2.5.2. Температура дуги

Применяя далее уравнение (2.31) и определяя концентрацию электронов как п_е = χ п с помощью уравнений Саха (2.50), (2.51), а также используя принцип минимума мощности Штеенбека, К.К. Хренов получил выражение для температуры в столбе дуги:

(2-63)

где U_эф - эффективный потенциал ионизации в плазме.

Опыт показал, что уравнение (2.63) справедливо для ручной дуговой сварки штучными электродами с покрытием, а для сварки под флюсом выражение для температуры в столбе дуги имеет вид

(2.64)

По длине столба температура принимается постоянной.

Для W-дуг (вольфрамовых), горящих в газовой среде (Аг, Не), при приближенной оценке среднюю температуру в центре столба можно принять равной

(2.65)

что в аргоне дает Т= 16 000 К, а в гелии Т= 25 000 К. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными и соответствует тому факту, что основной плазмообразующий газ в W-дугах - обычно защитный газ, а не пары металла.

2.5.3. Влияние газовой среды

Для сварки находят применение дуги с плавящимся и непла-вящимся электродами, горящие в среде или в струе защитных га­зов Ar, He, CO₂ и др. Эти газы влияют на состав плазмы столба и, следовательно, на ее параметры U_эф, Q_e, от которых зависят тем­пература плазмы столба, напряженность поля в нем и плотность тока. При малых скоростях и ламинарном течении струи газов вносимые ею изменения незначительны. Например, для сварки плавящимся электродом свойства столба при атмосферном давле­нии могут быть определены потоками паров электродов и мало зависят от состава защитной атмосферы. Тогда в расчет вводятся константы U_эф, Q_e для паров электродов. Опыты Г.И. Лескова по­казали, что обдувание Ме-дуги при I = 200 А струей аргона, угле­кислого газа или воздуха при малой скорости течения (около 1 м/с) практически не изменило ее характеристики. Однако в вакууме и в парах воды Е меняется значительно (от 2 В/см в первом случае до 80 В/см - во втором).

Для сварки неплавящимся электродом (W, С и др.) состав плазмы столба определяется в основном защитными газами. Например аргон, у которого U_i = 15,7 В, a Q_e = 2,5 • 10^-20 м² , снижает напряженность поля Е в столбе и увеличивает плотность тока. Наоборот, гелий, водород (у которых соответственно Q_e = 5 • 10^-22 и Q_e = 130 • 10^-22 м² ) увеличивают напряженность поля Е и снижают плотность тока у. Следует учесть также, что гелий и водород име­ют высокую теплопроводность, способствующую росту напря­женности Е в столбе дуги.

2.6. Приэлектродные области дугового разряда

Возможность эффективного использования выделяющейся в дуговом разряде мощности для нагрева и плавления металлов (электродов) предопределила широкое использование ее в свароч­ной технике. Основная доля мощности сварочной дуги, идущая на нагрев и плавление электродов, выделяется в приэлектродных об­ластях - катодной и анодной, которые представляют собой пере­ходные зоны между твердыми (или жидкими) поверхностями электродов и плазмой дуги. Отличительными чертами переходной зоны являются сильная неравновесность плазмы и наличие боль­шого градиента потенциала. Основная роль процессов в приэлек­тродных областях - это перенос тока через границы, разделяющие плазму столба дуги и электроды (катод, анод). Поскольку процес­сы в катодной области существенно отличаются от процессов в анодной области, их нужно рассматривать раздельно.

Приведем основные положения теории эмиссии чистых метал­лов и реальных катодов, встречающихся на практике при дуговой сварке и электронно-лучевой обработке материалов.