МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНЖЕНЕР-СВАРЩИК

Электрическая дуга

Электрическая дуга - один из видов электрического разряда в газах. Всякое направ­ленное движение заряженных частиц между электродами в газах называется разрядом. Ме­сто дуги среди других видов разрядов в газах:

Дуговой разряд отличается от других:

1 - высокой температурой 4000 - 50 ООО К

2 - высокой силой тока 50-10 000 А

3 - слабым электрическим полем 10 - 60 В.

Называется дугой из-за характерной формы, которая возникает от взаимодействия за­ряженных частиц дуги с магнитным полем самой дуги. При увеличении тока магнитное поле может разрывать дуговой разряд

Ток в дуговом процессе протекает между электродами (полюсами дуги) через газ дуго­вого пространства.

Положительный электрод - анод.

Отрицательный электрод - катод

Различают дугу свободную (свободно расширяющуюся) и сжатую. Свободной (свобод­но расширяющейся) называется дуга оадиус которой, не ограничен ни в одном её сечении;

сжатой называется дуга радиус которой, ограничен хотя бы в одном сечении.

Распределение падения напряжения в дуге. В межэлектродном пространстве на­блюдается неравномерное распределение электрического поля (скачки потенциала в при - электродных областях) и в соответствии с зтим неравномерно падение напряжения по длине дуги.

Свободные электроны, которые есть в металлах под действием электрического поля при высокой температуре катода покидают его Потенциалом катодной области разгоняются и ионизуют атомы столба дуги Атомы столба могут ионизироваться и от высокой темпера­туры (соударением, фотоионизация) Электроны перемещаются в столбе дуги в сторону анода Приблизившись к аноду, попадают на него под действием электрического поля анод­ной области Ионы двигаются в противоположную сторону, бомбардируя катод

Сопротивление газового проводника является нелинейным и поэтому дуга не подчиня­ется Закону Ома

Статическая вольт-амперная характеристика дуги. В зависимости от плотности тока вольтамперная характеристика может быть падающей, пологой и возрастающей

При малых токах с увеличением тока интенсивно возрастает количество заряженных частиц, главным образом, из-за нагрева и увеличения эмиссии электронов с поверхности катода, а, значит, и соответствующего ей увеличения объемной ионизации в столбе дуги.

Сопротивление столба дуги при этом уменьшается и падает необходимое для поддержки разряда напряжение. Характе­ристика дуги - падающая.

При дальнейшем увеличении тока и ограниченном сечении электродов столб дуги немного сжимается и объем газа, ко­торый берет участие в переносе зарядов уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц.

Напряжение дуги становится мало зависи­мым от тока. Характеристика - пологая.

В первых двух областях электрическое сопротивление дуги отрицательно (негативно). Эти области характерные для дуг со сравнительно малой плотностью тока. Дальнейший рост тока приводить к исчерпанию термоэмиссионной способности ка­тода. Количество заряженных частиц не увеличивается и сопротивление дуги становится положительным и почти постоянным. Появляется высокоионизованна» сжатая плазма, кото­рая по свойствам близка к металлическим проводникам. Такая дуга подчиняется закону Ома.

Энергетическая ёмкость различных областей дуги

Для приведенных цифр падение напряжения в областях дуги (дуга в парах железа) и характерных для ручной дуговой сварки значений тока:

- В катодной области 14Вх100А=1,4 кВт на длине *10'5 см

- В столбе дуги 25 В/см х 0,6 см х 100 А = 1,5 кВт на длине ^0.6 см

- В анодной области 2,5 В х 100 А = 250 Вт на длине ^Ю"4 см.

Основные потребители энергии - катодная область и столб дуги, очевидно, что в них и происходят основные процессы, которые характеризуют физические явление, результатом которых является дуговой разряд.

При постоянных диаметрах электрода и расстояниях между ними электрические пара­метры дуги будут зависеть от материала электродов (эмиссия, пары металлов в столбе), состава газов в дуге, температуры электродов, состава газа в дуге (в столбе дуги).

То есть, электрические параметры дуги зависят от физических и геометрических фак­торов. Изменение размеров электродов и расстояния между ними влияет на электрические характеристики дуги

Сварочные дуги подразделяют (классифицируют):

- По материалам электродов (Fe, W, Си и т. д.)

