1. Каналова модель електричної дуги

У більшості випадків дуга у проміжку між електродами не існує у вигляді класичного газового дугового розряду (при зварюванні плавленням присутнє крапле перенесення, а при зварюванні неплавким електродом присадний метал).

Рис.1. Каналова модель зварювальної дуги: d_k – діаметр катодної плями; d_а– діаметр анодної плями; d_ст– діаметр стовпа дуги; U_д- напруга дуги; U_ст - потенціал стовпа дуги; U_к - потенціал катодної зони; U_а - потенціал анодної зони; l_д, l_ст, l_к, l_а –відповідно довжина дуги, стовпа, катодної зони, анодної зони.

проте, як свідчать дослідні дані, після розвитку заданої електричної провідності середовища в часі 1∙10^-6с, набагато скоріше ніж починається розплавлення та перенесення металу, формується стабільний дуговий розряд між електродом та виробом. Структура та процеси, що протікають у такій дузі, коректно описуються каналовою моделлю (рис.1).

Таким чином, відповідно каналової моделі в осьовому напрямі дуга складається з трьох зон: 1. Стовп дуги l_ст довжиною порядку одиниць мм і температурою більше 6000⁰С; 2. Біля електродні області – катодна та анодна. Ці зони характеризуються протяжністю порядку 10^-3…10^-5см, що відповідає вільному вибігу електронів та йонів, які є головними носіями електрики в дузі, а також великим градієнтом температури – від температури стовпа до температур кипіння та плавлення металу. У порівнянні з довжиною стовпа дуги біля електродні зони при певних технологічних розрахунках до уваги не приймаються, тобто l_д, ≈ l_ст.

При зварюванні плавким електродом та зварюванні зануреними у ванну дугами поняття «довжина дуги» втрачає сенс через коливання дзеркала ванни та крапельний переніс.

1. Стовп дуги

Стовп дуги являє область електрично упорядкованої системи (іонізований газ), яка містить вільні носії електричного заряду, нейтральні атоми та молекули газів та пари. Для більшості способів дугового зварювання кількість йонів від’ємного заряду є незначним.

стовп дуги є анізотропним середовищем, властивості якого (температура, напруженість поля, провідність, тиск тощо) в осьовому та радіальному напрямках різні.

У стовпі дуги наявні два види руху носіїв електрики: хаотичний тепловий та упоряджений під дією електричного поля, утвореного електронною і йонною складовими дугового струму. Через значну відмінність маси електрону та йону електронна складова дугового струму є переважаючою.

Таким чином, дуговий струм І_д є струмом провідності, обумовлений упорядженим рухом вільних електронів, а магнітне поле дуги – поле, що створене таким струмом.

Під дією електричного поля дуги відбувається сегрегація (розділення) носіїв електрики: прискорені вільні електрони концентруються у анодній зоні дуги, а позитивні йони біля катоду. Через велику різницю мас таких носіїв електрики є різко відмінними швидкості їх переміщення у стовпі дуги, що призводить до формування у стовпі об’ємного позитивного заряду.

Стовп дуги не створює власного електричного поля (є квазінейтральним), оскільки у будь - який момент часу у елементарному об’ємі стовпа існує рівно вісна концентрація позитивних та від’ємних носіїв електрики. Тоді струм провідності стовпа (прийнятий з вищевикладеного за струм дуги) становить

, (1)

де - вектор густини струму провідності; - вектор елементу поверхні, через яку прямують носії електрики.

Між векторами густини струму та напруженості електричного поля для будь – якої точки стовпа дуги чинна залежність

, (2)

де - питома провідність середовища; Е – напруженість електричного поля.

Напруженість електричного поля стовпа становить 10…35В/см; середня густина струму для дуги, що горить між сталевими електродами становить 1,8∙10⁷А/м².