Arc électrique : propriétés. Protection contre les arcs électriques

Notre site Web svarak.ru publie des articles sur ce sujet. Pour la première fois, le phénomène d'arc voltaïque a été observé par l'académicien russe Petrov, qui a reçu une décharge d'étincelle.

L'arc voltaïque se caractérise par deux propriétés :

• mise en évidence grande quantité chaleur
• fort rayonnement.

Les deux propriétés arc électrique utilisé dans la technologie.

Pour la technologie du soudage, la première propriété est un facteur positif, la seconde est un facteur négatif.

Tous les matériaux électriquement conducteurs peuvent servir de conducteurs électriques pour une décharge électrique. Le plus souvent, des tiges de carbone et de graphite de section ronde (lampes à arc) sont utilisées comme conducteurs.

Une option typique entre deux charbons est illustrée sur la figure.

L'électrode supérieure est connectée au pôle positif de la machine (anode). Le deuxième carbone est connecté au pôle négatif (cathode).

Arc de soudage électrique

Température de l'arc électrique, son effet.

Le dégagement de chaleur n’est pas le même en différents points de l’arc. Au niveau de l'électrode positive, 43 % de la quantité totale est libérée, au niveau négatif 36 % et dans l'arc lui-même (entre les électrodes) les 21 % restants.

Schéma des zones et de leurs températures dans l'arc de soudage

En relation avec cela et température sur les électrodes n'est pas la même. L'anode a env. 4000°C, et la cathode 3400°. En moyenne, la température de l'arc électrique est calculée 3500°C.

Merci à divers température aux pôles d'un arc voltaïque se trouvent des conducteurs de carbone

viennent en différentes épaisseurs. Le charbon positif est pris plus épais, négatif -

plus mince. La tige d'arc (partie médiane) est constituée d'un flux d'électrons émis par la cathode, qui se précipitent vers l'anode à grande vitesse. Possédant une énergie cinétique élevée, ils frappent la surface de l'anode, convertissant l'énergie cinétique en énergie thermique.

Le halo verdâtre qui l'entoure est le siège de réactions chimiques se produisant entre les vapeurs de la substance des électrodes et l'atmosphère dans laquelle brûle l'arc voltaïque.

Le processus de création d'un arc de soudage

L'apparition d'un arc électrique

Processus éducatif arc voltaïque apparaît dans le formulaire suivant. Au moment où les électrodes entrent en contact, le courant qui passe libère une grande quantité de chaleur au niveau de la jonction, car il y a ici une grande résistance électrique (loi de Joule).

Grâce à cela, les extrémités des conducteurs chauffent jusqu'à une légère lueur et, après avoir déconnecté les électrodes, la cathode commence à émettre des électrons qui, volant à travers l'entrefer entre les électrodes, divisent les molécules d'air en particules chargées positivement et négativement. (cations et anions).

L’air devient alors conducteur d’électricité.

Dans la technologie du soudage meilleure application a une décharge entre les électrodes métalliques, et une électrode est une tige métallique, qui sert en même temps de matériau de remplissage, et la deuxième électrode est la pièce elle-même à souder.

Le procédé reste le même que dans le cas des électrodes de carbone, mais apparaît ici nouveau facteur. Si, dans un arc de carbone, les conducteurs s'évaporent progressivement (brûlés), alors dans un arc métallique, les électrodes fondent très intensément et s'évaporent partiellement. En raison de la présence de vapeurs métalliques entre les électrodes, la résistance (électrique) arc métallique inférieure à celle du charbon.

Une décharge de carbone brûle à une tension moyenne de 40 à 60 V, tandis qu'une tension d'arc métallique est en moyenne de 18 à 22 V (avec une longueur de 3 mm).

Longueur d'arc, cratère, pénétration.

Le processus de soudage à l'arc électrique lui-même se déroule comme suit.

