristi se za filmske projektore.
Otvaranje naponskog luka
Vjeruje se da je ovaj fenomen prvi opisao Sir Humphry Davy u članku iz 1801. objavljenom u časopisu William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts. Međutim, fenomen koji je opisao Davy nije bio električni luk, već samo iskra. Kasniji istraživači su pisali: „Ovo očigledno nije opis luka, već iskre. Suština prvog je da mora biti kontinuirana i da se njegovi polovi ne smiju dodirivati nakon što je nastao. Varnica koju je proizveo Sir Humphry Davy očito nije bila kontinuirana, i iako je ostala naelektrisana neko vrijeme nakon kontakta s atomima ugljika, vjerojatno nije bila potrebna veza luka da bi se klasifikovala kao voltaična.”
Iste godine, Davy je javno demonstrirao učinak pred Kraljevskim društvom propuštajući električnu struju kroz dvije karbonske šipke koje se dodiruju, a zatim ih povlačeći na kratkoj udaljenosti. Demonstracija je pokazala "slab" luk, koji se jedva razlikovao od stalne iskre, između tačaka drvenog uglja. Naučna zajednica mu je pružila više moćna baterija od 1000 ploča, a 1808. demonstrirao je pojavu naponskog luka u velikim razmjerima. On je također zaslužan za njegovo imenovanje engleski jezik(električni luk). Nazvao ga je lukom jer poprima oblik uzlaznog luka kada se razmak između elektroda približi. To je zbog provodljivih svojstava vrućeg plina.
Kako se pojavio naponski luk? Prvi neprekidni luk nezavisno je posmatrao 1802. godine i opisao ga je 1803. kao "posebnu tečnost sa električnim svojstvima" ruski naučnik Vasilij Petrov, eksperimentišući sa bakarno-cink baterijom koja se sastojala od 4.200 diskova.
Dalja studija
U kasnom devetnaestom vijeku, voltaični luk je bio naširoko korišten za javnu rasvjetu. Sklonost električnih luka treperenju i šištanju bila je ozbiljan problem. Godine 1895. Hertha Marx Ayrton je napisala seriju članaka o elektricitetu, objašnjavajući da je naponski luk rezultat kontakta kisika s ugljičnim šipkama koje se koriste za stvaranje luka.
Godine 1899. bila je prva žena koja je pročitala svoj rad pred Institutom elektroinženjera (IEE). Njen izvještaj nosio je naslov "Mehanizam električnog luka". Ubrzo nakon toga, Ayrton je izabrana za prvu žensku članicu Institucije elektroinženjera. Sledeća žena je primljena u institut 1958. godine. Ayrton se prijavila za čitanje referata pred Kraljevskim društvom, ali joj to nije bilo dozvoljeno zbog svog spola, a Mehanizam električnog luka je umjesto nje pročitao John Perry 1901. godine.
Opis
Električni luk je tip sa najvećom gustinom struje. Maksimalna količina struje koju nosi luk ograničena je samo vanjskim okruženjem, a ne samim lukom.
Luk između dvije elektrode može se pokrenuti jonizacijom i užarenim pražnjenjem kada se struja kroz elektrode poveća. Napon proboja elektrodnog jaza je kombinovana funkcija pritiska, udaljenosti između elektroda i vrste gasa koji okružuje elektrode. Kada luk započne, napon na njegovom terminalu je mnogo niži od napona usijanog pražnjenja, a struja je veća. Luk u gasovima blizu atmosferskog pritiska karakteriše vidljiva svetlost, velika gustoća struja i visoka temperatura. Razlikuje se od usijanog pražnjenja po približno istim efektivnim temperaturama i elektrona i pozitivnih jona, a kod užarenog pražnjenja ioni imaju mnogo nižu temperaturu. toplotnu energiju nego elektroni.
Prilikom zavarivanja
Produženi luk može biti pokrenut pomoću dvije elektrode koje su u početku u kontaktu i razdvojene tokom eksperimenta. Ova akcija može pokrenuti luk bez visokonaponskog usijanog pražnjenja. Ovo je način na koji zavarivač započinje zavarivanje spoja trenutnim dodirom elektrode za zavarivanje predmeta.
Drugi primjer je razdvajanje električnih kontakata na prekidačima, relejima ili prekidačima. Visokoenergetski krugovi mogu zahtijevati suzbijanje luka kako bi se spriječilo oštećenje kontakta.
