6.4 Электрическая сварочная дуга

Формы электрических разрядов в газах весьма разнообразны; дуговой разряд является высшей, наиболее развитой формой стационарного газового разряда. И нормальных условиях при низких температурах все газы являются непроводниками электрического тока — изоляторами. Газ может проводить электрический ток лишь в том случае, если в газе появляются электрически заряженные частицы — ионы.

Процесс образования заряженных частиц называется ионизацией, а газ, в котором появились заряженные частицы и который вследствие этого получил способность проводить электрический ток, называется ионизированным. На ионизацию газа могут влиять различные факторы. Протекание тока через газ сопровождается ионизацией таза. В этом случае проходящий через газ ток определяет степень ионизации газа и его электропроводность. В таких условиях электрическое сопротивление газа может иметь любую величину - от очень малых значении до весьма больших, и при этом отсутствует определенная зависимость между напряжением, подведенным к газовому промежутку, и возникающим электрическим током. Поэтому, например, для дугового разряда не имеет смысла вопрос, какой ток будет в разряде при данном напряжении, так как ток может иметь самые различные значения, в зависимости от параметров питающей цепи.

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.

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.

1 - катодное пятно, 2 – столб дуги, 3 – анодное пятно, 4 – пламя дуги

Рисунок 6.2. -Схема дугового разряда

Между положительным анодом и отрицательным катодом расположена наиболее важная часть дугового разряда - столб, имеющий обычно коническую или сферическую форму (рисунок 6.2.). Газ столба имеет высокую температуру, порядка 6000⁰ 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 (до 30 - 40 а), токах, для токов обычно применяемых для сварки, можно принять, что напряжение дуги не зависит от тока.

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 произойдет пробой газового промежутка; возникающий при этом искровой разряд автоматически переходит в дуговой. Для пробоя даже очень малого промежутка между электродами требуется напряжение порядка 1000 в; для зажигании используется вспомогательный ток высокого напряжения и высокой частоты, не оказывающий 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 тепловую энергию, нагревающую газ, оплавляющую и испаряющую материал электродов и создающую ионизацию газового промежутка.

Чем больше индуктивность цепи, характеризуемая коэффициентом самоиндукции, и чем больше ток, тем мощнее искровой разряд при отведении электрода и тем легче возникает дуговой разряд. Образованию начального искрового разряда способствует также весьма высокая напряженность электрического ноля у поверхности электродов в начальный момент отведения электрода, когда газовый промежуток еще очень мал. Эта высокая напряженность поля может служить причиной мощной электронной эмиссии на катоде.

При зажигании дугового разряда проходит стадия его развития и перехода в стационарную форму. Процесс развития разряда определяется энергетическими соотношениями. Разряд получает энергию на электрической цени и отдает ее в окружающую среду посредством теплопроводности, излучения и конвекции. Стационарный разряд характеризуется равенством мощностей, получаемых разрядом из цепи и отдаваемых окружающему пространству. Если получаемая мощность больше отдаваемой, то идет развитие разряда; если отдаваемая мощность больше получаемой, то интенсивность разряда уменьшается и наступает его затухание. Процесс развития нормального дугового разряда от момента зажигания до достижения стационарного состояния занимает несколько десятых долей секунды.

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.

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)₆ (красная кровяная соль) и монохромат калия К₂Сг0₄ (мелкий светло-желтый порошок, применяемый в красочной промышленности). Хорошими ионизирующими свойствами обладают карбонат калия К₂С0₃ (поташ), карбонат кальция СаС0₃ и т. д., а также мел, мрамор, известняк, полевой шпат (ортоклаз), некоторые глины, древесная зола и подобные вещества, содержащие щелочные и щелочноземельные металлы.

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 и фтор и их соединения, борная и фосфорная кислоты и их соединения.