Сварочная дуга и ее свойства

1. Физическая сущность дуги. Сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд в газах, сопровождаемый вы­делением значительного количества тепла и света. С физической точки зрения — это сложный ионный и электронный процесс пере­носа электрических зарядов через ионизированный воздушный промежуток. Ионизация газового промежутка при дуговой сварке в основном обусловлена электронной эмиссией 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.

Рис. II. 2. Статическая вольт-амперная характеристика и строение сварочной дуги.

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

U_д= а + bl_д,

где U_д — напряжение на дуге, В; l_д —длина дуги, мм; а и b — коэффициенты, зависящие от рода материала электрода, состава газовой среды и т. п.

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

3. Строение дуги и ее тепловые свойства. Сварочная дуга (рис. III.2,б) состоит из трех частей: катодной, анодной и столба дуги. Почти все пространство занимает столб дуги 1, 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

q = K×U_д×I_свДж/c (0,24K×U_д×I_св )

,где К — коэффициент несинусоидальности напряжения и тока; U_д —напряжение дуги, В; I_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.