Paramètres de l'arc électrique. Arc électrique, accident

Le soudage à l'arc, qu'il soit manuel ou mécanisé, s'effectue grâce à un arc électrique, qui est par essence une décharge électrique. L'arc électrique de soudage est caractérisé par le déclenchement grande quantité chaleur et lumière. Notez que la température de l’arc peut atteindre jusqu’à 6 000 degrés Celsius.

Il convient de prêter attention au fait que la lumière et la chaleur générées par l'arc peuvent être nocives pour la santé humaine. Par conséquent, tous les travaux de soudage utilisant la méthode soudage à l'arc s’effectuent exclusivement en combinaison et avec un masque ou des lunettes qui protègent les yeux du soudeur.

L'arc électrique de soudage n'est pas toujours le même ; il en existe plusieurs types, qui dépendent de l'environnement dans lequel le soudage est effectué, du produit métallique et d'autres facteurs.

Types de soudage à l'arc électrique.

Si nous parlons de la dépendance du milieu et de l'arc, alors nous pouvons distinguer les types de décharges électriques suivants :

Arc électrique ouvert. Le soudage des produits métalliques s'effectue à l'air libre, sans utilisation de gaz spéciaux de protection. L'arc brûle dans un milieu formé par l'air ambiant et les vapeurs qui apparaissent lors du soudage de produits métalliques, de la fusion d'une électrode ou d'un fil, ou de leurs revêtements.
Arc électrique fermé. Ce type d’arc se forme lors du soudage à l’arc submergé. L'arc est protégé pendant le soudage par un mélange gazeux formé par le mélange des vapeurs du produit métallique à souder, de l'électrode consommable et, en fait, du flux.
Arc dans un environnement de gaz protecteur. DANS dans ce cas Nous parlons de soudage dans un environnement de gaz dits de protection : inertes ou actifs (on utilise aussi bien des gaz purs que leurs mélanges). À la suite du soudage, un environnement gazeux se forme, composé de gaz de protection, de vapeur métallique et d'électrode.

Alimentation pour l'arc de soudage.

Un arc de soudage se forme lorsqu’un courant électrique est appliqué. Notez que l’arc peut être alimenté à partir de sources de courant alternatif et de courant continu. Diverses sources la nourriture est donnée différents types arc.

Lors de l'utilisation du courant continu, deux types d'arc peuvent être obtenus : les soudeurs utilisent à la fois un arc de polarité directe et un arc de polarité inversée. La différence entre ces deux types réside dans la connexion électrique. Ainsi, avec une polarité directe, le moins est appliqué directement à l'électrode et le plus est appliqué au produit métallique qui sera soudé. En cas de polarité inversée, la connexion s'effectue à l'envers : le plus est fourni à l'électrode, tandis que le moins est fourni au produit métallique à souder.

On constate également que le produit métallique à souder n'est parfois pas inclus dans le circuit électrique. Dans de tels cas, ils disent qu'un arc indirect est utilisé, c'est-à-dire que le courant est fourni uniquement à l'électrode. Si à la fois une électrode et un produit métallique sont connectés à la source d'alimentation, alors dans ce cas, ils parlent d'un arc direct. Il est à noter que cet arc électrique est le plus souvent utilisé ; les soudeurs utilisent extrêmement rarement l'arc indirect.

Valeurs de densité de courant pour un arc de soudage.

Lors du soudage de produits métalliques à l'arc électrique, l'indicateur de densité de courant joue également un rôle important. Dans le mode de soudage à l'arc manuel conventionnel, la densité de courant est standard, à savoir 10-20 A/mm 2. Les soudeurs fixent la même valeur lors du soudage dans certains gaz. Une densité de courant élevée, à savoir 80-120 A/mm 2 et également supérieure, est utilisée pour les soudages semi-automatiques ou autres effectués sous la protection de gaz ou de flux.

La densité de courant affecte la tension de l'arc. Cette dépendance est généralement appelée caractéristique statique de l'arc (elle est représentée graphiquement). Notez que si la densité de courant est faible, alors cette caractéristique peut diminuer : c'est-à-dire qu'une chute de tension se produit lorsque le courant, au contraire, augmente. Ce phénomène est dû au fait qu'à mesure que la valeur du courant augmente, la conductivité électrique augmente, ainsi que la section transversale de la colonne d'arc, tandis que la densité de courant diminue.

Lorsque la densité de courant habituelle pour le soudage manuel est utilisée, la tension perd sa dépendance par rapport à la valeur du courant. Dans ce cas, la surface de la colonne augmente proportionnellement au courant. Notez également que la conductivité électrique reste pratiquement inchangée et que la densité de courant dans la colonne reste également constante.

Comment se produit un arc de soudage ?

Un arc de soudage se produit uniquement lorsque la colonne de gaz située entre le produit métallique et l'électrode est suffisamment ionisée (c'est-à-dire qu'elle possède le nombre requis d'électrons et d'ions). Pour atteindre un niveau normal d'ionisation, l'électricité est transférée aux molécules de gaz. À la suite de ce processus, des électrons commencent à être libérés. En fait, le milieu de l'arc est un gaz conducteur de courant ; il a une forme cylindrique ronde.

Notez que l’arc électrique lui-même est constitué de 3 composants :

partie anodique;
colonne à arc électrique;
partie cathodique.

La stabilité de l'arc électrique pendant le processus de soudage est influencée par de nombreux facteurs, notamment la tension à vide, le type de courant électrique, son amplitude, sa polarité, etc. Pendant le processus de soudage, tous ces indicateurs doivent être soigneusement surveillés et le mode de soudage doit être correctement réglé sur de différentes manières et pour divers produits métalliques.

Lors de l'ouverture circuit électrique une décharge électrique se produit sous la forme arc électrique. Pour qu'un arc électrique se produise, il suffit que la tension aux contacts soit supérieure à 10 V avec un courant dans le circuit de l'ordre de 0,1 A ou plus. À des tensions et des courants importants, la température à l'intérieur de l'arc peut atteindre 3 à 15 000 °C, ce qui fait fondre les contacts et les pièces sous tension.

À des tensions de 110 kV et plus, la longueur de l'arc peut atteindre plusieurs mètres. Par conséquent, un arc électrique, en particulier dans les circuits de puissance puissants, à des tensions supérieures à 1 kV constitue un grand danger, même si des conséquences graves peuvent également survenir dans des installations à des tensions inférieures à 1 kV. De ce fait, l'arc électrique doit être limité au maximum et éteint rapidement dans les circuits présentant des tensions aussi bien supérieures qu'inférieures à 1 kV.

Le processus de formation d'un arc électrique peut être simplifié comme suit. Lorsque les contacts divergent, la pression de contact et, par conséquent, la surface de contact diminuent initialement, la densité de courant et la température augmentent - une surchauffe locale (dans certaines zones de la zone de contact) commence, ce qui contribue en outre à l'émission thermoionique, sous l'influence de à haute température, la vitesse des électrons augmente et ils s'échappent avec la surface de l'électrode.

Au moment où les contacts divergent, c'est-à-dire que le circuit se coupe, la tension est rapidement rétablie au niveau de l'espacement des contacts. Étant donné que la distance entre les contacts est petite, une haute tension apparaît, sous l'influence de laquelle des électrons sont éjectés de la surface de l'électrode. Ils accélèrent dans un champ électrique et, lorsqu'ils heurtent un atome neutre, lui donnent leur énergie cinétique. Si cette énergie est suffisante pour retirer au moins un électron de la coquille d’un atome neutre, alors le processus d’ionisation se produit.

Les électrons et ions libres qui en résultent constituent le plasma du canon à arc, c'est-à-dire le canal ionisé dans lequel l'arc brûle et assure le mouvement continu des particules. Dans ce cas, les particules chargées négativement, principalement les électrons, se déplacent dans une direction (vers l'anode), et les atomes et molécules de gaz dépourvus d'un ou plusieurs électrons - les particules chargées positivement - dans la direction opposée (vers la cathode). La conductivité du plasma est proche de celle des métaux.

