книги из ГПНТБ / Фоминых В.П. Электросварка учеб. для проф.-техн. училищ

Величина потенциала ионизации и возбуждения за­ висит от природы атома. Наименьший потенциал иониза­ ции (3,9 э-в) имеют пары цезия, а наибольший (24,5 э-в) наблюдается у газа гелия. У щелочноземель­ ных металлов (цезия, калия, натрия, бария, кальция) связь между электронами и ядром не велика, поэтому они имеют наименьшие потенциалы ионизации, следова­ тельно, на возбуждение и работу выхода электрона по­ требуется затратить меньше энергии, чем у железа, мар­ ганца, меди il никеля. Элементы, имеющие меньшие по­ тенциалы ионизации и возбуждения, чем свариваемый металл, вводят в состав электродных покрытий, чтобы повысить стабилизацию дугового разряда в газах. Ко­ личество энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла или жидкого тела, называется ра­ ботой выхода электрона и выражается в электрон-воль­ тах.

Виды ионизации

В электрическом газовом разряде различают следу­ ющие виды ионизации газов: соударением, фотоиониза­

киваясь с молекулами и атомами газа, сбивают с их ор­ бит электроны, образуя при этом положительные ионы. Электроны, сбитые с поверхности электрода, называются первичными, а электроны, выбитые с орбит нейтральных частиц (атомов),— вторичными. Вторичные электроны также могут оказать ударное действие на следующие мо­ лекулы и атомы и образовать так называемые третичные электроны, которые при потере кинетической энергии об­ разуют с нейтральными частицами отрицательные ионы (последние легко образуются в кислороде, окислах азо­ та, галоидах, водяном паре и т.д.). Образовавшиеся положительные и отрицательные ионы стремятся проде­ лать путь к противоположному по закону полюсу. При столкновении положительных ионов с отрицательными ионами или с электронами будут образовываться ней­ тральные молекулы или атомы (процесс рекомбинации).

Соударения ионизируемой частицы со свободным электроном и нейтральным атомом могут быть упругими

30

и неупругими. При упругом соударении кинетическая энергия остается неизменной, при неупругом — часть ки­ нетической энергии расходуется на внутреннюю рабо­ ту — возбуждение или ионизацию. Поэтому после соуда­ рения энергия частицы уменьшится. Возбуждение и иони­ зация частицы возможны только в том случае, если кинетическая энергия ударяющейся частицы будет боль­ ше работы возбуждения или ионизации.

Ф от о и о н и з а ц и я заключается в том, что при воз­ действии на газовый промежуток световой энергией ато­ мы и молекулы газа будут поглощать кванты света (фото­ ны), образуя электрически заряженные частицы — элект­ роны и ноны. Процесс образования атомами и молеку­ лами газа электрически заряженных частиц за счет по­ глощения квантов света называется фотоионизацией. Фотононизация возможна в том случае, если энергия кванта света будет больше работы ионизации газовой молекулы.

Т е п л о в а я и о н и з а ц и я заключается в образова­ нии электрически заряженных частиц в газах от воздей­ ствия на газ высоких температур в результате неупругих столкновений частиц газа, имеющих большие запасы кинетической энергии. Образование электрически заря­

ся электрически заряженных частиц к общему количеству нейтральных частиц в объеме газа до ионизации. При атмосферном давлении степень ионизации газа изменя­ ется с изменением температуры и зависит от потенциала ионизации.

При сварке в дуговом промежутке находится не один газ, а смесь газов и паров, поэтому ионизация каждого газа, входящего в смесь газов и паров, протекает иначе, чем отдельного газа. Для удобства определения степени ионизации газовой смеси вводится понятие «эффектив­ ный потенциал ионизации». Под эффективным потенци­ алом ионизации понимают потенциал ионизации неко­ торого однородного газа, который при тех же темпера­ турах, давлении и концентрации образует такое же количество заряженных частиц, как и газовая смесь. Ес­ ли в атмосферу дуги будут введены вещества с малым потенциалом ионизации, то эффективный потенциал ио-

31

нпзации значительно снизится, что повысит стабильность

дугового разряда.

И о н и з а ц и я э л е к т р и ч е с к и м п о л е м заклю­ чается в том, что электрическое поле, действуя на элект­ рически заряженные частицы газа, ориентирует и уско­ ряет их движение. Воздействие электрического поля на электрически заряженные частицы газа сказывается на участке пути, равном свободному пробегу частицы. При движении частицы соударяются, вследствие чего проис­ ходит либо возбуждение, либо ионизация частиц, а вмес­ те с этим и изменение направления их движения.

Электронная эмиссия

Процесс испарения, излучения или выхода электро­ нов проводимости из металлов называется электронной эмиссией. Этот процесс играет исключительно важную роль в сварочной дуге. Электронная эмиссия подразде­ ляется: на эмиссию'электронов вследствие бомбардиров­ ки металла ионами, фотоэлектронную, термоэлектрон­ ную и автоэлектронную эмиссию.

