Глава первая

ОСОБЕННОСТИ СВАРОЧНЫХ ДУГ

1. Характеристики сварочных дуг

Согласно классификации, предложенной в работе [38], электрическая дуга как физический процесс протекания тока в газе относится к типу самостоятельных установившихся разрядов, у которых поле искажено объемными зарядами. Из всего многообразия электрических дуг можно выделить дугу высокого давления, важная характеристика которой — ква-зиизотермичность положительного столба. К этому типу дуг относится сварочная дуга, обладающая рядом отличительных особенностей. Это короткая дуга, у которой длина разрядного промежутка и поперечные размеры столба — величины одного порядка, обычно измеряемые несколькими миллиметрами. Величина тока в большинстве случаев равна нескольким сотням ампер и достигает иногда 1500—2000 А и более. Напряжение сварочной дуги вследствие малой ее длины и большого тока изменяется обычно в пределах 20—45 В. В пространстве между электродами, имеющем объем всего в несколько десятых долей кубического сантиметра, происходит преобразование в тепло электрической энергии мощностью 2—30 кВт 1198], в результате чего электроды сильно нагреваются, плавятся и испаряются. При этом в дуге, помимо потоков плазмы и пара, присутствуют потоки капель расплава электродов.

Электрическая сварочная дуга, как и другие виды самостоятельных установившихся разрядов, характеризуется резко неравномерным распределением потенциала между электродами. У них есть области скачков потенциала, обус-

ловленные нескомпенсированным пространственным зарядом (рис. 1). У катода эта область образуется электронами эмиссии и приходящими со столба положительными ионами. У анода скачок потенциала связан с избытком электронов, так как положительные ионы отталкиваются полем анода и не попадают непосредственно на его поверхность. Необходимо отметить, что эта упрощенная схема не отражает многообразия процессов, происходящих вблизи электродов, однако может облегчить их рассмотрение.

В соответствии с распределением потенциала в дуге различают три области: катодную, анодную и столб дуги. Наиболее полно разработана теория столба электрической дуги. Плазма столба ква-зиизотермична, т. е. в каждой малой области температура всех компонент плазмы почти одинакова. Внутри таких областей распределение частиц по скоростям максвелловское, распределение возбужденных частиц больцмановское, а ионизационное равновесие определяется уравнением Саха [38]. На основе этих представлений для сварочных дуг получены следующие уравнения:

1. Уравнение Саха для определения степени ионизации газа в столбе, уточненное К. К. Хреновым [210, 211],

-, а* „-Р = 3,2 • \0-2а2Т''' ехр (— и,/кТ), 1 — а2

где а- — отношение статистических весов иона £1 и нейтрального атома £0, а2 = 2^,-/^0. Значение с2 для различных элементов вычислено К- К- Хреновым. Для железа а2 = 12/5, для элементов