СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Основные сведения о сварочной дуге

Сварочная дуга представляет собой длительный электрический разряд, происходящий при атмосферном давлении в газовом про­межутке между двумя электродами

При всех основных и наиболее распространенных способах свар­ки обычно используется дуга прямого действия (рис. 19, а), горящая между электродами, из которых одним является стержень (метал­лический или угольный), а другим — свариваемый металл

Дуга косвенного действия (рис. 19, б) образуется между двумя электродами (угольными или вольфрамовыми), расположенными под углом друг к другу. Эта дуга менее удобна для сварки и поэтому используется только при некоторых способах сварки, например при атомно-водородной сварке применяют дугу косвенного дейст­вия, горящую в атмосфере водорода между двумя вольфрамовыми электродами.

Схема дуги лрямого действия постоянного тока, горящей между металлическим электродом 1 и свариваемым металлом 4, показана на рис. 19, а. Дуга состоит из столба 3, основание которощ> распо­ложено в углублении (кратере) 7, образующемся на поверхности ванны 6 расплавленного металла. Столб дуги і моет цилиндричес­кую или слегка коническую форму. Верхняя часть сголба сопри­касается с сильно раскаленной поверхностью электрода / в области 8, называемой катодным пятном. Основание столба рас­положено на свариваемом металле и ограничивается областью 5, называемой анодным пятном При средних значениях сва­рочного тока (200—300 а) диаметр анодного пятна в 1,5 — 2 раза больше диаметра катодного пятна Катодное и анодное пятна ограничивают силовые линии гока, плотность которого в этих частях дуги велика и составляет:

при ручюгі сварке покрытым элект­родом 18—20

при сварке под флюсом 50—100

«при сварке в защитной среде угле­кислого газа 75—300

1+) в)

Рис. 19. Схема электрической дуги:

а — прямого действия, б — косвенного действия, / — электроды, 2— факел дуги, 3 — столб дуги, 4 — свари­ваемый металл, 5— анодное пятно, 6— ванна расплав­ленного металла, 7 — кратер, 8 — катодное пятно, в — схема процесса объемной ионизации газа электронами

3 — Эя — быстрые электроны, А, А —нейтральные

атомы газа, Э/~~ ье^ленные электроны, —Я—отрн цательный, - j - И — положительный ион

Вещество столба, так называемая плазма, состоит из раска­ленных, сильно ионизированных газов. В столбе сосредоточено ос­новное количество энергии дуги, поэтому в его осевой части рас­положена и зона наиболее высоких температур дуги, достигающих здесь значений от 5500 до 7800°. Чем выше плотность тока в дуге, тем выше температура ее столба. Снаружи столб окружен ореолом пламени 2 из нагретых паров и газов, имеющих более низкую тем­пературу.

Рассмотрим условия, необходимые для возбуждения и горения дуги.

Газы и пары в рбычных условиях являются электрически ней­тральными веществами и почти не проводят ток. Электрический ток начинает проходить через газ только при наличии в нем частиц, не­сущих электрические заряды: электронов, положительных ионов, отрицательных ионов. Такой газ называется ионизирован - н ы м. Чем больше количество электронов и ионов, двйжущихся в газе, тем выше степень ионизации и электропроводность газа. Эти электрически заряженные частицы вещества и являются пере­носчиками электрической энергии в среде газа.

Электроном называется материальная частица, несущая один отрицательный электрический заряд. Масса электрона ничтож­но мала, она в 1840 раз меньше массы атома водорода — самого лег­кого элемента в природе. Ионом называется атом или молекула вещества, несущая только положительный (положительный ион) или отрицательный (отрицательный ион) заряды.

Рассмотрим схематически процесс ионизации газа электронами, движущимися в промежутке между электродом и металлом (рис. 19, в).

Атомы веществ состоят из положительно заряженного ядра и окружающей его оболочки из отрицательно заряженных электро­нов. При нормальном состоянии вещества отрицательные заряды всех электронов атома уравновешиваются положительным зарядом ядра и поэтому атом электрически нейтрален, а газ, состоящий из таких атомов и молекул, не проводит электрического тока.