Dès que nous touchons l'électrode sous tension avec le produit et que nous la retirons immédiatement à une certaine distance, un arc voltaïque se forme et la fusion du métal de base et du métal du conducteur commence immédiatement. Par conséquent, l'extrémité de l'électrode est toujours à l'état fondu et le métal liquide qui en résulte sous forme de gouttes est transféré au joint à souder, où le métal de l'électrode est mélangé avec le métal en fusion du produit à souder.

Des études ont montré qu'environ 20 à 30 de ces gouttes sont transférées de l'électrode par seconde, c'est-à-dire que ce processus se produit très rapidement.

Bien que l'arc voltaïque se développe très haute température, il dégage de la chaleur à un niveau très Petit espace juste sous l'arc.

Diagramme de longueur d'arc

Si nous regardons à travers des lunettes noires un arc excité par une électrode métallique, nous serons convaincus qu'à l'endroit où l'arc se forme entre l'électrode et le métal commun, une surface chauffée à blanc se détache sur le métal commun, qui directement sous le trou soufflé, on dirait une dépression remplie de métal liquide. Il semble que cette dépression ait été formée en soufflant du métal liquide avec un arc. Cette dépression est appelée bain de fusion. Il est entouré de métal chauffé à blanc, et la température de chauffage de la zone adjacente chute rapidement à une couleur rouge et déjà à une courte distance, dont la valeur varie en fonction du diamètre de l'électrode et de l'intensité du courant, de la température est comparée à la température de l'objet à souder.

Bon et mauvais arc de soudage, comment distinguer ? Conseils utiles.

La distance entre l’extrémité de l’électrode et le fond du bain, c’est-à-dire la surface du métal en fusion, est appelée longueur d’arc. Cette valeur a un très grande importance dans la technologie du soudage. Pour obtenir un bon soudage, il est nécessaire de réduire au maximum la longueur de l'arc, c'est-à-dire de garder l'arc plus court et sa longueur ne doit pas dépasser 3 à 4 mm. Bien entendu, la longueur de l’arc n’est pas une valeur constante, puisque l’extrémité de l’électrode fond tout le temps et, par conséquent, la distance entre elle et le cratère augmenterait ; si l'électrode était maintenue immobile jusqu'à ce que la connexion soit rompue. Par conséquent, lors du soudage, il est nécessaire de rapprocher constamment l'électrode du métal de base au fur et à mesure de sa fusion afin de maintenir la longueur de l'arc approximativement constante entre 2 et 4 mm.

La nécessité de maintenir un arc court (c'est-à-dire pas plus long que 3 à 4 mm) est due au fait que le métal en fusion de l'électrode absorbe l'oxygène et l'azote de l'air entourant l'arc lors de sa transition de l'électrode au cratère, ce qui détériore ses qualités mécaniques (allongement relatif et résistance aux chocs). Il est clair que moins le métal liquide passe dans l’air, moins l’effet de l’air sera nocif.

Court:

Avec un arc court, ce temps sera inférieur à celui d'un arc long et, par conséquent, le métal de l'électrode n'aura pas le temps d'absorber autant d'oxygène et d'azote qu'il le pourrait en le traversant. grand chemin en raison du long arc. Puisque le désir de chaque soudeur doit toujours être d’obtenir la meilleure qualité de soudure, un arc court est donc une condition préalable à un bon soudage. Un arc court peut être distingué non seulement à la vue, mais aussi à l'ouïe, car un arc court produit un crépitement sec caractéristique, rappelant le bruit de l'huile versée sur une poêle chaude. Chaque soudeur devrait être familier avec ce bruit d’arc court.

Long:

Avec un arc long (c'est-à-dire d'une longueur supérieure à 4 mm), nous n'obtiendrons jamais une bonne couture. Sans parler du fait qu'avec un arc long, il y aura une forte oxydation du métal soudé, le joint lui-même a également un aspect très inégal. Cela se produit parce qu'une décharge longue est moins stable qu'une décharge courte ; l'étincelle a tendance à errer et à s'écarter du site de soudage, de sorte que la chaleur générée par elle n'est pas la même que celle d'un arc court, mais s'étend sur une plus grande surface. De ce fait, la chaleur émise par l'arc ne va pas entièrement à la fusion du métal sur le lieu de soudage, mais est partiellement dissipée en vain sur une grande surface.

