Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Анодная область дуги и её энергетические характеристики





Приэлектродные области сварочной дуги ч. 2.

Лекция 5

В процессе нагрева и плавления металлов анодная область является особенно активной. Изменение длины столба в широких пределах при прочих равных условиях практически не сказываются на величине энергии, передаваемой аноду. Последняя определяется только своими анодными явлениями. При сварке плавящимися электродами, плазменной резке металлов анодная область, как правило, примыкает к обрабатываем изделиям и полностью определяет производительность этих процессов. При сварке плавящимися электродами, например, при сварке в CO2, эта область примыкает к плавящемуся стержневому электроду.

Жидкий металл анода, как установлено опытным путем, меньше насыщается газами и склонен к пористости, капли металла на аноде образуются и ведут себя иначе, чем на катоде и т. д.

Из-за малой протяженности анодной области надежные экспериментальные данные о ней получить весьма затруднительно. Еще в большей мере это относится к сварочным дугам, в которых плавящиеся и кипящие аноды имеют неустойчивую по форме поверхность, что вызывает непрерывное перемещение в пространстве анодной области и дополнительные затруднения.

Анодное падение напряжения в сварочных дугах оценивал Д. М. Рабкин по скорости плавления анодов из различных материалов, исходя из уравнения баланса энергии анодной области

(5.1)

Считая, что расходуется только на плавление анода, т.е. ( - коэффициент плавления анода, - теплосодержание капель, покидающих анод, - работа выхода в В). Д. М. Рабкин принял, что (5.2). Согласно измерениям и и вычислениям по формуле (5.1) В. Хотя мощность, выделяющаяся в анодной области, расходуется не только на плавление, но и на испарение анода (последняя составляющая по порядку величины достигает первой). Описанные исследования подтверждают приведенный выше вывод о низком значении анодного падения напряжения в мощных дугах высокого давления. Исследования согласуются также с известными фактами малой зависимости скорости плавления стальных электродов-анодов от состава их обмазки и, следовательно, состава дугового газа. Более точно значение определить пока не удается.

По результатам измерения следов, оставляемых дугой на быстро вращающихся металлических анодах, плотность тока оценивается величиной 2000-13000 **. У анода отсутствует сжатие дугового разряда при разных токах .

На основании имеющихся экспериментальных данных была разработана приближенная теория анодной области, в основу которой положены следующие предпосылки:

1) В пределах анодного столба радиусом и площадью температуру испаряющихся анодов можно считать постоянной, равной температуре их кипения (рис. 5.1)



2) Граница столба с анодной областью почти плоская и градиент температуры во всех её кольцевых элементах постоянен.

3) Область теряет энергию только теплопроводностью в сторону анода, а доля кинетической энергии электронов, передаваемая ее газу, близка к единице. В связи с этим баланс энергии анодной области принимает вид

или (5. )

4) Ионизация газа в анодной области незначительна и пространственный заряд в ней определяется только током электронов.

5) Электрическое поле области является плоским, т.е. . Расчеты, связанные с теорией анодной области, здесь не приводим, они имеются в книге Г. И. Лескова «Электрическая дуга».

6) Результаты расчетов, выполненных на основании теории анодной области, основывающейся на перечисленных выше предпосылках, удовлетворяют основным экспериментальным фактам, что свидетельствует что предпосылки, заложенные в основу этой теории, соответствуют протекающим в анодной области физическим процессам.

Рассмотрим несколько подробнее ряд особенностей физических процессов, протекающих в анодной области дуги.

Около анодного пятна на участке, равном длине свободного пробега электрона, наблюдается резкое падение напряжения. Это так называемое анодное падение напряжения , вызванное наличием большого нескомпенсированного объемного отрицательного заряда. Это имеет место вследствие того, что электроны, возникающие в столбе дуги на расстоянии анода равном или меньшем длины их свободного пробега в направлении электрического поля, направляются непосредственно на анод. На этом участие дуги почти отсутствует ионизация, и нет положительных ионов, заряд которых мог бы компенсировать заряд электронов. Поэтому электроны, проходя анодную область, резко увеличивают скорость своего движения и, попадая на анодное пятно, тормозятся и нейтрализуются. При торможении электронов выделяется вся приобретенная ими в области анодного падения напряжения кинетическая энергия, и нейтрализация сопровождается выделением энергии, равной работе выхода.

