4.2.2. Электрическая дуга

Электрическая дуга является одной из форм электрического разряда в ионизированном газе. Устойчивый разряд образуется в газовой среде между твердыми или жидкими проводниками (электродами), если в этой среде имеются заряженные частицы - электроны и ионы. В обычных условиях газы являются изоляторами, поскольку атомы газов электрически нейтральны. Заряженные частицы в дуговом промежутке создаются за счет процесса ионизации, при котором происходит расщепление нейтральных атомов на положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Именно они, при своем движении к электродам, обеспечивают перенос зарядов и протекание электрического тока через дуговой промежуток. Для горения дуги необходим источник тока.

Возбудить дугу можно кратковременным касанием изделия сварочным электродом, подключенным к источнику питания. В момент короткого замыкания, по цепи протекает электрический ток, который нагревает торец электрода. При разведении электродов, после их соприкосновения от поверхности нагретого тела отрываются электроны, обладающие кинетической энергией, достаточной для преодоления силы электростатического притяжения. Под действием электрического поля (разности потенциалов, которая создается источником питания между электродами) электроны устремляются к аноду. Электрическое поле сообщает электронам скорости 1,5 … 2 км/с. Летящие с такой скоростью электроны обладают достаточно большой кинетической энергией для того, чтобы столкнувшись с нейтральным атомом, произвести работу, необходимую для его ионизации. В результате такого неупругого столкновения вместо одной заряженной частицы получаются три заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле (рис. 4.7). Процесс ионизации приобретает лавинообразный характер, что и обеспечивает возбуждение дуги при разведении электродов после их соприкосновения.

Э

Рис. 4.7. Процесс ионизации дугового промежутка.

лектрическую дугу можно питать постоянным или переменным током. Дуга постоянного тока более устойчива. При питании дуги переменным током промышленной частоты полярность на электродах меняется 100 раз в секунду. Столько же раз дуга гаснет и возбуждается снова. Для большей устойчивости дуги переменного тока в дуговой промежуток вводят легкоионизируемые элементы.

Электрический разряд не является однородным по длине дуги. В дуговом разряде различают три зоны; катодную, примыкающую к катоду (отрицательно заряженному электроду),анодную, примыкающую к аноду, истолб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами. Протяженность катодной и анодной зон очень невелика. Она составляет 10^-7… 10^-5м, однако в этих зонах наблюдается значительное падение напряжения, вызванное образованием около электродов пространственных зарядов за счет скопления заряженных частиц. Значения катодногоU_ки анодногоU_ападений напряжения не зависят от длины дуги. Длина дуги оказывает влияние на падение напряжения только в столбе дугиU_c. Общее напряжение сварочной дуги складывается из суммы падений напряжения в отдельных областях дуги:

U_Д=U_к + U_а + U_с

Температура в дуге также распределена неравномерно. Экспериментально установлено, что температура в столбе дуги выше, чем в катодной и анодной зонах, и достигает 6000 … 7000°С. Для дуги, горящей в парах железа, температура катодной и анодной зон составляет 2400 … 2600°С.

Для газового разряда сопротивление не является постоянным, так как количество заряженных частиц зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от силы тока. Поэтому электрическая дуга не подчиняется закону Ома. Зависимость напряжения на электродах от силы протекающего через дугу тока носит название статической характерис

Рис. 4.8. Статическая характеристика дуги при постоянных длине дуги и диаметре электрода

тики дуги. Графическое изображение такой зависимости, полученной для постоянной длины дуги, показано на рис. 4.8. Форма кривой является характерной для всех сварочных дуг. Она показывает, что при малых силах тока (областьI) в процессе увеличения силы тока быстро растет число заряженных частиц, поэтому электрическое сопротивление уменьшается и снижается напряжение, необходимое для поддержания дуги. При дальнейшем увеличении силы тока (областьII) столб дуги начинает сжиматься, что приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц, характеристика становится жесткой, а в областиIIIхарактеристика становится возрастающей. Таким образом, форма статической характеристики дуги зависит от процессов, протекающих в дуге при изменении силы тока. Положение кривой в координатах «сила тока - напряжение» зависит от длины дуги. Более длинной дуге соответствует кривая, расположенная выше. Иначе говоря, существует семейство статических характеристик, каждая из которых соответствует определенной длине дуги.

При использовании электрической дуги как источника теплоты важным является вопрос о ее тепловой мощности. Полную тепловую мощность дуги, т. е. количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени, приближенно считают равной электрической мощности, определяемой как произведение силы тока Iна напряжениеU_Д :

q=IU_Д , Вт,

где I- сила тока,A;U_Д- напряжение на дуге, В.

Однако не вся электрическая (тепловая) мощность дуги используется при сварке на нагрев заготовки. Часть теплоты теряется в окружающую среду. Полезная часть, введенная в металл за единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги q_и. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги связана с полной тепловой мощностью через эффективный КПД η_изначение которого зависит от способа сварки и колеблется от 0,5 до 0,9.