Процессы преобразования энергии в приэлектродных областях и столбе дуги.

Дугой называют длительно существующий электрический разряд в газах между двумя проводниками электрического тока. Проводниками тока при сварке являются изделие и сварочный электрод или проволока, к которым прикладывается напряжение от источника тока-выпрямителя или трансформатора. В обычных условиях воздух или защитный газ, находящийся между проводниками электрический ток не проводит, т.к. не имеет свободных носителей электрического заряда и является электрически нейтральным. Электрическая нейтральность объясняется тем, что количество положительно заряженных частиц, находящихся в ядре атома, уравновешивается количеством отрицательных частиц (электронов), двигающихся вокруг ядра. Если к атому или группе атомов приложить энергию, то можно один или несколько электродов удалить из зоны притяжения ядра. В этом случае они становятся свободными и газ начинает проводить ток, т.к. отрицательные электроны движутся к положительному полюсу источника тока аноду. Часть атома, из которого удален электрон, называется ионом. Ионы являются обычно положительно заряженными, т.к. вследствие удаления электрона суммарный положительный заряд ядра начинает превышать суммарный отрицательный заряд электронов. Ионы в электрическом поле движутся к отрицательному полюсу источника тока — катоду.

Процесс удаления электрона из нейтрального атома и образование носителей электричества — ионов и свободных электронов называется ионизацией. Энергия, которую необходимо затратить на ионизацию атомов вещества, называется потенциалом ионизации. Потенциал ионизации измеряется в электрон-вольтах (ЭВ).

Ионизация может быть вызвана различными видами воздействия. Различают три ее вида: ионизация соударением, облучением, нагревом.

Ионизация соударением заключается в том, что электроны, движущиеся с большой скоростью, встречаясь с нейтральными атомами газа, ударяются о них, выбивают электроны и ионизируют атомы.

Ионизация облучением — процесс образования заряженных частиц за счет поглощения газом световых квантов. Для ионизации облучением требуется, чтобы энергия световых квантов была равна или больше энергии, необходимой для ионизации газа. Видимый свет не может ионизировать газы.

Ионизация нагревом протекает при высоких температурах за счет неупругих столкновений частиц газа, имеющих большую кинетическую энергию. Термическая ионизация практически заметна уже при температуре 1750 °С.

Наряду с процессом ионизации поставщиком свободных электронов в дугу является процесс эмиссии. Эмиссия — это выделение электронов с поверхности катода. Она также бывает трех видов: термоэлектронная эмиссия, автоэлектронная и эмиссия за счет ударов тяжелых ионов в катод.

Термоэлектронная эмиссия заключается в способности раскаленной поверхности электрода (катода) испускать электроны.

Автоэлектронная эмиссия характеризуется тем, что энергия, необходимая для удаления электронов с поверхности катода, сообщается внешним электрическим полем, создаваемым источником питания. Внешнее электрическое поле облегчает выход электронов. Оно как бы вытягивает их за пределы действия силы притяжения оставшихся в металле положительных зарядов. Автоэлектронная эмиссия возможна даже при низкой температуре катода. При сварке электродами с низкой температурой кипения автоэлектронная эмиссия является основным источником эмиссии электронов.

Эмиссия электронов в результате ударов ионов по катоду возникает в тех случаях, когда положительные ионы под действием электрического поля устремляются к катоду и передают ему энергию, достаточную для выбивания электронов. Этот вид эмиссии играет значительную роль в создании мощного потока электронов в сварочной дуге и благодаря выделению на катоде потенциальной и кинетической энергии ионов увеличивает скорость плавления электрода.

1.2. ПРОЦЕССЫ НА ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКАХ ДУГИ

Процесс зажигания дуги при сварке плавящимся электродом начинается с короткого замыкания электрода с основным металлом.

Из-за шероховатости поверхности касание электродом изделия происходит отдельными выступающими участками, которые под действием выделяющейся теплоты мгновенно расплавляются, образуя жидкую перемычку между основным металлом и электродом. При отводе электрода жидкая перемычка растягивается, сопротивление и температура возрастают. В момент достижения расплавленным металлом перемычки температуры кипения в легко ионизирующихся парах металла возникает дуга. Процесс возникновения и развития дуги длится доли секунды. При сварке неплавящимся электродом происходят те же процессы, но жидкая перемычка образуется за счет плавления только основного металла. Дуга при этом зажигается без касания электродом изделия.

В силу различной природы физических явлений, происхо­дящих на разных участках дуги, дуговой промежуток обычно разделяют на три области; катодную — примыкающую к катоду, анодную — примыкающую к аноду, и промежуток между ними — столб дуги (рис.2.2). На поверхности катода и анода образуются катодные и анодные активные пятна, через которые проходит весь ток сварочной дуги и поэтому они наиболее нагреты.

Высокая температура катодного пятна является непременным условием существования дугового разряда.

Рассмотрим основные физические процессы, протекающие на участках дуги.

В катодной области из катодного пятна происходит эмиссия электронов, которые, ускоряясь электрическим полем в катодной области, попадают в столб дуги. Сталкиваясь в столбе дуги с нейтральными частицами, электроны их ионизируют: е + А° = А+ 2е,в результате получаются два электрона и положительный ион.

В катодной области сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением напряжения U_K.

В анодной области около анодного пятна на участке наблюдается резкое падение напряжения, так называемое анодное падение напряжения. На этом участке 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, а нейтрализация сопровождается выделением энергии, равной работе выхода.

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

Столб дуги — область, расположенная между катодным и анодным падением напряжения. Атмосфера столба дуги представляет собой смесь электронов, положительных ионов (в некоторых случаях отрицательных ионов), а также нейтральных атомов.

Столб дуги в целом не имеет заряда. Он нейтрален. В каждом данном сечении столба дуги одновременно находятся равные количества заряженных частиц противоположных знаков.

Температура столба дуги по его сечению неодинакова. Наибольшую температуру имеет центральная часть столба дуги.