Учебное пособие

Глава 3. Сварочная дуга и требования к источникам ее питания

Образование и строение сварочной дуги

Дуговая сварка плавлением основана на использовании тепла электрической дуги, которая представляет собой длительный электрический разряд в газе, выделяющий значительное количество энергии. Сварочная дуга образуется между электродом и изделием или между двумя электродами, имеющими разность потенциалов. При соприкосновении электрода с изделием разогреваются и сгорают мелкие выступы между ними, образуя пары металла и ионизированный газ, в котором при напряжении 20—30 В образуется электрический разряд. Длительность разряда и образование дуги достигаются отрквом электрода от изделия на расстояние 2—5 мм.

При высокой разности потенциалов между электродом и изделием (несколько тысяч вольт) при их сближении происходит

зажигание дуги. Под действием разности потенциалов, высокой температуры и светового излучения электроны двигаются с большой скоростью, отрываясь первоначально с поверхности отрицательного электрода (эмиссия электронов).

Ударяясь об атомы и молекулы газа испаряющегося материала, электроны добавляют или отнимают у них отрицательные заряды, превращая в положительные и отрицательные ионы, которые в свою очередь двигаются в дуговом пространстве, усиливая его ионизацию. Таким образом воздух, который в обычном состоянии не является проводником электричества, ионизируясь в дуговом пространстве, становится проводником электрического тока, вследствие чего достигается длительное горение дуги. Движение электронов и ионов в дуговом пространстве происходит при наличии двух полюсов: отрицательного — катода и положительного — анода, которые в известной степени упорядочивают движение этих частиц, так как электроны, имеющие отрицательный заряд, а также отрицательные ионы, двигаются к положительному полюсу, а положительные ионы — к отрицательному. На рис. 3.1 показана схема строения дуги постоянного тока. Электрод 1 является катодом, а изделие 7 — анодом, и в данном случае играет роль второго электрода.

Рис. 3.1. Схема дуги
1 — электрод (катод); 2 — катодное пятно; 3 — катодная область, 4 — столб дуги; 5 — анодная область; б — анодное пятно; 7 — изделие (анод)

В дуговом пространстве различают приэлектрод-ные области, характеризующиеся значительным падением напряжения, вызванным затратой электрическо-потенциала на образование пространственных зарядов— электронов и ионов. Это отрицательная катодная 3 и положительная анодная 5 области, между которыми расположен столб дуги, представляющий собой высокотемпературную плазму ионизированного газа. На поверхности катода и анода находятся яркие катодные 2 и анодные 6 пятна, через которые проходит сварочный ток. Падение напряжения анодной области обозначено на рисунке буквой а, столба дуги — 6 и катодной области — в. Их сумма является падением напряжения дуги Ва и при ручной дуговой сварке плавящимся электродом составляет 16—30 В. Плотность тока наибольшая в катодном пятне, из которого первоначально отрываются электроны, ионизируют дуговое пространство и бомбардируют анодную область.

Дуга переменного тока не имеет выраженной катодной и анодной областей, так как в течение одной секунды происходит многократное изменение направления тока и смена катода на анод и обратно. Падение напряжения дуги переменного тока такое же, как дуги постоянного тока, и составляет 16—30 В. Устойчивость горения и зажигания дуги переменного тока хуже, чем дуги постоянного тока, так как в начале и конце каждого полупериода прохождения тока дуга угасает, падает температура активных пятен, и для зажигания дуги вновь требуется повышенное напряжение. Для улучшения условий горения дуги переменного тока применяют покрытия, способствующие повышенной ионизации. Различают открытые и закрытые дуги. Открытая дуга, горящая в воздухе, имеет в своей зоне смесь паров металла и электродного покрытия. Она окружена газовым ореолом и дает яркое световое излучение, опасное для незащищенных глаз. Закрытая дуга горит под слоем флюса, в ее зоне находятся пары металла и флюса. Дуга, горящая в среде защитных газов, закрыта от проникания воздуха в ее зону. Она также дает яркое световое излучение, опасное для глаз. Большое значение при ручной дуговой сварке имеет длина дуги. При длинной дуге увеличивается Возможность контакта столба дуги и расплавляемого металла с воздухом, который вредно влияет на качество сварки, увеличивается напряжение дуги. В зависимости от применяемых электродов устанавливают длину дуги, которую необходимо выдерживать для получения качественного сварного шва Сварочные дуги раличают по принципу работы: дуга прямого действия (рис 3.2, а) горит между электродом и изделием, ее широко применяют при ручной дуговой сварке; дуга косвенного действия горит между двумя электродами {рис. 3.2, б) и нагревает изделие своим пламенем, дуга комбинированная (рис 3 2, в) горит между электродами и изделием, она образуется при сварке трехфазным током.

Рис. 3 2. Схемы дуг различного действия
а — прямого действия, б — косвенного действия, в — комбинированная