Avec un arc long, on obtient donc une mauvaise pénétration et, de plus, les gouttes de l'électrode, tombant sur un endroit mal chauffé, ne fusionnent pas avec le métal de base, mais sont projetées sur les côtés.

Par apparence Vous pouvez toujours distinguer immédiatement une couture soudée avec un arc court ou long. Un joint soudé correctement avec un arc court a le contour correct, une surface convexe lisse et un aspect propre et net. look brillant. Un joint soudé avec un arc long a un aspect inégal et informe et est entouré de nombreuses gouttes et éclaboussures de métal gelé provenant de l'électrode. Bien entendu, une telle couture est totalement inappropriée.

Protection contre les arcs électriques

Exemples de combinaisons de protection contre les arcs électriques

Si les machines à souder utilisent un arc, alors de nombreuses autres machines et en plus une personne devraient l'éviter. Le risque d’arc électrique sur les équipements dépend de plusieurs facteurs :

• fréquence d'utilisation de l'équipement par le salarié ;
• expérience et connaissances des travailleurs traitant du matériel
• niveau d'usure des équipements ;

Si une personne ne porte pas la combinaison de protection individuelle nécessaire et tombe dans la zone d'effet de l'arc électrique, les chances de survie diminuent assez fortement. Le risque de brûlures graves est extrêmement élevé.

Tableau : degré d'exposition à l'arc électrique

Quelles sont les possibilités de protection contre le courrier électronique ? Dougie ?

1. se conformer à tout règles nécessaires et normes de sécurité ;
2. en cas d'utilisation à long terme matériel de protection, lavages fréquents, la combinaison ne doit pas se détériorer ; (tout dépend du modèle) ;
3. le tissu doit avoir un maximum de 2 secondes de combustion résiduelle ;
4. vous devez porter des chaussures spéciales qui ont un effet antistatique et qui ont également combinaison de protection contre les arcs électriques.

Arc électrique- Il s'agit d'une décharge électrique dans les gaz. Le gaz lui-même est un isolant ; il ne contient aucun porteur de courant. Lorsqu'un grand nombre de particules chargées électriquement se forment dans le gaz - des électrons libres avec un signe de charge négatif et des ions chargés positivement et négativement - le gaz commence à conduire le courant.

Lorsque l'extrémité de l'électrode entre en contact avec le métal de base, une grande quantité de chaleur est libérée, ce qui accélère le mouvement des électrons libres.

Lorsque l'électrode est séparée du métal de base dans l'espace interélectrode, les électrons entrent en collision avec des atomes de gaz neutre et les ionisent, c'est-à-dire séparé en ions avec différents signes charge. Le gaz devient alors électriquement conducteur. Types d'émission d'électrons (sortie) depuis la surface de l'extrémité de l'électrode :

• émission thermoionique ;
• émissions auto-électroniques ;
• émission photoélectronique;
• émission d'électrons due à des flux d'ions lourds.

La combustion stable de l'arc est influencée par les processus de formation (ionisation) d'électrons et d'ions libres dans le volume du gaz neutre de l'arc électrique. Considérons les types d'ionisation dans une décharge électrique.

Ionisation par collision. Le mouvement des électrons est fortement accéléré sous l’influence d’un champ électrique dans la région cathodique. Ils rencontrent des atomes de gaz neutres sur leur chemin, les frappent et détruisent les électrons. Ionisation par chauffage (ionisation thermique). La formation d'ions en milieu gazeux s'observe à des températures supérieures à 1750°C. L'ionisation par chauffage se produit en raison de collisions inélastiques de particules de gaz avec une grande quantité d'énergie cinétique. Ionisation du rayonnement (photoionisation). Dans ce cas, l'ionisation des gaz dans un arc électrique provoque un impact sur la lacune gazeuse d'énergie rayonnement lumineux. L'ionisation par rayonnement se produira si l'énergie des quanta de lumière dépasse l'énergie nécessaire pour ioniser les particules de gaz.

