Столб дуги

Падение напряжения сравнительно невелико, а напряженность поля в нем составляет 10…50 В/см.

Диаметр столба дуги, а также температура и напряженность поля в нем определяются внутренними процессами.

Для оценки величины перечисленных параметров столба дуги современная теория использует уравнение баланса энергии единицы длины столба и уравнение термической ионизации газа (уравнение Саха). Кроме того, для дуги справедлив «принцип минимума», утверждающий, что из всех возможных сочетаний столба наиболее устойчиво состояние с минимальной напряженностью поля в нем. Из этих уравнений и изложенного принципа вытекают:

· температура столба, К: T = 800 U_i; (3.1)

· напряженность поля, В/см: ; (3.2)

· плотность тока, А/м²: , (3.3)

где U_i – потенциал ионизации; G_e – сечение столкновения атомов с электронами.

По I _д и i _ср вычислим сечение S (мм²):

, (3.4)

где d – диаметр столба дуги.

Из уравнений (3.1)–(3.3) видно, что все параметры столба дуги наиболее существенно зависят от потенциала ионизации дугового газа, с ростом которого значительно увеличиваются Т, Е – поля и i _ср тока.

Например, при горении дуги в парах калия (U_i = 4,33 эВ) и силе тока I _д = 200 А Т _ст = 3460 К, Е _поля = 8 В/см в парах железа (U_i =
= 7,83 эВ) и сила тока Т _ст = 6320 К, Е = 28 В/см и i _ср = 1800 А/см².

Чаще всего сварочная дуга горит в смесях многих газов и паров, включающих пары электродов, покрытий, флюсов, воздух, защитные газы и т.д. При термической ионизации такие смеси ведут себя подобно некоторому однородному газу с «эффективным потенциалом ионизации U _эф», который зависит как от (U_i) компонентов смеси, так и от концентрации (n_i / n). Как показал В.В. Фролов:

. (3.5)

Из уравнения видно, что наибольшее влияние на величину U _эф смеси оказывает тот компонент, который имеет самый низкий U_i.

Например, смесь паров калия (U_i = 4,33 эВ) и железа (U_i = 7,83 эВ) при одинаковых их концентрациях n_i / n = 0,5 и температуре 5800 К – U _эф = 4,63эВ. Введение в газ столба 5…8 % присадок с низким U_i существенно снижает U _эф смеси и в соответствии с уравнениями (3.1) –(3.3) оказывает сильное воздействие на все параметры столба: снижается Т и Е поля в нем и увеличивается диаметр.

При сварке неплавящимися электродами в среде защитных газов концентрация различных компонентов смеси неодинакова по длине дуги.

Так, при сварке алюминия в среде аргона дугой с вольфрамовым электродом наиболее высокая концентрация паров алюминия наблюдается у поверхности изделия, наименьшая – у вольфрамового электрода. В результате столб сильно расширен у алюминиевого и сжат у вольфрамового электродов. Т, Е и плотность тока i _ср в различных его сечениях неодинаковы. Это приводит к появлению интенсивных потоков плазмы. Мощность, теряемая столбом дуги, частично передается электронам дуги, частично излучается в пространство.

Дата добавления: 2015-05-06