Сварочная дуга и ее свойства

Физическая сущность дуги. Сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд в газах, сопровождаемый выделением значительного количества тепла и света.

Для разогрева катода между ним и анодом (они подключены к источнику сварочного тока) производят кратковременное короткое замыкание электрода на заготовку. После отрыва электрода от изделия с разогретого катода, каким при сварке постоянным током может быть и электрод
и изделие (при переменном токе полярность постоянно изменяется),
под воздействием электрического поля начинается электронная эмиссия. Электроны, вылетевшие с поверхности катода, направляются к аноду
и, сталкиваясь с молекулами и атомами воздуха, ионизируют их. Образуемые в воздушном промежутке отрицательные ионы и электроны перемещаются к аноду, а положительные ионы - к катоду. На поверхности катода и анода осуществляется нейтрализация заряженных частиц и преобразование электрической энергии в тепловую.

Электрические свойства дуги. К основным параметрам, характеризующим свойства дуги, относятся напряжение, ток и длина дуги. Зависимость между напряжением и током при установившемся стационарном состоянии дуги выражается статической вольт-амперной характеристикой (рис. 56, а). Она может быть падающей I, жесткой II и возрастающей III. Самое широкое применение имеет дуга с жесткой характеристикой, при которой напряжение на дуге не зависит от силы сварочного тока. Дугу с возрастающей характеристикой применяют при автоматической сварке под флюсом на повышенных плотностях тока и при сварке в защитных газах плавящимся электродом. Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет ограниченное применение. Зависимость между напряжением и длиной дуги, имеющей жесткую характеристику, выражается следующей эмпирической формулой:

,

где U_д - напряжение на дуге, В;

a и b - коэффициенты, зависящие от рода материала электрода, состава газовой среды и т.п.;

l_д - длина дуги, мм.

При сварке стальными электродами в атмосфере воздуха а = 10 В,
а b = 2 В/мм.

Строение дуги и ее тепловые свойства. Сварочная дуга (рис. 56, б) состоит из трех частей: катодной, анодной и столба дуги. В столбе дуги 1, температура которого 6000…7000 °С, происходят процессы иониза-

ции и перемещения заряженных частиц к катоду и аноду. Столб дуги окружен раскаленной смесью 2 паров электродного и свариваемого металлов и продуктов реакции этих паров с окружающей газовой средой.

Тепловая мощность дуги определяется по формуле

где K - коэффициент несинусоидальности напряжения и тока;

Рис. 56. Статическая вольт-амперная характеристика и строение сварочной дуги

а б

–

1

2

+

I II III

- напряжение дуги, В;

- сварочный ток, А.

Для постоянного тока K = 1, а при переменном токе изменяется
от 0,7 до 0,97.

Не все тепло дуги расходуется на плавление присадочного и основного металлов: примерно 50 % идет на нагрев изделия; около 30 % - на нагрев электрода и почти 20 % составляют потери тепла в окружающее пространство. При питании дуги постоянным током большее количество тепла, примерно 42…43 %, выделяется на аноде, около 36…38 % - на катоде и приблизительно 20…21 % - в столбе дуги. Поэтому температура анода несколько выше температуры катода.