قوس الکتریکیمی تواند برای تجهیزات بسیار مخرب و مهمتر از آن برای مردم خطرناک باشد. تعداد نگران کننده ای از تصادفات ناشی از آن هر ساله رخ می دهد که اغلب منجر به سوختگی یا مرگ جدی می شود. خوشبختانه پیشرفت های قابل توجهی در صنعت برق در زمینه ایجاد وسایل و روش های محافظت در برابر قرار گرفتن در معرض قوس الکتریکی حاصل شده است.

علل و مکان وقوع

قوس الکتریکی یکی از کشنده ترین و کم درک ترین خطرات الکتریکی است و در بیشتر صنایع رایج است. به طور گسترده پذیرفته شده است که هر چه ولتاژ سیستم الکتریکی بالاتر باشد، خطر بیشتری برای افرادی که روی سیم‌ها و تجهیزات برق یا نزدیک آن کار می‌کنند، بیشتر می‌شود.

با این حال، انرژی حرارتی ناشی از فلاش قوس در واقع می‌تواند بیشتر باشد و در ولتاژهای پایین‌تر با همان پیامدهای مخرب بیشتر اتفاق بیفتد.

قوس الکتریکی معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که به طور تصادفی بین یک هادی برقی، مانند سیم تماس ترالی‌بوس یا خط تراموا با هادی دیگر، یا یک سطح زمین، تماس برقرار شود.

هنگامی که این اتفاق می‌افتد، جریان اتصال کوتاه حاصل، سیم‌ها را ذوب می‌کند، هوا را یونیزه می‌کند و یک کانال آتشین از پلاسما رسانا با شکل مشخصه‌ای به شکل قوس (از این رو نام آن) ایجاد می‌کند و دمای قوس الکتریکی در هسته آن می‌تواند به بیش از حد برسد. 20000 درجه سانتیگراد

قوس الکتریکی چیست؟

در واقع، این نام رایج برای تخلیه قوس است که در فیزیک و مهندسی برق به خوبی شناخته شده است - نوعی تخلیه الکتریکی مستقل در گاز. چه هستند مشخصات فیزیکیقوس الکتریکی؟ در محدوده وسیعی از فشار گاز، در ولتاژ ثابت یا متناوب (تا 1000 هرتز) بین الکترودها در محدوده چندین ولت می سوزد. قوس جوشکاری) تا ده ها کیلوولت. حداکثر چگالی جریان قوس در کاتد (10 2 -10 8 A/cm 2) مشاهده می شود، جایی که به یک نقطه کاتدی، بسیار روشن و کوچک منقبض می شود. به طور تصادفی و پیوسته در کل ناحیه الکترود حرکت می کند. دمای آن به گونه ای است که ماده کاتد در آن می جوشد. بنابراین، وجود دارد شرایط ایده آلبرای گسیل ترمیونی الکترون ها به فضای کاتد. لایه کوچکی در بالای آن تشکیل شده است که بار مثبت دارد و باعث شتاب الکترون‌های ساطع شده به سرعتی می‌شود که در آن اتم‌ها و مولکول‌های یونیزه‌کننده محیط در شکاف بین الکترودی را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

همان نقطه، اما تا حدودی بزرگتر و کمتر متحرک، روی آند تشکیل می شود. درجه حرارت در آن نزدیک به نقطه کاتد است.

اگر جریان قوس در حد چند ده آمپر باشد، جت‌های پلاسما یا مشعل‌ها با سرعت بالا از هر دو الکترود خارج می‌شوند (عکس زیر را ببینید).

در جریان های بالا (100-300 A)، جت های پلاسما اضافی ظاهر می شوند و قوس شبیه به دسته ای از رشته های پلاسما می شود (عکس زیر را ببینید).

چگونه قوس در تجهیزات الکتریکی خود را نشان می دهد؟

همانطور که در بالا ذکر شد، کاتالیزور برای وقوع آن، تولید گرمای قوی در نقطه کاتد است. دمای قوس الکتریکی همانطور که قبلاً ذکر شد می تواند به 20000 درجه سانتیگراد برسد که تقریباً چهار برابر بیشتر از سطح خورشید است. این گرما می تواند مس هادی ها را که دارای نقطه ذوب حدود 1084 درجه سانتیگراد است، به سرعت ذوب یا حتی تبخیر کند، بسیار کمتر از یک قوس. بنابراین اغلب بخارات مس و پاشش فلز مذاب در آن ایجاد می شود. هنگامی که مس از جامد به بخار تبدیل می شود، تا چند ده هزار برابر حجم اولیه خود منبسط می شود. این معادل یک قطعه مس یک سانتی متری است که در کسری از ثانیه به اندازه 0.1 متر مکعب تغییر می کند. این باعث ایجاد فشار و امواج صوتی با شدت بالا می شود که با سرعت بالا (که می تواند بیش از 1100 کیلومتر در ساعت باشد) منتشر می شود.

قرار گرفتن در معرض قوس الکتریکی

اگر این اتفاق بیفتد، صدمات جدی و حتی مرگ، نه تنها برای افرادی که روی تجهیزات الکتریکی کار می کنند، بلکه برای افراد نزدیک نیز می تواند رخ دهد. صدمات قوس می تواند شامل سوختگی پوست خارجی، سوختگی داخلی ناشی از استنشاق گازهای داغ و فلز تبخیر شده، آسیب شنوایی، آسیب بینایی مانند کوری ناشی از نور فلاش فرابنفش و بسیاری آسیب های مخرب دیگر باشد.