Propriétés de l'arc de soudage

L'allumage de l'arc de soudage commence à partir du moment où l'électrode touche le métal à souder, c'est-à-dire d'un court-circuit.

En figue. La figure 1 montre la séquence des processus lors de l'allumage d'un arc de soudage.

Étant donné que l'extrémité de l'électrode et la surface du métal soudé présentent des irrégularités, le contact entre elles lors d'un court-circuit se produit en des points distincts (Fig. 1a).

Fig. 1. Séquence d'amorçage de l'arc de soudage
a - court-circuit ; b - formation d'un pont à partir de métal liquide ; c - occurrence d'arc

Par conséquent, la densité de courant aux points de contact atteint grandes valeurs, le métal fond instantanément, formant un pont de métal liquide entre l'électrode et le métal à souder (Fig. 1b).

Lorsque l'électrode est éloignée de la surface métallique sur une certaine longueur, appelée longueur d'arc L, le pont liquide s'étire avec une diminution de section, puis, au moment où le métal atteint le pont, le point d'ébullition s'évapore et le pont ruptures (Fig. 1c).

Un espace de décharge est formé, rempli de particules chargées de vapeur métallique, de revêtement d'électrode et de gaz. Cela crée un arc de soudage, qui est une colonne lumineuse de gaz chauffé composé d'électrons, d'ions et d'atomes neutres.

Cet état du gaz est appelé plasma, qui est électriquement neutre car il contient le même nombre de particules positives et négatives.

La température de la colonne d'arc est supérieure à la température du point d'ébullition du métal de l'électrode et de la pièce, et l'extrémité de l'électrode et de la pièce sont séparées de la colonne d'arc par des couches de gaz intermédiaires appelées régions d'arc proches de l'électrode (Fig. .2).

Riz. 2. Schéma de l'arc de soudage.
1 - électrodes ; 2 - point cathodique ; 3 - région cathodique ; 4 - colonne d'arc; 5 - région anodique ; 6 - point anodique ; 7 - bain de soudure ; 8 - pièce à souder.

Dans la région cathodique 3, les électrons sont émis depuis le point cathodique 2 vers la colonne d'arc 4, où ils ionisent les atomes neutres.

Dans la région cathodique, une partie importante de la tension de l'arc est concentrée sur une longueur d'une fraction de millimètre, appelée chute de tension cathodique et atteint 10...16 V.

Dans la région anodique 5 proche du point anodique 6, il y a une forte chute de tension sur le libre parcours moyen des électrons. Cette chute de tension est appelée chute de tension anodique, dont la valeur est de 6...8 V. Dans cette section, les électrons augmentent fortement leur vitesse et sont neutralisés au niveau de l'anode. L'anode reçoit de l'énergie de l'arc sous la forme d'un flux d'électrons et d'un rayonnement thermique, de sorte que la température de la région anodique est supérieure à la température de la région cathodique et qu'une grande quantité de chaleur est générée au niveau de l'anode.

Lors du soudage avec un courant continu de polarité directe, la température dans différentes zones arc de soudage :

• au milieu de la colonne d'arc - environ 6000°C ;
• dans la région anodique - 2600°C ;
• dans la région cathodique - 2400°C ;
• dans le bain de soudure – 1700…2000 °C.

Lors du soudage avec courant alternatif, la répartition de la chaleur de l'arc et la température dans les zones cathodique et anodique sont approximativement les mêmes (zone cathodique sur l'électrode).

2.1. NATURE DE L’ARC DE SOUDAGE

Un arc électrique est l'un des types de décharges électriques dans les gaz, dans lequel on observe le passage d'un courant électrique à travers un espace gazeux sous l'influence d'un champ électrique. L'arc électrique utilisé pour souder les métaux est appelé arc de soudage. L'arc fait partie du circuit de soudage électrique et subit une chute de tension à ses bornes. Lors du soudage en courant continu, l'électrode connectée au pôle positif de la source d'alimentation à arc est appelée anode et au pôle négatif, cathode. Si le soudage est effectué en courant alternatif, chacune des électrodes est alternativement une anode et une cathode.

