Джерела нагрівання та

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

рики – електрони. Наведені вище теоретичні положення дають змогу вважати стовп дуги слабоіонізованим газом (ступінь іонізації x ≈ 3…5%), нагрітим до високої температури (5000…6000 К), з однаковою кількістю негативних та позитивних часток, тобто, електрично нейтральним (стовп дуги не має ніякого електричного заряду).

Особливий стан розпеченого газу, який містить в собі заряджені

частки різних знаків у рівній кількості і, в зв’язку з цим не має елект-

ричного заряду називається термічна квазінейтральна плазма.

Причиною направленого руху заряджених часток (електронів до аноду та іонів до катоду) є електричне поле, яке створюється падінням напруги в стовпі дуги. Це електричне поле характеризує спеціальний показник –

Наприклад, для дуги, яка горить в парах заліза при звичайних зварю-

вальних режимах напруженість електричного поля: Eст ≈ 25 В/см.

Про дрейф заряджених часток в дузі

Висока температура плазми дуги спричиняє швидкий хаотичний рух часток в ній (атомів, іонів та електронів). Ті з них, які мають електричний заряд, поступово зміщуються в напрямку дії електричного поля: негативні до позитивного електрода, а позитивні до негативного.

Поступове пересування заряджених часток в напрямку вектора

напруженості електричного поля називається дрейфом.

Швидкість дрейфу пропорційна напруженості електричного поля:

W = b × Eст

91

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

де: Eст – напруженість електричного поля в стовпі дуги;

b – коефіцієнт пропорційності, який носить спеціальну назву:

рухливість; рухливість часток b вимірюється у [cм2/(В×с)].

Рухливість зарядженої частки залежить від величини її заряду, величини вільного пробігу, маси і швидкості хаотичного теплового руху часток.

Показник рухливості часток визначається в класичній кінетичній тео-

де: z0 – заряд частки, (у випадку зварювальної дуги іони та електрони мають однаковий заряд, тільки протилежний по знаку – це за-

ряд електрона: z0 = e0 );

λ– довжина вільного пробігу – відстань, яку проходить частка в своєму хаотичному тепловому русі від одного зіткнення до іншого;

З високою долею достовірності можна вважати, що вільний пробіг іо-

92

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

на такий же, як і нейтрального атома: lі = lа .

Вільний пробіг електрона кінетична теорія газів визначає залежним від величини вільного пробігу атома наступним співвідношенням:

le = 42la (ефект Рамзауера).

Встовпі дуги в рівній мірі наявні носії електрики двох типів: електро-

ни та іони (стовп - електронейтральний). І хоча вони рухаються (дрейфують) в протилежні сторони, перенесення струму відбувається в один бік, завдячуючи різнойменності зарядів. Визначимо, якою є доля кожного з цих носіїв електрики в загальному балансі електропровідності стовпа дуги. Про це можна судити склавши співвідношення рухливостей електронів та іонів в стовпі дуги:

після скорочень і перетворень одержимо такий кінцевий результат:

Простота останнього виразу дає змогу оцінити реальне співвідношення рухливостей позитивно заряджених (іонів) та негативно заряджених (електронів) носіїв електричного струму в дузі:

Наприклад, для дуги в парах заліза Fe , атомна вага якого AFe = 55,85,

при відомих значеннях:

атомна одиниця маси: 1а.о. м. » 1,66056 ´10−27 кг;

маса електрона: me = 9,106 ×10−31 кг,

співвідношення рухливостей електрона та іона в стовпі дуги буде:

be »1830 bi

93

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Це дуже важливе співвідношення: очевидно, що і струм, який перено-

сять через стовп дуги електрони буде в ~1830 разів більший за струм, який переносять іони.

Звідси витікає важливий висновок: головними носіями електричного

струму в стовпі дуги є електрони.

Іонним струмом, оскільки він на кілька порядків менший за електронний, можна знехтувати. Тому в подальшому аналізі процесів у стовпі дуги будемо розглядати в якості струму в дузі лише електронний струм.

Густина струму в стовпі дуги

Густину електричного струму в дузі ( i , [A/м 2]) можна визначити подібно до того, як класична електротехніка визначає густину струму в будь-

λe – довжина вільного пробігу електронів.

Довжина вільного пробігу електронів λe є величина, яка в цьому ви-

падку найважче визначається.

94

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Комплекс складних явищ, який супроводжує взаємодію електронів з частками (атомами, молекулами, іонами) називають ефектом Рамзауе-

ра−Таундсена.

