Раздел II. ИСТОЧНИКИ НАГРЕВА ПРИ СВАРКЕ

НАЗАД: 2.2.1. Общая характеристика дугового разряда

2.2.2. Физические процессы в различных зонах электрической дуги

Экспериментальные исследования установили неравномерное распределение напряжения в различных зонах дуги (рис. 14), что является следствием специфики явлений, протекающих в этих зонах.

Рис.14. Электрические свойства сварочной дуги

Катодная область

С поверхности катода происходит эмиссия (вырыв) электронов. Для этого необходимо затратить энергию, которая называется работой выхода – φ_э. Работа выхода равна произведению заряда электрона на потенциал выхода:

φ_э = еU_в, эВ. (2.1)

Каждый отдельный элемент имеет свое значение потенциала выхода:

Элемент	К	Na	Ca	Al	Fe	C	W
Потенциал выхода Uв, В	2,0-0,5	2,1-1,8	3,3-1,7	4,0-1,8	4,8-3,9	4,8-4,3	5,4-4,3

Наибольшие значения соответствуют чистым металлам, наименьшие – металлам, имеющим на своей поверхности окислы. Существуют несколько способов сообщения энергии электрону, необходимую ему для вырыва с поверхности катода. Поэтому различают следующие виды эмиссии: термоэлектронную, автоэлектронную, фотоэлектронную и вторичную под действием энергии движущихся частиц, бомбардирующих поверхность катода. В дуге преобладают первые два вида эмиссии. Прежде всего действует термоэлектронная эмиссия, когда энергия колебательных движений электрона под действием нагрева превысит работу выхода, т. е. будет выполнено следующее условие:

, (2.2)

где m_э – масса электрона, V_э – скорость его тепловых колебаний.

Плотность тока в результате термоэлектронной эмиссии определяется уравнением Ричардсона – Дешмана:

i=AT²e^-B/T , (2.3)

где i – плотность тока на катоде, А/см²; А – постоянная Ричардсона, теоретически равная 120 А/см²К², практически имеющая меньшее значение;

В = φ_э/К = еU_в/К;

где К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура поверхности катода.

Протяженность катодной области L_к = 10^-4 – 10^-5 см, это соответствует свободному пробегу электрона l_S. Поэтому эмитированный электрон, устремляющийся к аноду, проходит это расстояние без соударения с нейтральными частицами. Лишь на границе катодной области и столба дуги в результате его соударения с нейтральными атомами происходит ионизация соударением. Образовавшиеся положительные ионы устремляются к катоду. Так как масса иона на несколько порядков выше массы электрона, то скорость передвижения ионов значительно меньше, чем электронов. Поэтому вся катодная область будет заполнена положительными ионами. Создается объемный положительный заряд – катодное падение напряжения U_к. Величина его зависит, прежде всего, от материала катода и колеблется в пределах от 10 до 20 В. Под действием этого заряда у поверхности катода создается напряженность электрического поля Е_к = U_к/L_к порядка 2·10⁶ В/см. Это приводит к появлению второго вида эмиссии – автоэлектронной, называемой еще эмиссией с холодного катода или электростатической эмиссией. Так как катод всегда имеет какую-то температуру, то одновременно протекают как термо-, так и автоэлектронная эмиссии.

Плотность тока у поверхности катода в результате термоавтоэлектронной эмиссии определяется уравнением:

(2.4)

где Δφ – поправка Шоттки на наличие электростатического поля,

Δφ = 3,8·10^-4 Е

Под действием электрического поля у поверхности катода происходит также ускорение электронов, накопление ими энергии, достаточной для ионизации соударением.

Ток в катодной области проводится как электронами, так и ионами. Доля электронного тока f определяется уравнением:

(2.5)

где U_н – потенциал нейтрализации иона – U_н = U_и – U_в,

U_u – потенциал ионизации элемента, В.

Расчеты показывают, что доля электронного больше, чем ионного. Достигая поверхности катода, положительные ионы тормозятся, т. е. отдают свою кинетическую энергию, и нейтрализуются - отдают энергию, затраченную на ионизацию.

У поверхности катода возникает катодный плазменный поток. Его появление связано с испарением материала катода и силами сжатия, вызываемыми собственным магнитным полем дуги (пинч-эффектом). Поэтому в области сужения дуги (т. е. проводника) возникает градиент давления, направленный от катода перпендикулярно его поверхности, что и приводит к появлению газовой струи.