یک قوس بسیار قوی نیز ممکن است باعث انفجار آن شود و فشاری بیش از 100 کیلو پاسکال (کیلو پاسکال) ایجاد کند و با سرعت 300 متر بر ثانیه، ترکش‌های مانند ترکش را آزاد کند.

افرادی که دچار آسیب قوس الکتریکی شده اند ممکن است به درمان و توانبخشی پزشکی گسترده نیاز داشته باشند و هزینه صدمات آنها می تواند بسیار زیاد باشد - از نظر جسمی، عاطفی و مالی. اگرچه کسب‌وکارها طبق قانون ملزم به انجام ارزیابی ریسک برای همه فعالیت‌های کاری هستند، خطر خطرات قوس الکتریکی اغلب نادیده گرفته می‌شود زیرا اکثر مردم نمی‌دانند چگونه خطر را ارزیابی و به طور مؤثر مدیریت کنند. حفاظت در برابر اثرات قوس الکتریکی شامل استفاده از طیف وسیعی از ابزارها، از جمله استفاده در هنگام کار با تجهیزات الکتریکی پرانرژی، تجهیزات حفاظتی الکتریکی ویژه، لباس‌های ویژه، و همچنین خود تجهیزات، به‌ویژه سوئیچینگ برق با ولتاژ بالا است. دستگاه هایی که با استفاده از وسایل خاموش کننده قوس طراحی شده اند.

قوس در دستگاه های الکتریکی

در این دسته از وسایل برقی ( قطع کننده مدار، کنتاکتورها، استارترهای مغناطیسی) مبارزه با این پدیده از اهمیت ویژه ای برخوردار است. هنگامی که کنتاکت های کلیدی که مجهز به دستگاه های خاصی برای جلوگیری از ایجاد قوس نیست باز می شود، مطمئناً بین آنها مشتعل می شود.

در لحظه ای که کنتاکت ها شروع به جدا شدن می کنند، مساحت دومی به سرعت کاهش می یابد که منجر به افزایش چگالی جریان و در نتیجه افزایش دما می شود. گرمای ایجاد شده در شکاف بین کنتاکت ها (محیط معمول روغن یا هوا است) برای یونیزه شدن هوا یا تبخیر و یونیزه شدن روغن کافی است. هوا یا بخار یونیزه شده به عنوان رسانایی برای جریان قوس بین کنتاکت ها عمل می کند. اختلاف پتانسیل بین آنها بسیار کم است، اما برای حفظ قوس کافی است. در نتیجه، جریان در مدار تا زمانی که قوس از بین برود پیوسته باقی می ماند. نه تنها فرآیند وقفه را به تاخیر می اندازد، بلکه مقدار زیادی گرما تولید می کند که می تواند به خود شکن آسیب برساند. بنابراین مشکل اصلی در یک کلید (در درجه اول یک کلید فشار قوی) خاموش کردن قوس الکتریکی در کوتاه ترین زمان ممکن است تا گرمای تولید شده در آن نتواند به مقدار خطرناکی برسد.

عوامل حفظ قوس بین کنتاکت های سوئیچ

این شامل:

2. ذرات یونیزه شده بین آنها.

با پذیرفتن این موضوع، علاوه بر این متذکر می شویم:

• هنگامی که یک شکاف کوچک بین کنتاکت ها وجود دارد، حتی یک اختلاف پتانسیل کوچک برای حفظ قوس کافی است. یکی از راه های خاموش کردن آن جدا کردن کنتاکت ها در فاصله ای است که اختلاف پتانسیل برای حفظ قوس کافی نباشد. با این حال، این روش در کاربردهای ولتاژ بالا که ممکن است نیاز به جداسازی بیش از چندین متر باشد، عملی نیست.
• ذرات یونیزه شده بین تماس ها تمایل به حمایت از قوس دارند. اگر مسیر آن دیونیزه شود، فرآیند کوئنچ تسهیل می شود. این را می توان با خنک کردن قوس یا حذف ذرات یونیزه شده از فضای بین تماس ها به دست آورد.
• حفاظت قوس الکتریکی در کلیدهای مدار به دو روش انجام می شود:

روش مقاومت بالا؛

روش جریان صفر

خاموش کردن قوس با افزایش مقاومت آن

در این روش، مقاومت در طول مسیر قوس به مرور زمان افزایش می‌یابد به طوری که جریان به مقداری کاهش می‌یابد که برای پشتیبانی از آن کافی نیست. در نتیجه قطع می شود و قوس الکتریکی خاموش می شود. عیب اصلی این روش این است که زمان انقراض بسیار طولانی است و انرژی عظیمی زمان دارد تا در قوس تلف شود.

مقاومت قوس را می توان با موارد زیر افزایش داد:

• ازدیاد طول قوس - مقاومت قوس با طول آن نسبت مستقیم دارد. طول قوس را می توان با تغییر فاصله بین کنتاکت ها افزایش داد.
• خنک کردن قوس یا به طور دقیق تر محیط بین مخاطبین. خنک کننده کارآمدجریان هوا باید در امتداد قوس هدایت شود.
• با قرار دادن کنتاکت ها در محیط گازی که یونیزاسیون دشواری دارد (کلیدهای گاز) یا در محفظه خلاء (کلیدهای خلاء).
• نزول کردن سطح مقطعبا عبور دادن آن از یک سوراخ باریک یا با کاهش ناحیه تماس قوس دهید.
• با تقسیم قوس - مقاومت آن را می توان با تقسیم آن به تعدادی قوس کوچک به صورت سری افزایش داد. هر یک از آنها عمل ازدیاد طول و خنک شدن را تجربه می کنند. قوس را می توان با معرفی چند صفحه رسانا بین کنتاکت ها تقسیم کرد.

