11. Электрическая дуга: температурные условия возбуждения сварочной дуги, ее электрические и магнитные свойства.

Температурные условия в дуге. У мощных (многоамперных) сварочных дуг температура анодного и катодного пятен близка к температуре плавления (если электроды неплавящиеся).

Температура плазмы зависит от плотности тока в ней и от содержания в ней элементов, повышающих или понижающих электрическую проводимость плазмы. Введение в плазму элементов с низким потенциалом ионизации облегчает ионизацию, обеспечивает высокую проводимость плазмы при низких температурах и при неизменном токе приводит к уменьшению температуры плазмы. Введение в плазму элементов с большим сродством к электрону затрудняет ее ионизацию и сопровождается повышением температуры плазмы. Температура плазмы возрастает с увеличением плотности тока в столбе дуги.

Экспериментальные данные показывают, что температура плазмы у дуг с плавящимся электродом находится в пределах 6000—8000° С. У дуг с неплавящимся вольфрамовым катодом температура достигает 10000—15000° С. Температура плазмы сжатой дуги может достигать 20000—30000° С.

Возбуждение сварочной дуги. Процесс осуществляется контактным и неконтактным способами. Контактный способ состоит в замыкании электрода о деталь. При отрыве электрода поверхность катода оказывается нагретой до температуры кипения металла, а межэлектродный промежуток заполненным парами металла. В этих условиях уже при приложений напряжения 60—80 В наступает пробой межэлектродного промежутка (мощная электронная эмиссия с катода) и ионизация газа.

Неконтактный способ предусматривает возбуждение дуги без касания электрода о деталь путем электрического пробоя воздушного промежутка. Пробой осуществляется приложением к электродам напряжения 2000—3000 В (при зазоре между ними 2—3 мм). Для неконтактного возбуждения дуги служит специальный прибор — осциллятор, создающий переменное напряжение с частотой 100—300 кГц. Повышенная частота переменного напряжения необходима для того, чтобы напряжение было неопасно для человека.

Электрические свойства дуги. Режим горения дуги определяют две величины: напряжение и ток. Напряжение на дуге складывается из катодного напряжения Uk, анодного Uа и напряжения на столбе дуги Uст.

Между током и напряжением сварочной дуги заданной (постоянной) длины существует связь, называемая вольт-амперной характеристикой

Для сварочных дуг характерен следующий диапазон напряжений и плотностей токов: ручная сварка—12—25 В, 5—

25 А/мм2; сварка под флюсом —25—45 в, 40—125 а/мм2; сварка в защитных газах — 25—35 в, 100—350 а/мм2.

Дуга переменного тока отличается от дуги постоянного тока периодическими изменениями напряжения и тока. В каждый полупериод при снижении напряжения ниже напряжения горения дуги, определяемого статической характеристикой, дуга гаснет. Несмотря на кратковременность прекращения горения, плазма успевает остыть на несколько тысяч градусов, соответственно уменьшается и ее проводимость. Поэтому в каждый последующий полупериод дуга возбуждается при более высоком напряжении (так называемом напряжении зажигания дуги), чем напряжение горения. В результате возникают перерывы в горении дуги продолжительностью _П, в течение которых возможен ее обрыв.

Магнитные свойства дуги. Столб дуги — это гибкий проводник тока. Его положение легко изменяется внешним магнитным полем. Собственное электромагнитное поле, образующееся вокруг столба дуги, без влияния извне осесимметрично и не искажает столба. Однако поле искажается вблизи несимметрично расположенных масс ферромагнитных тел, при этом столб дуги отклоняется в сторону расположения большей массы, в частности, в сторону уже выполненного шва. Дуга всегда отклоняется в сторону, противоположную точке подведения тока к изделию. Рассмотренное явление называется магнитным дутьем. При приближении дуги к кромкам листа и при наличии в свариваемых листах остаточного магнетизма магнитное дутье может быть столь сильным, что сварка становится невозможной. Чтобы осуществить доброкачественную сварку в таких случаях, прибегают к искусственному уравновешиванию масс ферромагнитных материалов, ослаблению и уравновешиванию потока остаточного магнетизма путем установки на изделии постоянных магнитов; при ручной сварке прибегают к выполнению шва обратноступенчатым способом.