Газ всасывается в струю из области вокруг катодного пятна и прогоняется по направлению к столбу дуги, захватывая пары материала катода. Явление засасывания газа содействует стабилизации дуги и в значительной мере определяет состав газа столба дуги. Силы сжатия и давления пропорциональны квадрату тока. Скорость плазменного катодного потока достигает до 10³м/с, между стальными электродами – до (75-150) м/с.

Столб дуги

На границе катодной области и столба дуги происходит 50 % актов ионизации соударением. На длине двух свободных пробегов электрона – 75%, а на длине 5,5λs – 90 %. Соударение частиц могут быть упругими и неупругими. При упругом соударении максимальная доля выделенной энергии от запасенной не превышает 2·10^-3 %. Частицы лишь несколько изменяют траекторию своего движения. При неупругом соударении максимально выделенная энергия определяется уравнением:

(2.6)

где m₁ – масса ударяемой частицы, m₂ – масса ударяющей частицы, Т₂ – начальная кинетическая энергия ударяющей частицы.

Если m₁ – нейтральный атом, а m₂ – электрон, то тогда m₂<< m₁, поэтому U_max = Т₂. Следовательно, электрон на ионизацию может отдать всю свою кинетическую энергию. Если m₂ – ион, то m₂ = m₁, поэтому U_max = Т₂/2. Ион на ионизацию способен отдать только половину своей кинетической энергии. В процессе своего движения к аноду электрон способен совершить несколько актов ионизации. Образуется лавина электронов, устремленная к аноду со скоростью около 140 м/с. При этом электроны вычерчивают молниеносные зигзаги со скоростью около 500 км/с. Продвинувшись всего на один см, электрон совершит зигзаг около 40 м и заденет при этом примерно 50·10⁶ атомов газа. Для ионизации надо затратить работу, называемую работой ионизации φ_u = еU_u, где U_u – потенциал ионизации. Значение потенциала ионизации для некоторых элементов приведены в таблице на рис. 15. Следует отметить, что потенциалы ионизации у паров металлов меньше, чем у газов.

Элемент	Cs	Rb	K	Na	Ca	Fe	C	O	N	Ar	He
Потенциал ионизации Uи, В	3,9	4,2	4,3	5,1	6,1	7,8	11,2	13,6	14,5	15,7	24,5

Рис.15. Изменение эффективного потенциала ионизации для смеси паров K и Fе

В столбе дуги одновременно с ионизацией происходит рекомбинация (деионизация), т. е. переход электрических заряженных частиц в электрически нейтральное состояние: А⁺ + е = А⁰. Этот процесс сопровождается выделением энергии в виде излучения. Выделившаяся энергия увеличивает температуру газа в столбе дуги. Тепловые колебания нейтральных и возбужденных частиц увеличиваются. При их столкновении возможна ионизация, называемая термической. Для ионизации термическим путем необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц Е_к превысила работу ионизации φ_u. Кинетическая энергия частиц определяется уравнением:

Е_к = 3/2 кТ; (2.7)

где к – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

Расчеты показывают, что 100% ионизация азота возможна при температуре 113·10³ К. В объеме газа возможна лишь частичная ионизация, оцениваемая степенью ионизации Х. Индийский ученый М. Саха в 1921 г. вывел уравнение для определения степени термической ионизации:

c = 1,55 · 10^-2 а · р^-0,5 · Т^1,25 ехр (-5800 U_u/Т), (2.8)

где а – квантовый коэффициент, имеющий значение от единицы до двух; Т – абсолютная температура; р – давление газа (мм рт. ст.); U_u – потенциал ионизации.

В межэлектродном пространстве ионизационное равновесие между ионизацией и деионизацией устанавливается за время порядка 10^-7с. Расчеты дают следующие значения степени ионизации некоторых элементов при давлении газа 1 атм и температуре 6000 К:

Элемент	K	Ca	Al	Ti	Mn	Fe	O	N
Степень ионизации, c	0,4	0,15	0,1	0,05	0,04	0,02	<<0,01	<<0,01

Так как в столбе дуги газовая фаза представляет смесь газов и паров различных элементов, то Фроловым В. В. предложено понятие эффективного потенциала ионизации газовой смеси, определяемое уравнением:

U_эф = (–Т/5800) · ln , (2.9)

где γ_i = n_i/n = p_i/p – концентрация компонента в смеси, выраженная через количество атомов или парциальное давление;

Т – абсолютная температура, К;

U_i – потенциал ионизации i-го компонента.

