Возбуждение дуги и ее зоны

Возбуждение дугового разряда возможно четырьмя основными способами:

1) при переходе из устойчивого маломощного разряда, например, тлеющего;

2) созданием высокоионизированного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство, в большинстве случаев с помощью третьего электрода;

3) при переходе из неустойчивого искрового разряда путем подачи импульса высокой частоты или высокого напряжения;

4) посредством контакта и последующего размыкания токонесущих электродов.

При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а при вольфрамовом электроде - высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с помощью конденсатора. Угольную дугу возбуждают чаще всего, используя третий электрод.

В самостоятельном разряде, начиная с токов выше нескольких микроампер, наблюдается неравномерное распределение электрического поля в межэлектродном пространстве, состоящем из трех зон (рис. 2): катодной 1, анодной 2 и столба разряда 3.

Рис. 2. Зоны дугового разряда

На электродах часто наблюдают пятна - анодное А и катодное К. Скачки потенциала U_k и U_а обусловлены скоплениями пространственного заряда (рис. 2.8) и повышенным сопротивлением этих зон по сравнению со столбом. В длинной дуге можно отчетливо различить три указанные выше области, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и анодной зонах.

В газовом промежутке между двумя электродами заряженные частицы могут возникнуть во всех трех зонах, но главным образом они появляются в результате процессов эмиссии на катоде и объемной ионизации в столбе дуги. В связи с ограниченностью эмиссии электронов столб дуги (как и любой проводник) вдали от катода сохраняет по отношению к нему положительный потенциал, поэтому часто его называют положительным столбом. В то же время не следует забывать, что плазма столба обычно квазинейтральна.

Вольтамперная характеристика дуги. Для газового разряда сопротивление не является постоянным R¹const, так как количество заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от тока. Поэтому электрический ток в газах не подчиняется закону Ома и вольтамперная характеристика разряда для газов является обычной нелинейной.

В зависимости от плотности тока вольтамперная характеристика дуги может становиться падающей, пологой и возрастающей (рис. 2.9). В первой области, при малых токах, примерно до100 А, и свободной дуге, с увеличением тока I_Д интенсивно возрастает число заряженных частиц главным образом за счет разогрева и роста эмиссии катода, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается и падает потребное для поддержания разряда напряжение U_Д ; характеристика дуги является падающей.

Рис. 2.9. Вольтамперные характеристики сварочных дуг.

Во второй области, при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродов, столб дуги несколько сжимается, и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги становится мало зависящим от тока, а характеристика - пологой. Первые две области токов охватывают дуги с так называемым отрицательным электрическим сопротивлением. Падающая и пологая характеристики типичны для дуги при ручной дуговой (ДР) и газоэлектрической (ГЭ) сварке, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).

Сварка на высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы отвечают третьей области режимов дуги. Они характеризуются сильным сжатием столба дуги, а вольтамперная кривая здесь - возрастающая, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.

В сильноточных сжатых дугах ионизация газа в столбе может достигать значений, близких к 100%, а термоэмиссионная способность катода исчерпана. В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным: R=const. Высокоионизированная сжатая плазма по своим свойствам близка к омическому, линейному сопротивлению, типичному для металлических проводников. Закон Ома вновь становится справедливым в его обычном виде U=IR.