Процесс зажигания дуги при сварке плавя­щимся электродом начинается с короткого замыкания электрода с основным металлом.

Из-за шероховатости поверхности электродов касание при коротком замыкании происходит отдельными высту­пающими участками, которые под действием выделяю­щейся теплоты мгновенно расплавляются, образуя жидкую перемычку между основным металлом и электродом. При отводе электрода жидкая перемычка растягивается, сечение ее уменьшается, сопротивление и температура возрастают. В момент достижения расплавленным метал­лом перемычки температуры кипения в легко ионизирую­щихся парах металла возникает дуга. Процесс возникно­вения и развития дуги длится доли секунды. При сварке неплавящимся электродом происходят те же процессы, но жидкая перемычка образуется за счет плавления только основного металла Очень часто зажигание дуги осуществ­ляется без замыкания электродов: за счет повышенного напряжения между ними. В этом случае применяются осцилляторы, являющиеся источником вспомогательного тока высокого напряжения и частоты.

В силу различной природы физических явлений в ка­тодной, анодной области и столбе дуги дуговой промежу­ток обычно разделяют на область, примыкающую к катоду, называемую катодной, примыкающую к аноду — анод­ной областью, а промежуток между ними — столбом дуги (рис. 16). На поверхности катода и анода образуются катодные и анодные активные пятна, через которые про­ходит весь ток сварочной дуги и поэтому они наиболее нагреты. Высокая температура катодного пятна является непременным условием существования дугового разряда.

Рассмотрим основные физические процессы, проте­кающие на участках дуги.

В катодной области из катодного пятна происходит эмиссия электронов, которые, ускоряясь электрическим полем в области катодного падения напряжения, попа-

*

дают в столб дуги. Сталкиваясь в столбе дуги с нейтраль­ными частицами, электроны их ионизируют

е + Л° — Л+ + 2емедл, (6)

в результате получаются два медленных электрона и положительный ион.

Положительные ионы, обладая положительным заря­дом, движутся к катодному пятну. Если предположить, что каждый эмиттированный катодным пятном электрон ионизирует однократно нейтральную частицу, то коли-

Рис. 16. Схема сварочной дуги: а — перенос зарядов; 6 — падение напряжения (Uд — падение напряжения на дуге; UK — падение нап­ряжения в катодной области; Uст — падение напряжения в столбе дуги; Ua — падение напряжения в анодной об­ласти)

чество ионов будет равно количеству электронов. Но из-за большой массы ионов скорость их движения в катодной области будет меньше, чем электронов, и в каждый дан­ный момент времени положительный заряд всех ионов будет больше отрицательного заряда электронов. В об­ласти катодного падения напряжения создается избыточ­ный объемный положительный заряд, возникновение ко­торого в прикатодной области и создает в ней повышенную напряженность электрического поля. В катодной области на длине около 10-5 см сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением на­пряжения UK.

В анодной области около анодного пятна на участке, равном длине свободного пробега электрона, наблюдается резкое падение напряжения, так называемое анодное падение напряжения £/а, вызванное наличием большего некомпенсированного объемного отрицательного заряда. Это имеет место вследствие того, что электроны, возник-

2 Думов С. И.

шиє в столбе дуги на расстоянии от анода, равном или меньшем длины их свободного пробега в направлении электрического ноля, направляются непосредственно на анод. Па этом участке дуги почти отсутствует ионизация п нет положительных ионов, заряд которых мог бы ком­пенсировать заряд электронов. Поэтому электроны, про­ходя анодную область, резко увеличивают скорость своего движения п, попадая па анодное пятно, тормозятся и централизуются. При торможении электронов выде­ляется вся приобретенная ими в области анодного падения напряжения кинетическая энергия, а нейтрализация со­провождается выделением энергии, равной работе выхода.

В результате выделения электронами энергии темпе­ратура электрода в анодном пятне близка к температуре кипения материала анода.

Столб дуги (плазма) — область, расположенная между катодным и анодным падением напряжения. Атмосфера столба дуги представляет собой смесь электронов, поло­жительных ионов (в некоторых случаях отрицательных ионов), а также нейтральных атомов.

Столб дуги в целом не имеет заряда. Он нейтрален. В каждом данном сечении столба дуги одновременно находятся равные количества заряженных частиц проти­воположных знаков.

Установлено, что градиент падения напряжения в стол­бе дуги постоянен, и при дуговой сварке электродами из ннзкоуглеродистой стали колеблется в пределах 20— 40 В/см. Падение напряжения в столбе дуги пропорцио­нально его длине:

Uд — UкUaUСТ;
Ua = а -- Ы,

где а — сумма падения напряжения в прикатодной и прианодиой области; b — падение напряжения на единицу столба дуги, В/мм; / — длина столба дуги, мм.

Энергия, необходимая для поддержания постоянства дугового промежутка, поступает от источника питания дуги.

Температура столба дуги зависит от эффективного потенциала ионизации газов, заполняющих дуговой про­межуток, напряженности поля, плотности тока в элек­троде, полярности и др. При равном токе и напряженности поля температура изменяется пропорционально изме­нению эффективного потенциала ионизации. Для прнбли-
жекных подсчетов температуры дугового промежутка в зависимости только от эффективного потенциала иони­зации можно пользоваться уравнением Хренова

7СТ = 810£/и. Эф. (9)

Здесь 7СТ—температура столба дуги, К; Uu. эф —эф­фективный потенциал ионизации, В.

Температура столба дуги по его сечению неодинакова. Наибольшую температуру имеет центральная часть столба дуги. Увеличение плотности тока приводит к увеличению температуры столба дуги. Так, при сварке под флюсом переменным током 450 А при диаметре электрода 5 мм температура столба дуги составляет 6000 К, а при диаметре электрода 2 мм — 7800 К.