Электрические свойства дуги

Электрическая дуга представляет собой длительный и мощный разряд электричества, в процессе которого выделяется значительное количество тепловой и световой энергии. Обычно электрическая дуга горит в газовом пространстве между двумя электропроводными телами (электродами), находящимися на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга.

В нормальных условиях газы не пропускают электрический ток, но при наличии в них электрически заряженных частиц – электронов и ионов – становятся электропроводными.

Электрон – мельчайшая материальная частица с массой 9,1 ^.10^-31 кг, несущая один отрицательный заряд электричества.

В электрическом поле электроны и отрицательные ионы устремляются к положительному полюсу, а положительные ионы – к отрицательному. Ионизация обеспечивает необходимые условия для протекания через газ электрического тока и образования дугового разряда.

В электрической дуге постоянного тока, горящей между электродами 1 и 4 (рис. 4), различают три основных участка – катодную область 3, столб дуги 5 и анодную область 2. Дуга окружена ореолом пламени 6, представляющим собой раскаленную газообразную смесь паров электродов и продуктов их реакции с окружающей газовой средой. Часть катодной области, излучающей электроны, называют катодным пятном. Плотность тока в нем очень высокая. Анодная область, расположенная у положительного электрода, бомбардируется электронами и отрицательными ионами; при этом происходит превращение энергии их движения в тепловую энергию.

Для начала процесса ионизации и возникновения дугового разряда необходимо поступление в газовую среду свободных электронов от внешнего источника. При сварке таким источником обычно является поверхность отрицательного электрода (катода).

Выход первичных электродов с поверхности катода обусловливается в основном термоэлектронной и автоэлектродной эмиссиями. Физическая сущность термоэлектронной эмиссии электронов заключается в том, что металл, нагретый до высокой температуры, приобретает способность излучать свободные электроны в окружающее пространство. Автоэлектронная эмиссия происходит за счет высокой напряженности электрического поля и не зависит от температуры нагрева катода.

Для зажигания дуги обычно пользуются термоэлектронной эмиссией, которая возникает при замыкании электродом сварочной цепи. Замыкание всегда происходит посредством микроскопических выступов, существующих на поверхности свариваемого металла и электрода. Большая плотность тока, приходящаяся на эти выступы, приводит к быстрому их нагреву до высокой температуры и возникновению мощной эмиссии электронов.

При последующем удалении конца электрода с поверхности изделия (на расстояние 3 – 5 мм) этот поток электронов вызывает ионизацию газа в межэлектродном пространстве и возникновение дугового разряда. Во время горения дуги электропроводность газа увеличивается за счет паров металла электродов, нагрева газа, автоэлектронной эмиссии и других процессов.

Изменение электропроводности межэлектродного пространства оказывает решающее влияние на величину тока и напряжение электрической дуги.

Зависимость между напряжением дуги U_Д и величиной тока l_св, выраженную графически, при постоянной длине дуги называют статической, или вольт-амперной, характеристикой дуги.

Статические характеристики бывают падающие, жесткие и возрастающие.

Статическая характеристика называется падающей (или отрицательной), если по мере нарастания тока l_св напряжение U_Д уменьшается. На рис. 5 представлены падающие вольт-амперные характеристики дуги длиной l = 2 и l = 5 мм. Как видно из рисунка (кривые a₁ и a₂), напряжение на дуге резко падает с возрастанием тока l_св до 60 – 80 А, а при дальнейшем увеличении тока остается примерно постоянным.

Для ионизации газа в межэлектродном пространстве в момент зажигания дуги требуется напряжение 30 – 60 В. При установившемся режиме горения дуги напряжение требуется в 1,5 – 2 раза меньшее.

Напряжение дуги при установившемся режиме не зависит от силы тока, а зависит только от длины дуги, которая при сварке плавящимся электродом может многократно меняться, что связано в значительной степени с процессами плавления и переноса металла.

Дуги с жесткой и возрастающей статической характеристикой имеют широкое применение в сварочной технике и, в частности, при автоматической и полуавтоматической сварке в защитном газе.

По сравнению с рассмотренной выше дугой постоянного тока электрический режим дуги переменного тока обладает рядом существенных особенностей.

При перемене полярности в начале и конце полупериода, когда ток достигает нулевого значения, дуга угасает и температура катодного и анодного пятен снижается, что приводит к уменьшению электропроводности межэлектродного пространства.

Когда напряжение на дуговом промежутке меняет полярность, происходит встречное движение ранее создавшихся и вновь образующихся ионов, что вызывает дополнительную деионизацию газов в столбе дуги. Повторное зажигание дуги в результате этого происходит при пиковом значении напряжения, которое выше напряжения стационарного горения дуги.