Voltaični luk: karakteristike
Električni otpor duž neprekidnog luka stvara toplotu koja jonizuje više molekula gasa (gde je stepen jonizacije određen temperaturom), a prema ovom nizu gas se postepeno pretvara u toplotnu plazmu, koja je u toplotnoj ravnoteži, pošto je temperatura relativno ravnomerno raspoređena po svi atomi, molekuli, joni i elektroni. Energija koju prenose elektroni brzo se raspršuje s težim česticama zbog elastičnih sudara zbog njihove velike pokretljivosti i veliki brojevi.
Struja u luku se održava termoionskom i poljskom emisijom elektrona na katodi. Struja se može koncentrirati u vrlo malu vruću tačku na katodi - oko milion ampera po kvadratnom centimetru. Za razliku od svjetlećeg pražnjenja, luk ima suptilnu strukturu, budući da je pozitivni stupac prilično svijetao i proteže se gotovo do elektroda na oba kraja. Katodni i anodni pad od nekoliko volti javljaju se unutar djelića milimetra od svake elektrode. Pozitivni stub ima niži gradijent napona i može biti odsutan u vrlo kratkim lukovima.
Niskofrekventni luk
AC luk niske frekvencije (manje od 100 Hz) nalikuje istosmjernom luku. U svakom ciklusu, luk se pokreće kvarom i elektrode mijenjaju uloge kako struja mijenja smjer. Kako se frekvencija struje povećava, nema dovoljno vremena za jonizaciju na divergenciji svakog poluciklusa, a raspad više nije potreban za održavanje luka - karakteristike napona i struje postaju omskije.
Mjesto među ostalim fizičkim pojavama
Razni oblici električni lukovi su emergentna svojstva nelinearnih strujnih obrazaca i električno polje. Luk se javlja u prostoru ispunjenom plinom između dvije provodljive elektrode (često volframove ili ugljične), što rezultira vrlo visokim temperaturama koje mogu otopiti ili ispariti većinu materijala. Električni luk je kontinuirano pražnjenje, dok je slično električno pražnjenje iskre trenutno. Naponski luk se može pojaviti u krugovima jednosmjerne ili naizmjenične struje. U potonjem slučaju, može ponovo udariti u svakom poluciklusu trenutne generacije. Električni luk se razlikuje od užarenog pražnjenja po tome što je gustina struje prilično visoka i pad napona unutar luka je nizak. Na katodi gustoća struje može doseći jedan megaamper po kvadratnom centimetru.
Destruktivni potencijal
Električni luk ima nelinearan odnos između struje i napona. Jednom kada se stvori luk (bilo napredovanjem od usijanog pražnjenja ili trenutnim dodirivanjem elektroda i njihovim razdvajanjem), povećanje struje rezultira nižim naponom između terminala luka. Ovaj efekat negativnog otpora zahtijeva da se neki pozitivni oblik impedanse (poput električnog balasta) postavi u kolo kako bi se održao stabilan luk. Ovo svojstvo je razlog zašto nekontrolisani električni lukovi u aparatu postaju toliko destruktivni, jer će nakon njegovog nastanka luk trošiti sve više struje iz izvora DC napon dok se uređaj ne uništi.
Praktična upotreba
IN industrijske razmjere električni lukovi se koriste za zavarivanje, plazma rezanje, mehanička obrada električnim pražnjenjem, kao lučna lampa u filmskim projektorima i u rasvjeti. Električne lučne peći koriste se za proizvodnju čelika i drugih tvari. Kalcijum karbid se dobija na ovaj način jer je potrebna velika količina energije za postizanje endotermne reakcije (na temperaturama od 2500°C).
Ugljična lučna svjetla su bila prva električna svjetla. Korišćene su za ulične lampe u 19. veku i za specijalizovane uređaje kao što su reflektori do Drugog svetskog rata. Danas se električni lukovi niskog pritiska koriste u mnogim područjima. Na primjer, za rasvjetu se koriste fluorescentne sijalice, sijalice sa živinom parom, sijalice sa natrijumovom parom i metal-halogene sijalice, dok se za filmske projektore koriste ksenonske lučne lampe.
Formiranje intenzivnog električnog luka, sličnog lučnom bljesku male razmjere, osnova je eksplozivnih detonatora. Kada su naučnici saznali šta je voltaični luk i kako se može koristiti, raznovrsnost svetskog oružja popunjena je efikasnim eksplozivima.
Glavna preostala primjena je visoki napon Sklopka za prenosne mreže. Moderni uređaji Takođe se koristi sumpor heksafluorid pod visokim pritiskom.
Zaključak
Unatoč učestalosti žarenja naponskog luka, smatra se vrlo korisnim fizičkim fenomenom, koji se još uvijek široko koristi u industriji, proizvodnji i stvaranju ukrasnih predmeta. Ona ima svoju estetiku, a njen imidž se često pojavljuje u naučnofantastičnim filmovima. Ozljeda naponskog luka nije smrtonosna.
