Сварочные работы. Практический справочник

В сварочной дуге тоже наблюдается процесс образования электрически нейтральных атомов из отрицательно или положительно заряженных частиц, что называется рекомбинацией, а отношение числа заряженных частиц в каком-либо объеме газа к общему их количеству до начала ионизации – степенью ионизации. Образование и распад заряженных частиц в газе при данной температуре сбалансированы, т. е. степень ионизации нагретого газа сохраняется постоянной. При степени ионизации, равной единице, каждая частица в данном объеме газа несет тот или иной заряд. Чем ниже температура, при которой это происходит, тем с большей легкостью в газовой среде образуется дуговой разряд (сварочная дуга).

Степень термической ионизации у различных элементов разная. Легче всего она достигается у калия, натрия и кальция, в связи с чем их наличие в столбе сварочной дуги способствует ее возбуждению и обеспечивает устойчивость ее горения. Поэтому данные вещества всегда добавляются в электродные покрытия.

Кроме того, все элементы обладают разным потенциалом ионизации, т. е. тем количеством энергии, которое требуется затратить, чтобы выбить один электрон из оболочки атома того или иного элемента. Например, потенциал калия, натрия и кальция ниже (приблизительно в 3,4, 2,8 и 2,4 раза соответственно), чем у азота или кислорода. Это дополнительно объясняет их положительное влияние на горение сварочной дуги.

Ионизация газа и образование в нем дугового разряда представляют собой сложные физические процессы, возникновение и протекание которых определяется различными факторами. В частности, для того чтобы катод стал испускать свободные электроны, должны осуществляться следующие процессы:

термоэлектронная эмиссия, развившаяся под воздействием высокой температуры катода и позволившая электронам покидать его поверхность;

автоэлектронная эмиссия, являющаяся следствием воздействия электрического поля, отрывающего свободные электроны от катода;

эмиссия в результате ударов положительно заряженных ионов по поверхности катода;

фотоэлектронная эмиссия как итог воздействия световых лучей дугового разряда на катод.

Источники пучков заряженных частиц, благодаря которым поддерживается устойчивое горение сварочной дуги, – это эмиссия электронов катодом и объемная ионизация газов.

Теперь необходимо понять, как именно образуется дуга. Весь процесс выглядит следующим образом (рис. 46):

Рис. 46. Схема образования дугового разряда: а – стадия короткого замыкания; б – стадия появления прослойки расплавленного металла; в – стадия формирования шейки; г – стадия возникновения сварочной дуги; 1 – электрод; 2 – основной металл; 3 – дуга

1) при прикосновении концом электрода к основному металлу в сварочной цепи возникает короткое замыкание;

2) электрический ток, отличающийся высокой плотностью в зонах контакта основного металла с электродом (из-за неровности поверхности электрода контакт происходит одновременно в нескольких точках), расплавляет последний, в результате чего появляется тонкая пленка жидкого металла;

3) при некотором отведении электрода из жидкой прослойки металла вытягивается шейка, в которой плотность и температура металла еще более увеличиваются;

4) вследствие испарения металла шейка рвется, а в создавшемся ионизированном облаке газов и паров, образовавшемся между электродом и металлом, загорается сварочная дуга.

В дальнейшем авто– и термоэлектронная эмиссия поддерживают устойчивое горение сварочной дуги при соответствующем токе и напряжении в сварочной цепи.

Напряжение сварочной дуги – это напряжение между электродом и металлом. Его величина определяется длиной дуги. При этом прослеживается такая закономерность: чем короче дуга, тем ниже напряжение, несмотря на то что ток может не меняться. Устойчивое горение сварочной дуги при использовании металлического электрода обеспечивается напряжением 18–28 В, а при применении угольного или графитового электрода необходимое напряжение возрастает до 30–35 В. Напряжение, при котором возникает дуговой разряд, должно быть выше чем то, при котором сварочная дуга поддерживается на соответствующем уровне. Это обусловлено тем, что на первой стадии температура воздушного промежутка недостаточна для того, чтобы сообщить электронам такую скорость, при которой может начаться ионизация атомов газа.

Сварочная дуга бывает:

устойчивой. Это означает, что она горит равномерно, а произвольные обрывы дуги, для устранения которых необходимо повторное зажигание, отсутствуют;

неустойчивой. Наличие того, чего нет при устойчивой дуге, изменяет ее характер с точностью до наоборот.

Устойчивость дуги в основном определяется следующими факторами:

род электрического тока. Он может быть постоянным и переменным;