МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОПЛАЗМЕННОИ СВАРКИ

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ДУГЕ И ЕЕ СТРОЕНИИ

Дуговой разряд является одним из видов электрических разря­дов в газах. Он характеризуется относительно низким падением напряжения и сравнительно большой плотностью тока. В при­меняемых на практике сварочных дугах падение напряжения составляет несколько десятков вольт, а плотность тока — 50 А/мм2 и более.

Механизм прохождения тока через газ существенно отлича­ется от механизма токопрохождения - в твердых и жидких про* водниках. В обычных условиях газ является диэлектриком. Он может проводить ток только в тех условиях, когда в газ инжек­тируются извне или генерируются внутри него заряженные час­тицы.

Источником генерации заряженных частиц является иониза­ция газа, в результате которой образуются свободные электро­ны и положительные ионы. Обычно ионизация атомов и молекул газа происходит при их столкновении с электронами, атомами или фотонами. При этом ионизуемым частицам передается энергия, которая превышает некоторое минимальное значение, зависящее от рода газа, называемое потенциалом ионизации. Существует также ступенчатый процесс, приводящий к иони­зации при столкновении атомов и электронов с возбуж­денными атомами и т. д. Если же газ нагрет до высокой тем­пературы, то в-се процессы ионизации в нем происходят одно­временно. Процессу ионизации соответствует обратный процесс, т. е. процесс рекомбинации, в результате которого при столкно­вении положительного иона с электроном образуется нейтраль­ная частица.

Таким образом, для обеспечения заданной стационарной электропроводности газа, когда концентрация заряженных час­тиц не изменяется со временем и процессы их появления и
исчезновения сбалаьспрованы, требуются затраты энергии. Именно в этом усматривается основное отл-ичие газообразных проводников тока от жидких и твердых.

В ионизированных газах ток переносится электронами и положительными ионами. При отсутствии электрического поля электроны и ионы нагретого газа совершают лишь беспорядоч­ные движения и средняя скорость их в любом направлении рав­на нулю. Если же к разрядному промежутку приложена раз­ность потенциалов, то под действием электрического поля электроны и ионы приобретают дрейфовые скорости, которые параллельны полю. В обычных условиях дрейфовые скорости значительно меньше скоростей их теплового движения. Элек­троны дрейфуют к положительно заряженному электроду — аноду, а положительные иопы—к отрицательно заряженному электроду — катоду. Вследствие большого различия масс элек­тронов и ионов их дрейфовые скорости также различны. Поэто­му при возникновении разряда в межэлектродном промежутке первоначально возникает положительный объемный разряд (избыток иоиов над электронами), который влияет на распре­деление потенциала между электродами. Мгновенное распреде­ление потенциала для такого случая изображено на рис. 1 (кривая /). Видно, что потенциал по мере удаления от анода вначале возрастает, приходит через максимум, а затем все кру­че и круче падает. Максимум потенциала разделяет разрядный промежуток на две области, в которых электрическое поле на­правлено в противоположные стороны. Однако такое распреде­ление потенциала стационарно не может существовать. Это обусловлено тем, что электрическое поле гонит электроны от электродов к максимуму потенциала. По мере накопления электронов происходит нейтрализация положительного объем­ного заряда. При этом максимум потенциала уменьшается и смещается в сторону катода. В стационарном состоянии вместо кривой I с максимумом образуется кривая 2% описывающая

Краткие сведения о дуге и ее строений

участок квазинейтральной плазмы (концентрация ионов равна концентрации электронов) со слабым электрическим полем, ко­торый со стороны катода и анода ограничен скачками потен­циала, называемыми катодным и анодным падением соответ­ственно.

Области катодного и анодного падения — это области с объемными зарядами. Сильное электрическое поле, возникаю­щее в прикатодной зоне, не позволяет электронам диффунди­ровать из плазмы на катод. Ток в этой зоне переносится пото­ками положительных ионов, поступающих из плазмы на катод, и испускаемых катодом электронов. Заметим, что механизм эмиссии электронов с катода на протяжении многих десятиле­тий был и остается одним из наиболее сложных вопросов тео­рии электрической дуги. В настоящее время в литературе еще не утвердилась единая точка зрения на механизм эмиссии. Все известные механизмы эмиссии электронов в дуговом разряде рассмотрены в работе [2].