В результате выделения электронами энергии температура электрода в анодном пятне близка к температуре кипения материала анода .

Температура газа в этой области падает на несколько тысяч градусов от температуры столба то температуры поверхности активного пятна анода. Активной называется тишь та часть поверхности анода, на которую течет ток дуги. Большинство металлических анодов, кипящих при температурах ниже 4000 К, испаряется в зоне активных пятен под действием теплоты дуги, поэтому перепад температур в анодных областях в таких случаях может быть найден с достаточной определенностью из уравнения , где - температура кипения материала анода.

При протяженности анодной области 10-4 см (~1 мкм) и градиент температуры в ней имеет значение . Это вызывает интенсивный тепловой поток в сторону анода (5.3), где - коэффициент теплопроводности газа; - площадь активного пятна на аноде.

Стационарное состояние анодной области и возможно при восполнении этого потока выделяющейся внутри нее мощностью тока , где - падение напряжения в анодной области. Отсюда баланс энергии анодной области выражается соотношением

(5.4)

Сравнительно низкая средняя температура анодной области указывает на весьма малую вероятность термической ионизации заполняющего ее газа. Поэтому основными заряженными частицами, находящимися в этой области, являются электроны, переносящие ток от столба к аноду. Электроны создают здесь пространственный отрицательный заряд плотностью , который и определяет характер изменения напряженности поля в анодной области. С учетом этого заряда и переносимого им тока можно из уравнения (5.3) найти величину падения напряжения в анодной области:

(5.5)

Где - средняя плотность тока в анодной области; - подвижность электронов; ; ; - коэффициент теплопроводности газа.

Заметное влияние на величину оказывает коэффициент теплопроводности газа , заполняющего анодную область. В газах с высокой теплопроводностью сравнительно велико падение напряжения в анодной области. Вследствие сравнительно постоянного соотношения в широком диапазоне изменения потенциала ионизации газа столба и тока дуги анодное напряжение относительно постоянно (см. рис. 5.3). По многочисленным измерениям в дугах сварочного режима составляет 4-6 В.

Мощность , выделяющаяся в анодной области, передается аноду и расходуется на его нагрев и плавление. Кроме того, при пересечении электронами границы газ-металл их потенциальная энергия уменьшается на величину работы выхода металла , которая также передается аноду. При силе тока и работе выхода эта разность составит . В результате общая передаваемая аноду мощность равна

(5. )

В дуге со стальным анодом . Поэтому каждым ампером тока аноду передается мощность Вт. Ее достаточно, чтобы за 1 час расплавить и нагреть до (температура капель, покидающих стальной анод) около металла. По многочисленным измерениям фактически плавится ~ металла, т.к. часть передаваемой аноду мощности затрачивается на его испарение. Расчеты и измерения показывают, что эта мощность составляет около 2 Вт на каждый ампер тока.

В катодной области их катодного пятна происходит эмиссия электронов, которые, ускоряясь электрическим полем в области катодного падения напряжения, попадают в столб дуги. Сталкиваясь в столбе дуги с нейтральными частицами, электроны их ионизируют, и в результате получаются два медленных электрона и положительный ион.

Рис. 5.2. Электронная и ионная компонента суммарного тока в разных частях дуги (на аноде )

В анодной области за исключением специальных случаев (например, угольная дуга), анод не эмитирует положительных ионов. Поэтому анодный ток – чисто электронный (рис. 5.2) и . Вблизи анода сказывается избыток отрицательного пространственного заряда и появляется анодное падение потенциала . Его значение определяется в основном энергией потребляемой для образования положительных ионов в анодной области.

Иногда различают два типа ионизации, осуществляемой электронами в зоне анодного падения: ионизацию полем и термическую ионизацию.

В соответствии с этим маломощная дуга с малой плотностью тока и контрагированная (сжатая) мощная дуга отличаются друг от друга переходом, соответственно, от ионизации полем и термической ионизации.

Рис 5.3. Зависимость анодного падения напряжения от тока дуги в атмосфере аргона . Электроды вольфрамовые.





Дата добавления: 2014-01-03; Просмотров: 1145; Нарушение авторских прав?


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Рекомендуемые страницы:

Читайте также:
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2020) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.003 сек.