Električni luk (naponski luk, lučno pražnjenje) - fizička pojava, jedna od vrsta električnog pražnjenja u gasu.
Struktura luka
Električni luk se sastoji od katodnog i anodnog područja, stuba luka i prelaznih područja. Debljina anodnog područja je 0,001 mm, katodnog područja je oko 0,0001 mm.
Temperatura u anodnom području pri zavarivanju potrošnom elektrodom je oko 2500 ... 4000 ° C, temperatura u stupu luka je od 7.000 do 18.000 ° C, u području katode - 9.000 - 12.000 ° C.
Stub luka je električno neutralan. U bilo kojem njegovom dijelu nalazi se isti broj nabijenih čestica suprotnih predznaka. Pad napona u stubu luka proporcionalan je njegovoj dužini.
Lukovi za zavarivanje se klasifikuju prema:
- Elektrodni materijali - sa potrošnom i nepotrošnom elektrodom;
- Stupanj kompresije stupa - slobodni i komprimirani luk;
- Prema korištenoj struji - DC i AC luk;
- Prema polaritetu jednosmerne električne struje - direktni polaritet ("-" na elektrodi, "+" - na proizvodu) i obrnuti polaritet;
- Pri korištenju naizmjenične struje - jednofazni i trofazni lukovi.
Samoregulacija luka tokom električnog zavarivanja
Kada dođe do eksterne kompenzacije - promjene napona mreže, brzine dovoda žice, itd. - dolazi do poremećaja u uspostavljenoj ravnoteži između brzine napajanja i brzine topljenja. Kako se dužina luka u krugu povećava, struja zavarivanja i brzina topljenja žice elektrode se smanjuju, a brzina dodavanja, dok ostaje konstantna, postaje veća od brzine topljenja, što dovodi do obnavljanja duljine luka. Kako se dužina luka smanjuje, brzina topljenja žice postaje veća od brzine dodavanja, što dovodi do vraćanja normalne dužine luka.
Na efikasnost procesa samoregulacije luka značajno utiče oblik strujno-naponske karakteristike izvora napajanja. Velika brzina fluktuacije dužine luka se automatski obrađuje sa krutim I-V karakteristikama kola.
Borba protiv električnog luka
U brojnim uređajima pojava električnog luka je štetna. To su prvenstveno kontaktni sklopni uređaji koji se koriste u napajanju i elektropogonima: visokonaponski prekidači, prekidači, kontaktori, sekcijski izolatori na kontaktnoj mreži elektrificiranih željeznice i gradski električni transport. Kada se gore navedeni uređaji odvoje od opterećenja, između kontakata otvaranja nastaje luk.
Mehanizam nastanka luka u u ovom slučaju sljedeći:
- Smanjenje kontaktnog pritiska - smanjuje se broj kontaktnih točaka, povećava se otpor u kontaktnoj jedinici;
- Početak divergencije kontakata - formiranje "mostova" od rastopljenog metala kontakata (na posljednjim kontaktnim točkama);
- Puknuće i isparavanje “mostova” iz rastopljenog metala;
- Formiranje električnog luka u metalnoj pari (što doprinosi većoj ionizaciji kontaktnog razmaka i teškoćama u gašenju luka);
- Stabilno gori luk sa brzim pregorevanjem kontakata.
Da bi se oštećenja na kontaktima svela na najmanju moguću mjeru, potrebno je ugasiti luk u minimalnom vremenu, čineći sve da se spriječi da luk ostane na jednom mjestu (kako se luk kreće, toplina koja se oslobađa u njemu će se ravnomjerno raspodijeliti po tijelu kontakta ).
Da bi se ispunili gore navedeni zahtjevi, koriste se sljedeće metode kontrole luka:
- lučno hlađenje protokom rashladnog medija - tekućina (prekidač ulja); gas - (vazdušni prekidač, autogasni prekidač, uljni prekidač, SF6 gasni prekidač), a protok rashladnog medija može proći i duž osovine luka (uzdužno gašenje) i poprečno (poprečno gašenje); ponekad se koristi uzdužno-poprečno prigušivanje;
- upotreba sposobnosti vakuuma za gašenje luka - poznato je da kada se pritisak gasova koji okružuju sklopljene kontakte smanji na određenu vrednost, vakuumski prekidač dovodi do efikasnog gašenja luka (zbog odsustva nosača za formiranje luka).