- По составу газов (в воздухе, в парах металлов, в потоке защитных газов;

- Плавящимся или неплавящимся электродом и т. п.

Физические процессы в катодной области

Электроны покидают поверхность катода и двигаются к аноду. Путь, который они про­ходят до первого столкновения с атомами газов дуги ограничивает катодную область. Рас­четы показывают, что это является * Ю'ь см для нормального давления и дуги в воздухе и в парах железа.

К катодной области принято относить эту область дуги (1C)'5 см) и саму поверхност­ность катода.

1) Общий электрический ток в катодной области состоит из электронного и ионного тока

Плотность тока (А/см2):

I = eo-rvWe’i© = e0n©W&

е0 - заряд электрона;

л© - количество электронов;

W© - скорость движения (дрейфа) электронов.

Если предположить равенство ппотности то­ков ионного и электронного (на самом I, > 1в), то

ne-We=neW13A=

0 пв W„

Ионы и электроны, которые проходят катодную область, накапливают кинетическую энергию:

Р _ П1фУф — _ тсЛЧэ.

2 е ~ 2 ’

где те, т© - соответствующие массы.

Поскольку они разгоняются электрическим полем, то энергия, которую они получают, будет Єо-ІЛ (произведение зарядов на разницу потенциалов):

Еф = Ее=Єо. ик

тогда скорости движения заряженных частиц:

w* = ; we = №., тогда

V те те

2ЄоУк

пе _ W9 _ у гпе _ I гп(

Масса электрона mQ, = 9,106-10'28 г

Масса протона mn = 1,66-10'24 г

Для иона железа AFe = 55,84; в этом случае:

о катод, отдают ему свою энергию, разогревая его, захватывают электрон, превращаясь в нейтральные атомы. Электроны из катода разгоняются до энергии eo U* ударяются в атомы столба дуги и ионизируют их.

Катодная эмиссия

Различают такие виды эмиссии электронов с поверхности катода:

- Термоэлектронная;

- Автоэлектронная (электростатическая);

- Фотоэлектронная (внешний фотоэффект);

- Вторичная (бомбардировка поверхности атомами, ионами, тяжелыми частицами, электронами и др.);

При сварке дуговыми способами наиболее часто встречается термо - и авто­электронная эмиссия.

Интенсивность эмиссии оценивают плотностью тока j [А/см2] (для сварки 102 ... 105 А/мм2).

Термоэлектронная эмиссия.

Свободным электронам, которые есть в твердом теле, не дает покинуть его электриче­ское поле - поверхностный потенциальный барьер.

Величина наименьшей энергии, которую необходимо придать электрону, чтобы он мог выйти из поверхности тела и удалиться на расстояние, при котором между ним и телом не­возможно взаимодействие называется работа выхода.

Всегда найдутся такие электроны, которые случайно наберут эту энергию и выйдут из тела. Но под действием электрического поля они сразу же возвращаются назад.

С ростом температуры тела количество электронов, которые имеют энергию, доста­точную для выхода из тела, увеличивается.

В электростатических расчетах работа выхода А* = е0 ф, где <р - потенциал выхода. Е0 = 1, А, = ф в эктрон-вольтах.

Плотность тока для термоэлектронной эмиссии определяется уравнением Ричардсона - Дештмена:

jT=AT2e“kf; jT = AT2e'^

А - постоянная, зависит от материала катода

Т - температура

к: - постоянная Больцмана к = 8,62 • 10‘5 эв/К = 1,38-10'23 ДжЖ

Ток термоэлектронной эмиссии оказывается на несколько порядков (в 100.... 10000 раз) меньше чем необходимый для катода при сварке, например, стали.

Но 8 катодной области есть объемный положи­тельный ионный заряд, который создает напряжен­ность поля 1-Ю6 В/см и больше. Электрическое по­ле такой напряженности изменяет условия эмиссии электронов из катода.

Работа выхода электронов уменьшается в со­ответствии с величиной напряженности поля в при - электродной (прикатодной) области. Это явление на­зывается эффект Шоттки. Работа выхода при нали­чии электрического поля е приповерхностной области катода уменьшается на величину: ДАв=е"2Е,/2 ДАВ =3,8-10“*Е

Е - напряженность электрического поляОсобую роль в объяснении явлений катодной эмиссии для аномально больших плот­ностей тока, характерных для сварки плавящимся электродом, играет электростатическая гипотеза (автоэлектронная эмиссия) Ленгмюра (1923 г). Поток электронов имеет волновые свойства Электрон — волна может проникнуть из катода в анод, не поднимаясь до потен­циального уровня, необходимого для эмиссии, а обходя его. Это называется туннельный переход Он происходит без расходования энергии.

