49. Электрическая дуга и ее свойства

Дуга — это устойчивый вид разряда, су­ществующий при токе от десятых долей ампера до ты­сячи ампер. Известно несколько способов возбуждения дугового разряда. По способу В. В. Петрова два элек­трода сводят до соприкосновения и сразу же раз-водят на небольшое расстояние. В этот момент между ними возникает дуга. Упрощенное объяснение этого явления следующее. При соприкосновении электродов электри­ческая цепь замыкается и по ней идет ток. В соответст­вии с законом Джоуля-Ленца в проводниках выделя­ется теплота. Количество теплоты Q, выделяющейся в проводнике при прохождении по нему постоянного элек­трического тока, зависит от тока I, сопротивления про­водника R и времени прохождения тока t

Q = I²Rt.

Место контакта двух электродов, которое обладает самым большим сопротивлением, нагревается сильнее и быстрее остальных участков цепи. При высокой тем­пературе начинается испарение материала электрода и возникает явление термомеханической эмиссии (термо­эмиссия) —испускание электронов под действием теп­лового возбуждения. В результате этих процессов в про­странстве между электродами появляются свободные электроны, которые, сталкиваясь с молекулами и атомами газа и испарившегося электродного металла, «раскалывают» их на ионы и новые электроны (вторич­ная эмиссия). В ионизированном таким образом про­странстве развивается дуговой разряд.

В установившейся сварочной дуге конец электрод­ного стержня и поверхность изделия расплавлены, так что дуга горит между жидкими электродами. Пламя имеет значительные размеры и содержит главным образом пары материалов электродов, реаги­рующие с окружающим воздухом. Поверхность жидкой ванны на изделии не плоскогоризонтальна. Она вдав­ливается под действием механических сил, создаваемых дугой. Образующееся углубление (ямка) в жидком ме­талле называют кратером. Дуга расплавляет металл на определенную глубину h.

На движение частиц оказывают действие силы, вы­званные разностью давлений из-за неодинаковой концентрации частиц, кулоновским взаимодействием меж­ду электронами и ионами и другими причинами.

Маленькие подвижные электроны быстро перемеща­ются, легко разгоняются и, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию. Столкновения элек­тронов с атомами бывают упругими и неупругими.

При упругих столкновениях ничего заметного не происходит. Атом, в который попал электрон, начинает дви­гаться быстрее (увеличивается его кинетическая энер­гия). В результате повышается температура плазмы.

Этот электрон, который в электрическом поле при­обрел достаточную энергию, участвует в неупругих столкновениях. Попав в атом (молекулу), он возбуждает его, а когда удар достаточно силен, то и выбивает из атома его собственные электроны. Атом становится однозарядным положительным ионом, если выбить один электрон, двухзарэдным — если два, и т. д.

Сложные процессы идут у поверхности электродов. Именно здесь прерывается течение электронов по металлическому проводнику (электроду) и начинается другой вид тока (ток дуги), который создается как электронами, так и ионами. Изменяется характер явле­ний не только электрических, но и термических. Здесь горячая плазма граничит со сравнительно холодной (2.. .3 тыс. °С) поверхностью электродов.

Кроме электрического поля, на поведение частиц в столбе дуги влияет еще много факторов: термическая диффузия — стремление разогретых частиц «разбежать­ся» в разные стороны; линчэффект — воздействие маг­нитного поля, возникающего вокруг столба и стремяще­гося его сжать, и др.

При сварке применяют прямую и обратную поляр­ность. При прямой полярности минус источника тока подключают к электроду, плюс — к свариваемой дета­ли, а при обратной полярности наоборот.

При сварке угольным электродом по методу, разра­ботанному русским инженером Н. Н. Бенардосом(1882 г.), на постоянном токе и прямой полярности ду­га легче возбуждается и устойчивее, чем при сварке на обратной полярности. При использовании металличе­ских плавящихся электродов по методу Н. Г. Славяно-ва (1801 г.) полярность дуги меньше влияет на ее ус­тойчивость, поэтому сварку осуществляют как на пере­менном, так и на постоянном токе с прямой и обратной полярностью в зависимости от состава покрытия элек­тродов и флюсов.

При сварке металлическим электродом длина дуги (расстояние между электродом и поверхностью жидкой ванны) до 4 мм и не более 0,6.. .0,8 диаметра электрода (короткая дуга). При сварке длинной дугой (больше 4 мм) увеличивается разбрызгивание, окисление метал­ла, снижается качество шва.