Un courant important traverse l’arbre à arc et une température élevée est créée. Cette température du canon à arc conduit à l'ionisation thermique - le processus de formation d'ions dû à la collision de molécules et d'atomes avec une énergie cinétique élevée à des vitesses de déplacement élevées (les molécules et les atomes du milieu où l'arc brûle se désintègrent en électrons et ions chargés positivement). L'ionisation thermique intense maintient une conductivité plasmatique élevée. Par conséquent, la chute de tension le long de la longueur de l’arc est faible.

Dans un arc électrique, deux processus se produisent en permanence : outre l'ionisation, également la désionisation des atomes et des molécules. Cette dernière se produit principalement par diffusion, c'est-à-dire le transfert de particules chargées dans l'environnement, et la recombinaison d'électrons et d'ions chargés positivement, qui se recombinent en particules neutres avec libération de l'énergie dépensée pour leur désintégration. Dans ce cas, la chaleur est dissipée dans l’environnement.

Ainsi, il est possible de distinguer trois étapes du processus considéré : l'allumage de l'arc, lorsque, en raison de l'ionisation par impact et de l'émission d'électrons de la cathode, une décharge d'arc commence et l'intensité de l'ionisation est supérieure à la combustion de l'arc stable par désionisation ; ionisation thermique dans le canon à arc, lorsque l'intensité de l'ionisation et de la désionisation est la même, extinction de l'arc lorsque l'intensité de la désionisation est supérieure à l'ionisation.

Méthodes d'extinction des arcs dans les appareils de commutation électrique

Afin de déconnecter les éléments du circuit électrique et ainsi éviter d'endommager l'appareil de commutation, il faut non seulement ouvrir ses contacts, mais aussi éteindre l'arc qui apparaît entre eux. Les processus d'extinction de l'arc, ainsi que de combustion, sont différents pour le courant alternatif et continu. Ceci est déterminé par le fait que dans le premier cas, le courant dans l'arc passe par zéro à chaque demi-cycle. A ces instants, la libération d'énergie dans l'arc s'arrête et l'arc s'éteint spontanément à chaque fois, puis se rallume.

En pratique, le courant dans l'arc devient proche de zéro un peu plus tôt que le passage par zéro, car à mesure que le courant diminue, l'énergie fournie à l'arc diminue, la température de l'arc diminue en conséquence et l'ionisation thermique s'arrête. Dans ce cas, le processus de désionisation se produit de manière intensive dans l'espace d'arc. Si les contacts sont ouverts et rapidement séparés pour le moment, une panne électrique ultérieure ne peut pas se produire et le circuit sera éteint sans qu'un arc ne se produise. Cependant, dans la pratique, cela est extrêmement difficile à réaliser et des mesures spéciales sont donc prises pour accélérer l'extinction de l'arc, assurer le refroidissement de l'espace de l'arc et réduire le nombre de particules chargées.

En raison de la désionisation, la résistance électrique de l'espace augmente progressivement et en même temps la tension de rétablissement à ses bornes augmente. Le rapport de ces quantités détermine si l'arc s'allumera ou non pour la moitié suivante de la période. Si la résistance électrique de l'espace augmente plus rapidement et qu'il y a plus de tension de rétablissement, l'arc ne s'allumera plus, sinon un arc stable sera assuré. La première condition détermine la tâche d'éteindre l'arc.

Dans les appareils de commutation qu'ils utilisent diverses manières extinction de l'arc.

Allongement de l'arc

Lorsque les contacts divergent lors du processus de déconnexion du circuit électrique, l'arc résultant s'étire. Dans le même temps, les conditions de refroidissement de l'arc s'améliorent, car sa surface augmente et la combustion nécessite davantage de tension.

Diviser un arc long en plusieurs arcs courts

Si l'arc formé à l'ouverture des contacts est divisé en K arcs courts, par exemple en l'étirant dans grille en métal, alors il s'éteindra. L'arc est généralement attiré dans la grille métallique par la force champ électromagnétique induit dans les plaques de grille par les courants de Foucault. Ce procédé d'extinction d'arc est largement utilisé dans les appareils de coupure pour des tensions inférieures à 1 kV, notamment dans les disjoncteurs automatiques à air.

Refroidissement de l'arc dans des fentes étroites

Il est plus facile d'éteindre l'arc dans un petit volume. Par conséquent, les chambres de suppression d'arc avec des fentes longitudinales sont largement utilisées (l'axe d'une telle fente coïncide en direction avec l'axe de l'arbre de l'arc). Un tel espace se forme généralement dans des chambres constituées de matériaux isolants résistants à l'arc. En raison du contact de l'arc avec des surfaces froides, il se produit un refroidissement intense, une diffusion de particules chargées dans l'environnement et, par conséquent, une désionisation rapide.

En plus des fentes avec des parois planes parallèles, des fentes avec des nervures, des saillies et des extensions (poches) sont également utilisées. Tout cela conduit à une déformation du canon à arc et contribue à augmenter la surface de contact avec les parois froides de la chambre.

Le dessin d'un arc dans des fentes étroites se produit généralement sous l'influence d'un champ magnétique interagissant avec l'arc, qui peut être considéré comme un conducteur de courant.

Le mouvement externe de l'arc est le plus souvent assuré par une bobine connectée en série avec les contacts entre lesquels l'arc se produit. L'extinction d'arc dans des fentes étroites est utilisée dans les appareils pour toutes les tensions.

Extinction d'arc à haute pression

À température constante, le degré d'ionisation du gaz diminue avec l'augmentation de la pression, tandis que la conductivité thermique du gaz augmente. Toutes choses égales par ailleurs, cela conduit à un refroidissement accru de l'arc. L'extinction de l'arc à l'aide de la haute pression créée par l'arc lui-même dans des chambres hermétiquement fermées est largement utilisée dans les fusibles et un certain nombre d'autres dispositifs.

Extinction d'arc dans le pétrole

S'ils sont placés dans l'huile, l'arc qui se produit lors de leur ouverture entraîne une évaporation intense de l'huile. En conséquence, une bulle de gaz (gaine) se forme autour de l'arc, composée principalement d'hydrogène (70...80 %) ainsi que de vapeur d'huile. Les gaz libérés pénètrent directement dans la zone de l'arbre de l'arc à grande vitesse, provoquent un mélange de gaz froids et chauds dans la bulle, assurent un refroidissement intense et, par conséquent, une désionisation de l'espace de l'arc. De plus, la capacité désionisante des gaz augmente la pression à l’intérieur de la bulle créée lors de la décomposition rapide du pétrole.

L'intensité du processus d'extinction de l'arc dans l'huile est plus élevée, plus l'arc entre en contact avec l'huile et plus l'huile se déplace rapidement par rapport à l'arc. Compte tenu de cela, la rupture de l'arc est limitée par un dispositif isolant fermé - chambre de coupure. Dans ces chambres, un contact plus étroit de l'huile avec l'arc est créé et, à l'aide de plaques isolantes et de trous d'échappement, des canaux de travail sont formés à travers lesquels le pétrole et les gaz se déplacent, assurant un soufflage intense de l'arc.

Chambres à arc selon le principe de fonctionnement, ils sont divisés en trois groupes principaux : avec soufflage automatique, lorsque hypertension artérielle et la vitesse de déplacement du gaz dans la zone de l'arc est créée en raison de l'énergie libérée dans l'arc, avec un jet d'huile forcé utilisant des mécanismes hydrauliques de pompage spéciaux, avec un amortissement magnétique dans l'huile, lorsque l'arc se déplace dans des fentes étroites sous l'influence d'un champ magnétique.

