2.9 Явища переносу в плазмі дугового розряду

В плазмі дугового розряду мають місце наступні типи переносу:

1. Перенос металу (дивися тему «Перенос металу у дузі»).

2. Перенос заряду.

3. Перенос енергії (тепла).

2.9.1 Перенос заряду

Перенос заряду здійснюється під впливом:

1. Електричного поля.

2. Різниці концентрацій зарядів в різних зонах дуги.

Електричне поле. Густина струму у газі визначається за формулою

, (2.35)

де n_e — кількість електронів;

е — заряд електрона;

V_e — швидкість електрона.

Швидкість електрона

, (2.36)

де E — напруженість електричного поля, Всм^-1;

— середній час пробігу електрона до зіткнення, в результаті

якого електрон гальмується (с);

m_e — маса електрона (m_e = 9·10^–31 кг).

Таким чином густина електричного струму

, (2.37)

де — електрична провідність.

Різниця концентрації зарядів в різних зонах дуги. Під впливом різниці концентрації зарядів в різних зонах дуги виникає тиск, який спрямований з області більшої концентрації в область меншої концентрації. Дифузійний потік (q) домішкових часток

, (2.38)

де D — коефіцієнт дифузії;

grad n — градієнт концентрації.

, (2.39)

де — довжина вільного пробігу електрона;

V_е — швидкість електрона.

В слабоіонізованій плазмі тиск іонів р_і і тиск електронів р_e менші або дорівнюють тиску нейтральних частинок р₀. Тому у такій плазмі відсутня направленість переносу зарядів, а відбувається їх перемішування (амбіполярна дифузія).

2.9.2 Перенос теплоти

Перенос теплоти обумовлений переносом частинок. Швидкість електронів значно перевищує швидкість інших частинок, таким чином енергія переноситься в основному електронами. Електрони високих енергій переходять у зону електронів малих енергій, а електрони малих енергій навпаки, тобто відбувається вирівнювання енергій або теплоти. Величина теплового потоку (q_т, Втм^-2) визначається як

, (2.40)

де K — коефіцієнт теплопровідності;

grad T — градієнт температур.

2.9.3 Саморегулювання зварювальної дуги

Зварювальна дуга у широких межах є саморегулюючою системою. Рівняння Саха у цьому випадку береться за умову саморегулювання стовпа по x, p, T, тобто по ступеню іонізації, тиску і температурі. Існує принцип Штейнбека: температура Т стовпа дуги і його струмоведучий канал радіуса R при даному струмі і в даному середовищі установлюються такими, щоб напруженість у дузі була мінімальною.

. (2.41)

Чім більшою є величина струму, тим менший радіус і менша напруженість.

2.9.4 Баланс енергії в стовпі дуги

Баланс енергії в стовпі дуги складається з припущення, що всю енергію переносять електрони. Тоді потужність ( ), яка приходиться на одиницю довжини стовпа дуги, визначається як

, (2.42)

де W_к — втрати енергії конвекцією;

W_в — втрати енергії випромінюванням;

W_т — втрати енергії теплопровідністю.

Хренов, приймаючи стовп дуги циліндричної форми, визначив для неї каналову міцність.

, (2.43)

де R_еф — радіус струмоведучого каналу дуги;

— питоме випромінювання по закону Стефана—Больцмана.

2.9.5 Температура дуги

Температура дуги при ручному дуговому зварюванні

, (2.44)

де U₀ — ефективний потенціал іонізації в плазмі.

Температура дуги при дуговому зварюванні під шаром флюсу

. (2.45)

Температура дуги при зварюванні неплавкими електродами

. (2.46)

В цілому, чим більший ефективний потенціал U_о , (чи U_і) тим потрібна вища температура для забезпечення стабільного горіння дуги.