Виды электрических заряженных частиц в газах.

Заряженными частицами в газах могут быть электроны, положительно и отрицательно заряженные ионы.

Количество энергии, выделенное при присоединении электрона к нейтральному атому или отрицательно заряженному иону и выраженное электрон-вольтах, называется сродством к электрону. Единица энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1В называется электрон-вольтом.

Энергия, израсходованная на отрыв электрона, называется работой ионизации. Работа ионизации, выраженная в электрон-вольтах, называется потенциалом ионизации.

Количество энергии, выраженное в электрон-вольтах, которое необходимо затратить для возбуждения атома или молекулы газа (т.е. для того, чтобы перевести электрон на новую орбиту, с более высоким энергетическим уровнем), называется потенциалом возбуждения. Возбуждённое состояние молекулы или атома газа является неустойчивым, и электрон может снова возвратиться на стационарную орбиту, а атом или молекула перейдёт в нормальное невозбуждённое состояние. Энергия возбуждения при этом передаётся в окружающее пространство в форме светового электромагнитного излучения.

Величина потенциала ионизации и возбуждения зависит от природы атома. Наименьший потенциал ионизации (3,9 эВ) имеют пары цезия, а наибольший (24,5 эВ) у газа гелия.

Элементы, имеющие меньшие потенциалы ионизации и возбуждения, чем у свариваемого металла, вводят в состав покрытия электродов, чтобы повысить стабилизацию дугового разряда в газах.

Количество энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла или жидкого тела, называется работой выхода электрона и выражается в эВ.

В электрическом газовом разряде различают следующие виды ионизации:

· соударением;

· фото ионизацию;

· термическую ионизацию;

· ионизацию электрическим полем.

Ионизация соударением заключается в том, что электроны, вышедшие с поверхности катода движутся со скоростью света через слой молекулярного газа к аноду. При своем движении они, сталкиваясь с молекулами и атомами газа, сбивают с их орбит другие электроны, образуя при этом положительные ионы. Электроны, выбитые с поверхности электрода, называются первичными, а электроны, выбитые с орбит нейтральных атомов – вторичными. Вторичные электроны также могут, соударяясь с молекулами и атомами газа, выбивать из них так называемые третичные электроны, которые при потере кинетической энергии образуют с нейтральными частицами отрицательные ионы (последние легко образуются в кислороде, окислах азота, галоидах, водяном паре).

Фотоионизация заключается в том, что при воздействии на газовый промежуток световой энергии (возникающей за счёт рекомбинации) атомы и молекулы газа будут поглощать кванты света (фотоны), образуя электрически заряженные частицы – электроны и ионы.

Фотоионизация возможна в том случае, если энергия кванта света будет больше работы ионизации газовой молекулы.

Термическая ионизация заключается в том, что при воздействии на газ высоких температур в результате неупругих столкновений частиц газа, образуются электрически заряженные частицы. Образование электрически заряженных частиц в газах уже становиться заметным при температуре около 1700°С.

При сварке в дуговом промежутке находится не один газ, а смесь газов и паров металла, поэтому ионизация каждого газа, входящего в смесь, проходит иначе, чем отдельного газа. Для удобства определения степени ионизации газовой смеси вводится понятие эффективный потенциал ионизации.

Под эффективным потенциалом ионизации понимают потенциал ионизации некоего однородного газа, который при тех же температурах, давлении и концентрации образует такое же количество заряженных частиц, как и газовая смесь.

Если в атмосферу дуги будут введены вещества с малым потенциалом ионизации, то эффективный потенциал ионизации значительно снизится, что повысит стабильность дугового разряда.

Ионизация электрическим полем заключается в том, что электрическое поле, действуя на электрически заряженные частицы, ориентирует и ускоряет их движение. Воздействие электрического поля на электрически заряженные частицы газа сказывается на участке пути, равному свободному пробегу частицы. При движении частицы соударяются, вследствие чего происходит либо возбуждение, либо ионизация частиц, а вместе с этим и изменение направления их движения.

Электронная эмиссия играет исключительно важную роль в сварочной дуге. Электронная эмиссия (процесс испарения, излучения и выхода электронов проводимости из металлов) подразделяется:

1. На эмиссию электронов вследствие бомбардировки металла ионами;

2. Фотоэлектронную;

3. Термоэлектронную;

4. Автоэлектронную.

