41. Виды электрических дуг, применяемых в сварочных процессах.

Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электрического тока через газовый промежуток под воздействием электрического поля. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, называют сварочной дугой. Дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному - катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги. В обычных условиях при низких температурах газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электрической проводимостью. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных частиц - электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют ионизацией, а сам газ - ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между электродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, поперечное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании электродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электронов - электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связывают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги. Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примыкающую к ней.

Электрическую дугу применяют также для других, близких к сварочным, технологий обработки металлов, в частности, для резки и строжки (обработки деталей и удаления

дефектов). Для воздушно-дуговой (плазменной) резки и строжки используется специальная горелка (плазмотрон), которая направляет мощную струю сжатого воздуха в сварочную ванну, выдувая расплавленный металл

Виды электрических дуг, применяемых в сварочных процессах.

1. Неподвижная открытая дуга прямого действия.

1 – электрод;

2 – катодная область;

3 – столб дуги;

4 – факел дуги;

5 – анодная область;

6 – изделие.

Столб дуги – концентрированный поток плазмы, через которую проходит основная часть сварочного тока. По сравнению с другими областями сварочной дуги он имеет самую высокую температуру, которая зависит от материала электрода и состава газовой среды:

• W электрод в Ar – 1500°К

• угольный электрод на воздухе – 6000°К

Вокруг столба дуги виден ореол – факел дуги. Это поток раскалённых газов и паров. Приэлектродные области 2 и 5 отличаются от столба дуги и факела тем, что в них происходит резкое изменение состава вещества и характера заряженных частиц. На поверхности электрода в этих областях видны ярко светящиеся участки – анодная и катодная области. С поверхности катодного пятна происходит эмиссия электронов, а анодное пятно бомбардируется этими электронами.

2. Неподвижная открытая дуга косвенного действия.

1 , 6 – электроды;

2 – анодная область;

3 – столб дуги;

4 – факел дуги;

5 – катодная область;

7 – изделие.

Косвенная дуга также состоит из приэлектродных анодной и катодной областей, столба дуги, газовых потоков, которые направлены вдоль осей электродов. Эти потоки не проводят сварочного тока. Условно их можно считать электронейтральными. В дуге прямого действия эти потоки сливаются со столбом дуги, а здесь они также образуют факел, но он не играет существенной роли при сварке.

Объяснение возникновения газовых потоков: 1)Гипотеза Столбова: взрывной эффект теплового расширения. 2) Действие электромагнитных сил:

Э лектромагнитные силы (пинч-эффект) возникают в результате того, что ток, проходящий через столб дуги, создаёт электромагнитное поле. Оно вокруг столба дуги и стремится его сжать с некоторой силой, причём там, где сечение столба равномерно. Сила F₂ уравновешивает внутренними упругими силами столба. Однако в приэлектродной области сечение столба дуги меньше и плотность тока выше, чем в середине столба дуги, следовательно, там сила F₁ больше, чем в столбе F₂. Создаётся градиент давления, возникает осевая сила Р и она создаёт движение газового потока. Если ось столба дуги и электрода совпадут, то газовый поток существует параллельно со столбом дуги. В косвенной дуге он также параллелен оси электрода, но не совпадает с осью столба дуги. Холодный газ в зоне дуги нагреваясь резко расширяется, разлетаясь во все стороны. Но в направлении оси электрода газовый поток охлаждается меньше, чем в других направлениях, поэтому он хотя бы в приэлектродной области совпадает со столбом дуги.

3. Движущаяся открытая дуга прямого действия.

В движущейся дуге столб дуги оказывается более инерционным, чем газовый поток и отстаёт от электрода, причём это отставание при больших скоростях сварки (100 м/ч W-Ar) составляет до 6 см. От приэлектродных областей отходят газовые потоки, причём поток от электрода нагревает металл и даже плавит его, а поток от приэлектродного пятна на детали уносит энергию бесполезно. Тепло, передаваемое детали столбом дуги, увеличивает глубину проплавления и даже перегревает расплавленный металл.