Le plus efficace et le plus simple chambres d'extinction d'arc avec soufflage automatique. Selon l'emplacement des canaux et des trous d'échappement, on distingue des chambres dans lesquelles un soufflage intensif du mélange gaz-vapeur et de l'huile s'écoule le long de l'arc (souffle longitudinal) ou à travers l'arc (souffle transversal). Les méthodes d'extinction d'arc envisagées sont largement utilisées dans les disjoncteurs pour des tensions supérieures à 1 kV.

Autres méthodes d'extinction de l'arc dans les appareils avec des tensions supérieures à 1 kV

En plus des méthodes d'extinction d'arc ci-dessus, les méthodes suivantes sont également utilisées : air comprimé, dont le flux souffle le long ou à travers l'arc, assurant son refroidissement intensif (à la place de l'air, d'autres gaz sont utilisés, souvent obtenus à partir de matériaux solides générateurs de gaz - fibres, plastique vinylique, etc. - en raison de leur décomposition par la combustion arc lui-même), qui a une résistance électrique supérieure à celle de l'air et de l'hydrogène, ce qui entraîne un arc brûlant dans ce gaz, même avec pression atmosphérique Il s'éteint assez rapidement, un gaz très raréfié (vide), lorsque les contacts dans lesquels s'ouvrent, l'arc ne se rallume pas (s'éteint) après le premier passage du courant par zéro.

Principe soudage à l'arc électrique est basé sur l'utilisation de la température de la décharge électrique qui se produit entre l'électrode de soudage et la pièce métallique.

Une décharge d'arc se forme en raison d'un claquage électrique de l'entrefer. Lorsque ce phénomène se produit, les molécules de gaz sont ionisées, leur température et leur conductivité électrique augmentent et elles passent à l’état plasma.

La combustion d'un arc de soudage s'accompagne de la libération d'une grande quantité de lumière et surtout d'énergie thermique, ce qui entraîne une forte augmentation de la température et une fusion locale du métal de la pièce à usiner. C'est du soudage.

Pendant le fonctionnement, afin d'initier une décharge d'arc, la pièce est brièvement touchée par l'électrode, c'est-à-dire la création court-circuit suivi de la rupture du contact métallique et de l'établissement de l'entrefer requis. De cette manière, la longueur optimale de l'arc de soudage est sélectionnée.

Avec une décharge très courte, l'électrode peut coller à la pièce, la fusion se produit trop intensément, ce qui peut entraîner la formation d'un affaissement. Un arc long se caractérise par une instabilité de combustion et une température insuffisamment élevée dans la zone de soudage.

L'instabilité et la courbure visible de l'arc de soudage peuvent souvent être observées lors du fonctionnement d'unités de soudage industrielles comportant des pièces assez massives. Ce phénomène est appelé soufflage magnétique.

Son essence réside dans le fait que le courant de l'arc de soudage crée un certain champ magnétique qui interagit avec champ magnétique, créé par le courant circulant à travers une pièce massive.

Autrement dit, la déviation de l’arc est provoquée par des forces magnétiques. Le processus est appelé soufflage car l’arc est dévié, comme sous l’influence du vent.

Il n’existe pas de moyens radicaux pour lutter contre ce phénomène. Pour réduire l'influence du souffle magnétique, un soudage avec un arc raccourci est utilisé et l'électrode est également placée selon un certain angle.

Milieu de combustion

Il en existe plusieurs différents technologies de soudage, en utilisant des décharges d'arc électrique qui diffèrent par leurs propriétés et leurs paramètres. L'arc de soudage électrique a les types suivants :

ouvrir. Le rejet se produit directement dans l’atmosphère ;
fermé. La température élevée générée lors de la combustion provoque un dégagement abondant de gaz provenant du flux en combustion. Le flux est contenu dans le revêtement des électrodes de soudage ;
dans un environnement de gaz protecteur. Dans cette option, du gaz est fourni à la zone de soudage, le plus souvent de l'hélium, de l'argon ou du dioxyde de carbone.

La protection de la zone de soudage est nécessaire pour empêcher l'oxydation active du métal en fusion sous l'influence de l'oxygène atmosphérique.

La couche d'oxyde empêche la formation d'une soudure continue ; le métal au niveau du joint devient poreux, ce qui entraîne une diminution de la résistance et de l'étanchéité du joint.

Dans une certaine mesure, l'arc lui-même est capable de créer un microclimat dans la zone de combustion en raison de la formation d'une zone hypertension artérielle, empêchant la circulation de l'air atmosphérique.

L'utilisation de flux permet une expulsion plus active de l'air de la zone de soudage. L'utilisation de gaz protecteurs fournis sous pression résout presque complètement ce problème.

Durée de décharge

En plus des critères de protection, la décharge d'arc est classée par durée. Il existe des processus dans lesquels la combustion de l'arc se produit en mode pulsé.

Dans de tels dispositifs, le soudage est effectué par courtes rafales. Pendant le flash, la température parvient à augmenter jusqu'à une valeur suffisante pour la fusion locale d'une petite zone dans laquelle se forme une connexion ponctuelle.

La plupart des technologies de soudage utilisées utilisent une durée de combustion de l'arc relativement longue. Pendant le processus de soudage, l'électrode se déplace constamment le long des bords à assembler.

Région température élevée, créant, se déplace après l'électrode. Après avoir déménagé électrode de soudage, par conséquent, la décharge de l'arc, la température de la zone traversée diminue, la cristallisation du bain de fusion se produit et la formation d'une soudure solide.

Structure de décharge d'arc

La zone de décharge en arc est classiquement divisée en trois sections. Les zones immédiatement adjacentes aux pôles (anode et cathode) sont appelées respectivement anode et cathode.

La partie centrale de la décharge d’arc, située entre les régions anodique et cathodique, est appelée colonne d’arc. La température dans la zone de l'arc de soudage peut atteindre plusieurs milliers de degrés (jusqu'à 7 000 °C).

Bien que la chaleur ne soit pas complètement transférée au métal, elle suffit amplement à fondre. Ainsi, le point de fusion de l’acier, à titre de comparaison, est de 1 300 à 1 500 °C.

Pour assurer une combustion stable d'une décharge d'arc, les conditions suivantes sont nécessaires : la présence d'un courant d'environ 10 Ampères (c'est la valeur minimale, le maximum peut atteindre 1000 Ampères), tout en maintenant la tension d'arc de 15 à 40 Volts.

Cette chute de tension se produit lors d’une décharge en arc. La répartition de la tension entre les zones d'arc est inégale. La majeure partie de la chute de tension appliquée se produit dans les zones anodiques et cathodiques.

Il a été établi expérimentalement qu'à , la plus grande chute de tension est observée dans la zone cathodique. C’est dans la même partie de l’arc que l’on observe le gradient de température le plus élevé.

Par conséquent, lors du choix de la polarité du processus de soudage, la cathode est connectée à l'électrode lorsqu'elle souhaite atteindre sa fusion maximale, augmentant ainsi sa température. Au contraire, pour une pénétration plus profonde de la pièce, la cathode y est fixée. La plus petite partie de la tension chute dans la colonne d'arc.

Pendant la production travaux de soudureélectrode non consommable, la chute de tension de la cathode est inférieure à celle de l'anode, c'est-à-dire que la zone à haute température est décalée vers l'anode.

Par conséquent, avec cette technologie, la pièce est connectée à l'anode, ce qui assure un bon chauffage et une protection de l'électrode non consommable contre les températures excessives.

Zones de température

Il convient de noter que dans tout type de soudage, qu'il soit avec une électrode consommable ou non, la colonne d'arc (son centre) a la température la plus élevée - environ 5 000 à 7 000 °C, et parfois plus.

Les zones de température les plus basses sont situées dans l'une des régions actives, cathode ou anode. Dans ces zones, 60 à 70 % de la chaleur de l’arc peut être libérée.

En plus d'une augmentation intense de la température de la pièce et de l'électrode de soudage, la décharge émet des ondes infrarouges et ultraviolettes qui peuvent provoquer influence néfaste sur le corps du soudeur. Cela nécessite le recours à des mesures de protection.

