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?