خاموش شدن قوس با استفاده از روش جریان صفر

این روش فقط در مدارهای AC استفاده می شود. مقاومت قوس را تا زمانی که جریان به صفر برسد پایین نگه می دارد و در آنجا به طور طبیعی خاموش می شود. با وجود افزایش ولتاژ در کنتاکت ها از احتراق مجدد آن جلوگیری می شود. تمام مدارشکن های مدرن با جریان متناوب بالا از این روش خاموش کردن قوس استفاده می کنند.

در یک سیستم جریان متناوب، جریان دوم پس از هر نیم سیکل به صفر می رسد. در هر تنظیم مجدد، قوس برای مدت کوتاهی خاموش می شود. در این حالت، محیط بین کنتاکت ها حاوی یون ها و الکترون ها است، بنابراین قدرت دی الکتریک آن کم است و به راحتی با افزایش ولتاژ در کنتاکت ها از بین می رود.

اگر این اتفاق بیفتد، قوس الکتریکی برای نیم سیکل بعدی جریان می سوزد. اگر بلافاصله پس از تنظیم مجدد به صفر، قدرت دی الکتریک محیط بین کنتاکت ها سریعتر از ولتاژ دو طرف آنها افزایش یابد، قوس مشتعل نمی شود و جریان قطع می شود. افزایش سریع قدرت دی الکتریک محیط نزدیک به صفر جریان را می توان با موارد زیر به دست آورد:

• ترکیب مجدد ذرات یونیزه شده در فضای بین تماس ها به مولکول های خنثی.
• با حذف ذرات یونیزه شده و جایگزینی آنها با ذرات خنثی.

بنابراین، مشکل واقعی در قطع جریان قوس متناوب، یونیزاسیون سریع محیط بین کنتاکت ها به محض صفر شدن جریان است.

روش‌های یونیزاسیون محیط بین تماس‌ها

1. افزایش طول شکاف: استحکام دی الکتریک محیط با طول شکاف بین کنتاکت ها متناسب است. بنابراین، با باز کردن سریع کنتاکت ها، می توان به استحکام دی الکتریک بالاتری از محیط دست یافت.

2. فشار خون بالا. اگر در مجاورت قوس افزایش یابد، چگالی ذرات تشکیل دهنده کانال تخلیه قوس نیز افزایش می یابد. افزایش چگالی ذرات منجر به سطح بالادیونیزاسیون آنها و در نتیجه قدرت دی الکتریک محیط بین کنتاکت ها افزایش می یابد.

3. خنک کننده. بازترکیب طبیعی ذرات یونیزه با سرد شدن سریعتر اتفاق می افتد. بنابراین، قدرت دی الکتریک محیط بین کنتاکت ها را می توان با خنک کردن قوس افزایش داد.

4. اثر انفجار. اگر ذرات یونیزه شده بین کنتاکت ها از بین رفته و با ذرات غیریونیزه شده جایگزین شوند، قدرت دی الکتریک محیط را می توان افزایش داد. این را می توان با استفاده از یک انفجار گاز که به منطقه تخلیه هدایت می شود، یا با تزریق روغن به فضای تماس حاصل شد.

این سوئیچ ها از گاز هگزا فلوراید گوگرد (SF6) به عنوان رسانه خاموش کننده قوس استفاده می کنند. تمایل زیادی به جذب الکترون آزاد دارد. سوئیچ مخاطبین باز در جریان فشار بالا SF6) بین آنها (شکل زیر را ببینید).

این گاز الکترون های آزاد را در قوس جذب می کند و مقدار زیادی یون منفی کم تحرک را تشکیل می دهد. تعداد الکترون های قوس به سرعت کاهش می یابد و خاموش می شود.

در سال 1802، فیزیکدان روسی واسیلی ولادیمیرویچ پتروف (1761-1834) ثابت کرد که اگر یک قطعه بزرگ را وصل کنید. باتری برقیدو تکه زغال چوب و با تماس زغال‌ها، آن‌ها را کمی از هم دور می‌کنیم، سپس شعله‌ای درخشان بین انتهای زغال‌ها ایجاد می‌شود و انتهای خود ذغال‌ها سفید داغ می‌شوند و نوری کورکننده (قوس الکتریکی) ساطع می‌کنند. این پدیده به طور مستقل هفت سال بعد توسط شیمیدان انگلیسی G. Davy مشاهده شد که پیشنهاد کرد به افتخار A. Volta این قوس را "ولتائیک" نامیده شود.

در شکل 159 در تصویر ساده ترین راهتولید قوس الکتریکی دو زغال سنگ در پایه کنترل ثابت شده است که برای آنها بهتر است از زغال چوب معمولی استفاده نکنید، بلکه میله های مخصوص تولید شده با فشار دادن مخلوطی از گرافیت، دوده و چسب ها (زغال سنگ قوس) به دست می آیند. منبع فعلی می تواند یک شبکه روشنایی باشد. برای جلوگیری از اتصال کوتاه هنگام اتصال زغال سنگ، یک رئوستات باید به صورت سری با قوس روشن شود.

