Структура сварочной дуги

Различные вещества по-разиому проводят электричес­кий ток. Проводимость всякого вещества зависит от ко­личества свободных электрических зарядов (электродов и ионов), которые находятся в этом веществе. Кроме того, проводимость определяется скоростью, с которой эти сво­бодные частицьі передвигаются. То есть, чем больше в материале имеется свободных носителей зарядов и чем более они подвижны, тем больше проводимость этого ма­териала и тем меньше его сопротивление.

Газы при нормальных условиях не проводят электри­ческого тока, Данный факт объясняется тем, что в обыч­ных условиях газы состоят из нейтральных молекул и ато­мов, а следовательно, не являются носителями зарядов.

Газы начинают проводить электрический ток, если в их составе появляются электроны, положительные и от­рицательные ионы. Это становится возможным при не­которых условиях.

Процесс образования в газе электронов и ионов назы­вается ионизацией, а газ, в котором имеются заряжен­ные частицы, — ионизированным.

Чтобы освободить электров от связи с атомным ядром (в результате чего и происходит образование положитель­ного иона), нужно сообщить ему некоторое количество энергии. В результате электрон перейдет на новую орби­ту с более высоким энергетическим уровнем, а молекула или атом будут находиться в возбужденном состоянии.

Работа, которую нужно совершить для того, чтобы об­разовать ион, называется работой ионизации (или по­тенциалом ионизации) и выражается в электрон-воль­тах (ЭВ). Энергия, сообщенная электрону для приобрете­ния скорости, необходимой для отрыва его от атома, на­зывается потенциалом возбуждения и также измеряет­ся в электрон-вольтах.

Различные химические элементы имеют разную вели­чину потенциалов возбуждения и ионизации (от 3,9 до 25,5 ЭВ). Наименьшими потенциалами ионизации обла­дают щелочноземельные металлы — такие элементы спо — . собствуют зажиганию к устойчивому горению дуги, по­этому их вводят в состав электродных покрытий.

Положительные и отрицательные ионы, а также сво­бодные электроны в газах возникают при некоторых ус­ловиях:

— воздействии на них электрического поля;

— тепловом воздействии;

— прохождении через газ рентгеновских, ультрафио­летовых и космігческих лучей.

Соответственно различают виды ионизации газоз: со­ударением частиц, фотоионизацию (ионизация фотона­ми), термическую, электрическим полем.

Дуговой промежуток в сварочной дуге разделяется на три области (рис. 24): катодную, анодную и столб дуги. В процессе горения дуги на электроде и основном металле возникают активные пятна, которые представляют собой

1

Подпись:image22"наиболее нагретые участки и проводят весь ток дуги. Ак­тивные пятна называются соответственно анодным и ка­тодным.

С катодного пятна происходит дополнительный выход электродов, кроме образовавшихся при иовизации в меж — дуэлектродном пространстве. Электроны, которые выхо­дят с поверхности электрода, называются первичными. Выход этих электровов происходит за счет различных факторов: термоэлектронной эмиссии (испускания), ав — тоэлектронной эмиссии, ионизации на катоде.

Термоэлектронная эмиссия электронов происходит в результате нагрева поверхности электрода до высокой температуры, при которой электроны могут приобрести скорость, достаточную для отрыва их от атомов. Элект­роны открываются от поверхности катода и устремляют­ся к аноду. Чем больше температура нагрева электрода, тем больше количество вырываемых электронов.

Автоэлектронная эмиссия электронов происходит из — за высокой напряженности электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше испускание с катода первичных электродов.

Ионизация на катоде происходит в результате соударе­ний с электронами положительных ионов. Положительные

ионы образуются в результате ионизации в столбе дуги и притягиваются к катоду. Ионизация может происходить также в результате воздействий излучения (фотоионизация).

В столбе дуги происходит образование так называемых вторичных электронов, а также положительных ионов (вторичными называют электроны, выбитые с орбит вей — тральных атомов, находящихся в ыеждуэлектродном про­странстве).

Таким образом, в. столбе дуги электроны движутся к аноду, положительные ионы — к катоду. При этом ионы и электроны могут снова соединяться, образуя нейтраль­ные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации процессы образования и ис­чезновения ааряженных частиц в дуге уравновешивают­ся и степень ионизации нагретого газа остается посто­янной.

Анодная область дуги включает в себя анодное пятно й приэлектродную область. Анодное пятно бомбардиру­ют электроны, в результате чего образуются ионы. От сильной бомбардировки анодная область всегда имеет форму, напоминающую форму чаши (или — выгнутой сферы) и называемую сварочным кратером. [2]

Подпись: 1 L дуги I І/, £/ и £/ — падения напряжений в катодной области, в столбе дуги и анодной области, I/ — напряжение дуги, Ка и о, — диаметр катодного и анодного пятен; 1 и 2 — высота приэлестродных областей, 3 и 4 — вьюота катодной и анодной областей

Общее напряжение сварочной дуги складывается из суммы падения напряжений в отдельных ее областях:

иа=ия + ик + иа,

где ия — общее падение напряжения на дуги,

С/„ — падение напряжения в анодной области,

11я — падение напряжения в катодной области,

U0 — падение напряжения в столбе дуги,

Вблизи электродов имеются резкие изменения потен­циалов — катодное и анодное падения напряжений U и Ux, причем UK (примерно 10 В) обычно значительно боль­ше. Эти скачки напряжения на небольших участках объяс­няются условиями прохождения тока из одной среды в другую (из металла в газовую среду).

Во-вторых, сварочная дуга отличается большой плот­ностью тока, достигающей тысяч ампер на квадратный сантиметр.

В-третьих, сварочная дуга имеет высокую температу­ру. При этом наибольшая температура наблюдается в стол­бе дуги, наименьшая — на поверхностях катода и анода.

Температура в столбе сварочной дуги может, принимать значения до 12000°К и определяется многими фактора­ми: диаметром электрода, плотностью тока, составом га­зовой среды, составом материала и т. д.

Один из основных показателей, от которого зависит температура дуги, — эффективный потенциал ионизации (обозначаемый Обычно величина V(a^ близка наи­меньшему ионизационному потенциалу одного из компо­нентов смеси дугового газа.

Для определения температуры столба дуги можно вос­пользоваться приближенной эмпирической формулой

Тс = 800 Vl)t,,

где Т — температура столба дуги,

УгЛ — эффективный потенциал ионизации.

Так, например, для сварки толстопокрытымн электро­дами, в состав покрытия которых входит натрий, форму­ла дает:

Гс« 800 • 5,1 =4080 1C

(5,1 — величина эффективного потенциала ионизации натрия).

В-четвертых, особенностью сварочной дуги является возможность получения различных статистических вольт — амперных характеристик.

№ 1, А/*м*

Подпись:

Подпись: (1.6

Рис. 26. Статические вольт* амперные характеристики дуги: 1 — падающая, 2 — жесткая, 3— возрастающая

Статической волът-амперной характеристикой назы­вается зависимость падения напряжения в дуге от силы тока при постоянной (статической) длине дуги (т. е. при установившемся горении дуги). Сварочная дуга в зависи­мости от различных условий может иметь жесткую, па­дающую и возрастающую вольт-амперную характеристи­ку (рис. 26).

При жесткой вольт-амперной характеристике падение напряжения практически не зависит от тока, при падаю­щей — с увеличением тока падение напряжения умень­шается, при возрастающей характеристике — с увеличе­нием сварочного тока напряжение возрастает.

Updated: 19.02.2016 — 21:25