При этом величина потенциального барьера должна быть меньше чем длина волны электрона в потоке. Длина волны потока электронов:

Хв = fi/(mv)

Ft - постоянная Планка ft =4,13-10'15 е-в с m - масса электрона V - скорость потока электронов.

„3/2

j«=yE2e 6

у и в - константы, которые зависят от материала катода.

Фотоэмиссия (внешний фотоэффект, эффект Эйнштейна). При поглощении катодом квантов света могут появиться электроны, которые имеют энергию намного большую от ра­боты выхода. Условие возникновения фотоэмиссии (закон Эйнштейна)

Fi v £ ф + Уз mv2

fi - постоянная Планка F> = 6,626176 (36)- 10 м Дж-сек; v - частота световой волны;

Ф * работа выхода;

m - масса электро. на

v - скорость электрона после эмиссии.

Если считать fi v = о, тогда: v0 = ф/h; Хс - c/v0 = cFt/ф.

с - скорость светла в вакууме равна 299792458,0 (1,2) м/сек;

vo, *о - граничные частота и длина волны света, которые могут вызвать фотоэмиссию.

Хо = 1,238-10'7 / ф (м),

где ф - в ел-вольтах - работа выхода.

Плотность тока фото эмиссии:

_

Іф< = аАТ2е т

А - постоянная Ричардсона: а - коэффициент отражения света 0 ... 1.

В металлах граничная длина волны лежит в пределах фиолетовой и ультрафиолето­вой области спектра. Фотоэмиссия играет незначительную роль и не учитывается на практи­ке в расчетах.

Вторичная эмиссия.

Ион, который приближается к катоду, нейтрализуется. При этом один из электронов металла передается иону и он становится нейтральным атомом. Вторичная эмиссия воз­можная, если e0 U„ £ 2<р, где е0 - потенциал ионизации иона: <р - работа выхода.

Такой процесс возможен для ионов Не, Аг, Н. Кроме того, имеет значение кинетическая энергия иона.

Коэффициенты выхода электронов вторичной эмиссии определить трудно, заметной роли в сварочных дугах они не играют.

Таким образом, никакие из приведенных классических представлений не дают полного ответа на вопрос о природе выявленных экспериментально величин плотности тока с по­верхности катода при сварке.

Анализ электростатической гипотезы (теории автоэлектоонной эмиссии) Мак-Коуном.

Электрическое поле объемного заряда описывается, как и всякое потенциальное поле, уравнением Пуасонэ:

Дивергенция - (расхождение) векторного поля:

Е - напряженность поля;

р - плотность зарядов, которые создают электрическое поле в катодной области, в которой есть ионы @ и электроны 0:

Р = pl - Ре

При j* / je = const.

Это уравнение показывает, что напряжённость электрического поля (Е) возрастает с увеличением плотности электронного тока. Плотность электронного тока увеличивается на микро-неровностях катода, в местах, где есть оксиды, или адсорбированные поверхностью катода атомы, которые уменьшают работу выхода. Здесь электрическое поле может увели­чиваться в 100 ... 1000 раз, до величин приблизительно Ю10 В/см.

Концентрация электрического поля вызывает лавинообразную эмиссию электронов - Шоттки и автоэлектронную.

Слепян И. (1926 р.) выдвинул теорию, согласно которой процесс рекомбинации иона протекает не на поверхностные катода, а вблизи неё. Ион, который приближается к катоду, несет для электрона потенциальную яму. Энергия электрона, перешедшего на электронную оболочку атома, существенно ниже, чем свободного электрона в металле катода.

Таким образом, для выхода из тела катода электрону нужно преодолеть потенциаль­ный барьер - работу выхода. Переход через этот барьер при очень больших значениях на­пряжённости электрического поля, согласно Слепяну И., происходит туннельно - без расхо­дования энергии. При этом je = j, плотности электронного и ионного токов равны между со­бой.

