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.
|
Температура Т, ВК Рис. 20. Зависимость степени термической ионизации различных элементов от температуры при атмосферном давлении: |
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].
|
/—калнй, 2 — натрий, 3 — кальций, 4 —марганец, 5 — железо, 6 — кремний, 7 — углерод, 8— кислород, 9— азот |
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.