برنج. 159. نصب برای تولید قوس الکتریکی: 1 و 2 – الکترود کربن

به طور معمول، شبکه روشنایی با جریان متناوب تغذیه می شود. با این حال، اگر یک جریان ثابت از آن عبور کند، قوس پایدارتر می سوزد، به طوری که یکی از الکترودهای آن همیشه مثبت (آند) و دیگری منفی (کاتد) است. عکسی از الکترودهای گرم شده چنین قوسی در شکل نشان داده شده است. 160. بین الکترودها ستونی از گاز داغ وجود دارد که الکتریسیته را به خوبی هدایت می کند. در قوس‌های معمولی، این ستون نور بسیار کمتری نسبت به ذغال‌های داغ منتشر می‌کند و بنابراین در عکس قابل مشاهده نیست. زغال سنگ مثبت با داشتن دمای بالاتر سریعتر از زغال سنگ منفی می سوزد. به دلیل تصعید قوی زغال سنگ، یک فرورفتگی روی آن ایجاد می شود - یک دهانه مثبت که داغ ترین قسمت الکترودها است. دمای دهانه در هوا در فشار جوبه 4000 درجه سانتیگراد می رسد.

برنج. 160. الکترودهای قوس الکتریکی (عکس)

98.1. لامپ های قوسی از تنظیم کننده های خاصی استفاده می کنند - مکانیسم های ساعتی که هر دو زغال سنگ را با همان سرعتی که می سوزند به هم نزدیک می کنند. با این حال، ضخامت زغال سنگ مثبت همیشه بیشتر از زغال سنگ منفی است. چرا آن ها این کار را انجام دادند؟

قوس همچنین می تواند بین الکترودهای فلزی (آهن، مس و غیره) بسوزد. در این حالت الکترودها ذوب شده و به سرعت تبخیر می شوند که گرمای زیادی مصرف می کند. بنابراین، دمای دهانه یک الکترود فلزی معمولاً کمتر از یک الکترود کربن (2000-2500 درجه سانتیگراد) است.

با وادار کردن یک قوس برای سوزاندن بین الکترودهای کربن در گاز فشرده (حدود 20 اتمسفر)، می توان دمای دهانه مثبت را به 5900 درجه سانتیگراد رساند، یعنی به دمای سطح خورشید. در همان زمان ذوب زغال سنگ مشاهده شد. ستونی از گازها و بخارها که از طریق آن تخلیه الکتریکی انجام می شود دارای دمای بالاتری است. بمباران پرانرژی این گازها و بخارات توسط الکترون ها و یون ها، که توسط میدان الکتریکی قوس هدایت می شود، دمای گازهای ستون را به 6000-7000 درجه سانتیگراد می رساند. بنابراین، در ستون قوس تقریباً تمام مواد شناخته شده ذوب می شوند و تبدیل به بخار می شود و بسیاری از واکنش های شیمیایی امکان پذیر می شوند که در دماهای پایین تر اجرا نمی شوند. به عنوان مثال، ذوب چوب های نسوز چینی در شعله قوس سخت نیست.

برای حفظ تخلیه قوس، یک ولتاژ کوچک مورد نیاز است: قوس زمانی که ولتاژ الکترودهای آن 40-45 ولت است به خوبی می سوزد. جریان در قوس بسیار قابل توجه است. بنابراین، برای مثال، حتی در یک قوس کوچک، در آزمایش نشان داده شده در شکل. 159، جریان حدود 5 آمپر جریان دارد و در قوس های بزرگی که در صنعت استفاده می شود، جریان به صدها آمپر می رسد. این نشان می دهد که مقاومت قوس کم است. در نتیجه، یک ستون گاز نورانی جریان الکتریکی را به خوبی هدایت می کند.

98.2. یک لامپ قوس الکتریکی به جریان 300 A در ولتاژ زغال سنگ 60 ولت نیاز دارد. در یک دقیقه چقدر گرما در چنین قوسی آزاد می شود؟ مقاومت چنین قوسی چقدر است؟

چنین یونیزاسیون قوی گاز تنها به این دلیل امکان پذیر است که کاتد قوس الکترون های زیادی ساطع می کند که با تأثیرات خود، گاز را در فضای تخلیه یونیزه می کند. انتشار الکترون قوی از کاتد با این واقعیت تضمین می شود که خود کاتد قوس تا دمای بسیار بالا (از 2200 تا 3500 درجه سانتیگراد بسته به ماده) گرم می شود. هنگامی که برای مشتعل کردن یک قوس، ابتدا زغال‌ها را در تماس قرار می‌دهیم، سپس در نقطه تماس که مقاومت بسیار بالایی دارد، تقریباً تمام گرمای ژول جریان عبوری از زغال‌ها آزاد می‌شود (§ 59). بنابراین، انتهای زغال‌ها بسیار داغ می‌شوند و همین کافی است تا وقتی از هم جدا می‌شوند، بین آن‌ها قوس ایجاد شود. متعاقباً، کاتد قوس توسط خود جریانی که از قوس عبور می کند، در حالت گرم نگه داشته می شود. نقش اصلیبمباران کاتد توسط یون‌های مثبتی که روی آن فرو می‌روند در این امر نقش دارد.

مشخصه جریان-ولتاژ قوس، یعنی رابطه بین قدرت جریان در قوس و ولتاژ بین الکترودهای آن، ویژگی کاملاً منحصر به فردی دارد. تاکنون به دو شکل از این وابستگی مواجه بوده ایم: در فلزات و الکترولیت ها، جریان به نسبت ولتاژ افزایش می یابد (قانون اهم)؛ با عدم خودرسانایی گازها، جریان ابتدا با افزایش ولتاژ افزایش می یابد و سپس به آن می رسد. اشباع است و به ولتاژ بستگی ندارد. در تخلیه قوس، با افزایش جریان، ولتاژ در پایانه های قوس کاهش می یابد. گفته می شود که قوس دارای یک مشخصه جریان-ولتاژ در حال سقوط است.