При рекомбинации иона выделяется энергия (работа ионизации): это приводит к появ­лению катодного пятна над поверхностью катода. Пятно хаотически двигается над поверх­ностью катода ища места концентрации электрического поля. Скорость движения может достигать 700 м/сек. При увеличении температуры в катодном пятне часть атомов ионизиру­ется. Получены при этом электроны продолжают свой путь в столб дуги. Из-за это катодное пятно называется ионизационным пространством.

Пленочные и оксидные катоды

Поверхности сварочных электродов обычно покрыты твердыми или жидкими окислами, пленками шлака, адсорбированными атомами, которые сильно влияют на величину работы выхода, коэффициенты Ричардсона, а, следовательно. - на плотность тока с поверхности катода.

Th. La, Ва. Cs - увеличивают эмиссию из катода ф % 1.5 ... 2.7 В; атомы кислорода - уменьшают эмиссию.

В катодах для аргоно-дуговой сварки применяют преимущественно торированный (W+Th), или лантанированный (W+La) электроды.

При сварке атомы примесей (Th, или La) диффундируют на поверхность, где создают "островки" эмиссии, которые потом сливаются в сплошную пленку, создавая одноатомный слой.

При высокой температуре (Truiw = 3650 К, Tinw, w * 6000 К) электрод такого типа обеспе­чивает термоэлектронную эмиссию, усиленную эффектом Шоттки, с плотностью тока 5-Ю А/см2.

Катод, который обеспечивает дугу электронами за счет термоэлектронной эмиссии на­зывается горячим катодом. При таких условиях катодного пятна в дуге нет.

При уменьшении вылета электрода увеличивается отдача тепла и температура катода уменьшается. Уменьшается и термоэлектронная эмиссия. Увеличивается эффект автоэлек - тронной эмиссии появляется катодное пятно (возле поверхностного катода).

Катод, который обеспечивает дугу электронами за счет автоэлектронной эмиссии на­зывается холодным катодом.

- Дуги с горячими катодами характерны для случаев тугоплавких материалов с искусственно сниженной работой выхода.

- Дуги с холодным катодом характерны для условий, когда катодом служат материалы с не­высокой температурой кипения (Си - 2870 К, Fe - 3030 К). При таких условиях преимущест­венное значение для обеспечения дуги электронами имеет автоэлектронная эмиссия на концентраторах электрического поля.

В таких дугах всегда есть катодное пятно, которое хаотически двигается по поверхно­сти катода, подчиняясь принципу максимума напряженности электрического поля в катодной области.

Катодное пятно может дробиться под действием неоднородности собственного маг­нитного поля и из условия максимума напряжённости электрического поля.

Физические процессы в столбе дуги.

Как известно, катодная область переходит в столб дуги на расстоянии от поверхности катода, которое приблизительно равняется длине свободного пробега электрона.

Столб дуги начинается, условно говоря, там, где свободный электрон встречает на своем пути первый нейтральный атом.

Если результатом столкновения электрона с атомом есть ион и еще один электрон (проходит ионизация), то дуговой разряд становится возможным. Электроны двигаются к аноду, через дугу протекает ток.

В связи с этим главнейшим процессом, который протекает в столбе дуги и существен­но влияет на ее свойства, является ионизация.

Ионизацией называется процесс отрыва от нейтрального атома электронов и удале­ние их на расстояние, при котором электрон выходит за границы силового поля создаваемо­го при этом иона.

Степень ионизации зависит от количества оторванных от атома электронов:

I А —♦ А + Єо,

II А*—А~ + е0,

HI А** - А*** + е0.

Энергия, которую необходимо потратить не процесс ионизации, то есть на отрыв элек­трона и удаление его называется работой ионизации (А).

Величина работы ионизации разная для разных атомов и зависит от силы взаимодей­ствия электрона с ядром атома.

Работу ионизации, также как и работу выхода, выражают в электрон-вольтах:

1 е.-в. = 1,59Ю'1вДж.

Поскольку один электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон (заряд е<> = 1,59-10'19 Кл; 1 Кл = 1 А-1 с), проходя разницу потенциалов 1 В, то вводят понятие - по­тенциал ионизации U,: - разница потенциалов, которую условно должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию, необходимую для отрыва от атома.

Для условий дуговой сварки всех видов характерна наиболее часто первая ступень ио­низации.