- upotreba kontaktnog materijala otpornijeg na luk;
- upotreba kontaktnog materijala sa većim potencijalom jonizacije;
- upotreba rešetki za gašenje luka (prekidač, elektromagnetski prekidač). Princip korištenja gašenja luka na rešetkama temelji se na korištenju efekta pada napona u luku blizu katode (veći dio pada napona u luku je pad napona na katodi; rešetka za gašenje luka je zapravo niz serijski kontakti za luk koji tamo dođe).
- upotreba
1. Uslovi za nastanak i paljenje luka
Otvaranje električnog kruga kada postoji struja u njemu je praćeno električnim pražnjenjem između kontakata. Ako su struja i napon između kontakata u isključenom kolu veći od kritičnih za date uslove, tada a arc, čije trajanje sagorevanja zavisi od parametara strujnog kola i uslova deionizacije lučnog zazora. Formiranje luka kada se otvore bakarni kontakti moguće je već pri struji od 0,4-0,5 A i naponu od 15 V.
Rice. 1. Položaj napona U(a) i napona u stacionarnom istosmjernom lukuE(b).
U luku se razlikuju prikatodni prostor, lučno vratilo i kraj anodni prostor (sl. 1). Sav stres je raspoređen između ovih područja U za, U sd, U A. Katodni pad napona u istosmjernom luku je 10-20 V, a dužina ovog odsječka je 10-4-10-5 cm, tako da se u blizini katode uočava velika jakost električnog polja (105-106 V/cm). . Pri tako visokim naponima dolazi do udarne jonizacije. Njegova suština leži u činjenici da se elektroni otrgnuti od katode silama električnog polja (emisija polja) ili zagrijavanjem katode (termalna elektronska emisija) ubrzavaju u električno polje a kada udare u neutralni atom, daju mu svoju kinetičku energiju. Ako je ta energija dovoljna da ukloni jedan elektron iz ljuske neutralnog atoma, tada će doći do ionizacije. Rezultirajući slobodni elektroni i ioni čine plazmu cijevi luka.
Rice. 2. .
Provodljivost plazme se približava provodljivosti metala [ at= 2500 1/(Ohm×cm)]/ Velika struja prolazi kroz luk i stvara se visoka temperatura. Gustoća struje može doseći 10.000 A/cm2 ili više, a temperatura može biti u rasponu od 6.000 K pri atmosferskom pritisku do 18.000 K ili više pri povišenim pritiscima.
Visoke temperature u cijevi luka dovode do intenzivne termalne jonizacije, koja održava visoku provodljivost plazme.
Termička jonizacija je proces stvaranja jona zbog sudara molekula i atoma visoke kinetičke energije na velike brzine njihova kretanja.
Što je struja u luku veća, to je njegov otpor manji, pa je stoga potreban manji napon za izgaranje luka, odnosno teže je ugasiti luk velikom strujom.
Sa AC naponom napajanja u cd se mijenja sinusno, mijenja se i struja u kolu i(slika 2), a struja zaostaje za naponom za približno 90°. Napon luka u d, gori između kontakata prekidača, povremeno. Pri malim strujama napon se povećava na vrijednost u h (napon paljenja), tada kako se struja u luku povećava i povećava termička ionizacija, napon opada. Na kraju poluperioda, kada se struja približi nuli, luk se gasi na naponu gašenja u d. U sljedećem poluciklusu, fenomen se ponavlja ako se ne preduzmu mjere za deionizaciju jaza.
Ako se luk ugasi na ovaj ili onaj način, tada se napon između kontakata prekidača mora vratiti na napon napajanja - u vz (slika 2, tačka A). Međutim, budući da kolo sadrži induktivni, aktivni i kapacitivni otpor, dolazi do prolaznog procesa, pojavljuju se fluktuacije napona (slika 2), čija amplituda U in,max može značajno premašiti normalan napon. Za sklopnu opremu važno je koliko brzo se vraća napon u AB dijelu. Ukratko, lučno pražnjenje se pokreće udarnom jonizacijom i emisijom elektrona sa katode, a nakon paljenja, luk se održava termičkom jonizacijom u cijevi luka.
U sklopnim uređajima potrebno je ne samo otvoriti kontakte, već i ugasiti luk koji nastaje između njih.
