ТЕОРИЯ сварочных процессов

Элекрический разряд в газах

ВИДЫ РАЗРЯДА

Любой газовый разряд может быть самостоятельным и несамо­стоятельным, прекращающимся при устранении внешнего источ­ника ионизации.

В дальнейшем будут рассматриваться только самостоятель­ные и стационарные (устойчивые) разряды.

Явления, возникающие при прохождении электрического тока через газ, зависят от рода и давления газа, материала, из кото­рого изготовлены электроды, геометрии электродов и соединя­ющего их канала, протекающего тока.

Газовый разряд может быть неустойчивым (например, искро­вым) и устойчивым. Последний можно классифицировать по внешнему виду: темновой, тлеющий, в том числе коронный, и ду­говой разряды. Например, если в длинной цилиндрической стек­лянной трубке, заполненной газом при давлении около 100 Па, медленно повышать разность потенциалов между катодом и ано­дом, то приборы фиксируют наличие тока начиная с 10~'°... 10-12 А. Он появляется вследствие ионизации в объеме газа, на стенках и электродах, вызываемой космическими лучами. С по­мощью ограничивающего сопротивления можно получить все три формы разряда (рис. 2.5). Темновой разряд переходит в тле­ющий, который отличается уже заметным свечением, исполь­зуемым в газосветных трубках. При этом катодное падение

напряжения UK « 100 В; / — до 10_4...10~3 А/мм2. Температура газа в тлеющем разряде практически не повышается. Затем через аномальный тлеющий разряд происходит переход к мощному дуговому разряду. Характерные его черты — малое значение £/„ (порядка десятков вольт вместо сотен для тлеющего), боль­шие плотности тока, составляющие сотни А/мм2, высокая темпе­ратура газа в проводящем канале при атмосферном давлении Т = 5000...50 000 К, высокие концентрации частиц в катодной области.

ВОЗБУЖДЕНИЕ ДУГИ И ЕЕ ЗОНЫ

Возбуждение дугового разряда возможно четырьмя основны­ми способами:

1) при переходе из устойчивого маломощного разряда, на­пример тлеющего (см. рис. 2.5);

2) в процессе создания высокоионизированного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство, в большинстве случаев с помощью третьего электрода;

3) при переходе из неустойчивого искрового разряда путем подачи импульса высокой частоты или высокого напряжения;

4) при замыкании и последующем размыкании токонесущих электродов.

При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а при сварке неплавящимся вольфрамовым элек­тродом — высокочастотный вспомогательный разряд от осцил­лятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с по­мощью конденсатора. Угольную дугу возбуждают чаще всего, используя третий электрод.

В самостоятельном разряде начиная с токов выше несколь­ких микроампер наблюдается неравномерное распределение элек­трического поля в межэлектродиом пространстве, состоящем из трех зон (рис. 2.6): катодной 1, анодной 2 и столба разряда 3. На электродах часто наблюдаются пятна — анодное А и катод­ное К. Скачки потенциала t/K и Uа обусловлены скоплениями простран­ственного заряда (рис. 2.7) и повы­шенным сопротивлением этих зон по сравнению со столбом. В длинной дуге можно отчетливо различить три указанные выше области, причем основные свойства столба мало за­висят от процессов в катодной и анодной зонах. В связи с этим в дальнейшем отдельно рассмотрены явления в столбе дуги и в погранич­ных областях — катодной и анод­ной. Для коротких дуг, где влияние процессов, происходящих у ОДНОГО Рис. 2.6. Зоны дугового разряда

электрода, простирается до второго электрода, подразделение дуги на отдельные части, очевидно, становится бесполезным. В газовом промежутке между двумя электродами заряженные частицы могут возникнуть во всех трех зонах, но главным об­разом они появляются в результате процессов эмиссии на катоде и объемной ионизации в столбе дуги. В связи с ограниченностью эмиссии электронов столб дуги (как и любой проводник) вдали от катода сохраняет по отношению к нему положительный потенциал, поэтому часто его называют положительным столбом. В то же время не следует забывать, что плазма столба обычно квазинейтральна.

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДУГИ

Для газового разряда сопротивление не является постоян­ным (R Ф const), так как число заряженных частиц в нем зави­сит от интенсивности ионизации и, в частности, от тока. Поэтому электрический ток в газах не подчиняется закону Ома и вольтам - перная характеристика разряда для газов является обычно нелинейной.

В зависимости от плотности тока вольт-амперная характерис­тика дуги может становиться падающей, пологой и возраста­ющей (рис. 2.8). В I области при малых токах (примерно до 100 А) и свободной дуге е увеличением тока /д интенсивно воз­растает число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а следовательно, и соответ­ствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопро­тивление столба дуги уменьшается и падает нужное для подцер-
жания разряда напряжение UR; характеристика дуги является па­дающей.

Во II области при дальнейшем росте тока и ограниченном сече­нии электродов столб дуги не­сколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе заря­дов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа за­ряженных частиц. Напряжение дуги становится мало зависящим от тока, а характеристика — по­логой. Первые две области токов охватывают дуги с так называе­мым отрицательным электриче­ским сопротивлением. Падающая и пологая характеристики типич­ны для дуги при ручной дуговой (ДР) и газоэлектрической (ГЭ) сварке, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).

Сварка на высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют III области режимов дуги. Они характе­ризуются сильным сжатием столба дуги, а вольт-амперная кри­вая здесь — возрастающая, что указывает на увеличение энер­гии, расходуемой внутри дуги.

В сильноточных сжатых дугах ионизация газа в столбе может достигать значений, близких к 100%, а термоэмиссионная спо­собность катода исчерпана. В этом случае увеличение тока прак­тически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоян­ным: R = const. Высокоионизированная сжатая плазма по своим свойствам близка к металлическому проводнику. Закон Ома вновь становится справедливым в его обычном виде