ния от 12,5 до 2,5 кПа j снижается от 2·103 до 0,6·103 А/см2, а температура катода от 2800 до 2500 К. Соответственно падает и поток мощности, приносимый ионами на поверхность катода (поскольку Uк слабо зависит от давления). Результат этого – существование некоторого граничного значения давления, ниже которого полный тепловой поток на поверхность катода оказывается недостаточным для нагрева ее до температур, обеспечивающих потребную плотность тока термоэмиссии. Очевидно, что для каждого конкретного случая граничное давление имеет вполне определенное значение. Оно зависит, в частности, от геометрии и условий охлаждения катода, тока дуги, свойств плазмы и материала катода.

При дальнейшем понижении давления наблюдается переход разряда в режим вакуумной дуги, когда недостаток ионов из плазмы окружающего газа восполняется ионами материала катода за счет его интенсивного испарения из катодного пятна. Эрозия при этом резко (на несколько порядков) возрастает.

В области низких давлений газа р ≤ 1 Па эффективными устройствами, обладающие малой эрозией и соответственно большим ресурсом работы, являются полые термоэмиссионные катоды. Полый катод (рис.2.28) представляет собой обычно полый цилиндр с внутренним отверстием радиуса R и протоком плазмообразующего (рабочего) газа. Благодаря этому внутри полости всегда имеются условия для обеспечения необходимой концентрации рабочего вещества при сколь угодно малом внешнем давлении среды. Контакт дуги с катодом осуществляется по внутренней поверхности полого термоэмиссионного катода.

2.6.3.Анодная область

Всварочных дуговых процессах явления в анодной области дуги играют исключительно важную роль, поскольку от них во многом зависят доля передачи энергии разряда аноду и, соответственно, характер нагрева и плавления основного металла. За исключением специальных случаев (например, угольная дуга), анод не эмитирует положительных ионов. Поэтому анодный ток — чисто электронный и j = je.

По данным многочисленных наблюдений различаются два основных режима горения дуги на аноде – с контрагированным (сжатым) анодным пятном и с диффузной (распределенной по большой поверхности) зоной контакта дуги с анодом. Вид формы контакта плазмы с поверхностью анода обусловлен действием ряда факторов, таких

64

как величина тока разряда, давление, род плазмообразующего газа, скорость движения плазмы и т.д. Так при низком давлении (р ≤ 104 Па) переход от распределенного разряда к контрагированному наблюдается с увеличением тока, когда превышается некоторое значение тока, называемое критическим. В то же время при атмосферном давлении и выше переход от распределенного разряда к контрагированному наблюдается при уменьшении тока, когда его величина становится ниже некоторого порогового значения.

При диффузной зоне контакта с анодом (диффузной привязки) плотность тока на аноде либо сравнима, либо меньше плотности тока в столбе дуги. В этом режиме не требуется увеличения тока в анодной области дуги, даже, наоборот, иногда может возникнуть необходимость в уменьшении электронного тока. В данном случае анод под действием потока электронов может принимать отрицательный заряд и начинает тормозить избыточные электроны из столба дуги. Поэтому в режиме с диффузной привязкой Ua принимает значения от отрицательного до положительного, необходимого для вытягивания электронов из плазмы.

Если дуга контрагирована, то плотность тока на аноде заметно выше, чем в плазме столба разряда. В этом случае, происходит как бы ионизационное усиление тока в анодном слое, что возможно при дополнительном вкладе энергии в поток электронов. Поскольку электроны получают свою энергию от электрического поля, можно считать, что ионизационное усиление тока происходит при положительном анодном падении потенциала Ua. Так, для дуги с неплавящимся катодом в среде аргона при переходе на контрагированную форму разряда Ua возрастает до 7 В. Для контрагированных разрядов в молекулярных газах (азоте и воздухе) – Ua может достигать 12 В. Создание условий для перехода от распределенного разряда к контрагированному может рассматриваться в качестве одного из способов повышения удельных тепловых потоков на поверхность анода, т.е. повышения проплавляющей способности при дуговой сварке.

2.6.4. Измерения в приэлектродных областях.

Изучение явлений в катодной и анодной областях, особенно в дугах высокого давления, к которым относятся почти все сварочные дуги, за исключением вакуумной, затруднено. Получение сведений о плотностях тока ja и jк на электродах, отношениях je/ji катода, значениях Uк и Ua, напряженностях зон dк, dа, температурах электронов и давлениях газа вблизи них осложняется высокой температурой и малыми размерами. Существует два основных метода измерения Uк и Ua: сдвигание электродов до соприкосновения и зондовый метод.

При сближении электродов разность потенциалов между ними перед самым соприкосновением приблизительно равна сумме Uк + Ua. Однако при тесном сближении столб дуги может смещаться в сторону и длина ее становится больше зазора между электродами. Напряжение Uа при lд ≤ 0,2 мм может вновь возрастать или понижаться, поэтому при снятии кривой Uд = U(lд) и экстраполировании ее на lд = 0 надо это учитывать. Кроме того, Uк и Ua, во многих случаях существенно зависят от lд. Выделение Uк и Ua из суммы Uк+а также вызывает большие трудности.

При высоких температурах плазмы, характерных для сварочных дуг, можно использовать зондовый метод. Зонды, например вращающиеся, перемещают с боль-

65

шой скоростью, чтобы они не успели расплавиться. Потенциал зонда регистрируют с помощью электронного осциллографа. Точно измерить разность потенциалов между холодным зондом и горячей плазмой достаточно сложно, поэтому нельзя определить Uк и Ua с точностью до 1 В.

Затруднено также измерение протяженности переходных зон. По теоретическим соображениям считают, что в атмосферных дугах с холодным металлическим катодом зона dк ≈ Λе, т.е. 10-3 мм и менее. В термоэлектронных дугах dк больше, что оценивается примерно по величине темнового пространства у катода.

