Сварочная дуга — это мощный устойчивый электрический разряд в газовой среде между двумя электродами, или между электродами и изделием.
Электрический разряд - прохождение электрического тока (т. е. направленное движение заряженных частиц) через газовую среду. Видов такого разряда: искровой, дуговой, тлеющий и т. д., которые отличаются длительностью, силой тока, напряжением и другими характеристиками.
Виды сварочных дуг:
— по принципу действия: сварочные дуги прямого, косвенного и комбинированного действия;
— по роду тока: дуга постоянного тока и дуга переменного тока (трехфазного или однофазного);
— по длительности горения: стационарная дуга, импульсная дуга;
— по полярности постоянного тока: дуга прямой полярности и обратной полярности;
— по степени сжатия: свободная или сжатая дуга;
— по виду среды, в которой происходит горение дуги: открытая, закрытая и дуга в среде защитных газов;
— по виду применяемого электрода: дуга с плавящимся и неплавящимся электродом;
— по виду статической вольтамперной характеристики: дуга с жесткой, падающей и возрастающей характеристикой;
— по длине дуги: короткая, нормальная и длинная.
По принципу работы различают сварочные дуги прямого, косвенного и комбинированного действия (рис. 10). Дугой прямого действия называется дуговой разряд, который происходит между электродом и деталью (изделием). Дуговой разряд между двумя электродами (атомно-водородная сварка) называется косвенной дугой, а сочетание дуги прямого и дуги косвенного действия — комбинированной дугой. Примером комбинированной дуги является трехфазная дуга, у которой две дуги электрически связывают электроды со свариваемой конструкцией, а третья горит между двумя электродами, изолированными друг от друга.
Сварочные дуги подразделяются также по роду используемого электрического тока (постоянный, переменный, трехфазный) и по длительности горения (стационарная дуга, импульсная дуга). Кроме того, при использовании постоянного тока различают дуги прямой и обратной полярности. При прямой полярности отрицательный полюс электрической цепи (катод) находится на электроде, а положительный (анод) — на основном металле. При обратной полярности анод на электроде, а катод на изделии.
Дуги различают и в зависимости от типа применяемого электрода: дуга между плавящимся электродом (металлическим) и неплавящимся (вольфрамовый, угольный и т. д.).
а — прямого действия; б — косвенного действия;
в — комбинированного действия
Рисунок 1. Электрическая дуга.
При сварке плавящимся электродом сварной шов образуется за счет расплавления электрода и кромок свариваемого (основного) металла. При сварке неплавящимся электродом шов заполняется металлом свариваемых частей.
При сварке плавящимся электродом его необходимо непрерывно подавать (по мере оплавления) в зону сварки и по возможности поддерживать постоянную длину дуги. Длиной дуги называется расстояние от конца электрода до поверхности кратера (углубления) в сварочной ванне.
При сварке неплавящимся электродом длина дуги с течением времени возрастает, поэтому нужна корректировка.
Дуга считается короткой, если ее длина составляет 2…4 мм, нормальной — при длине 4-6 мм; при длине дуги свыше 6 мм дуга называется длинной.
В зависимости от того, в какой среде происходит дуговой разряд, различают три основные разновидности:
— так называемую открытую дугу, горящую в воздухе, где в состав газовой среды входит воздух с примесями паров свариваемого металла, материала электродов и материала электродных покрытий;
— закрытую дугу, горящую под флюсом, в которой газовая среда зоны дуги состоит из паров основного металла, присадочной проволоки и защитного флюса;
— дугу, горящую в среде защитных газов (также является закрытой дугой). В этом случае газовая среда в зоне других состоит из защитного газа, паров основного металла и металла проволоки.
Структура сварочной дуги.
Различные вещества по-разному проводят электрический ток. Проводимость всякого вещества зависит от количества свободных электрических зарядов (электродов и ионов), которые находятся в этом веществе. Кроме того, проводимость определяется скоростью, с которой эти свободные частицы передвигаются. То есть, чем больше в материале имеется свободных носителей зарядов и чем более они подвижны, тем больше проводимость этого материала и тем меньше его сопротивление.