بنابراین، در مورد تخلیه قوس، افزایش جریان منجر به کاهش مقاومت شکاف قوس و کاهش ولتاژ در آن می شود. به همین دلیل است که برای اینکه قوس به طور پیوسته بسوزد، لازم است یک رئوستات (شکل 159) یا سایر مقاومت های به اصطلاح بالاست را به صورت سری به آن متصل کنید.

قوس الکتریکی تخلیه قوسی است که بین دو الکترود یا یک الکترود و یک قطعه کار رخ می دهد و اجازه می دهد تا دو یا چند قسمت از طریق جوشکاری به یکدیگر متصل شوند.

قوس جوش بسته به محیطی که در آن اتفاق می افتد به چند گروه تقسیم می شود. می تواند باز، بسته یا در یک محیط گاز محافظ باشد.

یک قوس باز در هوای آزاد از طریق یونیزاسیون ذرات در ناحیه احتراق و همچنین به دلیل بخارات فلزی قطعات در حال جوش و مواد الکترود جریان دارد. قوس بسته به نوبه خود زیر لایه ای از شار می سوزد. این به شما امکان می دهد ترکیب محیط گاز را در منطقه احتراق تغییر دهید و از قطعات فلزی در برابر اکسیداسیون محافظت کنید. در این حالت، قوس الکتریکی از طریق بخار فلز و یون های افزودنی شار جریان می یابد. قوسی که در یک محیط گاز محافظ می سوزد، از طریق یون های این گاز و بخارات فلزی جریان می یابد. این همچنین به شما امکان می دهد از اکسید شدن قطعات جلوگیری کنید و در نتیجه قابلیت اطمینان اتصال تشکیل شده را افزایش دهید.

قوس الکتریکی در نوع جریان ارائه شده - متناوب یا مستقیم - و در مدت زمان احتراق - پالسی یا ثابت متفاوت است. علاوه بر این، قوس می تواند قطبیت مستقیم یا معکوس داشته باشد.

بر اساس نوع الکترود مورد استفاده، غیر ذوب شدن و ذوب شدن متمایز می شوند. استفاده از یک الکترود خاص به طور مستقیم به ویژگی هایی که دارد بستگی دارد دستگاه جوش. همانطور که از نام آن پیداست، قوسی که هنگام استفاده از یک الکترود غیر مصرفی ایجاد می شود، آن را تغییر شکل نمی دهد. هنگام جوشکاری با الکترود مصرفی، جریان قوس، مواد را ذوب می کند و به قطعه کار اصلی ذوب می شود.

شکاف قوس را می توان به طور مشروط به سه بخش مشخصه تقسیم کرد: نزدیک به کاتد، نزدیک به آند و همچنین شفت قوس. در این مورد، آخرین بخش، یعنی. شفت قوس دارای بیشترین طول است، اما ویژگی های قوس و همچنین احتمال وقوع آن دقیقاً توسط مناطق نزدیک به الکترود تعیین می شود.

به طور کلی، ویژگی هایی که یک قوس الکتریکی دارد را می توان در لیست زیر ترکیب کرد:

1. طول قوس. این به فاصله کل مناطق کاتد و آند و همچنین شفت قوس اشاره دارد.

2. ولتاژ قوس. از مجموع هر یک از مناطق تشکیل شده است: بشکه، نزدیک به کاتد و نزدیک به آند. در این حالت، تغییر ولتاژ در مناطق نزدیک به الکترود به طور قابل توجهی بیشتر از ناحیه باقی مانده است.

3. دما. یک قوس الکتریکی، بسته به ترکیب محیط گازی و مواد الکترودها، می تواند دمایی تا 12 هزار درجه کلوین ایجاد کند. با این حال، چنین پیک هایی در کل صفحه انتهای الکترود قرار ندارند. زیرا حتی با بیشترین پردازش بهترماده قسمت رسانا دارای بی نظمی ها و توبرکل های مختلفی است که به دلیل آن تخلیه های زیادی رخ می دهد که به عنوان یکی تلقی می شوند. البته دمای قوس تا حد زیادی به محیطی که در آن می سوزد و همچنین به پارامترهای جریان عرضه شده بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر مقدار فعلی را افزایش دهید، بر این اساس، مقدار دما افزایش می یابد.

و در نهایت مشخصه جریان-ولتاژ یا مشخصه I-V. این نشان دهنده وابستگی ولتاژ به طول و مقدار جریان است.

قوس الکتریکی جوشکارییک تخلیه الکتریکی طولانی مدت در پلاسما است که مخلوطی از گازهای یونیزه شده و بخارات اجزای اتمسفر محافظ، پرکننده و فلز پایه است.

قوس نام خود را از شکل مشخصی که هنگام سوزاندن بین دو الکترود افقی می گیرد گرفته است. گازهای گرم شده تمایل به بالا رفتن دارند و این تخلیه الکتریکی خم می شود و شکل قوس یا قوس به خود می گیرد.

از منظر عملی، قوس را می توان به عنوان رسانای گازی در نظر گرفت که انرژی الکتریکی را به انرژی حرارتی تبدیل می کند. شدت گرمایش بالا را فراهم می کند و به راحتی از طریق پارامترهای الکتریکی کنترل می شود.

ویژگی مشترک گازها این است که در شرایط عادی رسانا نیستند. جریان الکتریسیته. با این حال، زمانی که شرایط مساعد (حرارتو وجود یک میدان الکتریکی با شدت بالا خارجی) گازها می توانند یونیزه شوند، یعنی. اتم ها یا مولکول های آنها می توانند آزاد کنند یا، برعکس، برای عناصر الکترونگاتیو، الکترون ها را جذب کنند و به ترتیب به یون های مثبت یا منفی تبدیل شوند. به لطف این تغییرات، گازها وارد حالت چهارم ماده به نام پلاسما می شوند که رسانای الکتریکی است.