Виды ионизации. Ионизация может быть вызвана разными путями, основные из них:

- Столкновением (соударением);

- Фотоионизация.

- Тепловая (термическая) ионизация

Ионизация столкновением (соударением) наблюдается при столкновении "быстрого" электрона (который разогнан электрическим полем) с нейтральным атомом.

Результатом столкновения есть ион и два "медленных” электрона. Условием для иони­зации есть то, что кинетическая энергия электрона должна быть большая чем работа иони­зации:

Фотоионизация протекает при столкновении нейтральных атомов с квантами света фо­тонами. Энергия фотона должна быть больше чем энергия ионизации:

Термическая ионизация. При нагревании до высоких температур увеличивается хаоти­ческая скорость движения, вырастает число столкновений атомов и увеличивается энергия каждого столкновения.

Понятие о степени ионизации. При низших температурах степень ионизации будет меньшей. Степень термической ионизации описывает уравнение Саха. Процесс ионизации можно рассматривать как химическую реакцию:

Ая> = Ат* + Gq

Такой анализ для слабо ионизированной плазмы выполнил в 1921 году английский ас­трофизик Мег Над Шах (в английской транскрипции Саха).

Ионизация смеси газов

Смесь газов ионизуется иначе, чем каждый отдельный газ из-за того, что электронный газ, который создается в результате ионизации будет совместным для всех составных газо­вой смеси. Степень ионизации смеси:

-ІХіСі ^Ех. р.

і - компоненты, которые могут ионизироваться. Электроны есть в смеси, но ионизироваться не могут. Из-за этого 1C, * 1.

Например для смеси паров Fe+K:

xF[Fe]+ хк [К] х“ N+[k]

Концентрации нужно высчитывать отдельно в зависимости от степени ионизации каж­дого компонента, поскольку степень ионизации определяет количество электронов в смеси газов.

Фролов В. В. ввел понятие эффективный потенциал ионизации. Это потенциал иониза­ции такого вымышленного газа, степень ионизации которого при заданной температуре рав­няется степени ионизации реальной смеси газов при той же температуре. То есть Фро­лов В. В. решил обратную задачу: зная степень ионизации смеси газов, нашел потенциал ионизации и присвоил его некоторому воображаемый газу.

U*j> - быстро уменьшается при очень малых концентрациях легкоионизируемого компо­нента. Ионизация смеси происходит за счет массовой ионизации молекул компонента с наименьшим потенциалом ионизации в сварочной дуге.

Эффективность ионизации и стабильность горения дуги определяется компонентом с наименьшим потенциалом ионизации. Столб дуги, таким образом, является слабо ионизи­рованным газом (х = 3 - г 5%). нагретым до высокой температуры (5000 + 6000К), с одинако­вым количеством отрицательных и положительных частиц.

Такое состояние газа называется термическая квазинейтральная плазма. Такая плаз­ма подчиняющаяся законам идеальных газов (для сварочных условий).

Причинной направпенного движения заряженных частиц (ионов к катоду и электронов к аноду) есть электрическое поле, которое создается падением напряжения в столбе дуги. Напряженность поля столба дуги:

Ест ~ U^/Lan

Для паров железа Ест * 25 В/см Перенос тока в столбе дуги.

Высокая температура плазмы дуги вызывает быстрое хаотическое движение состав­ных частиц (атомов, ионов и электронов)

Путь заряженной частицы в направлении вектора напряжённости электрического поля называется дрейфом. Скорость дрейфа пропорциональна напряжённости электрического поля:

W-Ь - Ест

Ест - напряженность поля; b - подвижность [см2/В • сек].

Подвижность заряженной частицы зависит от величины ее заряда, величины свобод­ного пробега, массы и скорости теплового движения частиц. Определяется по формуле П. Ланжевена из классической кинетической теории газов:

Ь. М

V 271 mV

где: b - подвижность;

е0 - заряд электрона; к - длина свободного пробега;

V - скорость теппового движения (средняя квадратическая); m - масса частицы.

Я = —р —

■Л-тс п-д Р’

п - количество частиц;

S - диаметр взаимодействия частиц (диаметр Рамзауэра);

Р - внешнее давление.

Средняя квадратическая скорость определяется из средней энергии теплового движе­ния.

к - постоянная Больцмана.

Свободный пробег иона - X* свободный пробег нейтрального атома. Свободный пробег электрона Л*о * 4ІЛп (эффект Рамзауэра).

