Сварочная дуга и ее свойства

1. Физическая сущность дуги. Сварочная дуга представляет собой мощ-
ный электрический разряд в газах, сопровождаемый выделением значи-
тельного количества тепла и света. С физической точки зрения — это
сложный ионный и электронный процесс переноса электрических зарядов
через ионизированный воздушный промежуток. Ионизация газового про-
межутка при дуговой сварке в основном обусловлена электронной эмис-
сией с горячего катода.

Для разогрева катода между ним и анодом, подключенными к источ­нику сварочного тока, производят кратковременное короткое замыка­ние. После отрыва электрода от изделия с разогретого катода, каким при сварке постоянным током может быть и электрод и изделие (при перемен­ном токе полярность постоянно изменяется), под воздействием электри­ческого поля начинается электронная эмиссия. Электроны, вылетевшие с поверхности катода, направляются к аноду и, сталкиваясь на своем пути с молекулами и атомами воздуха, ионизируют их. Образуемые в воздуш­ном промежутке отрицательные ионы и электроны перемещаются к ано­ду, а положительные ионы — к катоду. На поверхности катода и анода осуществляется нейтрализация заряженных частиц и преобразование электрической энергии в тепловую.

2. Электрические свойства дуги. К основным параметрам, характери-
зующим свойства дуги, относятся напряжение, ток и длина дуги. Зави-
симость между напряжением и током при установившемся стационарном
состоянии дуги выражается статической вольт-амперной характеристи-
кой ее (рис. У.2, а). Как видно, она может быть падающей /, жесткой //
и возрастающей ///. Самое широкое применение имеет дуга с жесткой
характеристикой, при которой напряжение на дуге не зависит от силы
сварочного тока. Дугу с
возрастающей характе-

ристикой применяют при автоматической сварке под флюсом на повышен­ных плотностях тока и при сварке в защитных газах плавящимся элек­тродом. Дуга с падающей характеристикой мало­устойчива и имеет огра­ниченное применение. Зависимость между

напряжением и длиной дуги, имеющей жесткую характеристику, выража­ется следующей эмпирической формулой:

1/_а = а + Ы_а,

где 1/д — напряжение на дуге, В; /_д — длина дуги, мм; а и Ь — коэффи­циенты, зависящие от рода материала электрода, состава газовой среды и т. п.

При сварке стальными электродами в атмосфере воздуха а — 10 В, а Ь = 2 В/мм.

3. Строение дуги и ее тепловые свойства. Сварочная дуга (рис. У.2, б) состоит из трех частей: катодной, анодной и столба дуги. Почти все прост­ранство занимает столб дуги /, в котором происходят процессы иониза­ции и перемещения заряженных частиц к катоду и аноду. Температура столба дуги достигает 6000—7000 °С. Он окружен ореолом 2, который представляет собой раскаленную смесь паров электродного и свариваемого металлов и продуктов реакции этих паров с окружающей газовой средой.

Тепловая мощность дуги определяется по формуле

Ч = ЯсУо Дж/с (0,24Х1у_св- кал/с),

где К — коэффициент несинусоидальности напряжения и тока; с/_д — напряжение дуги В; /_св — сварочный ток, А.

Для постоянного тока К = 1, а при переменном токе изменяется от 0,7 до 0,97.

Не все тепло дуги расходуется на плавление присадочного и основно­го металлов: примерно 50 % идет на нагрев изделия; около 30 — на нагрев электрода и почти 20 % составляют потери тепла в окружающее пространство. При питании дуги постоянным током большее количество тепла, примерно 42—43 %, выделяется на аноде, около 36—38 — на ка­тоде и приблизительно 20—21 % — в столбе дуги. Поэтому температура анода несколько выше температуры катода.