Фізичні явища, що протікають в зварювальної дузі
Зварювальний дуга являє собою один з видів стійкості-вого електричного розряду через газовий проміжок, в якому на-ходиться суміш нейтральних атомів, електронів та іонів. Цей розряд ха-рактерізует високими щільністю струму і температурою. Електрод, з'єднаний з отрицатель-ним затискачем джерела, називається катодом, а електрод, з'єднаний з позитивним затискачем - анодом. Під дією напруги, маю-щегося між електродами, електрони і негативно заряджені іони переміщаються до анода, а позитивно заряджені іони - до катода. У дугового розряду спостерігається нерівномірний розподіл електричні-ського поля в міжелектродному просторі, що складається з трьох областей: катодного, анодної і стовпа дуги. Така структура пов'язана з тим, що стовп дуги не може межувати безпосередньо з металом електродів, так як в більшості випадків точка кипіння останніх значно нижче температури стовпа. У приелектродних областях, що з'єднують стовп дуги з електродами, відбувається поступове зниження температури і ступеня термічної іонізації газу. На поверхні електродів часто спостерігаються плями - катод і анодное, на кордоні яких з відпо-ствующими областями дуги спостерігаються скачки потенціалів. Тому процеси утворення заряджених частинок і перенесення струму в цих областях суттєво відрізняються від відповідних процесів в стовпі, причому основні властивості стовпа мало залежать від процесів в катодного і анодного областях.
Катодна область. Велику роль в забезпеченні провідності дуг-вого проміжку грає потік емітованих катодом електронів. Цей процес забезпечується як за рахунок нагріву поверхні катода (термо-електронна емісія), так і за рахунок створення у його поверхні електрич-ного поля високої напруженості (автоелектронна емісія). При термоелектронної емісії електрони за рахунок нагріву набувають необ-ходимо запас кінетичної енергії для подолання потенційного бар'єру, що захищає поверхню катода. Цю енергію характеризують-ють роботою виходу електрона UBИX, величина якої для різних ме-Таллі становить від 2 до 5 В. При автоелектронної емісії енергія, необхідна для виривання електронів з катода, повідомляється зовнішнім електричним полем, яке витягує їх за межі впливу електростатичного поля металу . Певний внесок вносить і бом-бардіровка катода рухаються частками. Електрони, що пройшли бар'єр, прискорюються в поле катодного потенціалу в бік стовпа дуги і, віддаючи свою кінетичну енергію в зіткненнях з нейтральними атомами, підтримують іонізацію і нагрів газу на гра-ниці між стовпом дуги і катодного областю. Зовнішнє електричне поле позитивних іонів, що скупчилися в катодній області, умень-шает роботу виходу електронів UBИX на 1-2 В. Дане явище називаючи-ється ефектом Шотткі. Оскільки реальна робота виходу електронів UBИXР і катодного падіння напруги UKАТ мають різні знаки, то в об-щем випадку потенційний бар'єр для виходу електронів зменшується, що може бути виражено так; UKАТ - UBИXР. При малих розмірах катод-ної області експериментально можна визначити саме цю величину, яка і приймається за катодного падіння напруги. Протяжен-ність lKАТ катодного області електричної дуги дуже мала і становить 10 -4 -10 -3 мм. Величина катодного падіння напруги UKАТ лежить в межах 5-20 В. Тоді градієнт падіння напруги (UKАТ / lKАТ) дорівнює 10 4 -10 5 В / мм. Дослідження показують, що в катодній області частка електронного струму становить близько 60% від повного струму I д. а щільність струму на сталевому катоді близька до 25 А / мм 2.
Анодна область. Анод НЕ емітує позитивно заряджених в.о.-нів, тому анодний струм обумовлений перенесенням до нього негативно заряджених частинок - електронів. У зв'язку з цим поблизу анода утворюється надлишок негативних зарядів, в результаті чого у поверх-ності анода виникає додатковий потенційний бар'єр, величина напруги якого дорівнює роботі виходу електронів UBИX. Електрони не можуть вийти з анода і за рахунок енергії теплового руху, так як анодне падіння напруги UАН створює для них нездоланний бар'єр. Загальне значення потенціалу в анодної області одно UАН + UBИX. Електро-ни, що виходять з плазми стовпа дуги і потрапляють в анодний область, прискорюються в поле анодного падіння потенціалу і набувають додат-ково енергію, якої виявляється досить для іонізації ато-мов, які стикаються з електронами. З'явилися іони також прискорити-ються під дією анодного падіння напруги в сторону стовпа дуги і віддають плазмі свою надлишкову енергію за допомогою деионизации і зіткнень. Протяжність анодної області порівнянна з довжиною сво-Бодня пробігуелектрона і становить близько 10 -3 мм. Залежно від матеріалу анода і типу іонізуючих присадок UАН ле-жит в межах 2-10 В. Градієнт напруги має порядок 10 4 В / мм, т. Е. Нижче, ніж в катодній області. Частка іонного струму в анодному області становить близько 20% від загального струму I д. а щільність струму для сталевих електродів в анодної області приблизно дорівнює 15 А / мм 2.
Стовп дуги. Ця частина дуги розташована між катодного і анодного областями і має довжину, на кілька порядків перевищує розміри зазначених областей, lст = 1-40 мм. Заряджені частинки поступають в стовп дуги з катодного і анодного областей, а також виникають у ньому за рахунок термічної іонізації нейтральних частинок. Останній процес відіграє підпорядковану роль. Так, ступінь дисоціації в парах заліза у зварювальних дуг не перевищує 4%, що свідчите слабкою іонізації плазми стовпа дуги. У стовпі електронна складова струму набагато більше іонної. Падіння напруги в стовпі UCT досягає 40 В, що забезпечує градієнт напруги εст = 1-4 В / мм. При цьому падіння напруги прямо пропорційно довжині стовпа 1ст. Щільність струму в стовпі дуги зі сталевими електродами досягає 20 А / мм 2.
Оскільки протяжність приелектродних областей мала по порівняй-нію з довжиною стовпа, то довжину дуги вважають рівною довжині стовпа
Розподіл потенціалу в дузі має вигляд, показаний на рис. 2.1. З наведеного графіка випливає, що падіння напруги на дузі для точних розрахунків можна записати так:
При використанні експериментальних даних зависи-ність спрощується:
Вся потужність, що виділяється в катодній області Ркат = Iд (UKАТ - UBИXР), йде в катод на плавлення, випаровування і тепловідвід. Потужність тепловиділення на аноді обчислюється за співвідношенням Ран = 1д (UАН + UBИX). Знання співвідношення потужностей, що виділяються на ка-тоде і аноді, необхідно для вибору полярності дуги при зварюванні на по-постійному струмі. Для більшості покритих електродів Ран більше РкаТ в 1,3-1,5 рази. Тому при ручного дугового зварювання для збільшення ско-рости плавлення електрода використовують зворотну полярність (+ на елек-Трод). Така ж полярність використовується при механізованої сварок-ке плавиться. При зварюванні неплавким вольфрамовим електродом для зменшення його перегріву і зносу застосовують пряму полярність (- на електроді).
