Общая характеристика дугового разряда

Явления прохождения электрического тока через газы получили название электрических (газовых) разрядов. Существуют различные формы электрического разряда, отличающиеся друг от друга величиной разрядного тока, напряжением, температурой и давлением газа. Заряды могут быть устойчивые и неустойчивые (например, искровые). Строгой количественной границы между разрядами нет, один вид разряда может переходить в другой. Основные виды разрядов: темный, тлеющий, дуговой, искровой, коронный. Дуговой разряд – это высшая форма разряда, которая отличается от других форм разряда своими физическими свойствами. Так, тлеющий разряд имеет следующие параметры:

  • давление – несколько тор (мм рт. ст.);
  • плотность тока на катоде – (10-3-10-2) А/мм2;
  • напряжение – (200-300) В;
  • катодное падение напряжения ~ 100 В.

 

Физические свойства дугового разряда:

  • давление до 1 атм. и выше;
  • плотность тока на катоде – до 108 А/мм2;
  • малая длина дуги – до 20-30 мм;
  • низкое напряжение дуги – (12¸50) В;
  • высокая температура столба дуги – (от 5 до 30)103 К;
  • ослепительная яркость (ввиду рекомбинации заряженных частиц с выделением световой энергии);
  • высокая концентрация заряженных частиц в катодной области разряда.

Название «дуга» он получил за форму ярко светящегося шнура (столба) разряда, который в первых опытах со слаботочными разрядами изгибался вверх серповидной дужкой под действием восходящих конвективных потоков нагретого разрядом воздуха. Хотя в большинстве случаев, например между вертикальными электродами в ограниченном замкнутом пространстве, аналогичный разряд не имеет дугообразной формы, первоначальное его название сохранилось.

Дуговые разряды широко используются в технике. Они являются источниками света для прожекторов и кинопроекционной аппаратуры, в специальных лампах сверхвысокого давления CBD (до 100 ат). Дуга используется в газотронах, тиратронах, ртутных выпрямителях для выпрямления тока и управления его силой и т.д. Весьма широкое применение электрическая дуга получила в металлургии и сварочной технике для нагрева и плавления металлов.

Термин «дуга» применяется только к устойчивым или квазиустойчивым видам разрядов. Дугой принято считать конечную форму разряда, развившегося при любых обстоятельствах, если через газ проходит достаточно большой ток. Такой разряд можно получить различными путями: из какого-либо устойчивого маломощного разряда; из неустойчивого искрового разряда или раздвигая два токонесущих, предварительно соприкасающихся электрода.

Приоритет в открытии дугового разряда принадлежит академику Василию Владимировичу Петрову – 1802 г. Он сказал о возможности использования дугового разряда для плавления металлов. Дугой назвал это явление англичанин Гэмфи Дэви, который независимо от Петрова В. В. исследовал это явление в 1808-1810 г.

История развития техники во второй половине XIX века примечательна разработкой путей практического использования электричества, в т. ч. для целей нагрева и плавления металла. В мае 1981 года весь мир по решению ЮНЕСКО отмечал важнейшую памятную дату – 100-летие со дня создания промышленного способа электрической дуговой сварки металлов русским изобретателем Николаем Николаевичем Бенардосом.

ГОСТ 19521 насчитывает 35 технологических разновидностей дугового разряда.  В качестве технологических признаков дуги стандартом определены: вид электрода, характер воздействия на основной металл, род применяемого тока, наличие внешнего воздействия на формирование шва, количества электродов с общим токоподводом сварочного тока, наличие и направление колебаний электрода относительно оси шва, количество дуг с раздельным питанием током и др. Остановимся на наиболее существенных из них.

Сварка может осуществляться как плавящимся, так и неплавящимся электродом. В качестве неплавящегося электрода чаще всего используют графит или металлы с высокой температурой плавления – молибден, тантал, вольфрам и др. Питание дуги может быть переменным или постоянным током, а также комбинированным способом. При переменном токе частота может быть не только 50 Гц, но и повышенная. Сварка может быть дугой прямого и косвенного действия (рис. 13). При сварке дугой прямого действия свариваемые детали включены в сварочную цепь, их нагрев осуществляется за счет энергии заряженных частиц, достигающих активного пятна. При сварке дугой косвенного действия свариваемые детали не включены в сварочную цепь, их нагрев осуществляется за счет теплопередачи (в основном лучистой) от столба дуги.

 

Степень ионизации газа в дуге находится в пределах до нескольких процентов. Это считается высокой степенью ионизации, т. к. при степени ионизации более 0,01% газ находится в плазменном состоянии при температуре более 3000 К. Это низкотемпературная плазма.

При ручной дуговой сварке плотность тока составляет (10-15) А/мм2, при сварке плавящимся электродом в защитных газах до 400 А/мм2. Эти величины значительно меньше названной выше величины плотности тока на катоде до 108 А/мм2, т. к. на практике плотность тока определяют его отношением к поперечной площади электрода, а при изучении физических свойств разряда – отношением величины тока к площади катодных ячеек торца электрода. Площадь этих ячеек значительно меньше площади электрода и определяется по результатам скоростной киносъемки процесса.

В физике принято называть электродом любой предмет, к которому подсоединен проводник от источника тока. В сварке принято называть электродом – проволочный электрод, а плоский электрод – изделием. При сварке на постоянном токе различают прямую и обратную полярность. При прямой полярности катодом является электрод, при обратной полярности – изделие. Сварку на прямой полярности используют в меньшей степени, например, при сварке неплавящимся электродом в инертных газах сталей. Чаще всего сварку на постоянном токе  выполняют на обратной полярности.

Состав газовой фазы может быть различным – воздух, защитные газы, пары металлов и компонентов флюса или электродного покрытия. Давление газа – от вакуума (не ниже 50 тор) до нескольких атмосфер.

Электрические разряды бывают самостоятельные и несамостоятельные. При самостоятельных разрядах необходимые для существования разряда заряженные частицы образуются за счет процессов, происходящих в самом разряде. Дуга является самостоятельным разрядом. Электрические частицы – электроны и ионы образуются за счет процессов эмиссии и ионизации. На образование других видов частиц энергии дуги недостаточно.