L'espace entre les électrodes est appelé zone d'arc ou espace d'arc. La longueur de l’espacement de l’arc est appelée longueur de l’arc. Sous des conditions normales basses températures les gaz sont constitués d’atomes et de molécules neutres et n’ont pas de conductivité électrique. Procédure pas à pas courant électrique la traversée d'un gaz n'est possible que s'il contient des particules chargées - des électrons et des ions. Le processus de formation de particules de gaz chargées est appelé ionisation et le gaz lui-même est appelé ionisé. L'apparition de particules chargées dans l'espace d'arc est provoquée par l'émission (émission) d'électrons de la surface de l'électrode négative (cathode) et l'ionisation des gaz et des vapeurs situés dans l'espace. L'arc brûlant entre l'électrode et l'objet à souder est un arc direct. Un tel arc est généralement appelé arc libre, par opposition à un arc comprimé dont la section transversale est réduite de force en raison de la buse du brûleur, du débit de gaz, Champ électromagnétique. L'arc est excité comme suit. Lorsqu'il y a un court-circuit, l'électrode et les parties où elles touchent les surfaces s'échauffent. Lorsque les électrodes sont ouvertes depuis la surface chauffée de la cathode, des électrons sont émis - émission d'électrons. Le rendement en électrons est principalement associé à l'effet thermique (émission thermoionique) et à la présence d'un champ électrique de haute intensité à la cathode (émission de champ). La présence d'une émission d'électrons depuis la surface de la cathode est une condition indispensable à l'existence d'une décharge en arc.

Le long de l'espacement de l'arc, l'arc est divisé en trois régions (Fig. 2.1) : la cathode, l'anode et la colonne d'arc située entre elles.

La région cathodique comprend la surface chauffée de la cathode, appelée point cathodique, et la partie de l'espace d'arc qui lui est adjacente. La longueur de la région cathodique est petite, mais elle se caractérise par une tension accrue et par les processus d'obtention d'électrons qui s'y produisent, qui sont une condition nécessaire pour l'existence d'une décharge d'arc. La température du point cathodique des électrodes en acier atteint 2 400-2 700 °C. Il libère jusqu'à 38 % de la chaleur totale de l'arc. Le principal processus physique dans ce domaine est l’émission et l’accélération des électrons. La chute de tension dans la région cathodique de l'IR est d'environ 12-17 V.

La région anodique est constituée d'un point anodique sur la surface de l'anode et d'une partie de l'espace d'arc adjacent. Le courant dans la région anodique est déterminé par le flux d’électrons provenant de la colonne d’arc. La tache anodique est le site d’entrée et de neutralisation des électrons libres dans le matériau anodique. Il a à peu près la même température que la tache cathodique, mais à la suite du bombardement électronique, plus de chaleur y est libérée que sur la cathode. La région anodique est également caractérisée par une tension accrue. La chute de tension Ua y est de l'ordre de 2 à 11 V. L'étendue de cette région est également petite.

La colonne d'arc occupe la plus grande étendue de l'espace d'arc, située entre les régions cathodique et anodique. Le principal processus de formation de particules chargées est ici l’ionisation du gaz. Ce processus se produit à la suite de la collision de particules de gaz chargées (principalement des électrons) et neutres. Avec une énergie de collision suffisante, les électrons sont expulsés des particules de gaz et des ions positifs se forment. Cette ionisation est appelée ionisation par collision. Une collision peut se produire sans ionisation, puis l'énergie de collision est libérée sous forme de chaleur et va augmenter la température de la colonne d'arc. Les particules chargées formées dans la colonne d'arc se déplacent vers les électrodes : les électrons vers l'anode, les ions vers la cathode. Certains des ions positifs atteignent le point cathodique, tandis que l’autre partie ne le fait pas, et en s’ajoutant des électrons chargés négativement, les ions deviennent des atomes neutres.