U krugovima naizmjenične struje struja u luku prolazi kroz nulu svakih poluperioda (slika 2), u tim trenucima se luk spontano gasi, ali u sljedećem poluperiodu može ponovo nastati. Kao što oscilogrami pokazuju, struja u luku postaje bliska nuli nešto ranije od prirodnog prijelaza kroz nulu (slika 3, A). To se objašnjava činjenicom da kada se struja smanji, energija koja se dovodi u luk se smanjuje, stoga se temperatura luka smanjuje i termička ionizacija prestaje. Trajanje mrtvog vremena t n je mali (od desetina do nekoliko stotina mikrosekundi), ali igra važnu ulogu u gašenju luka. Ako otvorite kontakte tijekom mrtvog vremena i razmaknete ih dovoljnom brzinom do takve udaljenosti da ne dođe do električnog kvara, strujni krug će se vrlo brzo isključiti.
Tokom mrtve pauze, intenzitet jonizacije značajno opada, jer ne dolazi do termalne jonizacije. U sklopnim uređajima se, osim toga, poduzimaju umjetne mjere za hlađenje prostora luka i smanjenje broja nabijenih čestica. Ovi procesi deionizacije dovode do postepenog povećanja električne snage jaza u pr (sl. 3, b).
Naglo povećanje električne snage jaza nakon što struja prođe kroz nulu javlja se uglavnom zbog povećanja jačine prostora blizu katode (u AC krugovima 150-250V). Istovremeno se povećava napon povrata u V. Ako u bilo kom trenutku u pr > u jaz neće biti probijen, luk se neće ponovo upaliti nakon što struja prođe kroz nulu. Ako u nekom trenutku u pr = u c, tada se luk ponovo zapali u procjepu.
Rice. 3. :
A– gašenje luka kada struja prirodno prođe kroz nulu; b– povećanje električne snage lučnog jaza kada struja prođe kroz nulu
Dakle, zadatak gašenja luka svodi se na stvaranje takvih uslova da električna snaga jaza između kontakata u bilo je više napetosti između njih u V.
Proces povećanja napona između kontakata isključenog uređaja može biti različite prirode u zavisnosti od parametara uključenog kola. Ako se krug s dominantnim aktivnim otporom isključi, tada se napon vraća prema aperiodičnom zakonu; ako u krugu prevladava induktivna reaktancija, tada se javljaju oscilacije čije frekvencije ovise o omjeru kapacitivnosti i induktivnosti kola. Oscilatorni proces dovodi do značajnih brzina oporavka napona, i to veće brzine du V/ dt, veća je vjerovatnoća da će se jaz pokvariti i da će se luk ponovo zapaliti. Da bi se olakšali uslovi za gašenje luka, aktivni otpori se uvode u isključeni strujni krug, tada će priroda oporavka napona biti aperiodična (slika 3, b).
3. Metode gašenja luka u sklopnim uređajima do 1000IN
U rasklopnim uređajima do 1 kV široko se koriste sljedeće metode gašenja luka:
Produženje luka uz brzo odstupanje kontakata.
Što je luk duži, to je veći napon potreban za njegovo postojanje. Ako je napon izvora napajanja niži, luk se gasi.
Podjela dugog luka na nekoliko kratkih (slika 4, A).
Kao što je prikazano na sl. 1, napon luka je zbir napona katode U k i anodu U i pad napona i napon osovine luka U sd:
U d= U k+ U a+ U sd= U e+ U sd.
Ako se dugačak luk koji nastaje kada se kontakti otvore uvuče u rešetku za gašenje luka napravljenu od metalnih ploča, tada će se podijeliti na N kratki lukovi. Svaki kratki luk će imati svoje katodne i anodne padove napona U e. Luk se gasi ako:
U n U uh,
Gdje U- mrežni napon; U e - zbir pada napona katode i anode (20-25 V u DC luku).
AC luk se također može podijeliti na N kratki lukovi. U trenutku kada struja prođe kroz nulu, prostor blizu katode trenutno dobija električnu snagu od 150-250 V.
Luk se gasi ako
Gašenje luka u uskim prorezima.
Ako luk gori u uskom procjepu formiranom materijalom otpornim na luk, tada zbog kontakta s hladnim površinama dolazi do intenzivnog hlađenja i difuzije nabijenih čestica u okruženje. To dovodi do brze deionizacije i gašenja luka.
Rice. 4.
A– dijeljenje dugog luka na kratke; b– uvlačenje luka u uski prorez u komori za gašenje luka; V– rotacija luka u magnetnom polju; G– gašenje luka u ulju: 1 – fiksni kontakt; 2 – deblo luka; 3 – vodonična školjka; 4 – gasna zona; 5 – zona uljne pare; 6 – pokretni kontakt
Kretanje luka u magnetskom polju.