تحریک قوس جوش در چند مرحله اتفاق می افتد. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری MIG/MAG، هنگامی که انتهای الکترود و قطعه در حال جوش در تماس قرار می گیرند، تماس بین میکرو برآمدگی سطوح آنها ایجاد می شود. چگالی جریان بالا به ذوب سریع این برجستگی ها و تشکیل لایه ای از فلز مایع کمک می کند که به طور مداوم به سمت الکترود افزایش می یابد و در نهایت پاره می شود.

در لحظه شکستن جامپر، تبخیر سریع فلز رخ می دهد و شکاف تخلیه با یون ها و الکترون هایی که در این حالت بوجود می آیند پر می شود. با توجه به اینکه ولتاژ به الکترود و محصول اعمال می شود، الکترون ها و یون ها شروع به حرکت می کنند: الکترون ها و یون های دارای بار منفی به آند، و یون های دارای بار مثبت به کاتد، و در نتیجه قوس جوش برانگیخته می شود. پس از برانگیختن قوس، غلظت الکترون‌های آزاد و یون‌های مثبت در شکاف قوس همچنان افزایش می‌یابد، زیرا الکترون‌ها با اتم‌ها و مولکول‌های سر راه خود برخورد می‌کنند و حتی الکترون‌های بیشتری را از آن‌ها خارج می‌کنند (در همان زمان، اتم‌هایی که یک یا چند الکترون از دست داده اند، تبدیل به یون با بار مثبت می شوند). یونیزاسیون شدید گاز در شکاف قوس رخ می دهد و قوس خاصیت تخلیه قوس پایدار را به دست می آورد.

چند کسری از ثانیه پس از برانگیختن قوس، یک حوضچه جوش روی فلز پایه شروع می شود و یک قطره فلز در انتهای الکترود شروع به تشکیل می کند. و پس از حدود 50 تا 100 میلی ثانیه دیگر، انتقال پایدار فلز از انتهای سیم الکترود به حوضچه جوش برقرار می شود. می توان آن را با قطراتی که آزادانه بر روی شکاف قوس پرواز می کنند یا با قطراتی که برای اولین بار تشکیل می شود انجام داد. مدار کوتاه، و سپس به حوضچه جوش جریان دهید.

خواص الکتریکی قوس بوسیله فرآیندهایی که در سه ناحیه مشخصه آن رخ می دهد - ستون و همچنین در مناطق نزدیک به الکترود قوس (کاتد و آند) که بین ستون قوس در یک طرف و قرار دارند تعیین می شود. الکترود و محصول از طرف دیگر.

برای حفظ پلاسمای قوس الکتریکی هنگام جوشکاری با الکترود مصرفی، کافی است جریانی بین 10 تا 1000 آمپر تامین شود و ولتاژ الکتریکی حدود 15 تا 40 ولت بین الکترود و محصول اعمال شود. در این حالت، افت ولتاژ در خود ستون قوس از چندین ولت بیشتر نخواهد شد. ولتاژ باقیمانده در ناحیه کاتد و آند قوس کاهش می یابد. طول ستون قوس به طور متوسط ​​به 10 میلی متر می رسد که تقریباً معادل 99 درصد طول قوس است. بنابراین، قدرت میدان الکتریکی در ستون قوس در محدوده 0.1 تا 1.0 V/mm قرار دارد. برعکس، مناطق کاتد و آند با طول بسیار کوتاه مشخص می شوند (حدود 0.0001 میلی متر برای ناحیه کاتد، که مربوط به میانگین مسیر آزاد یون است، و 0.001 میلی متر برای ناحیه آندی، که مطابق با میانگین است. مسیر آزاد الکترون). بر این اساس، این مناطق دارای قدرت میدان الکتریکی بسیار بالایی هستند (تا 104 V/mm برای ناحیه کاتد و تا 103 V/mm برای ناحیه آندی).

به طور تجربی ثابت شده است که در مورد جوشکاری با الکترود مصرفی، افت ولتاژ در ناحیه کاتد از افت ولتاژ در ناحیه آند بیشتر است: به ترتیب 12 - 20 V و 2 - 8 V. با توجه به اینکه تولید گرما در اجسام مدار الکتریکی به جریان و ولتاژ بستگی دارد، مشخص می شود که هنگام جوشکاری با الکترود مصرفی گرمای بیشتردر ناحیه ای که ولتاژ بیشتر کاهش می یابد برجسته می شود. در کاتد بنابراین، هنگام جوشکاری با یک الکترود مصرفی، عمدتاً از قطبیت معکوس جریان جوش استفاده می شود، زمانی که محصول به عنوان کاتد برای اطمینان از نفوذ عمیق فلز پایه (در این مورد، قطب مثبت منبع تغذیه به الکترود). گاهی اوقات از قطبیت مستقیم هنگام اجرای سطح استفاده می شود (زمانی که نفوذ فلز پایه، برعکس، مطلوب است که حداقل باشد).

در شرایط جوشکاری TIG (جوشکاری الکترود غیر مصرفی)، افت ولتاژ کاتد، برعکس، به طور قابل توجهی کمتر از افت ولتاژ آند است و بر این اساس، در این شرایط گرمای بیشتری در آند تولید می شود. بنابراین، هنگام جوشکاری با یک الکترود غیر مصرفی، برای اطمینان از نفوذ عمیق فلز پایه، محصول به ترمینال مثبت منبع تغذیه متصل می شود (و تبدیل به آند می شود) و الکترود به ترمینال منفی متصل می شود. بنابراین، الکترود را از گرمای بیش از حد محافظت می کند).

