Электрические процессы в дуге

Сварочная дуга показанная на рисунке 1.2 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. Ток протекает через газ, находящийся между двумя электродами, присоединенными к источнику электрической энергии. 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. В связи с этим отдельно рассмотрим явления в столбе дуги и пограничных областях.

Рисунок 1.2. - Модель сварочной дуги и распределение потенциала по ее длине

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_ВЫХ, 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, которые не могут преодолеть барьер, возвращаются в металл, а имеющие достаточную кинетическую энергию эмитируются в дуговой промежуток. 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_вых на 1-2 В. Данное явление называется эффектом Шоттки. Поскольку реальная работа выхода электронов U_вых и катодное падение напряжения U_кат имеют разные знаки, то в общем случае потенциальный барьер для выхода электронов уменьшается, что может быть выражено так: U_кат-U_вых При малых размерах катодной области экспериментально можно определить именно эту величину, которая и принимается за катодное падение напряжения. Протяженность l_кат катодной области электрической дуги очень мала и составляет 10-⁴ – 10-³ мм. Величина катодного падения напряжения U_кат лежит в пределах 5-20 В. Тогда градиент падения напряжения (U_кат/ l_кат) равен 10⁴-10⁵ В/мм. Исследования показывают, что в катодной области доля электронного тока составляет около 60% от полного тока l_d, 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 и ионов. 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_ВЬ1Х. 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 _вых. 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 общем случае 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 l_d, 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 свидетельствует о слабой ионизации плазмы столба дуги. В столбе электронная составляющая тока намного больше ионной. Падение напряжения в столбе U_СТ достигает 40 В, что обеспечивает градиент напряжения 1-4 В/мм. При этом падение напряжения прямо пропорционально длине столба lст. Плотность тока в столбе дуги со стальными электродами достигает 20А/мм².

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

l_d = l_кат + l_ан + l_ст l_ст (1.2)

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рисунке 1.2. Из приведенного графика следует, что падение напряжения на дуге для точных расчетов можно записать как сумму падений напряжений в анодной и катодной областях, а также в столбе дуги:

При использовании экспериментальных данных указанная зависимость упрощается:

U_d =U_ан + U _вых + U_ст (1.3)

Экспериментально сумму катодного и анодного падения напряжений можно найти, постепенно уменьшая длину дуги и замеряя напряжение при минимальной ее длине, когда падением в столбе можно пренебречь. Отдельные же величины, входящие в выражение мощности дуги, определяют следующим образом. Катодное падение напряжения U_к часто принимают равным потенциалу ионизации газа. Например, потенциал паров железа равен U_iFe = 7,83 В, а воздуха – U_iвозд = 14 В.
В случае если нет точных измерений потенциала паров металла, которые экспериментально довольно трудно выполнить, в среднем берут U_к ≈ 10 В. Для анодного падения напряжения, сильно меняющегося в зависимости от разных обстоятельств, при ручной сварке стальным электродом часто принимают U_а = 6...8 В. Что же касается столба дуги, то градиент напряжения в нем можно принять 2...3 В/мм, в среднем – 2,5 В/мм. Таким образом, напряжение дуги длиной 6 мм будет

(В).

При прямом действии электрической дуги свариваемое изделие включается в электрическую цепь и служит одним из электродов дуги. Если дуга питается постоянным током и электрод присоединяется к отрицательному полюсу источника тока (электрод 1), а изделие – к положительному полюсу (электрод 2), то имеем прямую полярность дуги. Присоединение электрода к положительному полюсу, а изделия – к отрицательному полюсу дает обратную полярность. Изменение полярности влияет на распределение тепла и перенос электродного металла в дуге. В практике дуговой сварки применяют и прямую, и обратную полярность, учитывая особенности технологии сварки.

Из принципа термического равновесия между катодной областью и столбом дуги следует: сколько тепла приходит из катодной области в столб дуги, столько же приходит из столба в катодную область. Поэтому вся мощность, выделяемая в катодной области Р_кат = l_а (Uкат — Uвыхр). идет в катод на плавление, испарение и теплоотвод. Аналогично для анодной области: энергия, возвращающаяся в плазму столба дуги с ионами и излучением анода, полностью покрывает потери энергии из столба дуги с уходящими электронами и излучением плазмы в сторону ано­а. Мощность тепловыделения на аноде вычисляется по соотношению P_ан ⁼ lд( U_ан +U_вых). 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).