ТЕОРИЯ сварочных процессов

Расчет потенциалов ионизации газов

При высоких температурах в газовой фазе дуги находится и ионизированный газ, т. е. ионы, получившие положительный или

ухО Х-.0 —

отрицательный заряд по реакции Н - е - Н + е или F + е - F.

Различают однократную и многократную ионизацию (см. разд. 2.2.7). Потенциалы однократной ионизации приведены в табл. 8.6. Термическая ионизация (см. разд. 2.2.8) играет важную роль в го­рении дуги, являясь поставщиком элементарных частиц. Процесс характеризуется степенью ионизации т« е* отношением числа ионизированных частиц к общему числу частиц. Степень иониза­ции рассчитывают по уравнению Саха (см. (2.50)).

Из табл. 8.6 следует, что атмосферные и инертные газы имеют большой потенциал ионизации, что затрудняет возбуждение дуги и ее стабильное горение. Снижения потенциала ионизации дости­гают смешиванием газов и паров металлов.

Ионизацию смеси газов и паров оценивают эффективным по­тенциалом ионизации £/эф (см. разд. 2.4.3). Его расчет связан с

определенными трудностями, так как на ионизацию оказывает большое влияние как состав (процентное содержание компонен­тов), так и качество ионизируемых частиц, т. е. наличие элементов с высоким или низким потенциалом ионизации. Приближенную оценку эффективного потенциала ионизации смеси {/эф при тем­пературе Т получают по формуле В. В. Фролова (см. (2.52)).

Молярную концентрацию компонентов определяют по количе­ству ni данного газа в смеси или по его парциальному давлению

рі - с,=п, /п = Pi/р. Определение реальных молярных концентра­ций компонентов смеси представляет главную трудность расчета. Они зависят от относительных масс компонентов, упругости их паров, состава фазовых систем (твердое или жидкое состояние) и др. Поэтому расчет получается приближенным.

Пример 8.7. Рассчитать степень термической ионизации паров алюми­ния, аргона и гелия, и эффективный потенциал ионизации газовой смеси, первоначально состоявшей из 50 % аргона и 50 % гелия, при изменении количества паров алюминия от 0 до 100 % (это имеет место при сварке алюминия в инертных газах). Молярные концентрации Ат и Не принять одинаковыми.

Решение. Для расчета термической ионизации алюминия по табл. 8.6 находим Uі = 5,98 эВ, так как алюминий принадлежит к III группе перио­дической системы элементов Менделеева. Задав значение температуры * 5800 К в столбе дуги с неплавящимся катодом, получим % = 0,3 %. Гра­фик зависимости степени термической ионизации паров алюминия имеет S-образный вид (рис. 8.9) и проходит в сравнительно низком температур­ном интервале: при Т= 10 000 К х = 86,9 %.

Степень термической ионизации гелия существенно меньше, чем у аргона. Поэтому при сварке для снижения потенциала ионизации исполь­зуют смеси инертных газов. Пары металлов также участвуют в ионизации газов столба дуги.

Для вычисления эффективного потенциала ионизации смеси аргона, гелия и паров алюминия найдем потенциалы однократной ионизации каждого компонента по табл. 8.6. Они равны: для гелия 24,58 эВ, аргона 15,76 эВ, алюминия 5,98 эВ. Подсчитаем эффективный потенциал иони­зации смеси аргона с гелием, который соответствует условию возбужде­ния дуги. В соответствии с формулой (8.63) для начального состояния (50 % Не и 50 % Ат) при температуре 5800 К

а б

Рис. 8.9. Влияние температуры на степень диссоциации (а) и термиче­ской ионизации (б) различных газов и паров

С/Эф =-Мп(0,51/2е'24,5 + 0,5|/2е'15Л) = 16,11 В.

После зажигания дуги появляются пары алюминия. Учтем их влия­ние. При массовых концентрациях: 49,5 % Не, 49,5 % Аг, 1 % А1 эффек­тивный потенциал ионизации

С/эф = -1 • 1п(0,4951/2 е~24’5 + 0,4951/2 е'15'7 + 0,011/2 е"5'98) = 8,28 В.

Аналогично рассчитаем эффективные потенциалы ионизации для других соотношений концентраций компонентов газовой смеси. Результаты рас­чета приведены в табл. 8,7 и на рис. 8.10 (сплошная кривая).

На основании проведенного расчета можно сделать следующие вы­воды:

^эф> В 14

12

10

8

6

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Аг+Не, % (мае.)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

А1, % (мае.)

Рис. 8.10. Изменение эффективного потенциала ионизации t/эф смеси (аргон, гелий, пары алюминия) в зависимости от концентраций компонентов

1) степень термической ионизации паров алюминия, аргона и гелия, рассчитанная по формуле (8.62), имеет температурную зависимость S-образного вида. Степень термической ионизации паров алюминия

при температурах 10000 К приближается к единице (см. рис. 8.9). Ана­

логичный расчет для Не показывает, что степень его термической иони­зации существенно меньше и диссоциация не завершается при 30000 К;

2) эффективный потенциал ионизации 50 %-ной бинарной смеси га­зов с различными t/3ф значительно меньше среднего арифметического значения их потенциалов ионизации (штриховая линия на рис. 8.10);

3) введение незначительного количества элементов с низким потен­циалом ионизации заметно снижает эффективный потенциал ионизации t/эф смеси, приближая его к значению t/эф легко ионизируемого компонен­та, например: после зажигания дуги появляются пары алюминия и напря­жение на дуге резко падает. В частности, введение в дугу щелочноземель­ных элементов также существенно повышает устойчивость ее горения.