Ce processus de neutralisation des particules est appelé recombinaison. Dans la colonne à arc, dans toutes les conditions de combustion, un équilibre stable est observé entre les processus d'ionisation et de recombinaison. En général, la colonne d'arc n'a aucune charge. Il est neutre, car dans chaque section se trouvent simultanément un nombre égal de particules de charges opposées. La température de la colonne à arc atteint 6 000 à 8 000 °C ou plus. La chute de tension (Uc) varie presque linéairement sur la longueur, augmentant avec la longueur de la colonne. La chute de tension dépend de la composition du milieu gazeux et diminue avec l'introduction de composants facilement ionisés. Ces composants sont des éléments alcalins et alcalino-terreux (Ca, Na, K, etc.). La chute de tension totale dans l'arc est Ud=Uk+Ua+Uc. En prenant la chute de tension dans la colonne d'arc sous la forme d'une dépendance linéaire, elle peut être représentée par la formule Uc=Elc, où E est la tension sur la longueur, lc est la longueur de la colonne. Les valeurs de IR, Ua, E dépendent pratiquement uniquement du matériau des électrodes et de la composition du milieu d'espacement de l'arc et, si elles restent inchangées, restent constantes à conditions différentes soudage En raison de la petite étendue des régions cathodiques et anodiques, on peut pratiquement considérer que 1s = 1d. On obtient alors l'expression

II)( = a + Н)(, (2.1)

montrant que la tension de l'arc dépend directement de sa longueur, où a = ik + ia ; b=E. Une condition indispensable pour obtenir un joint soudé de haute qualité est une combustion stable de l'arc (sa stabilité). Nous entendons par là un tel mode de son existence dans lequel l'arc longue durée brûle à des valeurs spécifiées de courant et de tension, sans interruption ni transition vers d'autres types de décharges. Avec une combustion stable de l'arc de soudage, ses principaux paramètres - courant et tension - sont dans une certaine interdépendance. Par conséquent, l'une des principales caractéristiques d'une décharge d'arc est la dépendance de sa tension sur l'intensité du courant à une longueur d'arc constante. Image graphique Cette dépendance lors du fonctionnement en mode statique (dans un état de combustion d'arc stable) est appelée caractéristique courant-tension statique de l'arc (Fig. 2.2).

À mesure que la longueur de l'arc augmente, sa tension augmente et la courbe de la caractéristique courant-tension statique augmente ; plus haut, avec une diminution de la longueur de l'arc, elle descend plus bas, tout en conservant qualitativement sa forme. La courbe caractéristique statique peut être divisée en trois régions : descendante, dure et montante. Dans la première région, une augmentation du courant entraîne une forte baisse de la tension de l'arc. Cela est dû au fait qu'avec l'augmentation de l'intensité du courant, la section transversale de la colonne d'arc et sa conductivité électrique augmentent. La combustion d'arc dans les régimes de cette région est caractérisée par une faible stabilité. Dans la deuxième région, l’augmentation de l’intensité du courant n’est pas associée à une modification de la tension de l’arc. Cela s'explique par le fait que la section transversale de la colonne d'arc et des points actifs change proportionnellement à l'intensité du courant, et donc la densité de courant et la chute de tension dans l'arc restent constantes. Le soudage à l'arc avec une caractéristique statique rigide est largement utilisé dans la technologie du soudage, en particulier dans le soudage manuel. Dans la troisième région, à mesure que le courant augmente, la tension augmente. Cela est dû au fait que le diamètre du point cathodique devient égal au diamètre de l'électrode et ne peut plus augmenter, tandis que la densité de courant dans l'arc augmente et que la tension chute. Un arc avec des caractéristiques statiques croissantes est largement utilisé dans le soudage automatique et mécanisé à l'arc submergé et au gaz de protection utilisant un fil de soudage fin.

