Электрическая сварочная дуга

Дуга представляет собой стационарный электрический газовый разряд, который изучил и описал в 1802 г. русский академик В.В.Петров. Электрические заряды в сварочной дуге переносятся электрическими заряженными частицами – электронами, а также положительно к отрицательно заряженными ионами.

Возникновение дуги обусловлено эмиссией электронов с катода с ионизацией в дуговом промежутке. Электроны, движущиеся с большой скоростью, встречаясь с нейтральными атомами газа, ударяются о них, выбивают электроны, ионизируя атомы.

Количество энергии, которое необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется работой ионизации . Она различна у различных элементов. Осуществляется работа ионизации за счет кинетической энергии электрона;

, откуда (1.1)

где, m – масса электрона, равная 9,1*10^-31 кг;

v – его скорость;

е – заряд электрона, равная 1,6*10^-19 Кл;

U – разность потенциалов на участке, пройденном электроном (потенциал ионизации).

Важной характеристикой стабильного горения дуги является также работа выхода электрона с поверхности твердого или жидкого проводника A_e. Она обратно пропорциональна межатомному расстоянию и поэтому самая малая у щелочных металлов (табл. 1.1.).

Окисление поверхности или нанесение на нее другого металла при определенных условиях снижает работу выхода электронов. Например, введение в состав вольфрамового электрода 0,5 % окиси тория увеличивает эмиссию электронов в тысячу раз.

Таблица 1.1.

Параметр	K	Na	Al	Ca	Ti	Fe	C	O	N
U (В)	4,3	5,1	5,9	6,1	6,8	7,8	11,2	13,2	14,5
Ae (эВ)	2,2	2,3	4,2	2,9	3,9	4,1	4,3	–	–

Зажигание дуги при сварке осуществляется путей замыкания электрода 1 на деталь 2 (рис. 1.1.а). Проходя через отдельные выступы, ток в соответствии с законом Джоуля-Ленца нагревает их, доводя до плавления. В следующий момент сварщик несколько отводит электрод, отчего з жидком металле образуется тонкая шейка, в которой резко растет плотность тока, а следовательно, и температура, что приводит к резкому испарению (взрыву) и мощной эмиссии электронов. Ускоряясь полем, электроны, взаимодействуя с нейтральными атомами, ионизируют их. В дуге различают три участка: катодный 3 и анодный 5, а также столб дуги 4. (рис.1.1,б). В катодной области из катодного пятна происходит эмиссия электронов, которые, ускоряясь электрическим полем в области катодного падения напряжения, попадают в столб дуги. Сталкиваясь в столбе, дуги с нейтральным атомами, электроны их ионизируют, в результате образуются два медленных электрона и положительный ион. К катодному пятну движутся положительные ионы, но обладая большой массой, они имеют скорость значительно меньше, чем у электронов. Поэтому в области катодного падения напряжения и создается избыточный объемный положительный заряд, возникновение которого в прикатодной области с длиной 10^-5 см приводит к возникновению высокой напряженности Е электрического тока. В анодной области на участке, равном длине свободного пробега электрона, наблюдается резкое анодное падение напряжения Ua, вызванное большим нескомпенсированным объемным отрицательным зарядом.

На этом участке дуги почти отсутствует ионизация и нет положительных ионов. Поэтому электроны, проходя анодную область, снова резко увеличивают скорость своего движения и, попадая на анодное пятно, тормозятся, выделяя кинетическую энергию и энергию, равную работе выхода электрона. В результате температура в анодном пятне может достигать температуры кипения материала анода.

Рис. 1.1, а. Зажигание дуги при сварке

 

Рис. 1.1, б. Падение напряжения в дуге

Столб дуги (плазма) – область расположения между катодным и анодным падением напряжения и представляет собой смесь электронов и положительных ионов. В случае наличия в дуге атомов элементов, имеющих большое сродство к электрону, в столбе могут образовываться и отрицательные ионы, например, фтора или кислорода. В плазме имеются также и нейтральные атомы.

Столб дуги в целом нейтрален, так как количество отрицательных и положительных зарядов равно.

Температура столба дуги зависит от эффективного потенциала ионизации газов, заполняющих межэлектронное пространство, напряженности поля, плотности тока. Для приближенных расчетов можно использовать уравнение К.К.Хренова:

(1.2)

где, – температура столба дуги, °К;

U – эффективный потенциал ионизации, В.

Температура столба дуги по его сечению неодинакова. Наибольшую температуру имеет центральная часть. Температура на катоде и аноде зависит от рода тока и материала электродов. При сварке стальным плавящимся электродом температура на аноде составляет около 2600 °С, а на катоде около 2400 °С. При использовании угольных электродов температура катода составляет около 3200 °С, а анода - около 3900 °С. При сварке переменным током количество энергии, выделяемое на обоих электродах, одинаково.

Напряжение дуги является функцией ее длины:

где, – напряжение дуги,, В;

– сумма падений напряжений на аноде и катоде.

В случае стальных электродов .

– длина дуги, мм;

– напряженность электрического поля в столбе дуги, которая при сварке на воздухе составляет 2,5 В/мм.

Дуга горит стабильно, если ее длина ,

Зависимость между напряжением дуги и силой тока, описывается вольт-амперной характеристикой, см. рис 1.2;

Рис 1.2. Вольт-амперная характеристика дуги

Из рисунка видно, что участок І (при токе меньше 80 А) характеризуется резким падением напряжения, что связано с увеличением числа частиц, переносящих электричество вдуге. Этот участок имеет малую устойчивость и для сварки применяется очень редко.

При токах 80...1000 А (участок ІІ) дуга имеет жесткую характеристику, напряжение не изменяется с увеличением силы тока. Это обусловлено тем, что с увеличением тока растет сечение дуги и одновременно увеличивается число переносчиков заряда. Оба фактора уменьшают сопротивление дуги во столько раз, во сколько возрастает сила тока.

При увеличении тока вше 1000 А (область ІІІ) напряжение дуги снова возрастает, так как дуга к этому моменту достигает максимальных размеров, и сечение ее в дальнейшем не меняется. Дуга с возрастающей характеристикой широко применяется при сварке под флюсом и в защитных газах. Вокруг сварочной дуги постоянного тока образуется мощное магнитное поле, которое может взаимодействовать с массивными частями изделия (ферромагнитные массы), что приведет к отклонению дуги в сторону. Такое явление называют магнитным дутьем. Его можно изменить путем изменения места токопровода, угла наклона электрода, временного симметричного размещения массивного ферромагнитного материала с другой стороны дуги, заменой постоянного тока переменным.