Электрические и тепловые свойства дуги

Дуга – мощный стабильный электри­ческий разряд в ионизированной атмосфе­ре газов и паров металла.

Ионизация дуго­вого промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддержи­вается в процессе ее горения. Процесс за­жигания дуги в большинстве случаев включает три этапа:

- короткое замыкание электрода на заготовку,

- отвод электрода на расстояние 3 ... 6 мм и

- возникновение устойчивого дугового разряда.

Короткое за­мыкание (рис. 13.2, а) выполняется для разо­грева торца электрода 1 (катода) и заготов­ки 2 (анода) в зоне ее контакта с электро­дом. После отвода электрода (рис. 13.2, б) с его разогретого торца под действием элек­трического поля начинается термоэлек­тронная эмиссия электронов 3. Столкно­вение быстро движущихся от катода к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4. По мере разогрева столба дуги и повыше­ния кинетической энергии атомов и моле­кул происходит дополнительная их иони­зация. В результате дуговой промежуток становится электропроводимым. Процесс зажигания дуги заканчивается возникно­вением устойчивого дугового разряда в столбе дуги б (рис. 13.2, в).

Рис. 13.2 – Схема процесса зажигания дуги

Возможно зажигание дуги без коротко­го замыкания и отвода электрода с помо­щью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обес­печивающего его первоначальную иони­зацию.

Для этого в сварочную цепь на короткое время подключают источник высокочастотного переменного тока вы­сокого напряжения (осциллятор). Этот способ применяют для зажигания дуги при сварке неплавящимся электродом.

Рис. 13.3 – Статическая вольт-амперная характеристика ду­ги (а) и зависимость напря­жения дуги от ее длины , (б).

Электрические свойства дуги описы­ваются статической вольт-ам­перной характеристикой, пред­ставляющей собой зависимость между напряжением и током дуги в состоянии устойчивого горения (рис. 13.3, а). Харак­теристика состоит из трех участков:

I – падающего,

II – жесткого,

III – возрастающего.

Широкое применение на­шла дуга на жестком и возрастающем уча­стках. Такой вид характеристики объясня­ется следующим образом.

На участке I с повышением силы тока увеличивается степень ионизации дуги, и напряжение для ее поддержания уменьшается.

На уча­стке II пропорционально силе тока воз­растает сечение дуги, при этом плотность тока и напряжение дуги остаются постоянными.

На участке III при повышении тока рост сечения дуги ограничивается сечением электрода, в результате чего увеличиваются плотность тока и напряже­ние дуги.

Каждому участку характеристики дуги соответствует определенный характер пе­реноса расплавленного электродного ме­талла в сварочную ванну:

на I и II – круп­нокапельный, на

III – мелкокапельный или струйный.

На участке I дуга малоустойчива и имеет ограниченное применение. В этом случае для поддержания горения дуги не­обходимо постоянное включение в сва­рочную цепь осциллятора.

На участке II характеристики дуги на­пряжение ( пропорционально ее длине:

; (13.1)

где – длина дуги ( );

– опытные коэффициенты, зависящие от рода свариваемого металла и газа в дуге и других факторов (для стальных электро­дов .

Из приведенной зависимости следует, что для сохранения неизменным необ­ходимо поддерживать постоянной (рис. 13.3, б).

Температура столба дуги 6 (см. рис. 13.2, в) зависит от материала электрода и состава газов в дуге, а температура катода 5 и анода 7 приближается к температуре кипения металла электродов. Эти темпе­ратуры дуги постоянного тока при сварке покрытым стальным электродом состав­ляют соответственно около 6000, 2700, 2900 °С.

При этом в анодной области ду­ги, как правило, выделяется больше теп­ловой энергии, чем в катодной. При свар­ке дугой переменного тока температуры анода и катода выравниваются вследствие периодической смены полярности.