Quant au soudage AC, la notion de polarité n'y existe pas, puisque la position de l'anode et de la cathode change à une fréquence industrielle de 50 vibrations par seconde.

L'arc dans ce processus est moins stable que le courant continu, sa température fluctue. Les avantages des procédés de soudage utilisant le courant alternatif incluent un équipement plus simple et moins cher, et même l'absence presque totale d'un phénomène tel que le souffle magnétique, mentionné ci-dessus.

Caractéristique courant-tension

Le graphique montre la dépendance de la tension de la source d'alimentation sur le courant de soudage, appelée caractéristiques courant-tension du processus de soudage.

Les courbes rouges affichent l'évolution de la tension entre l'électrode et la pièce dans les phases d'excitation de l'arc de soudage et de sa combustion stable. Points de départ Les courbes correspondent à la tension en circuit ouvert de la source d'alimentation.

Au moment où le soudeur initie une décharge d'arc, la tension chute fortement jusqu'à la période où les paramètres de l'arc se stabilisent et où la valeur du courant de soudage s'établit, en fonction du diamètre de l'électrode utilisée, de la puissance de la source d'alimentation et de la valeur réglée. longueur de l'arc.

Avec le début de cette période, la tension et la température de l’arc se stabilisent et l’ensemble du processus devient stable.

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Arc électrique (arc voltaïque, décharge en arc) - un phénomène physique, un des types de décharge électrique dans un gaz.

Structure en arc

Arc électrique se compose de régions cathodiques et anodiques, d’une colonne d’arc et de régions de transition. L'épaisseur de la région anodique est de 0,001 mm, celle de la cathode est d'environ 0,0001 mm.

La température dans la région anodique lors du soudage avec une électrode consommable est d'environ 2 500 ... 4 000 ° C, la température dans la colonne d'arc est de 7 000 à 18 000 ° C, dans la région cathodique - 9 000 - 12 000 ° C.

La colonne d'arc est électriquement neutre. Dans n'importe quelle section, il y a le même nombre de particules chargées de signes opposés. La chute de tension dans la colonne d'arc est proportionnelle à sa longueur.

Arcs de soudage classé par :

Matériaux d'électrodes - avec électrodes consommables et non consommables ;
Degrés de compression de la colonne - arc libre et comprimé ;
Selon le courant utilisé - arc DC et arc AC ;
Selon la polarité du courant électrique continu - polarité directe ("-" sur l'électrode, "+" - sur le produit) et polarité inversée ;
Lors de l'utilisation de courant alternatif - arcs monophasés et triphasés.

Autorégulation de l'arc

Lorsqu'une compensation externe se produit - modifications de la tension du réseau, de la vitesse d'alimentation du fil, etc., une perturbation se produit dans l'équilibre établi entre la vitesse d'alimentation et la vitesse de fusion. À mesure que la longueur de l'arc dans le circuit augmente, le courant de soudage et la vitesse de fusion du fil électrode diminuent, et la vitesse d'alimentation, tout en restant constante, devient supérieure à la vitesse de fusion, ce qui conduit à la restauration de la longueur de l'arc. À mesure que la longueur de l'arc diminue, la vitesse de fusion du fil devient supérieure à la vitesse d'alimentation, ce qui conduit au rétablissement de la longueur normale de l'arc.

L'efficacité du processus d'autorégulation de l'arc est fortement influencée par la forme de la caractéristique courant-tension de la source d'alimentation. La vitesse élevée des fluctuations de la longueur de l'arc est traitée automatiquement avec les caractéristiques I-V rigides du circuit.

Combattre un arc électrique

Dans de nombreux appareils, le phénomène d'arc électrique est néfaste. Il s'agit principalement d'appareils de commutation par contact utilisés dans l'alimentation et les entraînements électriques : disjoncteurs haute tension, disjoncteurs, contacteurs, isolateurs sectionnels sur le réseau de contacts des appareils électrifiés. chemins de fer et le transport électrique urbain. Lorsque les charges sont déconnectées par les dispositifs ci-dessus, un arc se produit entre les contacts d'ouverture.

Le mécanisme d'apparition de l'arc dans ce cas est le suivant :

Réduire la pression de contact - le nombre de points de contact diminue, la résistance dans l'unité de contact augmente ;
Le début de la divergence des contacts - la formation de « ponts » à partir du métal en fusion des contacts (aux derniers points de contact) ;
Rupture et évaporation des « ponts » du métal en fusion ;
Formation d'un arc électrique dans la vapeur métallique (ce qui contribue à une plus grande ionisation de l'espace de contact et à une difficulté d'extinction de l'arc) ;
Brûlure d'arc stable avec épuisement rapide des contacts.

Pour minimiser les dommages aux contacts, il est nécessaire d'éteindre l'arc dans un délai minimum, en faisant tout ce qui est en son pouvoir pour éviter que l'arc ne reste au même endroit (au fur et à mesure que l'arc se déplace, la chaleur qui y est dégagée sera répartie uniformément sur le corps du contact ).

Pour répondre aux exigences ci-dessus, les méthodes de contrôle de l'arc suivantes sont utilisées :

refroidissement de l'arc par un flux de fluide de refroidissement - liquide (interrupteur à huile) ; gaz - (disjoncteur à air, disjoncteur autogaz, disjoncteur à huile, disjoncteur à gaz SF6), et le flux du fluide de refroidissement peut passer à la fois le long du canon à arc (trempe longitudinale) et à travers (trempe transversale) ; parfois, un amortissement longitudinal-transversal est utilisé ;
utilisation de la capacité d'extinction d'arc du vide - on sait que lorsque la pression des gaz entourant les contacts commutés est réduite à certaine valeur, conduit à une extinction efficace de l'arc (en raison de l'absence de supports pour la formation de l'arc) du disjoncteur à vide.
utilisation d'un matériau de contact plus résistant aux arcs électriques ;
utilisation de matériaux de contact avec un potentiel d'ionisation plus élevé ;
utilisation de grilles d'extinction d'arc (disjoncteur, interrupteur électromagnétique). Le principe d'utilisation de l'extinction d'arc sur les réseaux est basé sur l'utilisation de l'effet de chute proche de la cathode dans l'arc (l'essentiel de la chute de tension dans l'arc est la chute de tension à la cathode ; le réseau d'extinction d'arc est en fait une série de contacts série pour l'arc qui y arrive).
utilisation de chambres de suppression d'arc - entrant dans une chambre constituée d'un matériau résistant à l'arc, tel que le plastique mica, avec des canaux étroits, parfois en zigzag, l'arc s'étire, se contracte et est intensément refroidi au contact des parois de la chambre.
l'utilisation du « souffle magnétique » - l'arc étant fortement ionisé, il peut être considéré en première approximation comme un conducteur flexible de courant ; En créant un champ magnétique avec des électro-aimants spéciaux (connectés en série avec l'arc), il est possible de créer un mouvement d'arc pour répartir uniformément la chaleur sur le contact et la conduire dans la chambre ou la grille d'extinction de l'arc. Certaines conceptions de commutateurs créent un champ magnétique radial qui transmet un couple à l'arc.
contournement des contacts au moment de l'ouverture par un interrupteur à semi-conducteur de puissance avec un thyristor ou un triac connecté en parallèle avec les contacts ; après ouverture des contacts, l'interrupteur à semi-conducteur est éteint au moment où la tension passe par zéro (contacteur hybride, thyricon) .