Плотность тока j обычно оценивают либо по ширине канала вблизи электрода, либо по следам, оставленным дугой на электродах. В первом случае зона свечения обычно имеет меньшие поперечные размеры, чем сам токопроводящий канал, но не ясно, как распределен ток по сечению, При замерах j по площади следа не учитываются эмиссионная пятнистость и блуждание пятна и т. д.

Пока не существует прямых методов замера отношения плотности je/ji электронного и ионного токов. Замер температуры электродов по их излучению затруднен тем, что источником излучения может быть не поверхность электрода, а светящийся слой плазмы вблизи него. Бомбардировка поверхности катода положительными ионами приводит к такому быстрому распылению материала и размыванию границы «катод — газ», что такие понятия, как температура поверхности и работа выхода еφ, становятся неопределенными

2.6.5. Баланс энергии в приэлектродных областях

Баланс энергии дуги. Как для катодной, так и для анодной областей дуги можно составить подробную схему баланса энергии. Например, для участка анода основные составляющие баланса следующие: а) приход — потенциальная и кинетическая энергия электронов, конвективная и лучистая теплопередача от столба плазмы; б) расход — плавление, излучение и теплоотвод в материал анода. Однако механизм явлений в переходных областях дуги пока недостаточно ясен, поэтому проводить точный расчет всех составляющих баланса энергии трудно. В катодной области остается неизвестной доля ионного тока, коэффициент аккомодации энергии ионов для данного катода, изменение работы выхода электронов вследствие эффекта Шоттки и т. п.

В технологическом отношении энергетическая структура дуги вполне определяется при термодинамическом макроподходе. Дугу при этом рассматривают как квазиравновесную систему из трех источников теплоты: катодного Wк ; анодного Wа и столба дуги Wст.

Ток во всех зонах разряда условно можно принять электронным. На результат термодинамического расчета такая условность совершенно не влияет. Баланс энер-

66

Таблица 2.3. Баланс энергии в различных зонах дуги

Термодинамический баланс на катоде целесообразно сравнить с точным балансом. Точный баланс для катода следовало бы написать так: приход = расход в катод + расход в столб или

т. е. электроны уносят в столб потенциальную энергию, соответствующую высоте барьера φ, и кинетическую энергию 2kT, соответствующую температуре Т плазмы столба. Тогда доля ионного тока на катод

Из формулы (2.80) видно, от чего зависит доля ионного тока f и как ее можно изме-

нить.

Например, увеличивая температуру Т в столбе или работу выхода, тем самым уменьшаем f и увеличиваем долю электронного тока. Если Uк= 10 В, φ = 4 В, то f = 0,4.

Это соответствует W-дуге в аргоне.

Теплота, выделяющаяся в катодной Wк и анодной Wа областях, затрачивается на нагрев, плавление и испарение соответствующих электродов, а также на механические воздействия в приэлектродных областях.

Из формул (см. табл. 2.3) видно, что на катоде не вся выделяемая энергия Uк пе-

реходит в теплоту. Часть ее ϕ + 2kT уносится электронами в плазму. На аноде, наоборот, потенциальная φ и термическая 2kT энергии электронов прибавляются к энергии, определяемой анодным падением.

Иногда теплоту, выделяющуюся на катоде Wк и на аноде Wa оценивают как эф-

67

Тогда Uкэ+ а =Uк + а.

По формулам (2.81), (2.82) можно решить и обратную задачу - приближенно оценить тепловыделение на электродах без измерения теплового потока на катод и анод. Для этого необходимы значения катодного и анодного падений, температуры столба дуги и работы выхода.

Пример. Для Me-дуги из эксперимента получено: Uк = 8 В; Ua = 3 В; T ≈ 5800 К. Определить тепловыделение в приэлектродных областях.

Решение.

kT ≈0,5 эВ; φ =4 эВ. На 1 А тока тепловыделение составит: в катодной области Wк = 8-(4+1) = 3 В; в анодной области Wа = 3+(4+1) = 8 В.

Пример.Вольфрамовая W-дуга характеризуется следующими параметрами: Uк =9 В; T ≈23000 К; kT ≈2 эВ; φ = 4 эВ; Ua =3 В.

Найти тепловыделение в приэлектродных областях На 1 А тока.

Решение.

Тепловыделение составит: в катодной области Wк = 9-(4+4)=1 В; в анодной области Wа = 3+(4+4)=11 В.

Пример. Для плавящегося стального электрода теплота плавления на 1 А за 1 ч будет

где αр —коэффициент расплавления электрода, составляющий для

ручной сварки 6-14, а для автоматической 12…24 г/(А·ч); ηэ ≈ 0,35 – КПД нагрева электрода; ΔΗ — теплосодержание расплавленного материала. Найти тепловыделение для ручной дуговой сварки в приэлектродных областях на 1 А тока.

Решение.

Для сварки стали ΔΗ ≈ 2300 Дж/г. Переводя час в секунды и подставляя числовые значения в (2.83), находим выражение для qпл в вольтах

qпл ≈ 0,64αр , Подставляя αр = 10, получим qпл ≈ 6,4 В.

Из этих примеров следует, что в анодной области дуги тепловыделение энергии значительно больше, чем в катодной (см. рис. 2.25). Это учитывается технологами при выборе полярности электрода и изделия.

Тепловыделение в столбе дуги зависит от его длины и от напряженности электрического поля Е. В свою очередь, Е зависит от теплофизических свойств среды и тока. Значение Е максимально при сварке в среде водяного пара (Е = 60…80 В/см), минимально — в вакуумной дуге (Е = 2…4 В/см).

68