Električni luk se može smatrati provodnikom koji nosi struju. Ako je luk u magnetskom polju, tada na njega djeluje sila određena pravilom lijeve strane. Ako stvorite magnetsko polje usmjereno okomito na os luka, tada će primiti translacijsko kretanje i bit će uvučeno unutar otvora komore za gašenje luka (slika 4, b).
U radijalnom magnetnom polju, luk će primiti rotaciono kretanje(Sl. 4, V). Može se stvoriti magnetno polje trajni magneti, posebne zavojnice ili sam krug dijelova pod naponom. Brza rotacija i kretanje luka doprinosi njegovom hlađenju i deionizaciji.
Posljednje dvije metode gašenja luka (u uskim prorezima i u magnetnom polju) koriste se i kod uređaja za isključivanje napona iznad 1 kV.
4. Glavne metode gašenja luka u uređajima iznad 1kV.
U rasklopnim uređajima preko 1 kV koriste se metode 2 i 3 opisane u paragrafima. 1.3. a široko se koriste i sljedeće metode gašenja luka:
1. Gašenje luka u ulju .
Ako su kontakti uređaja za odvajanje postavljeni u ulje, tada luk koji nastaje prilikom otvaranja dovodi do intenzivnog stvaranja gasa i isparavanja ulja (Sl. 4, G). Oko luka formira se mehur gasa koji se sastoji uglavnom od vodonika (70-80%); brza razgradnja ulja dovodi do povećanja pritiska u mehuru, što doprinosi njegovom boljem hlađenju i deionizaciji. Vodonik ima visoka svojstva gašenja luka. U direktnom kontaktu sa lučnim vratilom, doprinosi njegovoj deionizaciji. Unutar mjehurića plina postoji kontinuirano kretanje plinske i naftne pare. Gašenje luka u ulju se široko koristi u prekidačima.
2. Gas-vazduh puše .
Lukno hlađenje se poboljšava ako se stvori usmjereno kretanje plinova - pjeskarenje. Duvanje duž ili popreko luka (slika 5) pospešuje prodor čestica gasa u njegovu cev, intenzivnu difuziju i hlađenje luka. Gas nastaje tokom razgradnje nafte pomoću luka (uljni prekidači) ili čvrstih materijala koji stvaraju gas (eksplozija autogasa). Efikasnije je duvati hladnim, nejonizovanim vazduhom koji dolazi iz specijalnih cilindara sa komprimovanim vazduhom (prekidači za vazduh).
3. Višestruki prekid strujnog kola .
Isključivanje velikih struja na visokim naponima je teško. Ovo se objašnjava činjenicom da kada velike vrijednosti Sa dodatnom energijom i povratnim naponom, deionizacija lučnog razmaka postaje složenija. Stoga se u visokonaponskim prekidačima koriste višestruki prekidi luka u svakoj fazi (slika 6). Takvi prekidači imaju nekoliko uređaja za gašenje koji su dizajnirani za dio nazivne vrijednosti. 
pređe. Broj prekida po fazi zavisi od tipa prekidača i njegovog napona. U prekidačima 500-750 kV može biti 12 prekida ili više. Da bi se olakšalo gašenje luka, povratni napon mora biti ravnomjerno raspoređen između prekida. Na sl. Slika 6 šematski prikazuje prekidač ulja sa dva prekida po fazi.
Kada je jednofazni kratki spoj isključen, povratni napon će biti raspoređen između prekida na sljedeći način:
U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1
Gdje U 1 ,U 2 - naprezanja primijenjena na prvi i drugi prekid; WITH 1 – kapacitet između kontakata ovih praznina; C 2 – kapacitet kontaktnog sistema u odnosu na tlo.
Rice. 6. Raspodjela napona preko prekida u prekidaču: a – raspodjela napona preko prekida u prekidaču za ulje; b – kapacitivni djelitelji napona; c – aktivni razdjelnici napona.
Jer WITH 2 je mnogo više C 1, zatim napon U 1 > U 2 i stoga će uređaji za gašenje raditi pod različitim uslovima. Za izjednačavanje napona, kapacitivnosti ili aktivni otpori su povezani paralelno sa glavnim kontaktima prekidača (MC) (Sl. 16, b, V). Vrijednosti kapacitivnosti i aktivnih otpora šanta biraju se tako da se napon na prekidima ravnomjerno raspoređuje. U prekidačima sa šantom otporima, nakon gašenja luka između glavnih kola, prateća struja, ograničena po vrijednosti otporima, prekida se pomoću pomoćnih kontakata (AC).
Otpori šanta smanjuju brzinu porasta povratnog napona, što olakšava gašenje luka.
