Достигать нескольких тысяЧ градусов, а ее градиент

= 10 К/см. При этом тепловой поток в сторону катода достигает значительной величины, определяемой уравнением

Q,~riF,. (2-7)

Как и в анодной области, стационарное состояние газа у катода возможно при соблюдении баланса его энергии:

= (2-8)

В уравнениях (2-7), (2-8) обозначает площадь катодной области, через которую проходит ток дуги, и равную ей площадь активного пятна на катоде. В слое газа, непосредственно примыкающем к катоду и имеющем сравнительно низкую температуру, термическая ионизация практически невозможна. Поэтому электрический ток через него переносится главным образом ионами, движущимися из ионизационного пространства к катоду. Ионы создают здесь объемный положительный заряд значительной плотности.

Расчеты показывают, что электроны, обладающие весьма высокой по сравнению с ионами подвижностью, практически не влияют на плотность объемного заряда у катода, даже если их ток составляет половину общего тока дуги. С учетом объемного заряда у катода, определяемой им напряженности поля и плотности тока, полученной из уравнения (2-8) баланса энергии катодной области, получают выражение для катодного падения напряжения

= 2,3.10-1;;. (2-9)

к /

где bi - подвижность ионов; -плотность тока в катодной области.

В катодной области почти всегда наблюдается сужение электропроводного газового канала. Это можно рассматривать как результат малой взаимной зависимости процессов, определяющих плотности токов в столбе и катодной области. Поэтому для катод-

ной области отношение ,р , входящее в уравнение (2-9), не

является постоянным и существенно зависит от разности температур в ее пределах. В связи с этим по мере роста потенциала. ионизации газа столба увеличиваются температура и разность AT = Т - Т, поскольку температура активного пятна ограничена температурой кипения катода и остается постоянной. В соответствии с уравнением (2-9) это приводит, при прочих равных условиях, к увеличению напряжения катодной области.

Зависимость от Ui, вычисленная по уравнению (2-9), хорошо подтверждается экспериментом (см. рис. 2-2).

Из приведенных уравнений следует, что при высоких температурах кипения катода разность температур AT = - и напряжение катодной области должны быть сравнительно низкими. Действительно, при прочих равных условиях напряжение у вольфрамового катода составляет 8-9 В, у алюминиевого 17- 18 В. Подтверждается также зависимость катодного напряжения от теплопроводности газа. В дугах, горящих в струе гелия, обладающего высокой теплопроводностью, катодное и анодное напряжения выше, чем в аргоне, теплопроводность которого сравнительно невелика. Эти падения выше в парах алюминия и ниже в парах железа в полном соответствии с их теплопроводностью.

При любом механизме протекающих в катодной области процессов она поставляет в столб электроны с потенциальной энергией, близкой к нулю. На переход каждого электрона из катода в столб затрачивается работа выхода ф (эВ) или U, а при силе тока дуги /д - мощность IJJ. Поэтому результирующая мощность, получаемая катодом.

Она затрачивается на нагрев и плавление катода; чем больше катодное напряжение дуги f/j, тем интенсивнее плавится катод. Выше показано (см. рис. 2-2), что возрастает с ростом потенциала ионизации дугового газа. Поэтому введение в дугу легко ионизирующихся элементов, снижающих t/ всегда приводит к уменьшению как скорости плавления катода, так и эффективности сварочного процесса. Опыт показывает, что повышение коэффициента теплопроводности газа в катодной области приводит к росту скорости плавления катода.

В дуге со стальным катодом, горящей в воздухе, = 14 В, f/g = 4,36 В, поэтому мощность, передаваемая катоду каждым ампером тока,

= (14 - 4,36) = 9,64 Вт/А.

Этой мощности достаточно для плавления 17,4 г/А-ч стали. Фактически расплавляется 14,5 г/А-ч и около 2 Вт/А затрачивается на испарение катода.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Проводники, подобные дуге, называются нелинейными, и их характеризуют статические вольт-амперные характеристики (в. а. х.), представляющие зависимость напряжения на них от тока в установившихся режимах. Поскольку f/ = f/ -f f/. -f EL, то из уравнений (2-2), (2-6) и (2-9) следует

/, = ЛАГ . + 5 + -/,.

Здесь Л, S и С объединяют все постоянные, входящие в соответствующие уравнения.

При малых токах тепловые потоки от приэлектродных областей к активным пятнам электродов невелики ,и последние не могут быть разогреты до температуры кипения. Поэтому разность температур и, следовательно, напряжения в этих областях при малых токах значительны. Велико при этом и падение напряжения в столбе. В этих условиях дуга характеризуется высоким напряжением горения.

По мере роста силы тока разогрев электродов увеличивается, разности температур в приэлектродных областях, а также напряжение столба уменьшаются. В итоге общее напряжение дуги с увеличением силы тока уменьшается и вольт-амперная характеристика становится падающей. Однако при некотором значении тока катодное пятно дуги занимает весь торец электрода и дальнейшее его увеличение становится невозможным. Увеличение силы тока дуги после этого происходит не за счет увеличения площади проводящего канала у катода, а вследствие увеличения концентрации зарядов в нем. Последнее происходит при повышении температуры канала и, следовательно, увеличении разности температур в катодной области. В итоге увеличивается катодное напряжение и характеристика дуги становится сначала независимой, затем возрастающей. Чем меньше диаметр электрода, тем при меньших силах тока падающая характеристика дуги становится независимой и затем возрастающей. Две такие характеристики для горящих в воздухе дуг длиной 1 = Ь им со стальными электродами диаметром 2 и 4 мм показаны на рис. 2-3.

Газовые потоки в дуге. Мощные потоки ионизированного газа с преимущественным направлением вдоль оси обнаружены экспериментально во всех дугах. Как правило, они появляются при токах выше 50 А по истечении не более 10 с после возбуждения дуги. Их скорости в сварочной дуге со стальными электродами достигают 75-150 м/с. Потоки обладают значительной тепловой мощностью и влияют на баланс энергии всех областей дуги. Так, по измерениям Н. Н. Рыкалина, И. Д. Кулагина и А. В. Николаева, при силе тока свыше 300 А мощность, передаваемая потоком газа свариваемому изделию, составляет 40% получаемой через активное пятно дуги.

Газовые потоки оказывают также силовое воздействие на электроды, определяя при сварке глубину проплавления и высоту валика Потоки сообщают жесткость дуге вблизи электродов, поддерживая направление столба перпендикулярно поверхности активных пятен. Причинами возникновения потоков являются сжатие плазмы столба собственным магнитным полем (пинч-эффект) и испарение электродов.

В столбе дуги действует магнитное поле с концентрическими линиями индукции, как вокруг всякого линейного проводника (рис. 2-4). Поскольку ток dl в различных элементах столба протекает почти перпендикулярно индукции поля В, на них действует сила Ампера df, направленная к центру столба и вызывающая