2.6 Вольт–амперна характеристика дугового розряду

В цілому вольт–амперна характеристика (ВАХ) не лінійна. В залежності від значення току та процесів, які відбуваються у дуговому розряді, вольт–амперну характеристику поділяють на три зони:

1. Спадаюча характеристика (перша зона, рисунок 2.12) — найчастіше використовується при ручному дуговому зварюванні (РДЗ). При збільшенні зварювального струму зростають активні плями катоду, збільшується емісія електронів з катоду. Крім цього в самому дуговому розряді починають активніше протікати елементарні процеси, що веде до збільшення кількості носіїв заряду, зростає температура та ширина стовпа дуги, зменшується електричний опір у дузі, тому необхідно докладати меншу напругу для забезпечення горіння дугового розряду. Кількість носіїв зарядів у даному випадку не постійна і на цій ділянці ВАХ закон Ома не діє.

2. Жорстка характеристика (друга зона, рисунок 2.12). В цій зоні при збільшенні зварювального струму розміри активних плям та кількість носіїв заряду збільшуються пропорційно струму. Тому при збільшенні зварювального струму напруга залишається постійною. На цій ділянці закон Ома також не діє.

3. Зростаюча характеристика (третя зона, рисунок 2.12). При струмі більше 800 А активна пляма катоду досягає межі, яка визначається розмірами перерізу електроду. Емісія з катоду та елементарні процеси обмежуються, розміри стовпа дуги не змінюються, тому кількість носіїв зарядів майже не змінюється. На цій ділянці діє закон Ома.

РДЗ — ручне дугове зварювання;

Н/А ДЗ — напівавтоматичне дугове зварювання;

АДЗ — автоматичне дугове зварювання;

l_д — довжина дуги

Рисунок 2.12 — Вольт–амперна характеристика дугового розряду

2.7 Елементарні процеси у плазмі дугового розряду

2.7.1 Види елементарних процесів

У дуговому розряді відбувається цілий комплекс процесів — взаємодія електронів, іонів та атомів між собою. Частіше всього, це зіткнення. Зіткнення можуть бути пружні та непружні. Якщо в результаті зіткнення частково відбувся лише обмін енергіями, то таке зіткнення пружне. Зіткнення частинок, в результаті якого відбуваються процеси збудження та іонізації —непружне. При збуджені, валентні електрони переходять на більш високі орбіталі.

Іонізація відбувається, коли електрон залишає атом або атом приймає електрон.

Головну роль у дуговому розряді відіграють непружні зіткнення.

У дузі мають місце наступні елементарні процеси:

1) перезарядження іонів — пружне зіткнення

, (2.5)

де і — швидкі атоми;

і — повільні іони;

2) ударна іонізація — один з основних процесів у плазмі дугового розряду

, (2.6)

де e_ш — швидкий електрон;

e_п — повільний електрон;

3) рекомбінація

, (2.7)

де h — постійна Планка;

— частота коливань;

— енергія випромінювання (фотона);

4) радіаційний захват

; (2.8)

5) фотоіонізація

; (2.9)

6) термічна іонізація

. (2.10)

2.7.2 Газокінетичний переріз

Процеси зіткнення частинок у плазмі дугового розряду описують за допомогою параметрів:

— довжина вільного пробігу частинки;

V — швидкість частинки;

— час вільного пробігу частинки;

— кількість зіткнень за 1 с.

, (2.11)

. (2.12)

Ці параметри можна зв’язати з характеристиками, що визначають сам процес зіткнення частинок, наприклад, з ефективним перерізом взаємодії частинок (або газокінетичний переріз) Q.

Геометричний зміст ефективного перерізу взаємодії. Схема визначення ефективного перерізу зіткнення часток показана на рисунку 2.13.

Рисунок 2.13 — Схема визначення ефективного

перерізу взаємодії частинок

Для того, щоб відбулося зіткнення, центри молекул повинні знаходитися на найменшій відстані, яка визначається як

. (2.13)

Площа кола взаємодії радіусом R являє собою геометричний зміст перерізу Q.