Расчёты показывают, что при массах иона железа и электрона: пір** = 56-1,66-1 O'2* г, me0 = 9,106 10’28 г,

соотношение их подвижностей составит:

Ь^/Ь^ = 1830.

Очевидно, что и ток ионный в 1830 раз меньше чем ток электронный. Из приведенных зависимостей с учетом давления подвижность электронов будет:

ь. =й-Ц-Ц - ■Jt ps

В = 3,62-10‘13 - безразмерная величина;

5 - диаметр взаимодействия частиц (Рамзауэра).

Скорость дрейфа электрона в столбе дуги:

В расчетах столб дуги принимаемая цилиндрическим по Форме, однородным с посто­янной по сечению плотностью тока - каналовая модель К. К. Хренова.

Длина столба дуги практически равняется длине дуги (в пределах 0.1 - 15 мм). Паде­ние напряжения в столбе дуги пропорционально длине столба:

Ucm = £еп ' Lem-

Физические процессы в анодной области

Электрическое поле анода отбрасывает положительные ионы в столб дуги, вместо этого притягивая электроны. Создается объемный отрицательный заряд. Из поверхностного анода не происходит эмиссии положительных ионов (за случаем отдельных видов угольной дуги). В связи с этим ток анодной области - это чисто электронный ток га = /«<>.

Длина анодной области приблизительно равна длине свободного пробега электронов от последнего соударения с атомом. Объемный отрицательный заряд анодной области вы­зывает анодное падение напряжения, которое мало зависит от материала анода, газов дуги, тока через дугу и равняется 2 ... 3 В. Электрон, достигая анода, отдает ему свою кинетиче­скую энергию, а также работу выхода, которая была потрачена на отрыв электрона от като­да.

Вольт-амперная характеристика дуги, которая свободно расширяется (свободная)

Дуговой разряд - устойчивая система. При постоянном питании энергией поддержива­ет себя в широком интервале режимов. Всякое нарушения равновесия вызывает такое из­менение параметров дуги, чтобы дуговой процесс остался (не прерывался). Границы. в ко­торых возможны дуговые процессы и характер изменения параметров дуги в ответ на нару­шения равновесия, определяют вольт-амперные характеристики.

Uc~f (1<з)

Статические -1 —► ос; динамические -1 —► 0.

Рассматривать будем статические характеристики столба дуги.

Предположения (Каналовая модель К. К. Хренова):

Рассматриваем устойчивый дуговой процесс. Энергия подводится в дугу в неограни-ченном количестве и как угодно длительное время. Никакие внешние факторы не влияют на диаметр дуги.

Во всех зонах дуги строго поддерживается термодинамическое равновесие. При этом дуговая плазма подчиняется закону Саха.

Столб дуги представляет собой цилиндр, поверхность которого резко отделяет плазму дуги с температурой Тд от окружающей среды Т = 0.

Все тепповые потери столба дуги это потери на излучение внешней цилиндрической оболочки дуги и подчиняются закону Стефана-Больцмана.

Принцип минимума Штейнбека.

В Дуге, которая свободно расширяется, физические процессы устанавливаются таким образом, чтобы £-> min.

При устойчивом дуговом процессе тепловые потери столба дуги являются минимально возмож­ными для данных условий. Для заданного состояния газовой фазы и постоянных 1Я и Р электрическое поле будет зависеть только от 1^.

1. При увеличении температуры столба от Т6 увеличивается степень ионизации, подвижность электронов, плотность тока, напряженность электри­ческого поля, одновременно увеличиваются и потери на излучение.

2. С уменьшением температуры столба от ТБ уменьшается степень ионизации, плотность тока, но увеличивается напряженность поля. Расходы энер­гии увеличиваются.

При условии отсутствия ограничений на диаметр дуги, дуга в широких пределах явля­ется саморегулируемой системой. В дуге автоматически поддерживается минимально воз­можная напряженность поля. То есть, при постоянных значениях физических параметров среды и Ід в дуге устанавливается такие значения Т^ и гст, при которых напряженность поля в столбе будет минимальной.

Баланс энергии в областях дуги

Баланс энергии в столбе дуги f - доля электронного тока, |а - сварочный ток.