Представим теперь, что с поверхности катода начинают выле­тать свободные электроны (см. рис. 19, в). Это явление носит назва­ние эмиссии электронов[2]. Под действием электрического ПОЛЯ в катодной зоне движение электронов сильно ускоряется. При столкновении с нейтральными атомами газа электроны, обладая большой энергией движения, выбивают из оболочки более тяжелого и поэтому менее подвижного атома один или несколько электронов.

Эти электроны уже со значительно меньшей скоростью движут­ся к положительно заряженному аноду под действием его электри­ческого поля. Атом, потерявший с выбитыми из его оболочки элект­ронами часть отрицательного электричества, становится положи­

тельным ионом, который устремляется к отрицательно заряженному катоду. При уДаре о поверхность катода положительный ион выби­вает из него электроны: часть из них он захватывает, превращаясь снова в нейтральный атом, а часть электронов через столб дуги уст­ремляется к аноду. Отрицательные ионы образуются из нейтраль­ных атомов при захватывании ими свободных электронов. Так как отрицательные ионы способны образовывать не все элементы, то в ионизированных газах отрицательных ионов содержится меньше, чем положительных.

Образование электрически заряженных частиц в среде газов и паров называется объемной ионизацией. Ионизация возникает не только при соуда­рении электронов с молекулами и атомами газа. Ее могут вызы­вать также энергия светового излучения (особенно ультрафио­летовые лучи) или нагревание газов и паров до температуры 2000°. Ионизация газа под вли­янием нагрева, вызывающего ускорение движения частиц га­за и увеличивающего число их столкновений при высоких тем­пературах, называется терми­ческой ионизацией[3].

В дуге происходит также образование нейтральных ато­мов из положительных и отри­цательных ионов или из поло­жительных ионов и электронов.

Эго явление носит название рекомбинации. Вслед­ствие этого процессы образования и исчезновения заряженных частиц в газе при данной температуре взаимно уравновешиваются и степень ионизации нагретого газа остается постоянной при су­ществующих условиях горения дуги.

Степенью ионизации называется отношение коли­чества заряженных частиц в данном объеме к общему количеству частиц до момента ионизации. Если степень ионизации равна еди­нице, то это означает, что все частицы газа в данном объеме имеют положительные или отрицательные электрические заряды. Чем ниже температура, при которой достигается данная степень иони­зации газа или пара, тем легче в его среде возникает электрический дуговой разряд.

На рис. 20 показаны кривые зависимости степени термичес­
кой ионизации атомов различных веществ от температуры. Из гра­фика видно, что калий, натрий и кальций при температуре дуги обеспечивают достаточную степень ионизации. Поэтому присутствие паров этих веществ в столбе дуги облегчает возбуждение и повы­шает устойчивость горения дуги, вследствие чего указанные ве­щества всегда вводятся в составы различных электродных покры­тий.

Разные элементы обладают различными потенциалами ионизации. Потенциалом ионизации называется количество энер­гии, которое необходимо затратить для полного удаления одного электрона из оболочки атома данного вещества. Потенциал иони­зации атомов калия примерно в 3,4 раза, натрия в 2,8 раза и каль­ция в 2,4 раза ниже, чем потенциал ионизации атомов азота и кис­лорода. Этим объясняется благоприятное действие калия, натрия и кальция на устойчивость горения дуги.

Ионизация газа и возникновение в нем мощного дугового разря­да являются сложными физическими процессами, зависящими от многих факторов и условий. Исследованиями электрической сва­рочной дуги установлено, что выбрасывание (эмиссия) катодом сво­бодных электронов происходит в результате следующих процессов:

1. Термоэлектронной эмиссии, вызываемой высокой температурой катода, при которой электроны способны отрываться от его поверх­ности.

2. Автоэлектрон ной эмиссии, вызываемой действием силового электрического поля, отрывающего электроны от поверхности ка­тода.

3. Эмиссии от'ударов тяжелых положительных ионов о поверх­ность катода.

4. Фотоэлектронной эмиссии, вызываемой действием световых лучей дуги на поверхность катода.

Эмиссия электронов катодом и объемная ионизация газов явля­ются основными источниками потоков заряженных частиц, обуслов­ливающих устойчивое горение сварочной дуги.