Физические основы сварочной дуги

Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова

Реферат на тему:

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Выполнила

Капшина Л.Б. гр.А161

Санкт-Петербург, 2009

Сварочная дуга — это мощный устойчивый электрический разряд в газовой среде между двумя электродами, или между электродами и изделием.

Электрическим разрядом называется прохождение электрического тока (т. е. направленное движение заряженных частиц) через газовую среду. Различают несколько видов такого разряда: искровой, дуговой, тлеющий ит. д., которые отличаются длительностью, силой тока, напряжением и другими характеристиками.

Сварочные дуги классифицируются по ряду признаков:

— принципу действия — сварочные дуги прямого, косвенного и комбинированного действия;

— роду тока — дуга постоянного тока и дуга переменного тока (трехфазного или однофазного);

— длительности горения (стационарная дуга, импульсная дуга);

— полярности постоянного тока — дуга прямой полярности и обратной полярности;

— степени сжатия — свободная или сжатая дуга;

— виду среды, в которой происходит горение дуги — открытая, закрытая и дуга в среде защитных газов;

— виду применяемого электрода — дуга с плавящимся и неплавящимся электродом;

— виду статической вольтамперной характеристики — дуга с жесткой, падающей и возрастающей характеристикой;

— длине дуги — короткая, нормальная и длинная.

По принципу работы различают сварочные дуги прямого, косвенного и комбинированного действия (рис. 23). Дугой прямого действия называется дуговой разряд, который происходит между электродом и деталью (изделием). Дуговой разряд между двумя электродами (атом-но-водородная сварка) называется косвенной дугой, а сочетание дуги прямого и дуги косвенного действия — комбинированной дугой. Примером комбинированной

дуги является трехфазная дуга, у которой две дуги электрически связывают электроды со свариваемой конструкцией, а третья горит между двумя электродами, изолированными друг от друга.

Различные "вещества по-разному проводят электрический ток. Проводимость всякого вещества зависит от количества свободных электрических зарядов (электродов и ионов), которые находятся в этом веществе. Кроме того, проводимость определяется скоростью, с которой эти свободные частицы передвигаются. То есть, чем больше в материале имеется свободных носителей зарядов и чем более они подвижны, тем больше проводимость этого материала и тем меньше его сопротивление.

Газы при нормальных условиях не проводят электрического тока. Данный факт объясняется тем, что в обычных условиях газы состоят из нейтральных молекул и атомов, а следовательно, не являются носителями зарядов.

Газы начинают проводить электрический ток, если в их составе появляются электроны, положительные и отрицательные ионы. Это становится возможным при некоторых условиях.

Процесс образования в газе электронов и ионов называется ионизацией, а газ, в котором имеются заряженные частицы, — ионизированным.

Чтобы освободить электрон от связи с атомным ядром (в результате чего и происходит образование положительного иона), нужно сообщить ему некоторое количество энергии. В результате электрон перейдет на новую орбиту с более высоким энергетическим уровнем, а молекула или атом будут находиться в возбужденном состоянии.

Работа, которую нужно совершить для того, чтобы образовать ион, называется работой ионизации (или потенциалом ионизации) и выражается в электрон-вольтах (ЭВ). Энергия, сообщенная электрону для приобретения скорости, необходимой для отрыва его от атома, называется потенциалом возбуждения и также измеряется в электрон-вольтах.

Различные химические элементы имеют разную величину потенциалов возбуждения и ионизации (от 3,9 до 25,5 ЭВ). Наименьшими потенциалами ионизации обладают щелочноземельные металлы — такие элементы способствуют зажиганию к устойчивому горению дуги, поэтому их вводят в состав электродных покрытий.

Положительные и отрицательные ионы, а также свободные электроны в газах возникают при некоторых условиях:

— воздействии на них электрического поля;

— тепловом воздействии;

— прохождении через газ рентгеновских, ультрафиолетовых и космических лучей.

Соответственно различают виды ионизации газов: соударением частиц, фотоионизацию (ионизация фотонами), термическую, электрическим полем.

Дуговой промежуток в сварочной дуге разделяется на три области (рис. 24): катодную, анодную и столб дуги. В процессе горения дуги на электроде и основном металле возникают активные пятна, которые представляют собой

наиболее нагретые участки и проводят весь ток дуги. Активные пятна называются соответственно анодным и катодным.

С катодного пятна происходит дополнительный выход электродов, кроме образовавшихся при ионизации в междуэлектродном пространстве. Электроны, которые выходят с поверхности электрода, называются первичными. Выход этих электронов происходит за счет различных факторов: термоэлектронной эмиссии (испускания), автоэлектронной эмиссии, ионизации на катоде.

Термоэлектронная эмиссия электронов происходит в результате нагрева поверхности электрода до высокой температуры, при которой электроны могут приобрести скорость, достаточную для отрыва их от атомов. Электроны открываются от поверхности катода и устремляются к аноду. Чем больше температура нагрева электрода, тем больше количество вырываемых электронов.

Автоэлектронная эмиссия электронов происходит из-за высокой напряженности электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше испускание с катода первичных электродов.

Ионизация на катоде происходит в результате соударений с электронами положительных ионов. Положительные ионы образуются в результате ионизации в столбе дуги и притягиваются к катоду. Ионизация может происходить также в результате воздействий излучения (фотоионизация).

В столбе дуги происходит образование так называемых вторичных электронов, а также положительных ионов (вторичными называют электроны, выбитые с орбит нейтральных атомов, находящихся в междуэлектродном пространстве).

Таким образом, в столбе дуги электроны движутся к аноду, положительные ионы — к катоду. При этом ионы и электроны могут снова соединяться, образуя нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации процессы образования и исчезновения заряженных частиц в дуге уравновешиваются и степень ионизации нагретого газа остается постоянной.

Анодная область дуги включает в себя анодное пятно и приэлектродную область. Анодное пятно бомбардируют электроны, в результате чего образуются ионы. От сильной бомбардировки анодная область всегда имеет форму, напоминающую форму чаши (или — выгнутой сферы) и называемую сварочным кратером.