ударяясь о поверхность катода при нейтрализации, выде­ ляют тепловую и лучистую энергию, за счет которой и происходит эмитирование электронов с катода во внеш­ нюю среду. Эмиссия электронов вызывается главным об­ разом положительными ионами, так как отрицательные ионы в катодной зоне испытывают торможение. Энергия, выделившаяся в результате ударов положительных ио­ нов о катод за счет потенциальной н кинетической энер­ гии ионов, способствует увеличению скорости плавления

катода, сообщает необходимую энергию электронам для

волны, тем больше выделится электронов с поверхности катода.

Т е р м о э л е к т р о н н а я э м и с с и я — это процесс выхода электронов проводимости с накаленной поверх­ ности отрицательного полюса (катода) при нагревании

32

электрода. При нагревании электрода кинетическая энергия электрона становится больше работы выхода, необходимой для преодоления электростатического при­ тяжения электрона, и последний, теряя связь с ядром, вылетает с поверхности электрода. С увеличением темпе­ ратуры нагрева торца электрода кинетическая энергия электрона увеличивается, а сила электростатического притяжения его уменьшается, благодаря чему число вы­ рываемых электронов увеличивается. При термоэлект­ ронной эмиссии происходит охлаждение электрода, так как при выходе электроны уносят с собой большое коли­ чество энергии. Выход электронов зависит от свойств и чистоты поверхности металла. Если, например, в со­ став вольфрамового электрода ввести 0,5% окиси то­ рия (ТИОг), то эмиссия такого торированного электрода значительно повысится.

объясняется тем, что внешнее электрическое поле сооб­ щает электрону такую энергию, которая позволяет ему выйти за пределы поверхности металла.

§ 8. СВАРОЧНЫЕ СВОЙСТВА ДУГИ

Сварочной дугой называется мощный устойчивый электрический разряд в газовой среде, образованной между электродами, либо между электродами и издели­ ем. Сварочная дуга характеризуется выделением боль­ шого количества тепловой энергии и сильным световым эффектом. Она является концентрированным источни­ ком тепла и применяется для расплавления основного

йприсадочного материалов.

Взависимости от того, в какой среде происходит ду­ говой разряд, различают:

где составом газовой среды зоны дуги являются пары основного металла, проволоки и защитного флюса;

д у г у , г о р я щ у ю в с р е д е з а щ и т н ы х г а з о в

(в состав газовой среды зоны дуги входят атмосфера за­ щитного газа, пары проволоки и основного металла). Сварочная дуга классифицируется по роду применяемо­ го тока (постоянный, переменный, трехфазный) и по дли­ тельности горения (стационарная, импульсная). При применении постоянного тока различают дугу прямой

и обратной полярности. При прямой полярности отрица­ тельный полюс силовой цепи—катод—находится на электроде, а положительный полюс — анод — на основ­ ном металле. При обратной полярности плюс на электро­

де, а минус на изделии.

34

две дуги электрически связывают электроды с изделием, а третья горит между двумя электродами, изолирован­ ными друг от друга.

Возбуждение дуги производят двумя способами: ка­ санием, либо чирканьем, сущность которых показана на

Общее напряжение сварочной дуги слагается из сум­ мы падений напряжений в отдельных областях дуги:

Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12 000° К и зависит от состава газовой среды ду­ ги, материала, диаметра электрода и плотности тока. Температуру приближенно можно определить по форму­ ле, предложенной академиком АН УССР К. К. Хрено­ вым:

Статическая вольт-амперная характеристика свароч­ ной дуги. Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины и величины сварочного тока, называемую вольтамперной характеристикой сварочной дуги, можно опи­ сать уравнением

При малых и сверхвысоких величинах тока Ua зави­ сит от величины сварочного тока.

Статическая вольт-амперная характеристика свароч­ ной дуги показана на рис. 17. В области / увеличение то­ ка до 80 а приводит к резкому падению напряжения дуги, которое обусловливается тем, что при маломощных ду­ гах увеличение тока вызывает увеличение площади сече­ ния столба дуги, а также его электропроводности. Форма статической характеристики сварочной дуги на этом уча­ стке падающая. Сварочная дуга, имеющая падающую вольт-амперную характеристику, имеет малую устойчи­

столба дуги и активных пятен пропорционально измене­ нию величины сварочного тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех участках дугового разря­ да сохраняются постоянными. В этом случае статическая характеристика сварочной дуги жесткая. Такая дуга ши­ роко применяется в сварочной технике. При увеличении

36

плотности тока без роста катодного пятна, так как по­ верхность электрода уже оказывается недостаточной для размещения катодного пятна с нормальной плотностью тока. Дуга с возрастающей характеристикой широко при­ меняется при сварке под флюсом и в защитных газах.

