История и развитие сварочного производства (стр. 4 из 16)

Известно несколько способов возбуждения дугового разряда. По способу В.В. Петрова два электрода, соединенные с источником тока, сближают до соприкосновения и сразу же разводят на небольшое расстояние. В этот момент между ними вспыхивает дуга.

Что же происходит при этом? Упрощенно это можно представить себе так: при соприкосновении электродов электрическая цепь замыкается и по ней идет ток. В соответствии с законом Джоуля-Ленца при протекании тока в проводниках выделяется теплота. Поскольку соприкосновение электродов вследствие неровностей их поверхностей осуществляется лишь в отдельных физических точках, сопротивление протеканию тока в них будет значительным, поэтому материал в точках контакта нагревается сильнее и быстрее, чем в остальных участках цепи. При высокой температуре электрода возникает явление так называемой термоэлектронной эмиссии - испускание электронов под действием теплового возбуждения. Если в этот момент разорвать контакт между электродами, то под действием электрического поля электроны, образовавшиеся вследствие термоэмиссии, начнут перемещаться к положительному электроду (аноду). Сталкиваясь с нейтральными молекулами газа или атомами в межэлектродном промежутке, электроны «раскалывают» их на ионы и новые электроны (рис. 2.1).

В результате этих и других более сложных и тонких процессов в межэлектродном промежутке образуется плазма ~ достаточно ионизированный и квазинейтральный газ, обладающий хорошей проводимостью тока. Следует отметить, что наряду с образованием ионов в межэлектродном промежутке наблюдается и обратная картина, т.е. образование нейтральных атомов и молекул за счет присоединения (поглощения) электронов. При этом происходит выделение энергии в виде фотонов, т.е. возникает излучение в виде света (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема ионизации молекул в дуговом промежутке:

М — молекула; А — атом; Ф — фотон; «-» электрон; « + » — ион

Каково же строение дуги? На рис. 2.2 показан схема дуги постоянного тока, горящей между электродом 1 (катод) и изделием 3 (анод). В межэлектродном (дуговом промежутке) находится электропроводный канал 2, называемый столбом дуги.

Газы столба достаточно ионизированы, ослепительно ярко светятся, имеют по его оси высокую температуру — порядка 10 000 °С. Наиболее ионизирована центральная часть столба.

Столб окружен пламенем, или ореолом, с меньшей температурой, образуемым парами и газами, поступающими из столба дуги и взаимодействующими химически с окружающей атмосферой.

Основаниями столба дуги являются расположенные на электродах ярко светящиеся катодное и анодное пятна (их называют активными), плотность тока в которых может составлять десятки тысяч ампер на квадратный сантиметр. На них происходит преобразование электрической энергии газового разряда в тепловую, нагревающую и расплавляющую металл и способную доводить его до кипения, превращать в пары.

Рис. 2.2. Схема строения сварочной дуги и распределение напряжения по ее длине

Расстояние от анодного до катодного пятна называется длиной дуги (/д). Длина дуги редко превышает 1—2 см, а диаметр столба дуги — и того меньше. Плазма дуги занимает небольшой объем — около 1 см3, который можно разделить на три области: две из них непосредственно прилегают к катодному и анодному пятну и имеют небольшую протяженность (/а, /к), сопоставимую с длиной свободного пробега. Третья область — собственно межэлектродный промежуток, заполненный ионизированным газом, Длина его /с близка к длине дуги /д. В каждой из областей происходят сложные явления.

В столбе дуги, являющемся основной ее частью, присутствуют наряду с заряженными частицами (ионами и электронами) и нейтральные частицы — атомы и молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды, и газов, окружающих дугу. Наличие в столбе дуги заряженных частиц, а также фотонов и квантов электромагнитной энергии придает ему необычные свойства, которые характерны только для четвертого или плазменного состояния вещества, — наряду с твердым, жидким и газообразным состояниями. В земных условиях мы редко сталкиваемся со свободно существующей плазмой (по некоторым представлениям это может быть, например, шаровая молния). Однако в целом во всей Вселенной примерно 99,9 % вещества находится в плазменном состоянии (звезды, туманности и т.д.).

