3. Зварювальна дуга і її властивості.

Фізичну суть дуги можна охарактеризувати так. Вона являє собою потужний електричний розряд у газах, який супроводжується виділенням значної кількості тепла і світла. З фізичної точки зору - це складний іонний і електронний процес переносу електричних зарядів через іонізований повітряний про­міжок. Іонізація газового проміжку при дуговому зварюванні обу­мовлена в основному електронною емісією з гарячого катоду.

Для розігрівання катоду між ним і анодом (обидва підклю­чені до джерела зварювального струму) роблять короткочасне замикання. Після відриву електрода від виробу з розігрітого катоду, яким під час зварювання постійним струмом може бути і електрод, і виріб (при змінному струмі полярність постійно змінюється), під дією електричного поля починається електрон­на емісія. Електрони, що вилетіли з поверхні катода, направля­ються до анода, іонізуючи на своєму шляху молекули й атоми повітря, з якими зіштовхуються. Негативні іони й електрони, що утворилися в повітряному проміжку, переміщуються до анода, а позитивні - до катода. На поверхні катода і анода здійснюєть­ся нейтралізація заряджених частинок і перетворення елект­ричної енергії в теплову.

Рис.3.

Статична вольт-амперна характеристика (а) і будова зварювальної дуги (б):

І - спадна; II - жорстка; ІІІ - зростаюча;

1 - стовп; 2 - ореол

До основних параметрів, що характеризують електричні вла­стивості дуги, належать напруга, струм і довжина дуги. За­лежність між напругою і струмом при встановленому стаці­онарному стані дуги виражається статичною вольтамперною ха­рактеристикою дуги (рис.3,а). Як видно, вона може бути спадною І, жорсткою II і зростаючою III.

Найбільш широке застосування має дуга з жорсткою харак­теристикою, при якій напруга на дузі не залежить від сили зва­рювального струму. Дугу із зростаючою характеристикою засто­совують при автоматичному зварюванні під флюсом на підви­щених густинах струму і при зварюванні в захисних газах елек­тродом, що розтоплюється. Дуга зі спадною характеристикою малостійка і має обмежене застосування.

Залежність між напругою і довжиною дуги, що має жорстку характеристику, виражається такою емпіричною формулою:

де: - напруга дуги, В; - довжина дуги, мм; і - коефіцієнти, що залежать від роду матеріалу електроду, складу газового середови­ща і т.д.

При зварюванні сталевими електродами в атмосфері повітря = 10В, = 2В/мм.

Теплові властивості дуги пов'язані з її будовою. Зварюваль­на дуга (рис.3,б) складається з трьох частин: катодної, анод­ної і стовпа дуги. Майже весь простір займає стовп дуги 1, в якому відбуваються процеси іонізації і переміщення зарядже­них частинок до катода і анода. Температура стовпа дуги сягає 6000...7000°С. Він оточений ореолом 2, який являє собою загар­товану суміш парів електродного і зварювального металів і про­дуктів реакції цих парів з оточуючим газовим середовищем. Теплова потужність дуги визначається за формулою:

де: - коефіцієнт несинусоїдальності напруги і струму; - напруга дуги, В; - зварювальний струм, А.

Для постійного струму = 1, для змінного - = 0,7...0,97.

Не все тепло дуги витрачається на топлення присаджуваль­ного і основного металів: близько 50 % іде на нагрівання виро­бу, близько 30 % на нагрівання електрода і майже 20 % станов­лять втрати тепла в навколишній простір. При живленні дуги постійним струмом більша кількість тепла, близько 42...43 %, виділяється на аноді, 36...38 % - на катоді і приблизно 20...21 % - у стовпі дуги. Тому температура анода дещо вища температу­ри катода.