Voir aussi

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Littérature

Arc électrique- article de.
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Remarques



Terminologie

Arc électrique

Soudage sous pression

Soudage par résistance

Autres types de soudure

Équipement et équipement

Maladies professionnelles

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Un extrait caractérisant l'arc électrique

– On fera du chemin cette fois ci. Oh! quand il s"en mele lui meme ca chauffe... Nom de Dieu... Le voilà!.. Vive l"Empereur! Les voilà donc les Steppes de l"Asie! Vilain pays tout de même. Au revoir, Beauche; je te réserve le plus beau palais de Moscou. Au revoir! Bonne chance... L"as tu vu, l"Empereur? Vive l"Empereur!.. preur! Si on me fait gouverneur aux Indes, Gérard, je te fais ministre du Cachemire, c'est arrêté. Vive l'Empereur ! Vive ! vive! vive! Les gredins de Cosaques, comme ils filent. Vive l"Empereur! Le voila! Le vois tu? Je l"ai vu deux fois comme jete vois. Le petit caporal... Je l"ai vu donner la croix à l"un des vieux... Vive l"Empereur!.. [Maintenant, allons-y! Oh! dès qu'il prendra les commandes, ça va bouillir. Par Dieu. .. Le voici... Hourra, Empereur ! Les voilà donc, les steppes asiatiques... Cependant, au revoir, Bose, je te laisse le meilleur palais de Moscou. As-tu vu l'empereur Ici ? il l'est ! Je l'ai vu deux fois comme toi. Petit caporal... J'ai vu comment il a accroché une croix à l'un des vieillards... Hourra, empereur !] - disaient les voix des vieux et des jeunes, des plus divers. personnages et positions dans la société. Tous les visages de ces personnes avaient une expression commune de joie au début de la campagne tant attendue et de joie et de dévouement envers l'homme en redingote grise debout sur la montagne.
Le 13 juin, Napoléon reçut un petit cheval arabe de race pure, et il s'assit et galopa vers l'un des ponts sur le Néman, constamment assourdi par des cris enthousiastes, qu'il ne supportait visiblement que parce qu'il était impossible de leur interdire d'exprimer leur amour. pour lui avec ces cris ; mais ces cris, qui l'accompagnaient partout, pesaient sur lui et le distrayaient des soucis militaires qui l'occupaient depuis son entrée dans l'armée. Il traversa l'un des ponts en se balançant sur des bateaux de l'autre côté, tourna brusquement à gauche et galopa vers Kovno, précédé par des cavaliers enthousiastes de la Garde, transpercés de bonheur, ouvrant la voie aux troupes galopant devant lui. Arrivé au large de la rivière Viliya, il s'arrêta à côté d'un régiment de uhlans polonais stationné sur la rive.
- Vivat ! – ont également crié avec enthousiasme les Polonais, perturbant le front et se poussant les uns les autres pour le voir. Napoléon examina la rivière, descendit de cheval et s'assit sur une bûche posée au bord. Sur un signe muet, on lui tendit une pipe, il la posa au dos d'un page joyeux qui accourut et se mit à regarder de l'autre côté. Puis il s'est plongé dans l'examen d'une feuille de carte disposée entre les journaux. Sans lever la tête, il dit quelque chose, et deux de ses adjudants galopèrent vers les lanciers polonais.
- Quoi? Qu'a-t-il dit ? - se fit entendre dans les rangs des lanciers polonais lorsqu'un adjudant galopa vers eux.
Il reçut l'ordre de trouver un gué et de passer de l'autre côté. Colonel lancier polonais, beau vieillard, rouge et confus dans les mots d'excitation, demanda à l'adjudant s'il serait autorisé à traverser la rivière à la nage avec ses lanciers sans chercher de gué. Lui, avec une peur évidente du refus, comme un garçon qui demande la permission de monter à cheval, a demandé à pouvoir traverser la rivière à la nage aux yeux de l'empereur. L'adjudant dit que l'empereur ne serait probablement pas mécontent de ce zèle excessif.
Dès que l'adjudant eut dit cela, un vieil officier moustachu au visage joyeux et aux yeux pétillants, levant son sabre, cria : « Vivat ! - et, ordonnant aux lanciers de le suivre, il éperonna son cheval et galopa jusqu'à la rivière. Il poussa avec colère le cheval qui avait hésité sous lui et tomba à l'eau, s'enfonçant plus profondément dans les rapides du courant. Des centaines de lanciers galopaient après lui. Il faisait froid et terrible au milieu et aux rapides du courant. Les lanciers s'accrochaient les uns aux autres, tombaient de leurs chevaux, certains chevaux se noyaient, des gens se noyaient aussi, les autres essayaient de nager, certains sur la selle, certains tenant la crinière. Ils ont essayé de nager vers l'autre côté et, malgré le fait qu'il y avait un passage à 800 mètres, ils étaient fiers de nager et de se noyer dans cette rivière sous le regard d'un homme assis sur une bûche et ne regardant même pas. à ce qu'ils faisaient. Lorsque l'adjudant de retour, ayant choisi un moment opportun, se permit d'attirer l'attention de l'empereur sur le dévouement des Polonais à sa personne, un petit homme en redingote grise se leva et, appelant Berthier, se mit à marcher avec lui. il allait et venait le long du rivage, lui donnant des ordres et regardant parfois avec mécontentement les lanciers noyés qui retenaient son attention.
Il n’était pas nouveau pour lui de croire que sa présence aux quatre coins du monde, de l’Afrique aux steppes de Moscovie, étonne et plonge également dans la folie de l’oubli de soi. Il ordonna qu'on lui amène un cheval et se rendit à son camp.
Une quarantaine de lanciers se noyèrent dans la rivière, malgré les bateaux envoyés à leur secours. La plupart sont retournés sur ce rivage. Le colonel et plusieurs personnes ont traversé la rivière à la nage et ont grimpé avec difficulté sur l'autre rive. Mais dès qu'ils sortaient avec leur robe mouillée qui pendait autour d'eux et dégoulinait à flots, ils criaient : « Vivat ! », regardant avec enthousiasme l'endroit où se tenait Napoléon, mais où il n'était plus là, et à ce moment ils considéraient eux-mêmes heureux.
Dans la soirée, Napoléon, entre deux ordres - l'un de livrer dans les plus brefs délais les faux billets russes préparés pour l'importation en Russie, et l'autre de tirer sur le Saxon, dans la lettre interceptée duquel des informations sur les ordres de l'armée française ont été trouvées - a donné un troisième ordre - sur l'inclusion du colonel polonais, qui s'est jeté inutilement dans le fleuve, dans la cohorte d'honneur (Légion d'honneur), dont Napoléon était le chef.
Qnos vult perdere – démentat. [Quiconque il veut détruire, il le privera de son esprit (lat.)]

