Электрическая сварочная дуга

9.4.1 Формы электрических разрядов в газах весьма разнообразны. Дуговой разрядявляется высшей, наиболее развитой формой стационарного газового разряда. В нормальныхусловиях при низких температурах все газы являются непроводниками электрическоготока - изоляторами. Газ может проводить электрический ток лишь в том случае, если в газепоявляются электрически заряженные частицы - ионы.

9.4.2 Процесс образования заряженных частиц называется ионизацией, а газ, вкотором появились заряженные частицы и который вследствие этого получил способностьпроводить электрический ток, называется ионизированным. На ионизацию газа могут влиятьразличные факторы. Протекание тока через газ сопровождается ионизацией таза. В этомслучае проходящий через газ ток определяет степень ионизации газа и егоэлектропроводность. В таких условиях электрическое сопротивление газа может иметьлюбую величину — от очень малых значении до весьма больших, при этом отсутствуетопределенная зависимость между напряжением, подведенным к газовому промежутку, ивозникающим электрическим током. Поэтому, например, для дугового разряда не имеетсмысла вопрос, какой ток будет в разряде при данном напряжении, так как ток может иметьсамые различные значения, в зависимости от параметров питающей цепи.

9.4.3 Источниками заряженных частиц в газах могут служить сами молекулы газа, которые при подведении достаточных количеств энергии могут образовывать электрически заряженные частицы, т. е. ионизироваться. Такая ионизация может быть названа ионизацией в объеме, или объемной ионизацией. Источником заряженных частиц могут также служить твердые или жидкие тела, соприкасающиеся с газовым объемом, в котором происходит разряд. Особенно важна в этом отношении роль отрицательного электрода - катода, который часто служит мощным источником свободных электронов в разряде.

9.4.4 Дуговой разряд возникает в газе при достаточной силе тока в цепи. Возникший разряд концентрируется и стягивается определенным образом, отвечающему минимуму мощности для данной силы тока, четко ограничивается от окружающей среды и протекает при очень высоких плотностях тока.

9.4.5 Между положительным анодом и отрицательным катодом расположена наиболее важная часть дугового разряда — столб, имеющий обычно коническую или сферическую форму. Схема дугового разряда приведена на рисунок 9.2.

1 – катодное пятно

 2 – столб дуги

 3 – анодное пятно

 4 – пламя дуги

Рисунок 9.2 – Схема дугового разряда

9.4.6 Газстолбаимеетвысокуютемпературу,порядка6000 °С.Происходит преобразование большого количества электрической энергии разряда в тепловую энергию, нагревающую и расплавляющую металл. Общее количество высвобождающейся энергии на аноде обычно больше чем на катоде, но иногда наблюдается обратное соотношение. Зависимость напряжения дуги от тока и длины обычно изображается кривыми, которые называются характеристиками дуги. Они относятся к установившемуся состоянию дуги, поэтому называются статическими характеристиками. Напряжение дуги при постоянной ее длине зависит от силы тока лишь при малых (до40 А),токах, для токов,обычно применяемых для сварки, можно принять, что напряжение дуги не зависит от тока

9.4.7 В начальный момент воздух между концом электрода и основным металлом не ионизирован и не проводит электрического тока. Зажигание дуги может быть осуществлено двумя приемами. Можно повышать напряжение между электродом и изделием, пока не произойдетпробойгазовогопромежутка;возникающийприэтомискровойразряд автоматически переходит в дуговой. Для пробоя даже очень малого промежутка между электродамитребуетсянапряжениепримерно1000 В.Длязажиганияиспользуется вспомогательныйтоквысокогонапряженияивысокойчастоты,неоказывающий физиологического действия на человека. Опасность ожогов устраняется малой мощностью вспомогательного тока; для этой цели применяются особые аппараты - осцилляторы. Обычно дуга зажигается предварительным замыканием электрода на изделие; дуга возникает при отведении электрода и разрыве замыкания. Прикосновением электрода к изделию замыкается накоротко сварочная цепь, в которой возникает ток замыкания, создающий магнитное поле. При отрыве электрода и размыкании цепи энергия исчезающего магнитного поля повышает напряжение на промежутке разрыва. С повышением напряжения пробивается слой газа между электродом и изделием. Это вызывает возникновение искрового разряда, в котором энергия магнитного поля переходит сначала в электрическую, а потом в тепловуюэнергию,нагревающуюгаз,оплавляющуюииспаряющуюматериалэлектродови создающую ионизацию газового промежутка.

9.4.8 Чем больше индуктивность цепи, характеризуемая коэффициентомсамоиндукции, и чем больше ток, тем мощнее искровой разряд при отведении электрода итем легче возникает дуговой разряд. Образованию начального искрового разрядаспособствует также весьма высокая напряженность электрического ноля у поверхностиэлектродов в начальный момент отведения электрода, когда газовый промежуток еще оченьмал. Эта высокая напряженность поля может служить причиной мощной электроннойэмиссии на катоде.

9.4.9 При зажигании дугового разряда проходит стадия его развития и перехода встационарную форму. Процесс развития разряда определяется энергетическимисоотношениями. Разряд получает энергию от электрической цепи и отдает ее в окружающуюсреду посредством теплопроводности, излучения и конвекции. Стационарный разрядхарактеризуется равенством мощностей, получаемых разрядом из цепи и отдаваемыхокружающему пространству. Если получаемая мощность больше отдаваемой, то идетразвитие разряда; если отдаваемая мощность больше получаемой, то интенсивность разрядауменьшается и наступает его затухание. Процесс развития нормального дугового разряда отмомента зажигания до достижения стационарного состояния занимает несколько десятыхдолей секунды.

9.4.10 Пары различных материала, попадая в столб дуги и подвергаясь действию высокой температуры, прежде всего,диссоциируют (сложные химические соединения распадаются на более простые, вплоть до образования свободных атомов). Если в столб дуги попадают вещества с низким потенциалом ионизации, например, щелочные и щелочноземельные металлы, то пары их легко ионизируют и повышают электропроводность дугового промежутка, облегчая горение дуги. Теория и опыт показывают, что достаточно примешать к газу с высоким потенциалом ионизации небольшое количество паров с низким потенциалом ионизации, чтобы понизить средний эффективный потенциал ионизации газовой смеси и резко увеличить степень ее ионизации и электропроводность.

9.4.11 Усиливать ионизацию дугового промежутка могут щелочные и щелочноземельные металлы: калий, натрий, кальций, барий, стронций Особенно эффективными являются соединения калия, который имеет наименьший потенциал ионизации. Небезразлично в виде какого соединения введен тот или другой легко ионизирующийся элемент, из соединений калия, наиболее сильное ионизирующее действие оказывают следующие соединения: ферроцианид калия K₃Fe(CN)e (красная кровяная соль) имонохромат калия К2СГО4 (мелкий светло-желтый порошок, применяемый в красочной промышленности). Хорошими ионизирующими свойствами обладают карбонат калия К₂СО₃ (поташ), карбонат кальция СаСОз и т. д., а также мел, мрамор, известняк, полевой пшат (ортоклаз), некоторые глины, древесная зола и подобные вещества, содержащие щелочные и щелочноземельные металлы.

9.4.12 К гасителям дуги относится вода. Это одна из причин, почему отсыревшие электроды не рекомендуются для сварки, не говоря уже о снижении качества соединения. Для обмазок также не рекомендуются вещества, содержащие кристаллизационную воду или сильно гигроскопические. Гасят дугу галоиды, в особенности хлор, фтор и их соединения, борная и фосфорная кислоты и их соединения.