. (2.14)

Газокінетичний переріз — це та площа, в межах якої відбувається взаємодія між частинками, що зіткнулися.

Види газокінетичних перерізів:

Q _і–і — переріз зіткнення іон–іон;

Q _і–а — переріз зіткнення іон–атом (перезарядка);

Q _і–е — переріз зіткнення іон–електрон;

Q _е–е — переріз зіткнення електрон–електрон;

Q _е–а — переріз зіткнення електрон–атом.

У зварювальних дугах достатньо враховувати тільки Q _е–а і Q _і–е.

. (2.15)

Довжина пробігу частинки визначається як

, (2.16)

де n — концентрація частинок у 1 м³.

У загальному випадку

, (2.17)

де - кількість нейтральних частинок.

Швидкість частинок

. (2.18)

Довжина вільного пробігу електрона у плазмі

, (2.19)

де k — кількість видів частинок.

2.7.3 Переріз Ромзауера та його ефект

Газокінетичний переріз електрон–атом має назву переріз Ромзауера. Цей переріз визначає іонізаційні процеси в плазмі дугового розряду. Але є виключення, які описуються ефектом Ромзауера. Зміст їх у тому, що у важких газах при невеликому значенні енергії електрону взаємодія електрон–атом дуже послаблена. Це пояснюється хвильовим характером поведінки електронів в процесі пружного зіткнення.

У слабких полях середній газокінетичний пробіг іону не відрізняється від пробігу молекули .

. (2.20)

У сильних полях, де V_і >>V_м

. (2.21)

У сильних та слабких полях

, (2.22)

, (2.23)

де — довжина вільного пробігу молекули у нормальних умовах

( ~10^–7 м).

Для нормальних умов = 1. Для інших умов є функція тиску (P) та температури (T) газу

. (2.24)

Довжина вільного пробігу при Т=300 К та Р= 1 атм = 110^-7 м, а у плазмі дугового розряду (T=6000 K) 2·10^–6 м, 10^–5 м.

2.7.4 Термічна іонізація. Потенціал іонізації

За рахунок термічної енергії у плазмі дугового розряду відбувається збудження та іонізація атомів. Енергія, яка необхідна для виходу електрону з атому, має назву потенціалу іонізації — U_і. Енергія для виходу першого електрону з атому має назву першого потенціалу іонізації (це мінімальна енергія виходу). Найменший перший потенціал іонізації у цезію — U_і = 3,9 еВ, а найбільший у гелію — U_і = 24,7 еВ.

Вихід першого електрону з атому – первинна іонізація, другого – вторинна і т. д. У плазмі дугового розряду реалізується в основному первинна іонізація.

2.7.5 Випромінювання плазми

За випромінювання плазми відповідні два елементарні процеси: рекомбінація (2.7) та радіаційний захват (2.8).

2.7.6 Фотоіонізація

Процес фотоіонізації описується виразом (2.9). Умова фотоіонізації

. (2.25)

Фотоіонізація не грає визначної ролі на іонізаційні процеси в плазмі дугового розряду, тому її можна не враховувати.

2.7.7 Рекомбінація

Рекомбінація — це процес утворення нейтральних атомів, що описується виразом (2.7). Швидкість рекомбінації у 1 м³ визначається коефіцієнтом рекомбінації R.

. (2.26)

Коефіцієнт рекомбінації — це кількість актів рекомбінації в одиниці об’єму за одиницю часу. Коефіцієнт рекомбінації залежить від розмірів та густини частинок (з їх збільшенням коефіцієнт рекомбінації збільшується), природи частинок, часу життя частинки, наявності близьколежачих тіл. Коефіцієнт рекомбінації іонів R_і = 10^-6 см³с^-1, коефіцієнт рекомбінації електронів R_е = 10^–13 см³с^-1.