Процессы, происходящие в момент возбуждения сва­ рочной дуги. При коротком замыкании происходит со­ прикосновение торца электрода с изделием. Поскольку торец электрода имеет неровную поверхность, контакт происходит не по всей плоскости торца электрода

В момент отвода электрода от изделия зона расплавлен­ ного металла — жидкий мостик растягивается, сечение уменьшается, а температура металла увеличивается. При отводе электрода от изделия жидкий мостик металла разрывается, происходит быстрое испарение («взрыв» металла). В этот момент разрядный промежуток запол­ няется нагретыми ионизированными частицами паров металла, электродного покрытия и воздуха — возникает сварочная дуга. Процесс возникновения дуги длится все­ го доли секунды. Ионизация газов в дуговом промежутке в начальный момент возникает в результате термоэлект­ ронной эмиссии с поверхности катода, вследствие нару­ шения структуры в результате резкого перегрева и рас­ плавления металла и электродного покрытия.

Увеличение плотности электронного потока происхо­ дит также за счет окислов и образовавшихся поверхно­ стных слоев расплавившихся флюсов или электродных покрытий, снижающих работу выхода электронов. В мо-

37

мент разрыва мостика жидкого металла потенциал рез­ ко падает, что способствует образованию автоэлектрон­ ной эмиссии. Падение потенциала позволяет увеличивать плотность тока эмиссии, накапливать электронам кине­ тическую энергию для неупругих столкновений с атома­ ми металла и переводить их в ионизированное состояние, увеличивая тем самым число электронов и, следователь­ но, проводимость дугового промежутка. В результате ток увеличивается, а напряжение падает. Это происходит до определенного предела, а затем начинается устойчивое состояние дугового разряда — горение дуги.

Катодная область. Процессы, протекающие в обла­ сти катодного падения напряжения, играют важную роль в сварочных процессах. Область катодного падения на­ пряжения является источником первичных электронов, которые поддерживают газы дугового промежутка в воз­ бужденном ионизированном состоянии и переносят на себе в силу большой подвижности основную массу заря­ да. Отрыв электронов с поверхности катода вызывается в первую очередь термоэлектронной и автоэлектронной эмиссией. Энергия, расходуемая на вырыв электронов с поверхности катода и наплавленпе металла, в некоторой степени возмещается энергией из столба дуги за счет потока положительно заряженных ионов, отдающих на поверхности катода свою энергию ионизации. Процессы, происходящие в области катодного падения напряжения, можно представить по следующей схеме.

1. Электроны, излучаясь с поверхности катода, полу­ чают ускорения, необходимые для ионизации молекул и атомов газа. В некоторых случаях катодное падение на­ пряжения бывает равно потенциалу ионизации газа. Ве­ личина катодного падения напряжения зависит от потен­ циала ионизации газа и бывает 10—16 в.

новений и она приблизительно равна свободному пробегу электрона. Значения толщины катодной зоны, найденные опытным путем, меньше Ю - 4 см.

3. С увеличением плотности тока температура катод­ ной области повышается.

Столб дуги. В столбе дуги имеются три рода заря­ женных частиц — электроны, положительные ионы и от­ рицательные ионы, которые перемещаются к противопо­ ложному по знаку полюсу.

38

Столб дуги можно считать нейтральным, так как сум­ ма зарядов отрицательных частиц равна сумме зарядов положительных частиц. Столб дуги характерен образо­ ванием заряженных частиц и воссоединением заряжен­ ных частиц в нейтральные атомы (рекомбинация). Поток электронов через слой газов разрядного промежутка вызывает в основном упругие соударения с молекулами и атомами газа, вследствие чего создается весьма высо­ кая температура. Возможна также и ионизация в резуль­ тате неупругих соударений.

Температура столба дуги зависит от состава газов, величины сварочного тока (с увеличением величины тока температура повышается), типа электродных покрытий и полярности. При обратной полярности температура столба дуги выше.

Анодная область. Анодная область имеет большую протяженность и меньший градиент напряжения, чем ка­ тодная область. Падение напряжения в анодной области создается в результате извлечения электронов из столба дугового разряда и ускорением при входе их в анод. В анодной области имеется в основном только электрон­ ный ток, вследствие малого количества отрицательно за­ ряженных ионов, имеющих меньшие скорости движения, чем электрон. Электрон, попавший на анодную поверх­ ность, отдает металлу не только запас кинетической энер­ гии, но и энергию работы выхода, поэтому анод получает энергию от столба дуги не только в виде потока электро­ нов, но и в виде теплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.

Особенности сварочной дуги, питаемой переменным током. При сварке дугой переменного тока (промыш­ ленной частоты 50 периодов в секунду) катодное и анод­ ное пятна меняются местами 100 раз в секунду. При изменении полярности образуется так называемый «вен­ тильный эффект», заключающийся в частичном выпрям­ лении тока. Выпрямление тока происходит в результате беспрерывно меняющейся электронной эмиссии, так как при изменении направления тока условия выхода эмис­ сионных токов с электрода и с изделия будут не одина­ ковы .

При одинаковых материалах ток почти не выпрямля­ ется, выпрямление тока в сварочной дуге называется

составляющей постоянного тока, которая при аргонно-

39