Pendant ce temps, l'empereur russe vivait déjà à Vilna depuis plus d'un mois, effectuant des revues et des manœuvres. Rien n'était prêt pour la guerre que tout le monde attendait et à laquelle l'empereur venait de Saint-Pétersbourg se préparer. Il n’y avait pas de plan d’action général. L'hésitation sur le plan à adopter, parmi tous ceux proposés, ne fit que s'intensifier encore plus après le séjour d'un mois de l'empereur dans l'appartement principal. Les trois armées avaient chacune un commandant en chef distinct, mais il n'y avait pas de commandant commun pour toutes les armées, et l'empereur n'assumait pas ce titre.
Comment vécu plus longtemps L'empereur de Vilna se préparait de moins en moins à la guerre, fatigué de l'attendre. Toutes les aspirations du peuple entourant le souverain semblaient viser uniquement à faire oublier au souverain, tout en passant un moment agréable, la guerre à venir.
Après de nombreux bals et vacances parmi les magnats polonais, parmi les courtisans et le souverain lui-même, en juin, l'un des adjudants généraux polonais du souverain a eu l'idée d'offrir un dîner et un bal au souverain au nom de son général. adjudants. Cette idée a été acceptée avec joie par tout le monde. L'Empereur accepta. Les adjudants du général collectaient de l'argent par souscription. La personne susceptible de plaire le plus au souverain était invitée à être l'hôtesse du bal. Le comte Bennigsen, propriétaire terrien de la province de Vilna, a offert sa maison de campagne pour ces vacances, et le 13 juin un dîner, un bal, une promenade en bateau et un feu d'artifice étaient programmés à Zakret, maison de campagne Comte Bennigsen.
Le jour même où Napoléon donna l'ordre de traverser le Neman et que ses troupes avancées, repoussant les Cosaques, franchirent la frontière russe, Alexandre passa la soirée à la datcha de Bennigsen - à un bal donné par les adjudants du général.
Ce furent des vacances joyeuses et brillantes ; les experts du secteur ont déclaré qu'il était rare qu'autant de beautés soient rassemblées au même endroit. La comtesse Bezukhova, ainsi que d'autres dames russes venues chercher le souverain de Saint-Pétersbourg à Vilna, étaient présentes à ce bal, assombrissant les dames polonaises sophistiquées avec sa lourde beauté dite russe. Elle fut remarquée et le souverain l'honora d'une danse.
Boris Drubetskoy, en garçon (un célibataire), comme il le disait, ayant quitté sa femme à Moscou, était également à ce bal et, bien que n'étant pas adjudant général, participait à une grande quantité dans l'abonnement pour le bal. Boris était désormais un homme riche, très honoré, ne recherchant plus de protection, mais se tenant sur un pied d'égalité avec les plus hauts de ses pairs.
A midi, ils dansaient encore. Hélène, qui n'avait pas de digne gentleman, offrit elle-même la mazurka à Boris. Ils étaient assis dans la troisième paire. Boris, regardant froidement les épaules nues et brillantes d'Hélène dépassant de sa robe de gaze sombre et dorée, parlait de vieilles connaissances et en même temps, inaperçu de lui-même et des autres, ne cessa jamais une seconde de regarder le souverain, qui était dans la même pièce. L'Empereur ne dansait pas ; il se tenait sur le seuil et arrêtait l'un ou l'autre avec ces paroles douces que lui seul savait prononcer.
Au début de la mazurka, Boris vit que l'adjudant général Balashev, l'une des personnes les plus proches du souverain, s'approchait de lui et se tenait peu courtoisement près du souverain, qui parlait avec une dame polonaise. Après avoir parlé avec la dame, le souverain a regardé d'un air interrogateur et, réalisant apparemment que Balashev avait agi ainsi uniquement parce qu'il y avait des raisons importantes, a légèrement hoché la tête vers la dame et s'est tourné vers Balashev. Dès que Balashev a commencé à parler, la surprise s’est exprimée sur le visage du souverain. Il prit Balashev par le bras et marcha avec lui à travers le hall, dégageant inconsciemment trois brasses de large route des deux côtés de ceux qui fuyaient devant lui. Boris remarqua le visage excité d'Arakcheev tandis que le souverain marchait avec Balashev. Arakcheev, regardant le souverain sous ses sourcils et ronflant son nez rouge, sortit de la foule, comme s'il s'attendait à ce que le souverain se tourne vers lui. (Boris s'est rendu compte qu'Arakcheev était jaloux de Balashev et était mécontent que certaines nouvelles manifestement importantes n'aient pas été transmises au souverain par son intermédiaire.)
Mais le souverain et Balashev ont franchi, sans remarquer Arakcheev, la porte de sortie dans le jardin illuminé. Arakcheev, tenant son épée et regardant autour de lui avec colère, marchait à une vingtaine de pas derrière eux.

Un arc électrique est l'un des types de décharge électrique dans les gaz. Tout mouvement dirigé de particules chargées entre des électrodes dans des gaz est appelé décharge. La place de l’arc parmi les autres types de décharges dans les gaz :

La décharge en arc est différente des autres :

1 - haute température 4000 - 50 000 K

2 - haute résistance courant 50-10 000 A

3 - champ électrique faible 10 - 60 V.

On l'appelle arc en raison de la forme caractéristique qui résulte de l'interaction des particules chargées de l'arc avec le champ magnétique de l'arc lui-même. À mesure que le courant augmente, le champ magnétique peut interrompre la décharge en arc.

Le courant dans le processus d'arc circule entre les électrodes (pôles d'arc) à travers le gaz de l'espace d'arc.

L'électrode positive est l'anode.

Électrode négative - cathode

Il existe des arcs libres (en expansion libre) et des arcs compressés. Libre (librement en expansion) est un arc dont le rayon n'est limité dans aucune de ses sections ;

Un arc comprimé est un arc dont le rayon est limité dans au moins une section.

Répartition de la chute de tension dans l'arc. Dans l'espace interélectrodes, une répartition inégale du champ électrique est observée (sauts de potentiel dans les régions proches des électrodes) et, conformément à cela, la chute de tension est inégale sur la longueur de l'arc.

Les électrons libres qui existent dans les métaux sous l'influence d'un champ électrique à haute température de la cathode la quittent. Le potentiel de la région cathodique accélère et ionise les atomes de la colonne d'arc. Les atomes de la colonne peuvent également être ionisés en raison de leur niveau élevé. température (collision, photoionisation) Les électrons se déplacent dans la colonne d'arc vers l'anode En s'approchant de l'anode, tombent dessus sous l'influence du champ électrique de la région anodique. Les ions se déplacent dans la direction opposée, bombardant la cathode.

La résistance du conducteur de gaz est non linéaire et donc l'arc n'obéit pas à la loi d'Ohm

Caractéristique courant-tension statique de l'arc. En fonction de la densité de courant, la caractéristique courant-tension peut être décroissante, plate ou croissante

À faibles courants, à mesure que le courant augmente, le nombre de particules chargées augmente intensément, principalement en raison du chauffage et d'une augmentation de l'émission d'électrons de la surface de la cathode et, par conséquent, d'une augmentation correspondante de l'ionisation volumique dans la colonne d'arc.

La résistance de la colonne d'arc diminue et la tension nécessaire pour supporter la décharge diminue. La caractéristique de l'arc diminue.

Avec une nouvelle augmentation du courant et une section transversale limitée des électrodes, la colonne d'arc se contracte légèrement et le volume de gaz participant au transfert de charge diminue. Cela conduit à un taux de croissance plus faible du nombre de particules chargées.

La tension de l'arc devient légèrement dépendante du courant. La caractéristique est plate.

Dans les deux premiers domaines résistance électrique arc négatif (négatif). Ces zones sont caractéristiques des arcs avec une densité de courant relativement faible. Une nouvelle augmentation du courant conduit à l'épuisement de la capacité thermoionique de la cathode. Le nombre de particules chargées n’augmente pas et la résistance de l’arc devient positive et quasi constante. Un plasma comprimé hautement ionisé apparaît, dont les propriétés sont proches de celles des conducteurs métalliques. Un tel arc obéit à la loi d'Ohm.

Capacité énergétique divers domaines arcs

Pour les chiffres donnés, la chute de tension dans les régions de l'arc (arc dans la vapeur de fer) et les valeurs de courant typiques pour le soudage manuel à l'arc :

Dans la région cathodique 14Vx100A = 1,4 kW sur une longueur * 10"5 cm

Dans une colonne d'arc 25 V/cm x 0,6 cm x 100 A = 1,5 kW sur une longueur ^0,6 cm

Dans la zone anodique, 2,5 V x 100 A = 250 W sur une longueur de 10"4 cm.

Les principaux consommateurs d'énergie sont la région cathodique et la colonne d'arc ; il est évident que les principaux processus qui caractérisent le phénomène physique, dont le résultat est une décharge d'arc, s'y produisent.

A diamètres d'électrodes et distances entre elles constants, les paramètres électriques de l'arc dépendront du matériau des électrodes (émission, paires métalliques dans la colonne), de la composition des gaz dans l'arc, de la température des électrodes, de la composition du gaz dans l'arc (dans la colonne d'arc).

Autrement dit, les paramètres électriques de l'arc dépendent de facteurs physiques et géométriques. La modification de la taille des électrodes et de la distance entre elles affecte caractéristiques électriques arcs

Les arcs de soudage sont subdivisés (classés) :

Selon les matériaux des électrodes (Fe, W, Cu, etc.)

