№74 Определение и строение дуги

Определение и строение дуги.

Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах. Электрический разряд выражается выделением в газовом промежутке теплоты, лучистой энергии и звука. Один вид разряда отличается от другого разностью электрических потенциалов, величиной тока, длиной газового промежутка, газовым составом и его давлением, временем прохождения тока и другими признаками.

Существует дуговой разряд (электрическая дуга) тлеющий, искровой, молния, коронный и др.

Электрическая дуга, применяемая в сварке, характеризуется необходимой длительностью времени, малым газовым промежутком (1 — 10мм), низким электрическим напряжением

(9 — 45В) и широким диапазоном по току (5 — 5000А).

Строение свободной электрической дуги. Дугу, горящую между электродом и изделием на воздухе, принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, поперечное сечение которой принудительно уменьшено.

Свободная дуга (рис. 1) состоит из трех зон: катодной с катодным пятном, необходимым для эмиссии (выхода) электронов, анодной с анодным пятном, бомбардирующимся электронным потоком, и столба дуги, который занимает промежуточное положение между катодной и анодной зонами.

Рис. 1. Строение свободной дуги:

1 — катодная зона, 2 — столб дуги, 3 — анодная зона.

Катодная зона расположена между столбом дуги и поверхностью катода (электрода, подключенного к отрицательному полюсу источника питания). Электроны, выходящие с поверхности катодного пятна, называются первичными. Выход электронов объясняют термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода поля высокой электрической напряженности (электростатическая эмиссия). Термоэлектронная эмиссия заключается в нагревании поверхности электрода до высокой температуры, при которой связь электрона с ядром атома ослабевает и под влиянием электростатического поля электрон отрывается с поверхности катода и устремляется к аноду. С увеличением температуры нагревания электрода число испускаемых электронов увеличивается.

Электростатическая эмиссия состоит в том, что под влиянием электрического поля высокой напряженности, которое устанавливается вблизи катода, с катодного пятна вырываются первичные электроны и летят к аноду.

В столбе дуги происходят важные процессы — ионизация, рекомбинация и образование плазменных струй.

Ионизацией называют процесс образования электрически заряженных частиц (электронов и ионов) в межэлектродном пространстве. В обычных условиях газы, заполняющие межэлектродный зазор, не проводят электрического тока, следовательно, без ионизации дуга не горит.

Энергия, затраченная на отрыв электрона от атома, следовательно, и на образование положительного иона, называется работой ионизации. Эта работа, выраженная в электрон-вольтах (эВ), называется потенциалом ионизаций.

Величины потенциалов ионизации колеблются от 3,9 до 24,5эВ. Наименьшими потенциалами ионизации обладают щелочноземельные металлы (калии, кальций) и их соединения. Вещества, обладающие малыми потенциалами ионизации, вводят в состав электродных покрытий, порошков для устойчивого горения дуги. При их присутствии в межэлектродном пространстве возрастает число электрически заряженных частиц при постоянном значении затраченной энергии.

Процесс ионизации в столбе дуги определяется ионизацией соударением и термической ионизацией. Электроны, вышедшие с катодного пятна, разгоняются под действием электростатического поля, летят к аноду и при столкновении с газовыми молекулами «выбивают» из них электроны и, следовательно, ионизируют их. Термическая ионизация сводится к тому, что при повышении температуры растет скорость и число соударений молекул, что приводит к образованию ионов.

Часть положительных ионов достигает катодного пятна и бомбардирует его; другая часть положительных ионов не достигает катода и, присоединяя к себе электроны, становится атомами. Процесс образования нейтральных атомов называется рекомбинацией.

За счет рекомбинации уравновешиваются процессы исчезновения и образования заряженных частиц в дуге.

Для полной ионизации газов в дуговом промежутке нужна очень высокая температура. Так, полная ионизация азота происходит при температуре 23000К.

В случае сварки покрытыми электродами между температурой столба дуги и эффективным потенциалом ионизации найдена зависимость: T_c = 810U_i. Обычно величина эффективного потенциала близка по величине к наименьшему потенциалу ионизации одного из компонентов, участвующих в смеси дугового газа. Например, при сварке покрытыми электродами, в состав покрытия которых включено легкоионизирующее вещество, содержащие натрий,

Т_c = 810 * 5,1 = 4131К, где 5,1 — потенциал ионизации натрия. При сварке покрытыми электродами температура столба дуги не достигает температуры, необходимой для полной ионизации газов в дуговом промежутке. Поэтому в дуговом промежутке всегда находятся ионы, электроны и неионизируемые атомы.

Анодная зона (область) дуги состоит из анодного пятна и приэлектродной части. Ток в анодной области определяется потоком электронов, образовавшихся при ионизации в столбе дуги. В большинстве случаев анодное падение напряжения меньше катодного и почти не зависит от тока, материала анода и состава атмосферы дуги.

Катодная и анодная зоны обычно довольно малы, порядка I0^-4 и 10^-1мм соответственно.

Напряжение в катодной и анодной зонах изменяется резко и нелинейно. В столбе дуги изменение напряжения по длине дуги ближе к линейному и спад гораздо более пологий (рис. 2). Рис. 2. Падения напряжения в дуге:

U_к, U_c, U_a — падения напряжений в катодной зоне, столбе дуги и анодной зоне, U_д — напряжение дуги.

К_п, А_п — диаметры катодного и анодного пятен.

Этот спад зависит от компонентов атмосферы, в которой горит луга. Падение напряжения столба тем меньше, чем более легко ионизируются эти компоненты.

При различных видах сварки общее падение напряжения на дуге составляет 9-45В.