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.

Таблица 8.6. Потенциал однократной ионизации некоторых веществ

Вещество

Атомная масса

Номер элемента в периодической системе

Потенциал ионизации Uh эВ

Водород

1,0079

1

15,4

Азот

14,0001

7

15,8

Кислород

15,99

8

13,61

Алюминий

26,9815

13

5,98

Аргон

39,948

18

15,76

Гелий

4,0026

2

24,58

Титан

48

22

6,8

Медь

63

29

7,7

Кислород

16

8

13,5

со2

-

-

14,4

Фтор

18,998

9

16,9

Железо

55,847

26

7,90

Никель

58,71

28

7,63

Калий

19,102

19

4,34

Вольфрам

183,85

74

7,98

Кальций

40,08

20

6,11

Натрий

22,98

11

... 5,14

Магний

24,305

12

7,64

Кремний

28

14

7,94

Марганец

54

25

7,4

Литий

7

3

5,4

Вода

-

-

13,0

N0

-

-

9,3

Углерод

12,01

6

11,26

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).

Таблица 8.7. Значения эффективного потенциала ионизации смеси аргона-гелия и паров алюминия при разной концентрации компонентов

Концентрация компонентов газовой смеси, %

Эффективный

потенциал

ионизации

£/,Ф, В

Концентрация ком­понентов газовой смеси, %

Эффективный

потенциал

ионизации

и, Ф, В

Не

Аг

А1

Не

Аг

А1

50

50

0

16,11

25

25

50

6,3

49,5

49,5

1

8,28

15

15

70

г 6,16

47,5

47,5

5

7,48

10

10

80

6,09

45

45

10

7,1

0

0

100

5,98

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.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua