Электрическая дуга. 
Электрическая дуга

Электрическая дуга

При дуговой сварке в защитных газах для нагрева заготовок и плавления металла используется теплота электрической дуги.

Нагрев и расплавление металла при таком процессе происходят за счет теплоты короткого замыкания итеплоты электрической дуги. При этом исследованиями установлено [20], что из общего теплового баланса процесса наплавки только около 10% этой теплоты приходится на короткое замыкание в цепи, а остальные 90% - на дуговой разряд. Поэтому теплота короткого замыкания не может оказать существенного влияния на расплавление металла. Следовательно, от электрической дуги зависит и качество наплавленного металла.

Все способы термической резки металлов осуществляются путем сжигания металла в струе кислорода или путем сквозного пропла-вления металла за счет теплоты электрической дуги или газового пламени.

Нагрев теплотой электрической дуги нашел применение при пайке проводов, узлов приборов и двигателей. Источниками питания дуги служат сварочные машины, понижающие трансформаторы или блоки аккумуляторных батарей.

Ремонт деталей электродуговой сваркой тоже широко применяют при ремонте двига — Сеям телей передвижных электростанций. При электродуговой сварке металл плавится от действия теплоты электрической дуги, температура которой достигает 4000 — 6000 С.

Дуговая резка является одним из видов разделительной резки. Она основана на выплавлении металла из зоны резания теплотой электрической дуги, возбуждаемой между электродом и разрезаемым металлом. Этот способ широко применяется при строительно-монтажных работах для грубой разделки металла. Резку производят стальными электродами с качественным покрытием, но более тугоплавким, чем для сварки. Такое покрытие обеспечивает при резке образование небольшого козырька, закрывающего зону дуги. Козырек предохраняет электрод от короткого замыкания на разрезаемый металл, а также способствует более сосредоточенному нагреву металла и позволяет производительнее вести резку. В качестве покрытия применяют смесь, содержащую 70% марганцевой руды и 30% жидкого стекла. Успешно используются также электроды с покрытием ЦМ-7 и ЦМ-7с.

Вид сварки определяется видом непосредственно используемого для плавления источника энергии. Так, при дуговой сварке нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги; при электромла-коаой сварке теплота электрической дуги используется лишь в начальный момент, после расплавления шлака сварка производится теплотой, выделяющейся при прохождении тока через расплавленный шлак.

Вид сварки определяется видом непосредственно используемого для плавления источника энергии. Так, при дуговой сварке нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги; при электромла-коаой сварке теплота электрической дуги используется лишь в начальный момент, после расплавления шлака сварка производится теплотой, выделяющейся при прохождении тока через расплавленный шлак.

В зависимости от используемого источника тепловой энергии различают две основные технологические разновидности процесса напыления: газоплазменное и электрическое. При газоплазменном напылении используется теплота, выделяющаяся при сгорании смеси горячего газа и кислорода, а при электрическом —теплота электрической дуги.

Инертные газовые смеси состоят, как правило, из аргона и гелия. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха. Плотность такой смеси близка к плотности воздуха. Для сварки химически активных металлов находит применение инертная смесь, содержащая 60 — 65 об. % гелия, а остальное аргон. Инертные газовые смеси хотя заметно дороже, чем аргон, но превосходят его по интенсивности выделения теплоты электрической дуги в зоне сварки. Это имеет существенное значение при сварке металлов с высокой теплопроводностью.

Сущность явления дуги. Источником нагрева при дуговой сварке является электрическая дуга. Газы обычно не проводят электричества, т. е. являются хорошими изоляторами. Газ, находящийся между электродами, состоит только из электрически нейтральных молекул; носители зарядов в нем отсутствуют. Для создания проводимости газов необходимо наличие ионов и электронов, т. е. носителей заряда.

Рассмотрим, как происходит ионизация газа. Как известно, элементарным электрическим зарядом является электрон. Электроны входят в состав всех атомов, причем их суммарный отрицательный заряд в нейтральных атомах уравновешивается положительным зарядом ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В кристаллической решетке металлов атомы связаны металлической связью и имеют свободные электроны. Для того, чтобы электрон вышел из металла, необходимо преодолеть силу взаимодействия между остовом кристаллической решетки и электронами, т. е. произвести работу выхода или вырывания. Поэтому электрон, вырванный и находящийся вне металла, будет обладать большей потенциальной энергией, чем находящийся внутри него.

В проводниках второго рода, которыми являются ионизированные газы, свободные электроны отсутствуют. При ионизации в них появляются лишь атомы или молекулы, у которых или недостает, или имеется избыток электронов, т. е. имеются положительные или отрицательные ионы. Перенесение зарядов в проводниках второго рода обусловлено перемещением ионов. Направленное перемещение зарядов (в отличие от хаотического) и представляет собой электрический ток. Как видно, носителями зарядов при таком перемещении могут быть или ионы и электроны (ток в газах), или только электроны (ток в металлах).

Ионизацию газа можно создать принудительно диссоциацией его молекул подогревом, освещением рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами или действием на молекулы лучами радиоактивных веществ. Создаваемая при этом проводимость носит название несамостоятельной. Кроме того, ионизацию газов можно создать соударением нейтральных молекул движущимися электронами, ускоренными электрическим полем, которое обусловливает наличие тока. Создаваемая при этом проводимость называется самостоятельной, так как она обеспечивается самим электрическим полем.