Газы при нормальных условиях не проводят электрического тока. Данный факт объясняется тем, что в обычных условиях газы состоят из нейтральных молекул и атомов, а следовательно, не являются носителями зарядов.
Газы начинают проводить электрический ток, если в их составе появляются электроны, положительные и отрицательные ионы. Это становится возможным при некоторых условиях.
Процесс образования в газе электронов и ионов называется ионизацией, а газ, в котором имеются заряженные частицы - ионизированным.
Чтобы освободить электрон от связи с атомным ядром (в результате чего и происходит образование положительного иона), нужно сообщить ему некоторое количество энергии. В результате электрон перейдет на новую орбиту с более высоким энергетическим уровнем, а молекула или атом будут находиться в возбужденном состоянии.
Работа, которую нужно совершить для того, чтобы образовать ион, называется работой ионизации (или потенциалом ионизации) и выражается в электрон-вольтах (ЭВ). Энергия, сообщенная электрону для приобретения скорости, необходимой для отрыва его от атома, называется потенциалом возбуждения и также измеряется в электрон-вольтах.
Различные химические элементы имеют разную величину потенциалов возбуждения и ионизации (от 3,9 до 25,5 ЭВ). Наименьшими потенциалами ионизации обладают щелочноземельные металлы — такие элементы способствуют зажиганию к устойчивому горению дуги, поэтому их вводят в состав электродных покрытий.
Положительные и отрицательные ионы, а также свободные электроны в газах возникают при некоторых условиях:
— воздействии на них электрического поля;
— тепловом воздействии;
— прохождении через газ рентгеновских, ультрафиолетовых и космических лучей.
Виды ионизации газов: соударением частиц, фотоионизацию (ионизация фотонами), термическая, электрическим полем.
Дуговой промежуток в сварочной дуге разделяется на три области (рис. 2): катодную, анодную и столб дуги. В процессе горения дуги на электроде и основном металле возникают активные пятна, которые представляют собой наиболее нагретые участки и проводят весь ток дуги. Активные пятна называются соответственно анодным и катодным.
С катодного пятна происходит дополнительный выход электродов, кроме образовавшихся при ионизации в междуэлектродном пространстве. Электроны, которые выходят с поверхности электрода, называются первичными. Выход этих электронов происходит за счет различных факторов: термоэлектронной эмиссии (испускания), автоэлектронной эмиссии, ионизации на катоде.
1 — катодная область; 2 — столб дуги; 3 — вводная область
Рисунок 2. Схема строения сварочной дуги.
Термоэлектронная эмиссия электронов происходит в результате нагрева поверхности электрода до высокой температуры, при которой электроны могут приобрести скорость, достаточную для отрыва их от атомов. Электроны открываются от поверхности катода и устремляются к аноду. Чем больше температура нагрева электрода, тем больше количество вырываемых электронов.
Автоэлектронная эмиссия электронов происходит из-за высокой напряженности электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше испускание с катода первичных электродов. Ионизация на катоде происходит в результате соударений с электронами положительных ионов. Положительные ионы образуются в результате ионизации в столбе дуги и притягиваются к катоду. Ионизация может происходить также в результате воздействий излучения (фотоионизация).
В столбе дуги происходит образование так называемых вторичных электронов, а также положительных ионов (вторичными называют электроны, выбитые с орбит нейтральных атомов, находящихся в междуэлектродном пространстве).
Таким образом, в столбе дуги электроны движутся к аноду, положительные ионы — к катоду. При этом ионы и электроны могут снова соединяться, образуя нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации процессы образования и исчезновения заряженных частиц в дуге уравновешиваются и степень ионизации нагретого газа остаётся постоянной.
Анодная область дуги включает в себя анодное пятно и приэлектродную область. Анодное пятно бомбардируют электроны, в результате чего образуются ионы. От сильной бомбардировки анодная область всегда имеет форму, напоминающую форму чаши (или — выгнутой сферы) и называемую сварочным кратером.