در این حالت، صرف نظر از نوع الکترود (مصرفی یا غیر مصرفی)، گرما عمدتاً در نواحی فعال قوس (کاتد و آند) و نه در ستون قوس تولید می‌شود. این خاصیت قوس فقط برای ذوب آن نواحی از فلز پایه که قوس به سمت آنها هدایت می شود استفاده می شود.

آن قسمت هایی از الکترودها که جریان قوس از آن عبور می کند، نقاط فعال نامیده می شوند (در الکترود مثبت - نقطه آند، و در الکترود منفی - نقطه کاتد). نقطه کاتد منبعی از الکترون های آزاد است که به یونیزاسیون شکاف قوس کمک می کند. در همان زمان، جریان های یون های مثبت به سمت کاتد هجوم می آورند و آن را بمباران می کنند و انرژی جنبشی خود را به آن منتقل می کنند. دمای سطح کاتد در ناحیه نقطه فعال در حین جوشکاری با الکترود مصرفی به 2500 ... 3000 درجه سانتیگراد می رسد.

Lk - منطقه کاتد؛ La - منطقه آند (La = Lk = 10 -5 -10 -3 سانتی متر)؛ Lst - ستون قوس. Ld - طول قوس؛ Ld = Lk + La + Lst

جریان های الکترون و یون های با بار منفی به سمت نقطه آند می روند که انرژی جنبشی خود را به آن منتقل می کند. دمای سطح آند در ناحیه نقطه فعال در حین جوشکاری با الکترود مصرفی به 2500 ... 4000 درجه سانتیگراد می رسد. دمای ستون قوس هنگام جوشکاری با الکترود مصرفی از 7000 تا 18000 درجه سانتیگراد متغیر است (برای مقایسه: نقطه ذوب فولاد تقریباً 1500 درجه سانتیگراد است).

تأثیر بر قوس میدان های مغناطیسی

هنگام جوشکاری با جریان مستقیم، پدیده ای مانند مغناطیسی اغلب مشاهده می شود. با ویژگی های زیر مشخص می شود:

ستون قوس جوش به شدت از موقعیت طبیعی خود منحرف می شود.
- قوس به طور ناپایدار می سوزد و اغلب می شکند.
- صدای سوزش قوس تغییر می کند - صداهای ترکیدن ظاهر می شود.

انفجار مغناطیسی تشکیل درز را مختل می کند و می تواند در بروز عیوب مانند عدم نفوذ و عدم جوش خوردن در درز نقش داشته باشد. علت انفجار مغناطیسی برهمکنش میدان مغناطیسی قوس جوشکاری با سایر میدان های مغناطیسی مجاور یا توده های فرومغناطیسی است.

ستون قوس جوش را می توان بخشی از مدار جوشکاری به شکل یک هادی انعطاف پذیر که اطراف آن میدان مغناطیسی وجود دارد در نظر گرفت.

در نتیجه برهم کنش میدان مغناطیسی قوس و میدان مغناطیسی که در قسمتی که در حال جوشکاری است در حین عبور جریان ایجاد می شود، قوس جوش در جهت مخالف محل اتصال هادی جریان منحرف می شود.

تأثیر توده های فرومغناطیسی بر انحراف قوس به این دلیل است که به دلیل تفاوت زیاد مقاومت در برابر عبور خطوط میدان مغناطیسی قوس از هوا و از طریق مواد فرومغناطیسی (آهن و آلیاژهای آن)، میدان مغناطیسی ایجاد می شود. در سمت مخالف محل جرم بیشتر متمرکز شود، بنابراین ستون قوس به جسم فرومغناطیسی جانبی منتقل می شود.

میدان مغناطیسی قوس جوش با افزایش جریان جوش افزایش می یابد. بنابراین، اثر انفجار مغناطیسی اغلب هنگام جوشکاری در شرایط بالا آشکار می شود.

می توانید تأثیر انفجار مغناطیسی را بر فرآیند جوش کاهش دهید:

انجام جوش قوس کوتاه;
- کج کردن الکترود به طوری که انتهای آن به سمت عمل انفجار مغناطیسی هدایت شود.
- نزدیک کردن منبع جریان به قوس الکتریکی.

همچنین می توان اثر انفجار مغناطیسی را با جایگزینی جریان جوش مستقیم با جریان متناوب کاهش داد که در آن انفجار مغناطیسی بسیار کمتر ظاهر می شود. با این حال، باید به خاطر داشت که قوس جریان متناوب کمتر پایدار است، زیرا به دلیل تغییر قطبیت، خاموش می شود و دوباره 100 بار در ثانیه روشن می شود. برای اینکه قوس جریان متناوب به طور پایدار بسوزد، لازم است از تثبیت کننده های قوس (عناصر به راحتی یونیزه) استفاده شود، که به عنوان مثال، به پوشش الکترود یا شار وارد می شوند.

قوس الکتریکی و خواص آن

جوشکاری قوس الکتریکی بیشترین کاربرد را در مهندسی مکانیک دارد. بیایید نگاهی دقیق تر به ویژگی های جوش قوس الکتریکی بیندازیم.

قوس الکتریکی تخلیه مداوم جریان الکتریکی بین دو الکترود است که در یک محیط گازی رخ می دهد. قوس الکتریکی که برای جوشکاری فلزات استفاده می شود قوس جوش نامیده می شود. در بیشتر موارد، چنین قوسی بین الکترود و محصول می سوزد، یعنی. قوس عمل مستقیم است.

