Физические процессы в различных зонах электрической дуги

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 – φэ. Работа выхода равна произведению заряда электрона на потенциал выхода:

φэ = еUв, 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.

 

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

 

i=AT2eB/T ,                                            (2.3)

 

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

В = φэ/К = еUв/К;

 

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

Протяженность катодной области Lк = 10-4 – 10-5 см, это соответствует свободному пробегу электрона lS. 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 Uк. 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 Ек = Uк/Lк 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.

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.

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 φu= еUu, где Uu – потенциал ионизации. Значение потенциала ионизации для некоторых элементов приведены в таблице. 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

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 Ек превысила работу ионизации φu. Кинетическая энергия частиц определяется уравнением:

 

Ек = 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 · Т1,25 ехр (-5800 Uu/Т),                              (2.8)

 

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

 

Uэф = (–Т/5800) · ln ,                 (2.9)

 

где          γi= ni/n = pi/p – концентрация компонента в смеси, выраженная через количество атомов или парциальное давление;

Т – абсолютная температура, К;

Ui – 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 Uэф, а при сварке вольфрамовым электродом Т = 1000 Uэф.

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 – Uст:

 

Uст = Lст ×Ест,

 

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

Ест – градиент падения напряжения на единицу длины столба дуги. Ест = (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 Uа 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:

 

Wк + Wн = Wпл + Wэм;                        (2.10)

 

где          Wк – кинетическая энергия положительных ионов; Wн – энергия их нейтрализации; Wпл – энергия, расходуемая на нагрев и плавление катода; Wэм – энергия, затрачиваемая на эмиссию.

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

 

Wк = (1-f)×I×Uk.                    (2.11)

 

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

 

Wн = (1-f)×I×(Uu-Uв).                            (2.12)

 

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

 

Wэм = f×I×Uв,                         (2.13)

 

тогда:

 

Wпл= I[(1-f)×(Uк+Uu-Uв) – f×Uв].                        (2.14)

 

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

 

Wпл = I× (Uа+Uв)                   (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.