4. Gašenje luka u vakuumu .
Visoko razrijeđeni plin (10-6-10-8 N/cm2) ima električnu snagu desetine puta veću od plina pri atmosferskom pritisku. Ako se kontakti otvore u vakuumu, odmah nakon prvog prolaska struje u luku kroz nulu, jačina jaza se obnavlja i luk se više ne pali.
5. Gašenje luka u gasovima visokog pritiska .
Vazduh pod pritiskom od 2 MPa ili više ima visoku električnu snagu. To omogućava stvaranje prilično kompaktnih uređaja za gašenje luka u atmosferi komprimiranog zraka. Upotreba gasova visoke čvrstoće, kao što je sumpor heksafluorid SF6 (gas SF6), je još efikasnija. Gas SF6 ne samo da ima veću električnu snagu od zraka i vodonika, već ima i bolja svojstva gašenja luka čak i pri atmosferskom pritisku.
Princip elektrolučnog zavarivanja temelji se na korištenju temperature električnog pražnjenja koje nastaje između elektrode za zavarivanje i metalnog obratka.
Lučno pražnjenje nastaje zbog električnog kvara zračnog raspora. Kada dođe do ovog fenomena, molekuli plina se joniziraju, povećavaju se njegova temperatura i električna provodljivost, te prelazi u stanje plazme.
Zapaljenje luka za zavarivanje je praćeno oslobađanjem velika količina svjetlosnu, a posebno toplinsku energiju, uslijed čega temperatura naglo raste i dolazi do lokalnog topljenja metala obratka. Ovo je zavarivanje.
Tokom rada, da bi se pokrenulo lučno pražnjenje, obradak se nakratko dodiruje elektrodom, tj. kratki spoj nakon čega slijedi prekid metalnog kontakta i uspostavljanje potrebnog zračnog raspora. Na taj način se odabire optimalna dužina luka za zavarivanje.
Kod vrlo kratkog pražnjenja, elektroda se može zalijepiti za radni predmet, topljenje se događa preintenzivno, što može dovesti do stvaranja progiba. Dug luk karakteriše nestabilnost sagorevanja i nedovoljno visoka temperatura u zoni zavarivanja.
Nestabilnost i vidljivo savijanje oblika luka za zavarivanje često se može primijetiti tijekom rada industrijskih jedinica za zavarivanje s prilično masivnim dijelovima. Ova pojava se zove magnetno puhanje.
Njegova suština leži u činjenici da struja luka zavarivanja stvara određeno magnetsko polje koje je u interakciji sa magnetsko polje, stvoren strujom koja teče kroz masivni radni komad.
To jest, otklon luka je uzrokovan magnetskim silama. Proces se naziva puhanjem jer je luk otklonjen, kao pod uticajem vjetra.
Ne postoje radikalni načini za borbu protiv ove pojave. Da bi se smanjio utjecaj magnetskog udara, koristi se zavarivanje skraćenim lukom, a elektroda se također postavlja pod određenim kutom.
Medij za sagorevanje
Postoji nekoliko različitih tehnologija zavarivanja koje koriste pražnjenje električnog luka, koje se razlikuju po svojstvima i parametrima. Električni luk za zavarivanje ima sljedeće vrste:
- otvoren. Pražnjenje se događa direktno u atmosferi;
- zatvoreno. Visoka temperatura nastala tokom sagorevanja izaziva obilno oslobađanje gasova iz gorućeg toka. Fluks se nalazi u premazu elektroda za zavarivanje;
- u okruženju zaštitnog gasa. U ovoj opciji, u zonu zavarivanja se dovodi plin, najčešće helij, argon ili ugljični dioksid.
Zaštita zone zavarivanja je neophodna kako bi se spriječila aktivna oksidacija topljenog metala pod utjecajem atmosferskog kisika.
Oksidni sloj sprečava nastanak kontinuiranog zavariti, metal na spoju postaje porozan, što rezultira smanjenjem čvrstoće i nepropusnosti spoja.
Do neke mjere, sam luk je sposoban stvoriti mikroklimu u zoni sagorijevanja zbog formiranja područja visok krvni pritisak, sprečavajući protok atmosferskog vazduha.
Upotreba fluksa omogućava aktivnije istiskivanje zraka iz zone zavarivanja. Upotreba zaštitnih plinova koji se dovode pod pritiskom rješava ovaj problem gotovo u potpunosti.
Trajanje pražnjenja
Pored kriterijuma zaštite, lučno pražnjenje se klasifikuje po trajanju. Postoje procesi u kojima se izgaranje luka odvija u impulsnom režimu.
