Электрическая дуга и ее применение в сварочных работах

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В СВАРОЧНЫХ РАБОТАХ

Строение сварочной дуги

Общие сведения. Сварочной дугой называется устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, используемых при сварке. Сварочная дуга характеризуется большой плотностью тока и высокой температурой.

Для образования и поддержания горения дуги необходимо иметь в промежутке между электродами электрически заряженные частицы - электроны, а также положительные и отрицательные ионы. Процесс образования ионов и электронов называется ионизацией, а газ, содержащий электроны и ионы, ионизированным. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения.

Ионизированный газ концентрируется в объеме около 1 см. Но и в этом небольшом пространстве различают три области (рис.1). Две из них - катодная и анодная - пограничные между электродами и ионизированным газом, В этих областях наблюдается значительное падение напряжения, вызванное образованием около электродов пространственных зарядов (скоплением заряженных частиц). На поверхности анода и катода образуются электродные пятна, через которые проходит сварочный ток. Электродные пятна выделяются яркостью свечения.

Рис.1. Схема сварочной дуги и падения напряжения в ней

Третью область, расположенную между катодной и анодной областями, - называют столбом дуги.

Общая длина сварочной дуги L равна сумме длин всех трех областей:

L  = L + L + L,

где:

L - длина катодной области, равная примерно 10 м;

L - длина столба дуги;

L - длина анодной области, равная примерно 10 м.

Длина дуги редко превышает 10-15 мм.

Общее напряжение сварочной дуги U слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги:

U = U + U + U,

где:

U, U, U - падения напряжения соответственно в катодной области, столбе дуги и анодной области, В.

Обычно в сварочных дугах напряжение U = 10 - 60 В.

Температура в столбе сварочной дуги достигает 5000-12000 °С и зависит от плотности тока, состава газовой среды дуги, материала и диаметра электрода.

Процессы в столбе дуги. Столб дуги заполнен заряженными частицами - электронами и ионами. Там присутствуют также и нейтральные частицы - атомы и даже молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды. Под действием электродинамических сил частицы перемещаются. Скорость их перемещения различна. Быстрее всего перемещаются электроны. Они легко разгоняются и, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию. Столкновения электронов  атомами могут быть упругими и неупругими. При упругих столкновениях атомы начинают двигаться быстрее - увеличивается их кинетическая энергия. В результате повышается температура плазмы дуги.

Электрон, который в электрическом поле приобрел достаточно большую энергию, является виновником неупругих столкновений. Столкнувшись с атомом, он возбуждает его, а когда удар достаточно силен, то и выбивает из атома его собственные электроны. Атом становится положительным ионом: однозарядным, если выбит один электрон, двухзарядным - если два, и т. д. (рис.2).

Рис.2. Образование электронов и ионов в дуге