ПРИХОД

Энергия источника (тепло Джоуля-Ленца, выделяемое на сопротивлении плазмы столба дуги проходящему току):

Ics-Ucr

ист - падение напряжения на столбе дуги.

Ионизация нейтральных атомов:

О-*И»’U,

Ц - потенциал ионизации газов дугового промежутка.

РАСХОД

Тепловые потери на излучение - RCT

Тепловые потери на конвекцию - R^*,

Тепловые потери на диффузию, заря­женных частиц в окружающую среду - RAWt>

Тепловые потери на эндотермические химические реакции - RXMt

Уравнение баланса:

(1 - f)l*U* + (1- f)l*Ui+ 4г - Rem = f-lu<P + (1- 01с, • ч>+ Q* + R* или, в упрощённой форме:

Q* = lc*(UK - <р)

отсюда вывод:

чем лучше эмиссия электронов с поверхности катода (чем меньше работа выхода <р) - тем больше теплоты выделяется на катоде. Опытные данные показывают:

причём: 2 - характерно для неплавящихся катодов;

10 - характерно для плавящихся катодов.

3. Баланс энергии на аноде.

Уравнение баланса:

Р + А ■ Rem - Qt + R*

или, в упрощённой форме:

Q« = l~(U, + <р)

Опытные данные показывают:

Qa = 7-І"

Сжатая дуга.

Радиус столба дуги гет есть, прежде всего, функция тока в дуге:

рі/2,2 3 гст = С2 -гг - д

ЬЗ, ,!9Л2 а0 Uj

С увеличением тока увеличивается радиус дуги.

drCT „ Р12 2,-13 . Р12 Дід

Ид Стд3и{912 3 ИЛИ 2а‘3и!9,2',Ц

Дгст - темп увеличения радиуса дуги.

Темп изменения радиуса столба дуги (Дгст - темп) зависит от абсолютного значения то­ка. При малых токах радиус чувствителен к изменению тока, при больших токах - мало чув­ствителен. Предельно, когда I» -*«, Дгет = 0.

Когда Дгст = const, ток дуги определяется плотностью тока "і"

I = ЛГап ' Urn-

Дуга, которая имеет такие свойства, называется сжатой. Если радиус хотя бы в одном сечении является величиной постоянной^Д^га называется сжатой.

Граница перехода от свободной к сжатой дуге зависит от потенциала ионизации U,. При малой величине U, нужен большой ток для перехода в сжатую дугу. Ограничение радиу­са может быть по площади одного из электродов, или через увеличение теплоотдачи из бо­ковой поверхности столба. Обдувая дугу потоком холодного газа, можно перевести ее в сжа­тую при малых значениях тока.

В реальных условиях на величину прироста Дгет могут влиять:

1. Радиус электродов, между которыми горит дуга.

2. Потенциал ионизации газа, в котором горит дуга.

3. Теплоотдача с боковой поверхности столба дуги.

Способы получения сжатой дуги

Исходя из этого, есть такие способы получения сжатой дуги:

• Ограничение диаметра хотя бы одного из электродов;

• Обдув дуги газом с высоким потенциалом ионизации и высокой теплопроводностью (Аг. Не);

• Внешнее продольное магнитное поле (в технике не применяется).

Общее описание вольт-амперной характеристики дуги, исходя из изложенного может быть выполнено следующим образом:

1) Свободная дуга (свободно расширяющаяся). Радиус столба дуги гст увеличивается с

ч_ •'Ч.

ростом ток^Ід. Температура дуги остаётся постоянной Т = const, степень ионизации х - очень малая. Падающую характеристику имеют и столб дуги и катодная область.

2) Сжатая слабоионизированая дуга. Радиус столба дуги гет - не увеличивается с рос­том т. ока^начинает заметно увеличиваться степень ионизации х и температура стопба дуги Та. Столб дуги имеет еще падающую характеристику. Катодная область - возрастающую

3) Си^т^ в^юок£ионизированая дуга. Степень ионизации х-*1 ВАХ столба дуги и ка­тодной области - возрастающие. Процессы в дуге перестают зависеть от полярности, мате­риалов электродов и свойств газов столба дуги. Дуга становится обычным проводником на уровне металлов (при 10 ООО К удельное сопротивление р = 1,5-1 O'4 Ом • см), превращаясь в высококонцентрированный весьма устойчивый источник сварочного нагрева