Низкие значения температуры кипения и потенциала ионизации щелочных и щелочно-земельных элементов позволяют резко снизить эффективный потенциал ионизации даже при небольшом содержании этих элементов в сварочных материалах (рис. 15). Температура столба дуги составляет при ручной дуговой сварке и сварке под флюсом Т = 1100 U_эф, а при сварке вольфрамовым электродом Т = 1000 U_эф.

Температура столба дуги составляет (5¸10)10³ К. Газ находится в плазменном состоянии. Так как c<<1 (в дуге c £ 0,01¸0,02), то это низкотемпературная плазма. В столбе дуги основными носителями тока являются электроны. Роль ионов в основном сводится к тому, чтобы, притягивая электроны, препятствовать их утечки из столба дуги.

Пространственный заряд равен нулю. На поддержание электропроводности столба дуги, компенсацию его охлаждения расходуется часть напряжения дуги – U_ст:

U_ст = L_ст × Е_ст,

где L_ст – длина столба дуги, за которую можно принять общую длину дуги,

Е_ст – градиент падения напряжения на единицу длины столба дуги. Е_ст = (1¸5) В/мм.

Анодная область

Протяженность анодной области равна свободному пробегу электрона. Поэтому актов ионизации соударением здесь не будет. Ток проводится только электронами. У поверхности анода создается некомпенсированный объемный отрицательный заряд. Его величина U_а составляет от 2 до 5 В. Достигая поверхности анода, электроны отдают свою кинетическую энергию и энергию, затраченную на эмиссию. С анода действует анодный плазменный поток.

Распределение энергии по активным пятнам дуги

Энергетический баланс на катоде можно выразить уравнением:

W_к + W_н = W_пл + W_эм; (2.10)

где W_к – кинетическая энергия положительных ионов; W_н – энергия их нейтрализации; W_пл – энергия, расходуемая на нагрев и плавление катода; W_эм – энергия, затрачиваемая на эмиссию.

Кинетическая энергия электрона определяется произведением доли ионного тока на пройденную разность потенциалов, т. е. на катодное падение напряжения:

W_к = (1-f)×I×U_k. (2.11)

Для нейтрализации иона необходим электрон, поэтому энергия нейтрализации равна произведению доли ионного тока на потенциал нейтрализации, равный разности потенциалов ионизации и выхода:

W_н = (1-f)×I×(U_u-U_в). (2.12)

Энергия, потраченная на эмиссию, определяется произведением электронного тока на потенциал выхода:

W_эм = f×I×U_в, (2.13)

тогда:

W_пл = I[(1-f)×(U_к+U_u-U_в) - f×U_в]. (2.14)

Энергия, расходуемая на нагрев и плавление анода, определяется энергией, выделяемой на аноде электронами:

W_пл = I× (U_а+U_в) (2.15)

Различия в физических процессах, происходящих в различных участках дуги, приводят к неравномерному распределению тепла в различных ее областях. На распределение тепла оказывает влияние и результирующее действие струй с катода и анода.

При одинаковой силе тока при сварке на прямой полярности температура электродных капель ниже, чем на обратной на 300-600⁰. Теплосодержание капель при сварке на прямой полярности составляет (75¸90)% теплосодержания капель при сварке на обратной полярности. Это объясняется тем, что при обратной поверхности анодное пятно стабильно находится в торце жидкой капли и тепло дуги передается электроду в основном через каплю жидкого металла. Отвод тепла в проволоку ограничивается поверхностью контакта капли с проволокой, капля нагревается до температуры кипения. На прямой полярности катодное пятно на электроде беспорядочно перемещается с капли на боковую поверхность проволоки, находясь большую часть времени на последней. Такому поведению пятна способствуют окислы и следы волочильной смазки на проволоке. Тепловой поток из дуги в электрод как бы раздваивается. Часть тепла передается проволоке через каплю, остальная часть – непосредственно через боковую поверхность проволоки. Перегрев капли уменьшается, плавление проволоки увеличивается. На прямой полярности температура капель не достигает температуры кипения, а скорость плавления электрода – в 1.4 раза выше, чем при сварке на обратной полярности.

Только при силе тока 90-100 А (плотность тока i = 30 А/мм²) и при больших силах тока (плотность тока i = 130-200 А/мм²) при сварке в азоте и аргоне температура капель на прямой и обратной полярности выравнивается, приближаясь при больших значениях плотности тока к температуре кипения металла электрода.

ДАЛЕЕ: 2.2.3. Статическая вольтамперная характеристика дуги