Зварювальна дуга та її будова

Електрична дуга постійного струму збуджується при зіткненні торця електрода і кромок зварюваної деталі. Контакт у початковий момент здійснюється між мікровиступами поверхонь електрода і деталі, що зварюється (рис. 2.4 а). Висока густина струму сприяє миттєвому розплавленню цих виступів й утворенню плівки рідкого металу (рис. 2.4 б), яка замикає зварювальний ланцюг на ділянці «електрод-зварювана деталь». При подальшому відводі електрода від поверхні деталі на 2 – 4 мм (рис. 2.4 в) плівка рідкого металу розтягується, а перетин зменшується, внаслідок чого зростає густина струму і підвищується температура металу.

Рисунок 2.4 – Розпалювання зварювальної дуги

Ці явища призводять до розриву плівки та випаровуванню киплячого металу. Виниклі при високій температурі інтенсивні термоелектронна й автоелектронна емісії забезпечують іонізацію пару металу та газів міжелектродного проміжку. В іонізованому середовищі, що утворилося, виникає електрична зварювальна дуга (рис. 2.5). В установленій зварній дузі розрізняють три зони: катодну, анодну і стовпа дуги.

Рисунок 2.5 – Схема горіння зварювальної дуги
Катодна зона

Процеси, що проходять у катодній області, відіграють першочергову роль у розвитку та підтримці дугового розряду. Залежно від матеріалу катода зварювальні дуги можна розділити на дуги з неплавким (гарячим) катодом і дуги з плавким (холодним) катодом.

Тип катода визначає характер та інтенсивність перебігу фізичних процесів у катодній області, зокрема процесів електронної емісії.

Електронна емісія – процес викидання (виходу) електрона з поверхні катода в навколишній простір. Він характеризується роботою або потенціалом виходу. Проте в будь-якому разі емісія можлива лише тоді, коли електрон має достатню енергію, щоб виконати роботу проти сил, що утримують його всередині тіла, тобто подолати потенційний бар’єр на кордоні «метал-газ». Ця робота вимірюється в електрон-вольтах:  (U_В – потенціал виходу електрона, е_Е – заряд).

Термоелектронна емісія є переважаючою при гарячому (неплавкому) катоді й спостерігається тоді, коли кінетична енергія, що знаходиться на поверхні катода електронів, буде більшою, ніж робота виходу, тобто: .

Автоелектронна емісія спостерігається, коли на катод діє електричне поле великої напруженості, достатньої для того, щоб електрон з відносно низькою кінетичною енергією міг пройти крізь потенційний бар’єр.

У катодному просторі переміщуються два види зарядів: електрони (від катода в бік стовпа дуги) і позитивно заряджені іони (від стовпа дуги до катода). Падаючи на катод, ці іони віддають йому свою енергію і тим самим підтримують високу температуру катодної плями (2400 – 3200 °С) і, отже, його здатність емітувати електрони.

Протяжність катодної області визначається довжиною вільного пробігу електрона і становить близько 10^-5 см. Густина струму в катодній області досягає 3000 А/см², а напруженість електричного поля – 10⁶ В/см.

Анодна зона

За винятком спеціальних випадків анод не імітує позитивно заряджених іонів. Тому анодний струм є чисто електронним. Поблизу анода виявляється надлишок негативного просторового заряду і з’являється анодне падіння потенціалу U_А. У більшості випадків U_A> U_K. Встановлено також, що U_A практично не залежить від довжини дуги, величини струму в ній, матеріалу анода і складу атмосфери дуги. Густина струму в анодній області досягає 2000 А/см², а напруженість електричного поля – 10⁴ В/см. Протяжність анодної області l_А=10^-4см. За допомогою досліджень встановлено, що рідкий метал анода менше насичується газами. Температура анодної області становить 2500–4000 °С.

Стовп дуги

Частина дугового простору, що знаходиться між анодною і катодною областями, називається стовпом дуги. Це сильно іонізований газ, що перебуває при відносно високій температурі (6000–7000 °С). Такий газ називають холодною плазмою. В холодних плазмах процеси відбуваються тільки в зовнішніх електронних оболонках атомів. Ядерні процеси в них відсутні.

Іонізація газу в стовпі дуги відбувається за рахунок таких процесів: фотоіонізації, іонізації співударом і теплової іонізації. Фотоіонізація можлива за умови, якщо енергія фотона, що дорівнює hν, перевищує роботу іонізації , тобто , де h – стала; ν – частота коливань; U_i – потенціал іонізації газу; e_Е – заряд електрона. При цьому атом, що поглинув фотон енергії, порушується, і з його зовнішньої орбіти зривається електрон.

Теплова іонізація обумовлена ​​сильним збудженням атомів при підвищенні температури газу, коли кінетична енергія електронів на зовнішніх орбітах дорівнює , стає вищою за роботу іонізації, тобто, і вони зриваються з цих орбіт. Тут Т_с – температура газу в стовпі дуги, а К – стала Больцмана.

Іонізація співударом можлива як при пружному, так і при непружному зіткненні частинок (атомів, електронів та іонів) у стовпі дуги. Такі зіткнення можливі, зокрема, між атомами дугових газів та електронами, емітованими з поверхні катода і що виходять з катодній області у стовп дуги з енергією . Якщо ця енергія буде більшою за роботу іонізації газу (U_к · е_Е > U_і · е_Е), то відбудеться його іонізація.

Температура стовпа дуги і ступінь іонізації газу в ньому зменшуються зі збільшенням відстані від його осі, а по довжині стовпа не змінюється. Напруженість електричного поля в стовпі дуги залежить від складу дугових газів і парів. Електричний струм у стовпі дуги переноситься електронами і позитивно, і негативно зарядженими іонами. Густина струму досягає 2000 А/см². Довжина стовпа дуги в більшості випадків не перевищує кількох міліметрів.

При використанні змінного струму анодні та катодні плями змінюються місцями із частотою, що дорівнює частоті струму.

Із плином часу напруга U і струм I періодично змінюються від нульового значення до найбільшого, як показано на рис. 2.6 (U_ХХ – напруга запалювання дуги). При переході значення струму через нуль і зміні полярності на початку і в кінці кожного напівперіоду дуга гасне, температура активних плям і дугового проміжку знижується. Внаслідок цього відбувається деіонізація газів та зменшення електропровідності стовпа дуги. Інтенсивніше падає температура активної плями, розташованої на поверхні зварювальної ванни у зв’язку з відведенням теплоти в масу основного металу. Повторне запалювання дуги на початку кожного напівперіоду можливе тільки при підвищеній напрузі, що має назву піка запалювання. При цьому встановлено, що пік запалювання дещо вищий, якщо катодна пляма знаходиться на основному металі. Для зниження піка запалювання, полегшення повторного запалювання дуги і підвищення стійкості її горіння застосовують заходи, що знижують ефективний потенціал іонізації газів у дузі. При цьому електропровідність дуги після згасання дуги зберігається довше, пік запалювання знижується, дуга легше збуджується і горить стійкіше.

Рисунок 2.6 – Осцилограма струму і напруги дуги змінного струму

До цих заходів відносять застосування різних стабілізувальних елементів (калій, натрій, кальцій та інші), що вводяться в зону дуги у вигляді електродних покриттів або у вигляді флюсів.

Важливе значення має зсув фаз між напругою і струмом: необхідно, щоб при переході струму через нульове значення напруга була достатньою для збудження дуги.