При столкновении с атомами и молекулами электрон отдает им полностью или большую часть своей кинетической энергии и они возбуждаются или ионизируются. Входящие в возбужденный атом электроны располагаются на новых, более удаленных орбитах, т. е. имеют более высокий потенциал энергии.

Энергию ионизации обычно выражают в электрон-вольтах. Электрон-вольт (эв) равен работе, совершаемой при перемещении заряда е, равного заряду одного электрона, между точками с разностью потенциалов 1 в.

Потенциалы однократной ионизации газов различны (например: водорода 13,54 эв; гелия 24,47 эв и кислорода 12,5 эв).

Если ионизация газа вызывается тем, что его атомы или молекулы ударяются электронами, вылетающими из металлического проводника, то число образующихся внутри газа новых электронов растет очень быстро. Это происходит вследствие того, что первые образовавшиеся заряженные частицы при наличии электрического поля возбуждают другие молекулы, которые встречаются на пути. Вследствие возрастания числа заряженных частиц увеличивается и сила тока.

Уже отмечалось, что для извлечения электрона из металла в газовую среду необходимо затратить работу выхода. Работа выхода в значительной степени зависит от состояния поверхности вещества, выделяющего электроны, и может быть уменьшена, если на поверхности имеются хотя бы следы веществ, склонных к эмиссии (выделению) электронов.

При обычных комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов обладает кинетической энергией, достаточной, чтобы совершить работу выхода. Поэтому в газовом промежутке вокруг металла ионов нет. Электроны будут достаточно интенсивно выделяться с поверхности металла лишь при нагревании его до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией и может быть уподоблен процессу испарения молекул из нагреваемой жидкости.

Известно несколько видов самостоятельной проводимости газов: тлеющий разряд, искровой разряд и дуговой разряд.

Дуговой разряд, используемый при сварке, представляет длительный устойчивый разряд в газах при давлениях, близких к атмосферному и выше. Дуговой разряд сопровождается ослепительным свечением. Температура газа достигает нескольких тысяч градусов; степень ионизации очень высокая.

Дугу можно рассматривать как газовый проводник круглого сечения, располагающийся между активными пятнами на электродах (полюсах). Через активные пятна — наиболее нагретые участки электродов — проходит весь ток. Активное пятно отрицательного полюса носит название катодного и является источником эмиссии электронов. Двигая катод перпендикулярно оси дуги, мы можем заставить двигаться и дугу. Если же отодвинуть в таком же направлении анод, оставляя катод неподвижным, то дуга прервется, так как расстояние между пятнами увеличится и эмиссия электронов из катодного пятна прекратится. электродуговой сварка горение ионизация Для начальной ионизации дугового пространства и возбуждения дуги обычно используют местный нагрев участка электрода (для создания катодного пятна) и повышенное напряжение поля. Нагрев электрода обеспечивается касанием его концом поверхности свариваемого изделия. При этом в точках касания (контакта) благодаря большому местному сопротивлению выделяется тепло. Разогретый катод начинает излучать электроны, ионизирующие молекулы газа.

Проходя через столб дуги, ионы бомбардируют поверхность катода и нейтрализуются на ней. За счет кинетической энергии газовых частиц происходит сильный разогрев поверхности катода, материал его плавится и испаряется. Общее количество тепла, виделяемое на аноде, определяется как падением напряжения в прианодной области, так и отдачей энергии электронами, входящими в анод из столба дуги. В ряде случаев количество тепла, выделяемое на аноде, больше чем на катоде.

Для увеличения проплавления свариваемых кромок анод обычно присоединяют к свариваемому изделию. Катод (минус) присоединяют к электроду. Такая схема включения называется включением на прямой полярности. Если при сварке используется более тугоплавкий электрод или же сваривается тонкий материал, в связи с чем возникает опасность прожога, то полярность меняют на обратную (плюс на электроде и минус на изделии).

В связи с широким развитием применения автоматической дуговой сварки большой интерес представляют особенности горения дуги под слоем флюса. Сотрудники Института электросварки рентгенографировали зоны дуги. При изучении рентгенограмм было установлено, что сварка под слоем флюса является процессом электродуговым. Осциллограммы напряжения и тока для дуги, горящей в воздухе, и для дуги, горящей под слоем флюса, весьма сходны, однако осциллограмма напряжения дуги, горящей под слоем флюса, более плавная и почти не имеет пиков зажигания, что указывает на большую устойчивость ее вследствие большей «тепловой инерции». Окружающий дугу флюсовый пузырь не дает ей охлаждаться при переходе напряжения через нуль в случае сварки на переменном токе.

Следует отметить, что горение сварочной дуги возможно не только в воздухе или в газовом пузыре, образующемся под слоем флюса, но и в воде, причем даже на значительных глубинах. Жидкая среда, окружающая дугу, под влиянием дугового процесса испаряется и разлагается, создавая вокруг нее газовый пузырь. Газовый пузырь заполнен преимущественно водородом, парами металла и продуктами разложения обмазки электрода. Избытки этих паров поднимаются на поверхность воды в виде пузырьков. Из-за интенсивного теплоотвода для горения дуги под водой требуется напряжение большее, чем на воздухе (при этом оно зависит от глубины погружения).