2.6.3. Анодная область

В сварочных дуговых процессах явления в анодной области Дуги играют исключительно важную роль, поскольку от них во многом зависят доля передаваемой аноду энергии дуги и соответственно характер нагрева и плавления основного металла. За ис­ключением специальных случаев, например сварка угольной ду­гой, анод не эмитирует положительных ионов. Поэтому анодный ток - чисто электронный и j =j_e.

Одним из важнейших интегральных параметров, характери­зующих функционирование анодной области дуги, принято счи­тать анодное падение потенциала U_а, которое может быть как по­ложительным, так и отрицательным. Его значение определяется в основном энергией, потребляемой для образования положитель­ных ионов в анодной области, и в большинстве случаев оно мень­ше катодного падения потенциала U_K. Для Ме-дуг U_a составляет 2...3 В. Д.М. Рабкиным получены значения U_a = 2,5 ± 0,5 В, не зависящие от тока, материала анода и состава атмосферы дуги.

По данным многочисленных наблюдений различают два ос­новных режима горения дуги на аноде: а) с контрагированным (сжатым) анодным пятном и б) с диффузной (распределенной по большой поверхности) зоной контакта дуги с анодом. Форма зоны контакта плазмы с поверхностью анода обусловлена действием ряда факторов, таких как ток дуги, давление, род плазмообразующего газа, скорость движения плазмы и т. д. Так, при низком давлении (р ≤ 10⁴ Па) переход от распределенной дуги к контрагированной наблюдается с увеличением тока, когда превышается неко­торое его значение, называемое критическим. В то же время при атмосферном давлении и выше переход от распределенной дуги к контрагированной наблюдается при уменьшении тока ниже неко­торого порогового значения.

При диффузной зоне контакта дуги с анодом (диффузной при­вязке) плотность тока на аноде либо сравнима, либо меньше плот­ности тока в столбе дуги. В этом режиме не требуется увеличения тока в анодной области дуги, даже, наоборот, иногда может воз­никнуть необходимость в уменьшении электронного тока. В дан­ном случае анод под действием потока электронов может прини­мать отрицательный заряд и начинает тормозить избыточные элек­троны из столба дуги. Поэтому в режиме с диффузной привязкой U_a принимает значения от отрицательного до положительного, обеспечивающие вытягивание необходимого потока электронов из плазмы.

При контрагированной дуге плотность тока на аноде заметно выше, чем в плазме столба дуги. В этом случае происходит как бы ионизационное усиление тока в анодном слое, что возможно при дополнительном вкладе энергии в поток электронов. Поскольку электроны получают энергию от электрического поля, можно счи­тать, что ионизационное усиление тока происходит при положи­тельном анодном падении потенциала U_a. Так, для дуги с неплавящимся катодом в среде аргона при переходе в контрагирован-ную форму дуги U_a возрастает до 7 В. Для контрагированных дуг в молекулярных газах (азоте и воздухе) U_a может достигать 12 В. Создание условий для перехода от распределенной дуги к контра­гированной может рассматриваться в качестве одного из способов повышения удельных тепловых потоков на поверхность анода, т. е. повышения проплавляющей способности при дуговой сварке.