Selon la composition des gaz (dans l'air, dans les vapeurs métalliques, dans le flux de gaz protecteurs ;

Électrode consommable ou non consommable, etc.

Processus physiques dans la région cathodique

Les électrons quittent la surface de la cathode et se dirigent vers l'anode. Le chemin qu'ils parcourent avant la première collision avec des atomes de gaz d'arc limite la région cathodique. Les calculs montrent que cela vaut * Yu"cm pour pression normale et des arcs dans l'air et dans la vapeur de fer.

Cette zone de l'arc (1C) "5 cm) et la surface de la cathode elle-même sont généralement appelées région cathodique.

1) Le courant électrique total dans la région cathodique est constitué de courant électronique et ionique

Densité de courant (A/cm2) :

I = eo-rvWe'i© = e0n©W&

e0 - charge électronique ;

l© - nombre d'électrons ;

W© est la vitesse de déplacement (dérive) des électrons.

Si nous supposons l'égalité de la puissance des courants ioniques et électroniques (à I lui-même, > 1v), alors

Les ions et les électrons qui traversent la région cathodique accumulent de l’énergie cinétique :

R _ P1fuf - _ tsLChe.

où celles-ci, m© sont les masses correspondantes.

Puisqu’ils sont accélérés par un champ électrique, l’énergie qu’ils reçoivent sera Eo-IL (le produit des charges et la différence de potentiel) :

Eph = Elle=Єo. IR

puis la vitesse de déplacement des particules chargées :

w* = ; nous = Non, alors

ne _ W9 _ y gpe _ I gp (

Masse électronique mQ, = 9,106-10"28 g

Masse du proton mn = 1,66-10"24 g

1.66-10" 24-55.84 _z19

Pour l'ion fer AFe = 55,84 ; dans ce cas:

autour de la cathode, lui donnent leur énergie, la chauffent, captent un électron et se transforment en atomes neutres. Les électrons de la cathode sont accélérés jusqu'à l'énergie eo U* et frappent les atomes de la colonne d'arc et les ionisent.

Émission cathodique

Il existe les types suivants d'émission d'électrons à partir de la surface de la cathode :

Thermoionique ;

Autoélectronique (électrostatique);

Photoélectronique (effet photoélectrique externe) ;

Secondaire (bombardement de la surface avec des atomes, des ions, des particules lourdes, des électrons, etc.) ;

Lors du soudage méthodes d'arc Les plus courants sont les émissions thermiques et de champ.

L'intensité de l'émission est estimée par la densité de courant j [A/cm2] (pour le soudage 102 ... 105 A/mm2).

Émission thermoionique.

Les électrons libres qui existent dans un solide sont empêchés de sortir par son champ électrique – une barrière de potentiel de surface.

La quantité d'énergie minimale qui doit être donnée à un électron pour qu'il puisse quitter la surface d'un corps et se déplacer jusqu'à une distance à laquelle l'interaction entre lui et le corps est impossible est appelée fonction de travail.

Il y aura toujours des électrons qui capteront accidentellement cette énergie et quitteront le corps. Mais sous l'influence d'un champ électrique, ils reviennent immédiatement.

À mesure que la température corporelle augmente, le nombre d’électrons possédant suffisamment d’énergie pour sortir du corps augmente.

Dans les calculs électrostatiques, la fonction de travail A* = e0 f, où<р - потенциал выхода. Е0 = 1, А, = ф в эктрон-вольтах.

La densité de courant pour l'émission thermoionique est déterminée par l'équation de Richardson-Dashtman :

jT=AT2e"kf; jT = AT2e"^

A - constante, dépend du matériau de la cathode

T - température

k : - Constante de Boltzmann k = 8,62 10'5 eV/K = 1,38-10"23 JJ

Le courant d'émission thermoionique s'avère être plusieurs ordres de grandeur (100.... 10 000 fois) inférieur à celui requis pour la cathode lors du soudage, par exemple, de l'acier.

Mais dans la région cathodique, il existe une charge ionique positive globale, qui crée une intensité de champ de 1 à 106 V/cm ou plus. Un champ électrique d'une telle intensité modifie les conditions d'émission des électrons de la cathode.

Le travail de sortie des électrons diminue en fonction de l'ampleur de l'intensité du champ dans la région proche de l'électrode (proche de la cathode). Ce phénomène est appelé effet Schottky. En présence d'un champ électrique, le travail de sortie dans la région proche de la surface de la cathode diminue du montant : DAV=e"2E,/2 DAV=3,8-10"*E

E - intensité du champ électrique L'hypothèse électrostatique (émission de champ) de Langmuir (1923) joue un rôle particulier dans l'explication des phénomènes d'émission cathodique pour des densités de courant anormalement élevées caractéristiques du soudage avec électrode consommable. Le flux d'électrons a des propriétés ondulatoires. Une onde électronique peut pénétrer de la cathode à l'anode sans atteindre le niveau de potentiel requis pour l'émission, mais en le contournant. C'est ce qu'on appelle une transition tunnel. Elle se produit sans dépense d'énergie.

Dans ce cas, l’ampleur de la barrière de potentiel doit être inférieure à la longueur d’onde de l’électron dans le flux. Longueur d'onde du flux d'électrons :

Ft - Constante de Planck ft = 4,13-10"15 e-v s m - masse des électrons V - vitesse du flux d'électrons.

y et b sont des constantes qui dépendent du matériau de la cathode.

Photoémission (effet photoélectrique externe, effet Einstein). Lorsque des quanta de lumière sont absorbés par la cathode, des électrons peuvent apparaître avec une énergie bien supérieure au travail de travail. Condition d'apparition de la photoémission (loi d'Einstein)

Fi v £ f + Uz mv2

fi - Constante de Planck F> = 6,626176 (36) - 10 m J-sec ; v est la fréquence de l'onde lumineuse ;

m - masse électrique. sur

v est la vitesse de l'électron après émission.

c - la vitesse de la lumière dans le vide est de 299792458,0 (1,2) m/sec ;

vo, *o - la fréquence limite et la longueur d'onde de la lumière qui peuvent provoquer une photoémission.

Un mélange de gaz est ionisé différemment de chaque gaz individuel, car le gaz électronique créé à la suite de l'ionisation sera commun à tous les composants du mélange gazeux. Degré d'ionisation du mélange :

■L-ts p-d R'

n est le nombre de particules ;

S est le diamètre d'interaction des particules (diamètre de Ramsauer) ;

P - pression externe.

La vitesse quadratique moyenne est déterminée à partir de énergie moyenne mouvement thermique.

k est la constante de Boltzmann.

Le libre parcours d’un ion est X* le libre parcours d’un atome neutre. Le libre parcours d’un électron est L*o * 4Ilp (effet Ramsauer).

Les calculs montrent qu'avec les masses de l'ion fer et de l'électron : pір** = 56-1,66-1 O"2* g, me0 = 9,106 10'28 g,

le rapport de leur mobilité sera :

Il est évident que le courant ionique est 1830 fois inférieur au courant électronique. A partir des dépendances données, compte tenu de la pression, la mobilité électronique sera :

b. =j-Ts-Ts - ■Jtps

B = 3,62-10'13 - valeur sans dimension ;

5 - diamètre d'interaction des particules (Ramsauer).

Vitesse de dérive des électrons dans la colonne d’arc :

Dans les calculs, la colonne d'arc est supposée être de forme cylindrique, homogène avec une densité de courant constante sur toute la section transversale - le modèle de canal de K. K. Khrenov.

La longueur de la colonne d'arc est presque égale à la longueur de l'arc (entre 0,1 et 15 mm). La chute de tension dans la colonne d'arc est proportionnelle à la longueur de la colonne :

Le champ électrique de l'anode projette des ions positifs dans la colonne d'arc, attirant à la place les électrons. Une charge volumétrique négative est créée. Il n'y a pas d'émission d'ions positifs depuis l'anode de surface (dans le cas de espèce individuelle arc de carbone). À cet égard, le courant de la région anodique est un courant purement électronique ha = /“<>.