Эмиссия электронов вследствие бомбардировки металла ионами заключается в том, что положительно заряженные ионы, ударяясь о поверхность катода при нейтрализации, выделяют тепловую и лучистую энергию, за счёт которой и происходит эмитирование электронов во внешнюю среду. Энергия, выделившаяся в результате этих ударов, способствует увеличению скорости плавления электродного и основного металла.

Фотоэлектронная эмиссия заключается в том, что лучистая энергия, действуя на поверхность катода, сообщает электронам энергию выхода. Лучистая энергия вызывает выход электронов не только из материала катода, но и из материалов, входящих в состав обмазки электродов. Чем будет короче длинна световой волны, тем больше выделится электронов с поверхности катода.

Термоэлектронная эмиссия вызывается высокой температурой катода, при которой электроны способны отрываться от поверхности последнего (при нагревании электрода кинетическая энергия электрона становится больше работы выхода, необходимой для преодоления электростатического притяжения электрона, который, теряя связь с ядром, вылетает с поверхности электрода).

Автоэлектронная эмиссия это эмиссия электронов за счёт силового электрического поля. Она возможна как при высоких, так и при низких температурах катода. При низких температурах это явление объясняется тем, что внешнее электрическое поле сообщает электрону энергию равную работе выхода электрона.

Возникновение дуги.

Внешне процесс возникновения дуги при сварке протекает следующим образом:

1. При касании концом электрода свариваемого металла происходит короткое замыкание сварочной цепи (Рис. 3.5а).

2. Проходя через отдельные выступы, ток, имеющий в точках соприкосновения электрода с металлом очень высокую плотность, мгновенно расплавляет их, вследствие чего между металлом и электродом образуется тонкая прослойка из жидкого металла (Рис. 3.5б).

3. В следующий момент сварщик (или автомат) несколько отводит электрод, отчего в жидком металле образуется шейка (Рис. 3.5в), в которой плотность тока и температура металла возрастают.

4. Затем, благодаря испарению расплавленного металла, шейка разрывается и в ионизированном промежутке, заполненном газами и парами, между электродом и металлом образуется сварочная дуга (Рис. 3.5г).

 

 

 

При сварке неплавящимися электродами (например, вольфрамовым, в случае аргонно-дуговой сварки) первоначальное возбуждение дуги достигается иным, бесконтактным, способом, например, с помощью осциллятора.

Осциллятор представляет собой генератор затухающих по амплитуде знакопеременных импульсов высокого напряжения (около 3 кВ) и высокой частоты (порядка 100…3000 кГц). При подаче импульсов на промежуток между изделием и электродом происходит пробой промежутка искрой и появление свободных электронов. Кратковременный искровой разряд развивается в дуговой разряд, создавая условия для «горения» сварочной дуги, питаемой от основного источника питания.

При использовании источников питания постоянного тока осцилляторы применяются для первоначального возбуждения дуги. При использовании источников питания переменного тока - как для первоначального возбуждения дуги, так и для возбуждения дуги после смены полярности.

Таким образом, в начальный момент ионизация газов в дуговом промежутке возникает в результате термоэлектронной эмиссии с поверхности катода вследствие нарушения структуры в результате резкого перегрева и расплавления металла и электродного покрытия.

Увеличение плотности электронного потока происходит также за счёт окислов и образовавшихся поверхностных слоёв расплавившихся флюсов (при автоматической сварке под флюсом) или электродных покрытий (при ручной дуговой сварке покрытыми электродами), снижающих работу выхода электронов.

В момент разрыва мостика жидкого металла потенциал резко падает, что способствует образованию автоэлектронной эмиссии.

Падение потенциала позволяет увеличивать плотность тока эмиссии, накапливать электронам кинетическую энергию для неупругих столкновений с атомами металла и переводить их в ионизированное состояние, увеличивая тем самым число свободных электронов и, следовательно, проводимость дугового промежутка. В результате ток увеличивается, а напряжение падает. Это происходит до определённого предела, а затем начинается устойчивое состояние дугового разряда – «горение» дуги.

Дуга состоит (Рис. 3.6) из столба, основание которого расположено в углублении (кратере), образующемся на поверхности ванны расплавленного металла. Столб дуги имеет цилиндрическую или слегка коническую форму. Верхняя часть столба соприкасается с сильно раскалённой поверхностью электрода в месте, так называемого, катодного пятна. Основание столба расположено на свариваемом металле и ограничивается областью, называемой анодным пятном.

