Электрическая дуга.

Электрическая дуга, являясь одним из основных источников тепла при сварке плавлением, представляет собой вид электрического разряда в газах. Для дуги, используемой при сварке характерны очень высокие температуры газа (от 6000^оС и больше), сравнительно большие токи 10…1000 А и относительно невысокие напряжения 20…40 В. Электрические дуги очень разнообразны в зависимости от рода тока, применяемых материалов и других условий.

Рассмотрим дугу постоянного тока прямой полярности (рис.2.2). Последнее означает, что отрицательный полюс источника питания присоединяется к электроду, т.е. электрод является катодом, а положительный – к изделию, который становиться анодом.

Процессы и явления в такой дуге многогранны и сложны. Рассмотрим лишь те характеристики, которые имеют решающее значение для сварки.

Рис. 2.2. Строение сварочной дуги (прямой полярности).

В сварочной дуге принято выделять следующие элементы:

1- электрод (в данном случае катод);

2- изделие (в данном случае анод);

3- катодная область или катодное пятно;

4- анодная область или анодное пятно;

5- столб дуги;

6- пламя или ореол дуги.

Толщина катодной и анодной областей очень мала, составляет 10^-3…10^-5 см, поэтому их часто называют катодным и анодным пятном.

Для катодной области в стандартном режиме характерно два процесса:

а) эмиссия электронов, которая сопровождается потерей энергии, характеризуемой работой выхода электрона ,

где: - заряд электрона, - потенциал выхода.

Таким образом, благодаря эмиссии электронов катод теряет энергию и охлаждается. В зависимости от материала электрода, потери энергии различны, так как различна величина (см. табл. 2.2).

Таблица 2.2

Материал электрода	Калий	Железо	Вольфрам
, эВ	2,0	4,7	4,5

Отсюда следует, что тепловой баланс катода зависит от материала, из которого изготовлен катод;

б) бомбардировка катодного пятна положительными ионами, образующимися в столбе дуги и движущимися под действием приложенного напряжения источника питания к катоду. Благодаря этому поверхность катода сильно разогревается и может достигать температуры кипения материала электрода.

На анодном пятне происходит бомбардировка анода электронами, эмитированными с катода, а также образованными благодаря ионизации в столбе дуги. Вследствие этого анод сильно разогревается.

Следует учесть, что баланс энергии катода и анода не одинаков. Благодаря эмиссии электронов баланс катода меньше, чем анода (без учета химических процессов). Поэтому в случае присоединении к электроду положительного полюса источника питания (обратная полярность) электрод будет разогреваться сильнее.

В стволе дуги происходит тепловая реакция по схеме: нейтральная молекула + энергия = ион + электрон. Процесс ионизации характеризуют работой ионизации в электрон-вольтах или потенциалом ионизации в вольтах, которые различны для различных материалов (см. табл. 2.3).

Таблица 2.3

Материал	Cs	K	Na	Ca	O2	N2	He
, В	3,9	4,3	5,1	6,1	13,6	14,5	24,5

Чем меньше , тем легче происходит ионизация и устойчивее дуга. Для повышения устойчивости дуги в зону сварки вводят легко ионизирующиеся элементы (К, Na, Ca и др.).

Пламя дуги является переходной зоной от столба дуги к атмосфере. Здесь происходят интенсивные обменные процессы (энергетические, химические и др.).

Температура (Т) в различных зонах дуги различна (рис. 2.3,2.4).Так, на изделии она может достигать температуры кипения металла изделия, а на электроде – температуры кипения металла электрода. Температура столба дуги Т_Д зависит от состава газа и давления. Для дуги между стальными электродом и изделием на воздухе при атмосферном давлении Т_СТ=6000^оС. Температура за пределами столба дуги постепенно падает (рис.2.3, участок а-б).

При дуговой сварке тепловая мощность:

(2)

где: U – напряжение дуги, равное 20…40 В;

I – ток дуги, лежащий в пределах 10…500 А.

Эффективный КПД =0,5…0,9 в зависимости от способа сварки. Плотность теплового потока достигает значительной величины.

Рис. 2.3. Распределение температуры дуги в радиальном направлении
(точки а-а соответствуют границе столба дуги)

Рис. 2.4. Распределение температуры дуги в осевом направлении
(точка а соответствует поверхности электрода, б – поверхности изделия).

В качестве примера укажем, что при электродуговой сварке плавящимся электродом в атмосфере СО₂:

Вт/см²,

т.е. на два порядка выше, чем при газовой сварке. Это объясняется более высокой температурой дуги Т_д и более и более высоким коэффициентом теплообмена .

Благодаря тому, что заряженные частицы движутся к изделию со значительной скоростью, создается некоторый слой глубиной , где выделяется тепло (рис.2.5). В целом создаются хорошие условия теплообмена между столбом дуги и металлом, т.е. значительно больше, чем при нагревании газовым пламенем.

В заключение следует отметить, что электрическая дуга является удобным высокопроизводительным источником нагрева, а электродуговая сварка – самым распространенным способом сварки.

Рис. 2.5. Схема, объясняющая интенсивность теплообмена между столбом дуги 1 и заготовкой 2 ( - глубина проникновения электронов).