La longueur de la région anodique est approximativement égale au libre parcours moyen des électrons lors de la dernière collision avec un atome. La charge négative volumétrique de la région anodique provoque une chute de tension anodique, qui dépend peu du matériau de l'anode, des gaz de l'arc, du courant traversant l'arc et est égale à 2 ... 3 V. L'électron, atteignant l'anode, lui donne son l'énergie cinétique, ainsi que le travail de travail dépensé pour retirer un électron de la cathode.

Caractéristique courant-tension d'un arc qui se dilate librement (libre)

La décharge par arc est un système stable. Avec un approvisionnement constant en énergie, il se maintient dans une large gamme de modes. Tout déséquilibre provoque une telle modification des paramètres de l'arc que le processus d'arc persiste (n'est pas interrompu). Frontières. dans lesquels les processus d'arc sont possibles et la nature des changements dans les paramètres de l'arc en réponse aux déséquilibres déterminent les caractéristiques courant-tension.

Statique -1 - os ; dynamique -1 - 0.

Nous considérerons les caractéristiques statiques de la colonne d'arc.

Hypothèses (modèle de chaîne de K. K. Khrenov) :

Nous considérons un processus d'arc stable. L'énergie est fournie à l'arc en quantité illimitée et de quelque manière que ce soit longue durée. Aucun facteur externe n'affecte le diamètre de l'arc.

L'équilibre thermodynamique est strictement maintenu dans toutes les zones d'arc. Dans ce cas, l'arc plasma obéit à la loi de Saha.

La colonne d'arc est un cylindre dont la surface sépare nettement le plasma d'arc de température Td de l'environnement T = 0.

Toutes les pertes Tepp de la colonne d'arc sont des pertes dues au rayonnement de l'enveloppe cylindrique externe de l'arc et obéissent à la loi de Stefan-Boltzmann.

Le principe minimum de Steinbeck.

Dans un Arc qui s'étend librement, processus physiques sont réglés de telle sorte que £-> min.

Avec un processus d'arc stable, les pertes thermiques de la colonne d'arc sont le minimum possible pour les conditions données. Pour un état donné de la phase gazeuse et constants 1R et P, le champ électrique ne dépendra que de 1^.

1. À mesure que la température de la colonne augmente à partir de T6, le degré d'ionisation, la mobilité électronique, la densité de courant et l'intensité du champ électrique augmentent, et en même temps, les pertes par rayonnement augmentent également.

2. Avec une diminution de la température de la colonne du TB, le degré d'ionisation et la densité de courant diminuent, mais l'intensité du champ augmente. Les coûts énergétiques augmentent.

À condition qu’il n’y ait aucune restriction sur le diamètre de l’arc, l’arc est un système d’autorégulation dans une large plage. L'intensité de champ minimale possible est automatiquement maintenue dans l'arc. Autrement dit, à des valeurs constantes des paramètres physiques du milieu et de Id dans l'arc, de telles valeurs de T^ et rst sont établies auxquelles l'intensité du champ dans la colonne sera minimale.

Bilan énergétique dans les régions d'arc

Le bilan énergétique dans la colonne d'arc f est la fraction du courant électronique, |a est le courant de soudage.

Énergie de la source (chaleur Joule-Lenz dégagée par la résistance du plasma de la colonne d'arc au courant qui passe) :

ist - chute de tension aux bornes de la colonne d'arc.

Ionisation des atomes neutres :

C est le potentiel d'ionisation des gaz d'arc.

Perte de chaleur radiante - ECR

Pertes de chaleur dues à la convection - R^*,

Pertes de chaleur dues à la diffusion de particules chargées dans l'environnement - RAWt>

Pertes de chaleur dues aux réactions chimiques endothermiques - RXMt

Équation d’équilibre :

(1 - f)l*U* + (1- f)l*Ui+ 4g - Rem = f-lu

Q* + R* ou, sous forme simplifiée :

Q* = lc*(Royaume-Uni -<р)

d'où le résultat :

meilleure est l'émission d'électrons de la surface de la cathode (plus le travail d'extraction est faible<р) - тем больше теплоты выделяется на катоде. Опытные данные показывают:

et : 2 - typique des cathodes non consommables ;

10 - typique des cathodes consommables.

3. Bilan énergétique à l'anode.

Équation d’équilibre :

P + A ■ Rem - Qt + R*

ou, sous forme simplifiée :

Q« = l~(U, +<р)

Les données expérimentées montrent :

Arc comprimé.

Le rayon de la colonne de l'arc est avant tout fonction du courant dans l'arc :

pi/2,2 3 gst = C2 -gg - d

b3,!9L2 a0Uj

À mesure que le courant augmente, le rayon de l'arc augmente.

drCT „ P12 2.-13 . Jour 12

ID Std3i(912 3 OU 2a‘3i!9.2",C

Dgst - taux d'augmentation du rayon de l'arc.

Le taux de variation du rayon de la colonne d'arc (Dgst - rate) dépend de la valeur absolue du courant. Aux courants faibles, le rayon est sensible aux changements de courant ; aux courants élevés, il est légèrement sensible. Limite quand I» -*«, Dget = 0.

Lorsque Dgst = const, le courant d'arc est déterminé par la densité de courant "i"

I = LGap "Urn-

Un arc qui possède de telles propriétés est appelé compressé. Si le rayon dans au moins une section est une valeur constante, il est dit compressé.

La limite de transition d’un arc libre à un arc comprimé dépend du potentiel d’ionisation U. Avec une petite valeur de U, un courant important est nécessaire pour passer à un arc comprimé. Le rayon peut être limité par la surface de l'une des électrodes, ou par une augmentation du transfert de chaleur depuis la surface latérale de la colonne. En soufflant un flux de gaz froid sur l'arc, il est possible de le convertir en arc comprimé à de faibles valeurs de courant.

En conditions réelles, l'ampleur de l'augmentation de Dget peut être influencée par :

1. Le rayon des électrodes entre lesquelles l'arc brûle.

2. Potentiel d'ionisation du gaz dans lequel brûle l'arc.

3. Transfert de chaleur depuis la surface latérale de la colonne à arc.

Méthodes pour obtenir un arc compressé

Sur cette base, il existe les manières suivantes pour obtenir un arc compressé :

Limitation du diamètre d'au moins une des électrodes ;

Souffler l'arc avec un gaz à fort potentiel d'ionisation et à haute conductivité thermique (Ag. He) ;

Champ magnétique longitudinal externe (non utilisé en technologie).

Une description générale des caractéristiques courant-tension de l'arc, basée sur ce qui précède, peut être effectuée comme suit :

1) Arc libre (en expansion libre). Le rayon de la colonne d'arc gst augmente avec

augmentation du courant^Id. La température de l'arc reste constante T = const, le degré d'ionisation x est très faible. La colonne d'arc et la région cathodique ont toutes deux une caractéristique de chute.

2) Arc comprimé faiblement ionisé. Le rayon de la colonne d'arc n'augmente pas avec l'augmentation de la température. Le degré d'ionisation x et la température d'arrêt de l'arc Ta commencent à augmenter sensiblement. La colonne en arc a toujours une caractéristique de chute. Région cathodique - croissante

3) Cu^t^ v^uok£ arc ionisé. Le degré d'ionisation x-*1, les caractéristiques courant-tension de la colonne d'arc et de la région cathodique augmentent. Les processus dans l'arc cessent de dépendre de la polarité, des matériaux des électrodes et des propriétés du gaz de la colonne d'arc. L'arc devient un conducteur ordinaire au niveau des métaux (à 10 000 K, résistivité p = 1,5-1 O "4 Ohm cm), se transformant en une source de chaleur de soudage très concentrée et très stable