قوس مستقیم جریان مستقیمسوزاندن بین الکترود فلزی (کاتد) و فلز در حال جوش (آند) دارای چندین ناحیه کاملاً قابل تشخیص است (شکل 2.3). کانال گاز رسانای الکتریکی که الکترودها را به هم وصل می کند به شکل مخروط یا سیلندر بریده است. خواص آن در فواصل مختلف از الکترودها یکسان نیست. لایه های نازک گاز در مجاورت الکترودها دمای نسبتاً پایینی دارند. بسته به قطبیت الکترودی که در مجاورت آن قرار دارند، این لایه ها کاتد نامیده می شوند. 2 و آند 4 مناطق قوسی

طول ناحیه کاتد l kتوسط مسیر آزاد اتم های خنثی تعیین می شود و می باشد

̃حدود 10 -5 سانتی متر طول ناحیه آند l aتوسط مسیر آزاد الکترون تعیین می شود و تقریباً 3-10 سانتی متر است. بین نواحی نزدیک به الکترود طولانی ترین ناحیه تخلیه با دمای بالا وجود دارد - ستون قوس. ل ج 3.

لکه هایی روی سطح کاتد و آند ایجاد می شوند که به ترتیب کاتد نامیده می شوند 1 و آند 5 نقاطی که پایه های ستون قوس هستند که تمام جریان جوشکاری از آن عبور می کند. لکه های الکترود با درخشش درخشش آنها در دمای نسبتاً پایین (2600 ... 3200 K) متمایز می شوند. دما در ستون قوس به 6000 ... 8000 کلوین می رسد.

طول کل قوس l dبرابر مجموع طول هر سه ناحیه آن است (l d ​​= l a +l k)و برای شرایط واقعی 2...6 میلی متر است.

ولتاژ کل قوس جوش، بر این اساس، مجموع افت ولتاژ در مناطق جداگانه قوس است. و از 20 تا 40 ولت متغیر است. وابستگی ولتاژ در قوس جوشکاری به طول آن توسط معادله توصیف می شود. , جایی که آ -مجموع افت ولتاژ در مناطق کاتد و آند، V. l d- طول ستون قوس، میلی متر؛ ب-افت ولتاژ خاص در قوس، به عنوان مثال. به 1 میلی متر طول ستون قوس، V/mm اشاره دارد.

یکی از ویژگی های اصلی تخلیه قوس الکتریکی مشخصه جریان-ولتاژ ساکن است - وابستگی ولتاژ قوس در طول ثابت به قدرت جریان در آن (شکل 2.4).

با افزایش طول قوس، ولتاژ افزایش می یابد و منحنی مشخصه جریان-ولتاژ ساکن قوس بالاتر می رود، در حالی که تقریباً شکل خود را حفظ می کند (منحنی های a، b، c). این سه منطقه را متمایز می کند: کاهش I، صلب (تقریبا افقی) II و افزایش III. بسته به شرایط سوزاندن قوس، یکی از بخش های مشخصه با آن مطابقت دارد. در حین جوشکاری قوس دستی با الکترودهای روکش دار، جوشکاری محافظ گاز با الکترود غیر مصرفی و جوشکاری قوس زیردریایی در چگالی جریان نسبتاً کم، مشخصه قوس در ابتدا کاهش می یابد و با افزایش جریان، کاملاً به سختی تبدیل می شود. در این حالت با افزایش جریان جوش، سطح مقطع ستون قوس و سطح مقطع نقاط آند و کاتد به نسبت افزایش می یابد. چگالی جریان و ولتاژ قوس ثابت می ماند.

هنگام جوشکاری در زیر قوس غوطه ور و در گازهای محافظ با سیم الکترود نازک در چگالی جریان بالا، مشخصه قوس افزایش می یابد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که قطر نقاط کاتد و آند برابر با قطر الکترود می شود و نمی تواند بیشتر از این افزایش یابد. در شکاف قوس، یونیزاسیون کامل مولکول‌های گاز اتفاق می‌افتد و افزایش بیشتر در جریان جوشکاری تنها به دلیل افزایش سرعت حرکت الکترون‌ها و یون‌ها، یعنی به دلیل افزایش قدرت میدان الکتریکی اتفاق می‌افتد. بنابراین، برای افزایش بیشتر جریان جوشکاری، افزایش ولتاژ قوس مورد نیاز است.

قوس جوش یک منبع متمرکز قوی گرما است. تقریبا همه انرژی الکتریکی، که توسط قوس مصرف می شود، به گرما تبدیل می شود. پر شده قدرت حرارتیقوس ها Q=I St U d(J/s) به قدرت جریان جوشکاری بستگی دارد من سنت.(A) و ولتاژ قوس U d(که در).

لازم به ذکر است که تمام گرمای قوس صرف گرمایش و ذوب فلز نمی شود. بخشی از آن بیهوده صرف گرم کردن هوای اطراف یا گاز محافظ، تشعشع و غیره می شود. در این راستا، توان حرارتی موثر قوس qeff(J/s) (آن قسمت از گرمای قوس جوش که مستقیماً به محصول وارد می شود) با رابطه زیر تعیین می شود: که در آن η ضریب عملکرد (بازده) فرآیند گرم کردن یک محصول با قوس جوشکاری است که به صورت تجربی تعیین می شود.

ضریب η به روش جوشکاری، مواد الکترود، پوشش یا ترکیب شار و تعدادی از عوامل دیگر بستگی دارد. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری با قوس باز با الکترود کربن یا تنگستن، میانگین آن 0.6 است. هنگام جوشکاری با الکترودهای پوشش داده شده (با کیفیت بالا) - حدود 0.75؛ هنگام جوشکاری در زیر قوس های غوطه ور - 0.8 یا بیشتر.