Условия существования дуги

Газы и пары материалов состоят из нейтральных атомов и молекул, а потому не электропроводны. Газовая среда становится проводником электрического тока при возникновении в ней электрически заряженных частиц – электронов и ионов, т.е. когда газ ионизирован (полностью или частично).

Ионизация – образование из атомов положительных или отрицательных ионов.

В процессе существования дугового разряда катодное пятно эмитирует (испускает) электроны, которые под действием электрического поля движутся к аноду. Энергия, затраченная на испускание одного электрона, называется работой выхода. При сварке плавящимся электродам эту энергию получают за счет теплоты, выделяющейся на торце электрода при прохождении тока короткого замыкания в момент кратковременного касания электродом изделия. Электроны разгоняются электрическим полем в катодном пространстве и приобретают энергию, необходимую для ионизации нейтральных атомов при столкновении с ними, по схеме.

ē → А⁰ = А⁺+2ē

где: А⁰ – нейтральный атом; ē – заряд электрона, равный 1,59∙10^-19 Кл (Кулона); А⁺ - положительный ион.

Таким образом, для возникновения электрической дуги необходимы условия:

- эмиссия электронов с поверхности катода;

- объемная ионизация в межэлектродном пространстве (дуговом промежутке);

- наличие разности потенциалов.

В столбе дуги, наряду с ионизацией, происходит обратный процесс, называемый рекомбинацией, т.е. образование нейтральных частиц при взаимодействии положительных ионов с электронами. При рекомбинации затраченная на ионизацию энергия, выделяется в виде мощного потока инфракрасного, светового и ультрафиолетового излучения.

ē → А⁺ = А⁰ + Q + hυ

где: Q – теплота, идущая на нагрев столба дуги; h – постоянная планка, эрг/с; υ – частота колебаний, I/с.

Возбуждение дуги можно осуществить способами:

- коротким замыканием электрода на деталь;

- путем приложения к электродам высокого напряжения.

В первом случае происходит нагрев катода до высокой температуры, благодаря чему после размыкания возникает электронная эмиссия и, как следствие, ионизация газового промежутка.

Во втором случае параллельно электрической цепи подключают специальный прибор – осциллятор, подающий на дуговой промежуток импульсы высокого напряжения 2…15 кВ с частотой 50…160 кГц, но малой мощности. Высокая частота устраняет опасность поражения сварщика током высокого напряжения.

Статическая вольт - амперная характеристика

сварочной дуги

Статической вольт - амперной характеристикой (ВАХ) дуги является зависимость напряжения дуги от величины сварочного тока при устойчивом ее горении и заданных постоянных условиях.

Устойчивое горение дуги – это возможность гореть не ограниченное время при заданных условиях или время сосуществование дуги не соизмеримо велико со временем протекания в ней переходных процессов.

К заданным условиям относятся длина дуги (расстояние между электродами или основным металлом и электродом), диаметр электрода, материал электрода и основного металла, а так же среда, в которой горит дуга (рис.2).

ВАХ дуги имеет три ярко выраженных участка.

Первый участок – падающий. (а-б)

При малых токах и повышенном напряжении дуга перемещается, т.е. анодное пятно меняет место, и столб дуги не прямолинейный.

Рис. 2 Статистическая вольт – амперная характеристика дуги.

При малых токах и повышенном напряжении дуга перемещается, т.е. анодное пятно меняет место, и столб дуги не прямолинейный. С ростом тока столб дуги спрямляется и резко возрастает его проводимость, в результате него напряжение на дуге падает.

Второй участок – горизонтальный.(б-в)

Столб дуги прямолинейный, анодное пятно фиксируется. С ростом тока увеличивается проводимость столба за счет роста диаметра столба дуги и катодного – анодного пятна до диаметра электрода при этом напряжение на дуге практически остается постоянным.

Третий участок– возрастающий.(в-г)

Катодное и анодное пятно не растет с увеличением тока дуги. Проводимость и сопротивление ее остаются постоянными, в тоже время напряжение на дуге растет. На данном участке ВАХ выполняется закон Ома. Изменение ВАХ дуги в зависимости от условий горения дуги представлено на рис. 3.

Рис 3. Статическая вольт-амперная характеристика дуги при изменении а- длины дуги l_g и б- диаметра электрода dэл.

Температура в дуге

Дуга постоянного тока характеризуется неодинаковым выделением тепла на аноде и катоде. Данные о температуре катодного и анодного пятен в зависимости от материала электродов при горении дуги в воздухе приведены в табл. 1.

Таблица 1

Температуры анодных и катодных пятен для различных материалов.

Анализ таблицы 1 показывает, что при открытых дугах, горящих в воздухе, анод нагревается интенсивнее, чем катод. Это позволяет судить о полярности электродов по степени нагрева анода и катода при горении дуги.

Температура в дуге колеблется 4000 ÷ 14000 ⁰К и зависит от условий ее существования. Температуру обычной сварочной дуги ориентировочно можно определить по эмпирической формуле:

Т_g = 800 Ui

Где: Ui – потенциал ионизации газа столба дуги.

Для сварочных процессов температуру дуги принимают ≈ 5000÷8000 ⁰К. Излучение дуги близко к солнечному с небольшим сдвигом максимума в сторону более длинных волн.