2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА

Дуговой разряд является одним из видов электрического разряда в газах, вызываемого прохождением электрического тока через газ. Формы электрических разрядов в газах весьма разнообразны; дуговой разряд является высшей, наиболее развитой формой стационарного газового разряда.

В нормальных условиях при низких температурах все газы являются совершенными непроводниками электрического тока - изо ляторами. Газ может проводить электрический ток лишь в том случае, если в газе появляются электрически заряженные частицы- ионы.

Процесс образования заряженных частиц называется ионизацией, а газ, в котором появились заряженные частицы и который, вследствие этого, получил способность проводить электрический ток, называется ионизированным. На ионизацию газа могут влиять раз-.личные факторы. Особенно важно, что ионизацию газа можно производить воздействием электрического тока, протекающего через газ. В этом случае сам проходящий через газ ток определяет степень ионизации газа или его электропроводность. В таких условиях теряет практическое значение понятие об электрическом сопротивлении газа, так как оно может иметь любую величину - от очень малых значений до бесконечно больших,- и при этом отсутствует определённая зависимость между напряжением, подведённым к газовому промежутку, и возникающим электрическим током. Поэтому, например, для дугового разряда не имеет смысла вопрос, какой ток будет в разряде при данном напряжении, так как ток может иметь самые различные значения, в зависимости от параметров питающей цепи.

Источниками заряженных частиц в газах могут служить сами молекулы газа, которые при подведении достаточных количеств энергии могут образовывать электрически заряженные частицы, т. е. ионизироваться. Такая ионизация может быть названа ионизацией в объёме, или объёмной ионизацией. Источником заряженных частиц могут также служить твёрдые или жидкие тела, соприкасающиеся с газовым объёмом, в котором происходит разряд. Особенно важна в этом отношении роль отрицательного электрода - катода, который часто служит мощным источником свободных электронов в разряде.

Дуговой разряд возникает в газе при достаточной силе тока в цепи. Возникший разряд концентрируется и стягивается определённым образом, отвечающим минимуму мощности для данной силы тока, чётко отграничивается от окружающей среды и протекает обычно при очень высоких плотностях тока.

На фиг. 8 схематически изображён дуговой разряд при атмосферном давлении, питаемый постоянным током. Между положительным электродом - анодом и отрицательным - катодом расположена наиболее важная часть дугового разряда - положительный столб, или просто столб дугового разряда, имеющий обычно кониче-

скую или сферическую форму. Газ столба ослепительно ярко светится и имеет очень высокую температуру, порядка 6000°. Столб окружён пламенем или ореолом дуги, имеющим значительны размеры. Пламя образуется парами и газами, поступающими из столба дуги, взаимодействующими химически с окружающей атмосферой и постепенно охлаждающимися по мере удаления от оси столба. Газ столба сильно ионизирован.

Основным фактором, вызывающим ионизацию, является высокая температура газа, поддерживаемая притоком энергии из питаю-, адей электрической цепи. В пламени, окружающем столб, температура и степень ионизации быстро падают по мере удаления от оси столба. Ионизация идёт главным образом по уравнению: нейтральная газовая мо-.лекула + энергия ионизации = положительный ион -Ьсвободный электрон.

Степень ионизации газа столба очень высока; сильно ионизированный газ столба, часто называемый электронной плазмой, обладает многими особыми свойствами; его электропроводность приближается к электропроводности металлов. Основаниями столба служат резко отграниченные области на поверхности электродов - электродные пятна. В дуге постоянного тока различают катодное пятно и анодное пятно. Плотность тока в пятнах может достигать нескольких тысяч ампер на 1 см. Электродные пятна выделяются ослепительной яркостью, значительно превышающей яркость столба и поверхности электрода за пределами пятна.

В тонком слое у поверхности пятен проходят важные процессы, связанные с образованием и нейтрализацией заряженных частиц, обусловленные переходом электрического тока из материала электрода в газовый промежуток и наоборот. Происходит преобразование большого количества электрической энергии разряда в тепловую энергию, нагревающую и расплавляющую основной металл, что и производит сварку. Удельная мощность, освобождаемая разрядом на поверхности пятен, очень высока и может достигать десятков киловатт на 1 см.

Катод разряда эмиттирует в объём положительного столба большое количество свободных электронов. Освобождение или эмиссия электронов на катоде может вызываться нагревом катода, причём плотность эмиссионного тока быстро растёт с повышением

Фиг. 8. Схема дугового разряда:

/ - катодное пятно; 2 - столб дугн; 3 - анодное пятно; 4 -пламя (ореол) дуги.

2 Зак. 383

температуры катода и для материалов катода, имеющих высокие-температуры плавления и кипения (уголь, вольфрам), электронная эмиссия нагретого катода, или термоэлектронная эмиссия, может до--Тигать очень высоких значений. Для железных и медных катодов-термоэлектронная эмиссия имеет меньшее значение, а для катодов из цинка, ртути и т. п. термоэлектронной эмиссией можно пренебрегать. В последнем случае решающее значение получает эмиссия холодного катода или автоэлектронная эмиссия, создаваемая появлением электрического поля очень высокой напряжённости, порядка 10 el см и выше, в тонком слое у поверхности катода. Другие факторы, вызывающие электронную эмиссию на катоде, r условиях сварочной дуги имеют второстепенное значение и в настоящей книге не рассматриваются.

Электронная эмиссия поглощает энергию и охлаждает катод. Подводит энергию к катоду и нагревает его главным o6pa30if бомбардировка положительными ионами, поступающими на поверхность катода из столба дуги. Общий баланс энергии на катоде-положителен, и в конечном счёте катод получает значительное количество энергии, нагревающей, плавящей и испаряющей материал А-йтода. В столбе дут процессы ионизации идут преимущественно-за счёт высокой температуры газа. В результате сложных процессов в газе столба, возникновения и нейтрализации заряженных частиц, устанавливается подвижное равновесие, характеризующееся тем, что в любом, не слишком малом, объёме столба алгебраическая сумма электрических зарядов заряженных частиц равна нулю. По. атому сильно ионизированный газ или электронная плазма столба дуги ведёт себя по отношению к окружающему пространству как: нейтральный газ.

Положительный электрод или анод дугового разряда бомбардируется электронами, поступающими из столба дуги. Электрон, падающий на анод, проникает в его объём и прекращает свое свободное существование, на поверхности анода электрон отдаёг потенциальную энергию, отвечающую работе выхода анодной поверхности, и кинетическую энергию, приобретенную в области анод-тго падения. Процесс электронной бомбартровки сообщает анод,у значительные количества энергии н интенсивно его разогревает.

Общее количество освобождающейся энергии на аноде обычно больше, чем на катоде, но возможно, и иногда наблюдается в сварочных дугах, и обратное соотношение.

Наивысшая температура наблюдается в осевой части столба дуги, в нормальной сварочной дуге максимальная температура достигает 6000°. На поверхностях эJIeктpoдoв в области электродных пятен температура обычно близка к температуре кипения материала: электродов. Напряжение дуги, т. . напряжение между концами её электродов, является сложной функцией длины дуги и силы ТОКд; в ней, а также существенно зависит от материала и размеров электродов, состава и давления газа и т. д. Опытная зависимость напряжения дуги от тока и её длины может быть выражена кривыми, имеющими форму, показанную на фиг. 9, а.