Физические явления, протекающие в сварочной дуге

Лекция № 2

Сварочная дуга представляет собой один из видов устойчи­вого электрического разряда через газовый промежуток, в котором на­ходится смесь нейтральных атомов, электронов и ионов. Этот разряд ха­рактеризуется высокими плотностью тока и температурой. Электрод, соединенный с отрицатель­ным зажимом источника, называется катодом, а электрод, соединенный с положительным зажимом — анодом. Под действием напряжения, имею­щегося между электродами, электроны и отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду. В дуговом разряде наблюдается неравномерное распределение электриче­ского поля в межэлектродном пространстве, состоящем из трех областей: катодной, анодной и столба дуги. Такая структура связана с тем, что столб дуги не может граничить непосредственно с металлом электродов, так как в большинстве случаев точка кипения последних значительно ниже температуры столба. В приэлектродных областях, соединяющих столб дуги с электродами, происходит постепенное снижение температуры и степени термической ионизации газа. На поверхности электродов часто наблюдаются пятна — катодное и анодное, на границе которых с соответ­ствующими областями дуги наблюдаются скачки потенциалов. Поэтому процессы образования заряженных частиц и переноса тока в этих обла­стях существенно отличаются от соответствующих процессов в столбе, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и анодной областях.

Катодная область. Большую роль в обеспечении проводимости дуго­вого промежутка играет поток эмитированных катодом электронов. Этот процесс обеспечивается как за счет нагрева поверхности катода (термо­электронная эмиссия), так и за счет создания у его поверхности электри­ческого поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). При термоэлектронной эмиссии электроны за счет нагрева приобретают необ­ходимый запас кинетической энергии для преодоления потенциального барьера, ограждающего поверхность катода. Эту энергию характеризу­ют работой выхода электрона U _BЫX, величина которой для разных ме­таллов составляет от 2 до 5 В. При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов из катода, сообщается внешним электрическим полем, которое вытягивает их за пределы воздействия электростатического поля металла. Определенный вклад вносит и бом­бардировка катода движущимися частицами. Электроны, прошедшие барьер, ускоряются в поле катодного потенциала в сторону столба дуги и, отдавая свою кинетическую энергию в столкновениях с нейтральными атомами, поддерживают ионизацию и нагрев газа на гра­нице между столбом дуги и катодной областью. Внешнее электрическое поле положительных ионов, скопившихся в катодной области, умень­шает работу выхода электронов U _BЫX на 1-2 В. Данное явление называ­ется эффектом Шоттки. Поскольку реальная работа выхода электронов U _BЫXР и катодное падение напряжения U _KАТ имеют разные знаки, то в об­щем случае потенциальный барьер для выхода электронов уменьшается, что может быть выражено так; U _KАТ - U _BЫXР. При малых размерах катод­ной области экспериментально можно определить именно эту величину, которая и принимается за катодное падение напряжения. Протяжен­ность l _KАТ катодной области электрической дуги очень мала и составляет 10^-4-10^{-3 мм. Величина катодного падения напряжения} U _KАТ лежит в пределах 5-20 В. Тогда градиент падения напряжения (U _KАТ / l _KАТ ) равен 10⁴-10⁵ В/мм. Исследования показывают, что в катодной области доля электронного тока составляет около 60% от полного тока I_д, а плотность тока на стальном катоде близка к 25 А/мм².

Анодная область. Анод не эмитирует положительно заряженных ио­нов, поэтому анодный ток обусловлен переносом к нему отрицательно заряженных частиц — электронов. В связи с этим вблизи анода образуется избыток отрицательных зарядов, в результате чего у поверх­ности анода возникает дополнительный потенциальный барьер, величина напряжения которого равна работе выхода электронов U _BЫX. Электроны не могут выйти из анода и за счет энергии теплового движения, так как анодное падение напряжения U _ан создает для них непреодолимый барьер. Общее значение потенциала в анодной области равно U _ан + U _BЫX. Электро­ны, выходящие из плазмы столба дуги и попадающие в анодную область, ускоряются в поле анодного падения потенциала и приобретают допол­нительную энергию, которой оказывается достаточно для ионизации ато­мов, сталкивающихся с электронами. Появившиеся ионы также ускоря­ются под действием анодного падения напряжения в сторону столба дуги и отдают плазме свою избыточную энергию посредством деионизации и соударений. Протяженность анодной области сопоставима с длиной сво­бодного пробега электрона и составляет около 10^{-3 мм. В зависимости от материала анода и типа ионизирующих присадок} U _ан ле­жит в пределах 2-10 В. Градиент напряжения имеет порядок 10⁴ В/мм, т. е. ниже, чем в катодной области. Доля ионного тока в анодной области составляет около 20% от общего тока I_д, а плотность тока для стальных электродов в анодной области приблизительно равна 15 А/мм².

Столб дуги. Эта часть дуги расположена между катодной и анодной областями и имеет длину, на несколько порядков превышающую размеры указанных областей, l _ст = 1-40 мм. Заряженные частицы поступают в столб дуги из катодной и анодной областей, а также возникают в нем за счет термической ионизации нейтральных частиц. Последний процесс играет подчиненную роль. Так, степень диссоциации в парах железа у сварочных дуг не превышает 4%, что свидетельствуете слабой ионизации плазмы столба дуги. В столбе электронная составляющая тока намного больше ионной. Падение напряжения в столбе U_CT достигает 40 В, что обеспечивает градиент напряжения ε_ст = 1-4 В/мм. При этом падение напряжения прямо пропорционально длине столба 1_СТ. Плотность тока в столбе дуги со стальными электродами достигает 20 А/мм².

Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравне­нию с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис. 2.1. Из приведенного графика следует, что падение напряжения на дуге для точных расчетов можно записать так:

При использовании экспериментальных данных зависи­мость упрощается:

Вся мощность, выделяемая в катодной области Р _кат = I_д (U _KАТ - U _BЫXР), идет в катод на плавление, испарение и теплоотвод. Мощность тепловыделения на аноде вычисляется по соотношению Ран ⁼ 1_д(U _ан + U _BЫX). Знание соотношения мощностей, выделяемых на ка­тоде и аноде, необходимо для выбора полярности дуги при сварке на по­стоянном токе. Для большинства покрытых электродов Р _ан больше Р _каТ в 1,3-1,5 раза. Поэтому при ручной дуговой сварке для увеличения ско­рости плавления электрода используют обратную полярность (+ на элек­троде). Такая же полярность используется при механизированной свар­ке плавящимся электродом. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом для уменьшения его перегрева и износа применяют прямую полярность (– на электроде).

Дата добавления: 2014-01-07