Наиболее распространенным источником сварочного тепла при сварке плавлением является электрическая дуга.
Электрическая сварочная дуга - устойчивый длительный электрический разряд в газовой среде между твердыми или жидкими электродами при высокой плотности тока, сопровождающийся выделением большого количества теплоты.
Сварочная дуга представляет собой столб газа, находящегося в состоянии плазмы, т.е. состоянии, при котором большинство атомов газа имеют положительный или отрицательный заряд. Плазма дуги характеризуется высокой электропроводностью и температурой (5000-120000С).
Условие существования дуги - ионизация газового зазора между электродамиблагодаря электрическому потенциалу,приложенному к ним.
В столбе дуги наблюдается неравномерное распределение электрического поля, поэтому межэлектродное пространство принято разделять на три зоны: катодную, столб дуги, анодную (рис. 2)
Рисунок 3 – Строение дуги
При установившемся процессе сварки в каждой зоне происходят различные физические процессы.
С разогретого катода выходят электроны (происходит процесс термоэлектронной эмиссии).
Катодная зона (iк = 10-4 - 10-5 см) - область, размер которой выбран условно так, чтобы электроны, разгоняющиеся при движении к аноду за счет приложенного напряжения, приобрели энергию, достаточную для ионизации.
Столб дуги - конусообразный проводник, заполненный плазмой.
Длина дуги - 2-4 мм –при ручной сварке металлическим плавящимся электродом;6-8 мм –при сварке под флюсом.
В столбе дуги происходят два противоположных процесса:
- ионизация -образование заряженных частиц;
- рекомбинация - потеря заряженных частиц.
Ионизация («электронным ударом») может происходить двумя способами:
· присоединением (внедрением) электрона к нейтральному атому – в результате за счет избытка электронов получается отрицательный ион («-И») – рисунок 4.
· выбиванием электрона с орбиты нейтрального атома – в результате образуются два свободных электрона и положительный ион («+И») – рисунок 5.
| - |
| ---___ |
| + |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| + |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| 2 |
| 3 |
1 – свободный электрон; 2 – нейтральный атом, имеющий положительное ядро (+) и два электрона (-); 3 – отрицательный ион.
Рисунок 4 - Схема ионизации по типу «присоединения»
| + |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| + |
| - |
| ---___ |
| 2 |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| 3 |
| - |
| ---___ |
1 – свободный электрон; 2 – нейтральный атом, имеющий положительное ядро (+) и два электрона (-); 3 – положительный ион.
Рисунок 5 - Схема ионизации по типу «выбивания»
В результате ионизации образуется плазма, а за счет приложенной разности потенциалов происходит электронно-ионный ток: отрицательные частицы (электроны и отрицательные ионы) движутся к аноду, а положительные ионы – к катоду.
Отрицательней частицы, разгоняясь в прианодной зоне (iа = 10-3 - 10-4 см), приобретают необходимую кинетическую энергию и при ударе об анод преобразуют её в тепловую энергию, разогревая анод.
Положительные ионы, разгоняясь в прикатодной зоне, приобретают необходимую кинетическую энергию и при ударе о катод преобразуют её в тепловую энергию, разогревая катод, создавая условия для термоэлектронной эмиссии. Таким образом, процесс сварки становится непрерывным.
Возбуждение сварочной дуги может выполняться двумя способами:
- замыканием электрода о деталь (касанием, «спичкой») – напряжение 60В. При соприкосновении электрода с изделием электрическая цепь замыкается и по ней проходит ток. Поскольку торец электрода имеет неровную поверхность, электрический контакт возникает в точках, которые нагреваются и мгновенно расплавляются с образованием прослойки жидкого металла. При отводе электрода от изделия образуется шейка – повышается плотность тока и температура металла, происходит испарение металла – возникает ионизированный промежуток – сварочная дуга.
- электрическим пробоем воздушного промежутка, достигаемого приложением к электродам высокого напряжения (2000 – 3000В) с помощью специального прибора – осциллятора, создающего переменное напряжение с высокой частотой 50 – 150 кГц, не опасное для человека.
Контрольные вопросы:
1. Объясните условие существования дуги.
2. Что такое «ионизация»? Что такое «плазма»?
3. Назовите зоны дуги. Что происходит в каждой зоне?
4. Что такое «термоэлектронная эмиссия? За счет чего она происходит?
5. Почему процесс существования дуги длительный (непрерывный)?
6. Какими способами возбуждается сварочная дуга? Который из этих способов используется при автоматической сварке? Какую роль играет осциллятор?