Riz. 2.3. Caractéristiques statistiques courant-tension de l'arc à différentes vitesses d'alimentation du fil électrode : a - faible vitesse ; b - vitesse moyenne, c - vitesse élevée

Lors du soudage mécanisé avec une électrode consommable, une caractéristique courant-tension statique de l'arc est parfois utilisée, prise non pas à une longueur constante, mais à une vitesse d'alimentation constante du fil électrode (Fig. 2.3).

Comme le montre la figure, chaque vitesse d'alimentation du fil d'électrode correspond à une plage étroite de courants avec une combustion d'arc stable. Un courant de soudage trop faible peut entraîner un court-circuit entre l'électrode et la pièce, et un courant de soudage trop faible peut entraîner une forte augmentation de la tension et une rupture.

En 1802, le physicien russe Vasily Vladimirovich Petrov (1761-1834) a découvert que si vous attachez deux morceaux de charbon de bois aux pôles d'une grande batterie électrique et que, en mettant les charbons en contact, vous les écartez légèrement, une flamme vive se formera entre les extrémités des charbons et les extrémités elles-mêmes des charbons deviennent chauffés à blanc, émettant une lumière aveuglante (arc électrique). Ce phénomène a été observé indépendamment sept ans plus tard par le chimiste anglais G. Davy, qui a proposé d'appeler cet arc « voltaïque » en l'honneur de A. Volta.

En figue. 159 en photo la manière la plus simple produisant un arc électrique. Il y a deux charbons fixés dans le pupitre de commande, pour lesquels il vaut mieux prendre autre chose que l'ordinaire charbon, mais des tiges spécialement fabriquées obtenues par pressage d'un mélange de graphite, de noir de carbone et de liants (charbons à arc). La source de courant peut être un réseau d'éclairage. Pour éviter un court-circuit lors de la connexion des charbons, un rhéostat doit être allumé en série avec l'arc.

Riz. 159. Installation pour produire un arc électrique : 1 et 2 – électrodes de carbone

Typiquement, le réseau d'éclairage est alimenté en courant alternatif. L'arc, cependant, brûle plus régulièrement si un courant constant le traverse, de sorte que l'une de ses électrodes soit toujours positive (anode) et l'autre négative (cathode). Une photographie des électrodes chauffées d'un tel arc est présentée sur la Fig. 160. Entre les électrodes se trouve une colonne de gaz chaud qui conduit bien l'électricité. Dans les arcs ordinaires, ce pilier émet beaucoup moins de lumière que les charbons ardents et n'est donc pas visible sur la photographie. Le charbon positif, ayant une température plus élevée, brûle plus rapidement que le charbon négatif. En raison de la forte sublimation du charbon, une dépression se forme dessus - un cratère positif, qui est la partie la plus chaude des électrodes. Température du cratère dans l'air à pression atmosphérique atteint 4000°C.

Riz. 160. Électrodes à arc électrique (photo)

98.1. Les lampes à arc utilisent des régulateurs spéciaux - des mécanismes d'horlogerie qui rapprochent les deux charbons à la même vitesse qu'ils brûlent. Cependant, l'épaisseur du charbon positif est toujours supérieure à celle du charbon négatif. Pourquoi font-ils cela?

L'arc peut également brûler entre des électrodes métalliques (fer, cuivre, etc.). Dans ce cas, les électrodes fondent et s'évaporent rapidement, ce qui consomme beaucoup de chaleur. Par conséquent, la température du cratère d'une électrode métallique est généralement inférieure à celle d'une électrode en carbone (2000-2500°C).

En forçant un arc à brûler entre des électrodes de carbone dans du gaz comprimé (environ 20 atm), il a été possible d'amener la température du cratère positif à 5900°C, soit à la température de la surface du Soleil. Au même moment, une fonte du charbon a été observée. La colonne de gaz et de vapeurs à travers laquelle se produit la décharge électrique a une température encore plus élevée. Le bombardement énergétique de ces gaz et vapeurs par des électrons et des ions, entraînés par le champ électrique de l'arc, porte la température des gaz dans la colonne à 6 000-7 000°C. Par conséquent, dans la colonne à arc, presque toutes les substances connues fondent et se transformer en vapeur, et bien d'autres réactions chimiques, qui ne fonctionnent pas à des températures plus basses. Il n'est pas difficile, par exemple, de faire fondre des bâtonnets de porcelaine réfractaire dans une flamme d'arc.