В области анодного падения электрический ток переносится в основном электронами, которые свободно уходят из плазмы в металл анода. Принято считать, что ионы из анода не выходят. В силу беспорядочного движения заряженных частиц в плазме на анод могут попадать и электроны, и ионы. Полный ток тепло­вого движения на анод 1=1 с—/*, где 1и и її—электронный и ионный тепловой ток на анод. Тепловой ток в стационарном режиме определяет величину анодного падения потенциала. Если ток теплового движения меньше тока разряда, то в прианодоой зоне возникает положительное анодное падение Ua, которое ускоряет электроны и повышает их энергию. Естественно, чем сильнее охлаждающее действие анода, тем ниже температура в прианодиой зоне дуги и больше анодное падение потенциала. Повышение температуры анода и прианодной зоны плазмы приводит к уменьшению анодного падения потенциала. Если же ток теплового движения на анод больше тока разряда, то в анодной области возникает отрицательное падение потенциа­ла, электрическое поле которого задерживает поступление элек­тронов на анод и ускоряет движение ионов. В этом случае паде­ние напряжения на дуге может быть меньше катодного падения потенциала, которое, как правило, соизмеримо с потенциалом ионизации газа.'

В практике известны случаи, когда падение напряжения на дуге весьма мало и даже равно нулю (униполярная дуга), а иногда оно становится даже отрицательным. Такие случаи обыч­но наблюдаются в дугах с подогревным катодом при низком давлении (в вакуумных дугах). В этих дугах температура электронов в плазме значительно выше температуры ионов (неизотермическая плазма). Малое падение напряжения на дуге (меньше потенциала ионизации) наблюдается также и в сва­рочных дугах, горящих при атмосферном давлении. Например» при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом оно со­ставляет около 8 В, в го Время как потенциал ионизации арго­на равен 15,7 В.

Газовая среда в прианодной зоне сварочных дуг по хими­ческому составу весьма неоднородна. Она ьо многом зависит от режима горения дуги, способа сварки и содержит пары ма* териала анода и флюса, воздух или защитный газ. Даже при сравнительно невысокой температуре анода у его поверхности возможна термическая ионизация той компоненты смеси, которая имеет наиболее низкий потенциал ионизации. Степень иониза­ции такой смеси является сложной функцией температуры, потенциала ионизации и парциального давления каждой ком­поненты [3].

Таким образом, ясно, что физические процессы в анодной области сварочной душ достаточно сложны и многообразны. Тем не менее их знание необходимо, чтобы иметь возможность управлять как величиной анодного падения потенциала, так и плотностью тока, а следовательно, и тепловой мощностью ду­ги, передаваемой аноду — изделию.

В области квази-нейтральной плазмы, называемой столбом дуги и занимающей практически весь разрядный промежуток, ток переносится электронами и ионами. Однако так как кон­центрации их практически равны, а дрейфовая (направленная) скорость электронов под действием электрического поля зна­чительно больше скорости ионов з то ток в столбе дуги прак­тически переносится одними электронами. Направленная ско­рость электронов зависит от напряженности электрического поля и температуры плазмы, а также рода газа и давления. Температура столба обусловливает ряд различных явлений в плазме и поэтому является од-шш из основных ее параметров. Средняя тепловая энергия электронов в плазме обычно недо­статочна для ионизации. Тем не менее в плазме имеется боль­шое количество электронов, энергия которых достаточна как для возбуждения, так >и для ионизации газа. Столб дуги является тем объектом, где наблюдаются разнообразные оптические, электрические и тепловые процессы, являющиеся результатом коллективных взаимодействий всех частиц плазмы.

Итак, по характеру изменения потенциала и разнообразию физических процессов электрическую дугу условно разделяют на три области — анодную, катодную и положительный столб. Каждая часть имеет большое практическое значение и является сложной самостоятельной областью исследования.