Сварочные работы. Практический справочник

Продолжительный электрический разряд, который наблюдается при атмосферном давлении в газовой среде между двумя электродами, называется сварочной дугой. Если она образуется между электродами, роль одного из которых играет металлический или угольный стержень (электрод), а другого – свариваемый металл, тогда такая дуга называется дугой прямого действия. В том случае, если два электрода находятся под некоторым углом относительно друг друга, она называется дугой косвенного действия. Первая применяется в большинстве наиболее распространенных видов сварки, а вторая, будучи менее удобной, – при некоторых специальных видах сварки, например при атомно-водородной. При сочетании обоих видов дуги образуется комбинированная дуга.

Схематическое изображение дуги прямого и косвенного действия показано на рис. 44.

Дуга прямого действия представлена столбом с основанием в углублении, которое возникает на поверхности сварочной ванны. Форма столба дуги бывает цилиндрической или чуть конической. Его верхняя часть контактирует с раскаленным концом электрода. Эта зона называется катодным пятном. Противоположным ему является анодное пятно, образованное основанием столба в зоне его соприкосновения со свариваемым металлом (напомним, что катод заряжен положительно, а анод – отрицательно). Если значение сварочного тока не превышает средних показателей, т. е. составляет примерно 200–300 А, то диаметр катодного пятна приблизительно в 1,5–2 раза меньше анодного.

Рис. 44. Схема сварочной дуги: а – прямого действия; б – косвенного действия; 1 – электрод; 2 – газовое облако; 3 – столб дуги; 4 – соединяемая часть; 5 – анодное пятно; 6 – сварочная ванна; 7 – кратер; 8 – катодное пятно

Столб дуги образует вещество, состоящее из раскаленных и сильно ионизированных газов, которое называется плазмой. В нем сконцентрировано основное количество энергии сварочной дуги, в связи с чем его осевая часть является зоной самой высокой температуры (5500–7800 °C), и она тем выше, чем больше плотность тока в сварочной дуге. Столб дуги окружает ореол пламени (факел дуги). Его образуют пары и газы, температура которых более низкая.

Для возбуждения и горения сварочной дуги необходимы определенные условия. Если рассматривать газы и пары в стандартных условиях, то они оказываются электрически нейтральными и практически не проводят электрический ток. Прохождение последнего через газовую среду возможно только в том случае, если в ней появляются электрически заряженные частицы – электроны, положительные и отрицательные ионы, которые становятся переносчиками электрического тока. (Попутно заметим, что электрон представляет собой материальную частицу, масса которой в 1840 раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода, которая несет один отрицательный электрический заряд. Ион – это атом или молекула вещества, может быть либо только положительным, либо только отрицательным.) Такой газ получил название ионизированного. От количества заряженных частиц зависит степень ионизации газа: чем их больше, тем выше степень ионизации, следовательно, и электропроводность газа тоже возрастает.

Процесс ионизации газа наглядно показан на рис. 45, на котором ясно видно, что в результате бомбардировки электрически нейтральных атомов газа (А, А') быстрыми электронами (Э1, Э2), испускаемыми катодом (это явление называется эмиссией электронов), первые теряют один или несколько электронов. При этом их скорость уменьшается, но они продолжают движение к аноду под воздействием его электрического поля. А атомы вместе с электронами, утратившими часть электричества, превращаются в положительно заряженные ионы (+И), которые начинают перемещаться к катоду. При столкновении с ним положительные ионы выбивают из него электроны и частично захватывают их, становясь нейтральными атомами, а остальные электроны движутся к аноду. Отрицательно заряженные ионы (—И) появляются тогда, когда атомы захватывают свободные электроны. Поскольку не все элементы способны на это, отрицательных ионов в ионизированном газе, как правило, меньше, чем положительных.

Рис. 45. Схема ионизации газа: 1 – катод; 2 – анод; 3 – катодное пятно; 4 – анодное пятно; 5 – столб сварочной дуги

Описанный процесс, в ходе которого в среде газа или пара образуются положительно и отрицательно заряженные частицы, называется объемной ионизацией. Кстати, она возможна не только от соударения частиц, ее причиной может быть энергия светового излучения. Кроме того, ионизация газа или пара происходит при их нагревании до температуры 2000 °C (термическая ионизация), когда повышается скорость движения частиц и возрастает число их столкновений.