Pour maintenir une décharge d'arc, une faible tension est nécessaire : l'arc brûle bien lorsque la tension à ses électrodes est de 40-45 V. Le courant dans l'arc est assez important. Ainsi, par exemple, même dans un petit arc, dans l’expérience illustrée à la Fig. 159, le courant circule environ 5 A, et dans les grands arcs utilisés dans l'industrie, le courant atteint des centaines d'ampères. Cela montre que la résistance de l'arc est faible ; Par conséquent, une colonne de gaz lumineuse conduit bien le courant électrique.

98.2. Une lampe à arc nécessite un courant de 300 A à une tension de charbon de 60 V. Quelle quantité de chaleur est libérée dans un tel arc en 1 minute ? Quelle est la résistance d’un tel arc ?

Une telle forte ionisation du gaz n'est possible que du fait que la cathode à arc émet beaucoup d'électrons qui, sous leurs impacts, ionisent le gaz dans l'espace de décharge. Une forte émission électronique de la cathode est assurée par le fait que la cathode à arc elle-même est chauffée à une température très élevée (de 2 200 à 3 500°C selon le matériau). Lorsque, pour allumer un arc, on met d'abord les charbons en contact, puis au point de contact, qui présente une très grande résistance, se dégage presque toute la chaleur Joule du courant traversant les charbons (§ 59). Par conséquent, les extrémités des charbons deviennent très chaudes, ce qui suffit pour qu'un arc se déclare entre eux lorsqu'ils s'écartent. Par la suite, la cathode de l'arc est maintenue dans un état chauffé par le courant lui-même traversant l'arc. Le rôle principal est joué par le bombardement de la cathode par des ions positifs tombant sur elle.

La caractéristique courant-tension de l'arc, c'est-à-dire la relation entre l'intensité du courant dans l'arc et la tension entre ses électrodes, a un caractère tout à fait unique. Jusqu'à présent, nous avons rencontré deux formes de cette dépendance : dans les métaux et les électrolytes, le courant augmente proportionnellement à la tension (loi d'Ohm) ; en cas de non-autoconductivité des gaz, le courant augmente d'abord avec l'augmentation de la tension, puis atteint saturation et ne dépend pas de la tension. Lors d’une décharge en arc, à mesure que le courant augmente, la tension aux bornes de l’arc diminue. On dit que l’arc a une caractéristique courant-tension décroissante.

Ainsi, dans le cas d'une décharge d'arc, une augmentation du courant entraîne une diminution de la résistance de l'entrefer de l'arc et une diminution de la tension à ses bornes. C'est pourquoi, pour que l'arc brûle régulièrement, il est nécessaire de connecter en série avec lui un rhéostat (Fig. 159) ou une autre résistance dite de ballast.

Le principe du soudage à l'arc électrique repose 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 qu'un court-circuit est créé, suivi d'une rupture du contact métallique et de l'établissement de l'entrefer requis. De cette façon, il est sélectionné longueur optimale arc de soudage.

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.

Une instabilité et une courbure visible de la forme 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 existe plusieurs technologies de soudage 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'un souder, le métal à la jonction devient poreux, entraînant 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.

La zone d'augmentation de température qui crée 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, il est nécessaire conditions suivantes: la présence d'un courant de l'ordre de 10 Ampères (c'est valeur minimum, le maximum peut atteindre 1000 Ampères), tout en maintenant la tension de l'arc de 15 à 40 Volts.

Cette chute de tension se produit lors d’une décharge en arc. La répartition de la tension dans 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.

En 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 mauvaise influence 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 des équipements plus simples et moins chers, et même pratiquement absence totale un phénomène tel que l'explosion magnétique, mentionné ci-dessus.

Caractéristiques voltampères

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. Les points de départ des 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.