Под действием электрических и магнитных полей, конвективных потоков, местных флуктуации давления, кулоновского взаимодействия между электронами и ионами частицы в столбе дуги перемещаются по сложным траекториям. Наиболее подвижны отрицательно заряженные частицы — электроны. Они могут приобретать высокие скорости перемещения и вступать во взаимодействие с ионами, молекулами и атомами, передавая им свою энергию. При каждом так называемом неупругом взаимодействии происходит возбуждение атома или молекулы, т.е. переход их в состояние с более высоким, энергетически неустойчивым уровнем. Самопроизвольно возвращаясь к нормальному состоянию, частицы излучают энергию в виде фотонов, что наряду с излучением фотонов в процессе объединения положительного иона с электроном (т.е. при образовании нейтральных атомов) и вызывает ослепительное свечение плазмы.

При сильном взаимодействии электрона с атомом последний получает такую большую энергию, которая достаточна для отрыва собственных электронов от ядра. Атом становится положительным ионом: однозарядным, если выбит один электрон, двухзарядным — если два, и т.д. Уровень энергии электрона, необходимой для ионизации какого-либо атома, выражают в электрон-вольтах (ЭВ) и называют потенциалом ионизации.

Различные элементы имеют различный потенциал ионизации. Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше потенциал ионизации. Так, цезий, самый тяжелый элемент из всех щелочных металлов, имеет наименьший потенциал ионизации 3,9 ЭВ, а самый легкий из инертных газов — гелий обладает наивысшим потенциалом ионизации — 24,5 ЭВ. Регулируя состав атмосферы столба дуги, можно, по-видимому, регулировать устойчивость и энергетические возможности дугового разряда, чем на практике и пользуются сварщики.

Для диссоциации различных молекул необходима также различная энергия. Так, например, молекула фтора диссоциирует при затрате энергии в 1,6 ЭБ, а углекислого газа — 9,7 ЭБ. Для сварщиков не безразличны эти цифры. Ведь от того, какие атомы и молекулы будут преобладать в атмосфере дуги, будут зависеть легкость возбуждения дуги, ее стабильность и другие характеристики.

Рис. 2.3. Зависимость напряжения на дуге от силы тока при различных длинах дуги (1, 2) и напряжениях на зажимах источника питания (3, 4)

Столб дуги, достаточно однородный по строению и свойствам, примыкает своими концами к электродам — аноду и катоду, через которые питается током от источника питания 4 (см. рис. 2.2). Приэлектродные области (анодная и катодная), т.е. зоны перехода от твердых или жидких проводников — электродов к газовому проводнику — столбу дуги, являются наиболее сложными областями дугового разряда. Протекание тока в пограничных областях носит необычный характер. Здесь наблюдаются очень высокие плотности тока и совершенно необычные напряженности электрического поля — в десятки тысяч вольт на сантиметр по сравнению с 20 — 30 В/см в столбе дуги. Именно в этих областях горячая плазма граничит со сравнительно холодной поверхностью электродов, нагретых до 2 — 3 тыс. °С. Весьма неопределенна и среда в переходных областях — неизвестно сколько в ней газа и какого он состава, сколько паров материала электродов и т.п. Несмотря на многочисленные работы, посвященные изучению приэлектродных областей, многое остается еще невыясненным, что объясняется трудностями исследований: высокими температурами, малой протяженностью приэлектродных областей (тысячные доли сантиметра), сложностью характера протекающих явлений. Упрощенно можно представить себе основные процессы, происходящие в приэлектродных областях.

В катодной области наблюдается интенсивное эмиссирование (выбрасывание) потока электронов с поверхности катода за счет нагрева его до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) и за счет локального действия электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Кроме этого, поверхность катода бомбардируется положительными ионами и фотонами, способными также выбивать электроны из атомов катода. В результате интенсивной эмиссии электронов с катода и соответствующей ионизации дугового промежутка и устанавливается устойчивый разряд — электрическая дуга.

В анодной области идут более простые процессы: за счет притяжения положительно заряженного анода электроны разгоняются и непрерывно бомбардируют его поверхность. В результате энергия электронов передается аноду, что приводит к интенсивному разогреву его поверхности до температуры, близкой к температуре кипения материала анода.

Известно, что падение напряжения на участке металлического проводника подчиняется закону Ома и может быть представлено в виде прямой.

Падение напряжения в дуге на различных ее участках, отнесенное к единице длины, неодинаково.

На рис, 2.2 представлено распределение падения напряжения в дуге. В прикатодной области на длине около 10^-5 см сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением напряжения (

). В при-анодной области сосредоточено анодное падение напряжения ( ).