Физические явления, протекающие в сварочной дуге.

Сварочную дугу принято изобра­жать графически в виде цилиндра – так называемая каналовая мо­дель (рис. 1.1) В осевом направлении различают: столб дуги— ее центральную часть, имеющую длину lст порядка десятых долей сантиметра и температуру порядка шести и более тысяч градусов; приэлектродные области — катодную и анодную. В приэлектродных областях происходит снижение температуры столба дуги до тем­ператур плавления и кипения металла изделия и электрода или до необходимой температуры нагрева конца электрода при сварке неплавящимся электродом. Приэлектродные области (lк и lа) имеют длины порядка (10-5—10-3) см. Ввиду их малой протяженности за длину дуги при­нимают длину столба дуги, т. е. считают, что lд lст .

Столб дуги — это ионизированный газ, содержащий нейтральные атомы и молекулы газов и паров, свободные электроны и положи­тельные ионы, возникающие при ионизации газа. Столб дуги является анизотропной средой, свойства которой (температура, напряженность электрического поля, электрическая проводимость, давление и др.) в осевом и в радиальном направлениях различны.

В столбе дуги наблюдаются две формы движения заряженных частиц: хаотическое тепловое и упорядоченное движение под действием сил электрического поля. Упорядоченное движение свободных электронов обусловливает электронную составляющую тока дуги, a положительных ионов — ионную составляющую тока. Электронная составляющая тока дуги в сотни раз больше ионной. Обе составляющие тока создают свои магнитные поля. Сварочным током считают ток проводимости, обусловленный упорядоченным движением свободных электронов, а магнитным полем дуги — поле, создаваемое этим током.

Под действием сил электрического поля свободные электроны, ускоряясь, движутся к аноду, а положительны ионы, скорость которых значительно меньше вследствие их большей массы, — к катоду. Ионизация газа столба дуги происходит за счет неупругих столкновений свободных электронов с нейтральными частицами газа. Степень ионизации газа в столбе дуги составляет несколько процентов. Такой ионизированный газ называется низкотемпературной плазмой. Степень ионизации газа определяется температурой нейтрального газа, потенциалами ионизации Vi и возбуждения Vв компонентов смеси газов и паров межэлектродного промежутка. Компоненты смеси газов и паров веществ, имеющие более низкий потенциал ионизации, такие, например, как калий, кальций, ионизируются в большей степени.

Т ок проводимости I является скалярной величиной, и определяется по формуле:

где  — вектор плотности тока проводимости (рис. 1.2); ds — вектор элемента ds поверхности S (перпендикулярный ей), через которую проходят частицы, несущие заряд q.

М ежду векторами плотности тока  и напряженности электрического поля Е в данной точке межэлектродного промежутка существует зависимость, которая представляет собой закон Ома, записанный в дифференциальной форме: (1.2)

где  — удельная проводимость среды. Для линейных изотропных сред  постоянна во всех точках электрического поля, и векторы  и Е совпадают по направлению. Если между изделием и электродом среда анизотропная и   const, to ,  и Е — тензорные величины.

Рис. 1.1.- Цилиндрическая каналовая модель сварочной дуги

Рис. 1.2. Взаимное расположение вектора ds и вектора плотности тока проводимости 