Электрическая сварочная дуга

Дуговой разряд происходит тогда, когда через газ проходит электрический ток. Он является одним из нескольких видов электрических разрядов, которые могут возникать в газовой среде. Ученые утверждают, что именно он является самой развитой, наивысшей формой стационарных газовых разрядов.

В условиях низких температур окружающей среды газы совершенно не проводят электрический ток и являются изоляторами. В проводники они превращаются только тогда, когда в них появляется значительное количество положительно или отрицательно заряженных частиц, называемых в физике ионами.

Они образуются в газовых средах в ходе протекания в них такого процесса, как ионизация. Соответственно, газ, в котором имеются положительно или отрицательно заряженные частицы, именуется ионизированным, и он обладает способностью к проведению электрического тока. Факторов, которые оказывают влияние на ионизацию газовых сред, существует немало. Особенно важно, что ионизировать газовые среды можно с помощью электрического тока, который через них пропускается. В таких случаях электропроводность газов и степень их ионизации определяется проходящим через них током.

Для ионизированных газовых сред такое понятие, как электрическое сопротивление, полностью теряет свое практическое значение, поскольку оно может иметь абсолютно любую величину, от бесконечно большой до бесконечно малой. Соответственно, зависимость между приложенным к некоторому газовому промежутку напряжением и величиной возникающего в нем при этом электрического тока отсутствует. Именно по этой причине для дугового разряда, возникающего в ионизированной газовой среде, не имеет никакого смысла вопрос, какова именно будет величина тока при том или ином напряжении: она может принимать самые разные значения в зависимости от того, какие именно параметры имеет питающая цепь.

В газовых средах в качестве источников заряженных частиц могут выступать непосредственно сами молекулы газа. Когда к ним подводится достаточно большое количество энергии, они могут ионизироваться, то есть образовывать электрически заряженные частицы. В физике такой способ называется объемной ионизацией или ионизацией в объеме.

В качестве источника заряженных частиц могут выступать также жидкие или твердые тела, входящие в соприкосновение с тем газовым объемом, в котором протекает электрический разряд. Следует заметить, что при этом особенно важную роль играет катод (отрицательно заряженный электрод), поскольку именно он в подавляющем большинстве случаев является тем источником, из которого свободные электроны попадают в разряд.

Для того чтобы в газовой среде возник электрический разряд, необходимо наличие целого ряда условий. Одним из важнейших из них является достаточная сила тока в цепи. Тот разряд, который возникает, определенным образом стягивается и концентрируется. Он отвечает минимальным параметрам мощности при имеющейся силе тока, протекает в большинстве случаев в условиях очень высокой плотности, а также достаточно четко ограничивается в окружающей его среде.

Если рассматривать дуговой разряд схематически, то он состоит из таких основных элементов, как катодное и анодное пятна, пламя дуги и столб дуги.

Самой важной с практической точки зрения частью дугового разряда является положительный столб (часто его именуют просто столбом). Располагается он между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) и чаще всего имеет или коническую, или сферическую форму. Ионизированный газ положительного столба светится очень ярко, к тому же он имеет чрезвычайно высокую температуру (около +6000°С). Положительный столб окружен ореолом дуги (пламенем), который имеет достаточно значительные размеры. Это пламя образуется газами и парами, которые поступают из столба дуги. Они вступают во взаимодействие с окружающей средой, и охлаждаются по мере того, как удаляются от оси столба. Степень ионизации газа столба очень велика.

У самых поверхностей пятен, в тонких прилегающих к ним слоях газа происходит несколько важных процессов, которые связаны с образованием и нейтрализацией положительно и отрицательно заряженных частиц, а также с переходом электрического тока по направлению из электродов в газовые промежутки и обратно. В этих зонах осуществляется преобразование большого количества электрической энергии в энергию тепловую. Именно она разогревает и расплавляет основной металл, благодаря чему и происходит процесс сварки. Необходимо отметить большую величину освобождаемой на поверхностях пятен удельной мощности: она может достигать нескольких десятков киловатт на один квадратный сантиметр площади.

Бомбардировка катода и анода производится поступающими из столба дуги электронами. Те из них, которые падают на анод, отдают ему потенциальную и кинетическую энергию, и прекращают свое свободное существование. Таким образом, именно благодаря процессу электронной бомбардировки анод получает большое количество энергии и поэтому разогревается до высокой температуры. В большинстве случаев количество энергии, которая освобождается на аноде, больше, чем то, которое освобождается на катоде, но иногда встречается и обратное соотношение.