U takvim uređajima zavarivanje se izvodi u kratkim rafalima. Tokom izbijanja, temperatura uspijeva porasti do vrijednosti dovoljne za lokalno topljenje mala zona, u kojoj se formira tačkasta veza.
Većina korištenih tehnologija zavarivanja koristi relativno dugo vrijeme gorenja luka. Tokom procesa zavarivanja, elektroda se stalno kreće duž ivica koje se spajaju.
Region povišena temperatura, stvarajući, kreće se za elektrodom. Nakon preseljenja elektroda za zavarivanje Posljedično, lučno pražnjenje, temperatura pređenog područja se smanjuje, dolazi do kristalizacije zavarenog bazena i formiranja čvrstog vara.
Struktura lučnog pražnjenja
Područje lučnog pražnjenja je konvencionalno podijeljeno u tri dijela. Područja neposredno uz polove (anoda i katoda) nazivaju se anoda, odnosno katoda.
Središnji dio lučnog pražnjenja, koji se nalazi između anodnog i katodnog područja, naziva se lučni stup. Temperatura u zoni luka zavarivanja može doseći nekoliko hiljada stepeni (do 7000 °C).
Iako se toplota ne prenosi u potpunosti na metal, sasvim je dovoljna da se rastopi. Dakle, tačka topljenja čelika, za poređenje, iznosi 1300-1500 °C.
Da bi se osiguralo stabilno sagorijevanje lučnog pražnjenja, neophodno je sledećim uslovima: prisutnost struje reda veličine 10 Ampera (ovo je minimalna vrijednost, maksimalna može doseći 1000 Ampera), uz održavanje napona luka od 15 do 40 Volti.
Ovaj pad napona nastaje u lučnom pražnjenju. Raspodjela napona po zonama luka je neravnomjerna. Većina primijenjenog pada napona događa se u anodnoj i katodnoj zoni.
Eksperimentalno je utvrđeno da se pri , najveći pad napona uočava u katodnoj zoni. U istom dijelu luka uočen je najveći temperaturni gradijent.
Zbog toga se pri izboru polariteta procesa zavarivanja katoda spaja na elektrodu kada se želi postići njeno najveće topljenje, povećavajući njenu temperaturu. Naprotiv, za dublje prodiranje u radni predmet, katoda je pričvršćena na njega. Najmanji dio napona pada u stubu luka.
Prilikom zavarivanja elektrodom koja se ne troši, pad napona katode je manji od anodnog, odnosno zona visoke temperature se pomiče prema anodi.
Stoga se ovom tehnologijom radni komad spaja na anodu, što osigurava dobro zagrijavanje i zaštitu nepotrošne elektrode od previsoke temperature.
Temperaturne zone
Treba napomenuti da kod bilo koje vrste zavarivanja, i sa potrošnim i nepotrošnim elektrodama, stub luka (njegov centar) ima najviše visoke temperature- oko 5000-7000 °C, a ponekad i više.
Zone najniže temperature nalaze se u jednoj od aktivna područja, katodni ili anodni. U ovim zonama može se osloboditi 60-70% topline luka.
Osim što intenzivno povećava temperaturu obratka i elektrode za zavarivanje, pražnjenje emituje infracrvene i ultraljubičaste valove koji mogu štetno djelovati na tijelo zavarivača. To zahtijeva primjenu zaštitnih mjera.
Što se tiče zavarivanja naizmeničnom strujom, koncept polariteta tu ne postoji, jer se položaj anode i katode menja na industrijskoj frekvenciji od 50 vibracija u sekundi.
Luk u ovom procesu je manje stabilan u odnosu na jednosmjernu struju, njegova temperatura varira. Prednosti procesa zavarivanja pomoću naizmjenične struje uključuju jednostavniju i jeftiniju opremu, pa čak i gotovo potpunu odsutnost takvog fenomena kao što je magnetsko mlaz, koji je gore spomenut.
Volt-amper karakteristike
Grafikon prikazuje ovisnost napona izvora napajanja od struje zavarivanja, koja se naziva strujno-naponska karakteristika procesa zavarivanja.
Crvene krivulje prikazuju promjenu napona između elektrode i obratka u fazama pobude luka zavarivanja i njegovog stabilnog sagorijevanja. Početne tačke krivih odgovaraju naponu idle move napajanje.
U trenutku kada zavarivač započne lučno pražnjenje, napon naglo opada do perioda kada se parametri luka stabilizuju i uspostavi vrijednost struje zavarivanja, ovisno o promjeru upotrijebljene elektrode, snazi izvora napajanja i podešenoj dužina luka.
S početkom ovog perioda, napon i temperatura luka se stabilizuju, a cijeli proces postaje stabilan.