При средних значениях сварочного тока (200…300 А) диаметр анодного пятна в 1,5…2 раза больше диаметра катодного пятна.

Общая длина дуги равна сумме длин всех трёх областей:

L_д. = L_к + L_ст + L_а,

где L_к – длина катодной области (по ориентировочным данным протяжённость (толщина) катодной области равна нескольким длинам свободного пробега нейтральных атомов, т.е. L_к = 10^-3 ÷10^-5 см.),

L_ст – длина столба дуги,

L_а - длина катодной области (анодная область приравнивается к длине свободного пробега электрона, имеющей порядок L_а = 10^-3 ÷10^-4 см).

Наиболее протяжённая зона - столб дуги. Точно измерить длину столба дуги при сварке плавящимся электродом практически невозможно, т.к. часть дуги погружена в кратер ванны. Длина дуги непрерывно изменяется вследствие переноса капель через разрядный промежуток, и понятие “длина” дуги – чисто условное.

Температура в столбе дуги колеблется от 5000 ˚К до 12000 ˚К и зависит от состава газовой среды дуги, материала и диаметра электрода, плотности тока и полярности (при обратной полярности температура столба дуги выше). Температуру в столбе дуги приближённо можно определить по формуле, предложенной академиком АН УССР К.К. Хреновым:

Т_ст=810 ´ Uэф,

где U_эф - эффективный потенциал ионизации.

Снаружи столб дуги окружен ореолом пламени из нагретых паров и газов, имеющих более низкую температуру. Таким образом, температура столба дуги зависит от плотности тока и потенциала ионизации дугового газа (если их несколько, то от эффективного потенциала газа).

Плотность тока в электроде может значительно колебаться в зависимости от способа сварки и составляет примерно:

- при РДС покрытыми электродами…………………….18…20 а/мм²;

- при автоматической сварке под флюсом…………….. 50…100 а/мм²;

- при сварке в среде СО₂ …………………………………60…350 а/мм²;

- при сварке в аргоне………………………………………15…350 а/мм²;

В зависимости от потенциала ионизации:

· при горении дуги в парах калия (Ui= 4,33 эВ) и силе тока 200 А температура столба Т_ст=3460˚К (плотность тока i= 300 А/мм²);

· при горении дуги в парах железа (Ui= 7,83 эВ) и силе тока 200 А температура столба Т_ст=6320˚К (плотность тока i_ср= 1800 А/мм²);

· при горении дуги в смеси паров калия и железа (Ui= 4,61 эВ) и силе тока 200 А температура столба Т_ст=5800˚К;

В большинстве случаев, введение в газ столба дуги 5…8 % присадок с низким потенциалом ионизации уже существенно снижает эффективный потенциал ионизации (U_эф) и оказывает сильное влияние на все параметры столба дуги: снижается температура и напряжённость электрического поля в нём, увеличивается диаметр столба.

По силе тока I_д и его плотности i_ф легко вычислить сечение S_ст и диаметр d_ст столба дуги, так как:

π. d²_ст

S_ст = --------------- = I_д / i_ф

 

При сварке металлов неплавящимся электродом в среде защитных газов концентрация различных компонентов смеси неодинакова по длине дуги. Так при сварке алюминия в среде аргона дугой с вольфрамовым электродом наиболее высокая концентрация паров алюминия наблюдается у поверхности изделия, наименьшая – у вольфрамового электрода. В результате столб дуги расширен у алюминиевого, и сжат у вольфрамового электродов.

Температура, плотность тока и напряжённость поля в различных его сечениях неодинаковы. Это, в свою очередь, приводит к появлению интенсивных потоков плазмы.

Столб дуги не создаёт своего электрического поля, так как в единице объёма ионизированного газа одинакова концентрация отрицательно и положительно заряженных частиц. Столб дуги считают квазинейтральным. Степень ионизации
в столбе составляет несколько процентов. Такой ионизированный газ называют низкотемпературной плазмой.

Напряжение сварочной дуги распределяется между её различными областями весьма неравномерно (Рис. 3.6.) Значительная его часть падает в при электродных областях, так в катодной области падение напряжения составляет
U_к=10--- 20 В, чуть меньше в анодной области (до 10 В).

Общее напряжение сварочной дуги слагается из суммы падений напряжений в отдельных её облтях:

 

 

U_д=U_к + U_ст + U_а,В