Qe − переріз взаємодії Рамзауера − спеціальний показник, який характеризує ефекти взаємодії електронів з частками газової суміші (атомами, іонами, іншими електронами, тощо).

Суть комплексу явищ, які описує ефект Разауера−Таунсенда, полягає в тому, що ефективний переріз взаємодії електронів з атомами в значній мірі залежить від енергії електронів, завдяки прояву хвильових властивостей останніх. Серед часток, які є в складі дугової плазми, електрони мають найменші розміри, найбільшу рухливість і найпотужніші енергетичні характеристики (завдяки взаємодії з електричним полем стовпа). Вони й проявляють у найбільшій мірі свої хвильові властивості. Вище вже було показано залежність довжини хвилі потоку електронів від енергетичних характеристик. Нагадаємо його ще раз: λe = h / (mev), де me – маса електрона; v

– швидкість руху електрона; h – постійна Планка.

Швидкість руху електрона, яка визначається його запасом кінетичної енергії (не забуваймо, що електрон крім участі в тепловому русі ще й розганяється електричним полем стовпа дуги), може бути такою, що довжина його хвилі виявиться сумірною з розміром атомів та іонів. В цьому випадку не може бути й мови навіть про віддалену подібність взаємодій з пружними зіткненнями, як у газокінетиці. Електрони-хвилі проникають крізь атоми за зовсім іншими, хвильовими законами (дифракція, рефракція), ніж взаємодіють між собою частки корпускулярної природи.

95

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Коли енергетичні характеристики електронів визначає не стільки хаотичний тепловий рух, скільки електричне поле стовпа дуги (або приелектродних областей), термодинамічна рівновага не дотримується, температура «електронного газу» перестає бути рівною температурі оточуючих часток. Електрони можуть набирати енергію до половини, або цілого потенціалу іонізації газу ( (0,5...1,0)Ui ), що відповідає енергіям порядку 10...20 е.-В.

Отже, в умовах дії електричних полів ефективний переріз взаємодії електронів з частками може бути сумірним з перерізом атомів і, навіть, молекул.

Якщо виразитись простіше, то це з точки зору стороннього спостерігача, електрони ніби виростають в розмірах до величини атомів або молекул. З іншого боку, вище було показано, що коли довжина хвилі електрона співпадає з розміром атома, тоді електрон може оминати атом, не взаємодіючи. З точки зору того ж умовного стороннього спостерігача це означає, що електрони ніби зникають з поля зору. Середовище стає для таких електронів прозорим.

Плазма дуги зазвичай являє собою суміш атомів та молекул різних речовин. І завжди може скластися так, що для деяких з них електрони мають переріз взаємодії сумірний з їхнім, а для інших − зникаюче малий.

Обчислений по Рамзауеру пробіг електрона в плазмі може відрізнятись від газокінетичного в десятки разів як в меншу, так і в більшу сторону. Це створює значні, часто непереборні, труднощі при побудові теоретичних моделей перенесення струму в стовпі дуги. Знаходження дійсного значення перерізу Рамзауера являє собою складну задачу, вирішення якої елементарними методами неможливе, але принципово цю величину можна вважати відомою. Для значної частини комбінацій складу газової фази необхідні дані наведені в спеціальній літературі.

Наприклад, при взаємодії електронів з атомами аргону переріз взає-

96

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Тепер залежності для рухливості часток, швидкості їхнього руху та довжини вільного пробігу зведемо у формулі для густини струму, після

У щойно отриманому виразі є дві неприємні невизначеності: кількість носіїв струму − електронів ( ne ) і загальна кількість часток n (нагадаємо,

що все це на одиницю об’єму). Позбавитись цих невизначеностей неважко, якщо згадати що названі частки є учасниками процесу іонізації, який постійно відбувається в стовпі дуги, поки вона існує, і їх пов’язує між собою

просте співвідношення, яке характеризує ступінь іонізації: x = ne . n

Ступінь іонізації, як було показано вище, може бути знайдена, ґрунтуючись на фізичних властивостях та параметрах стану плазми стовпа дуги, тому будемо вважати її заздалегідь відомою (для заданих умов) вели-

В наведеній залежності в квадратних дужках зумисне зібрані всі постійні величини. Їх можна замінити деяким коефіцієнтом C і тоді густину

де: x − ступінь іонізації газу в стовпі дуги;

97

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Eст − напруженість електричного поля в стовпі дуги;

T − температура газу в стовпі дуги (абсолютна, К);

Qe − переріз Рамзауера взаємодії часток з електронами;

Отримана залежність дає змогу наочно спостерігати параметри, які формують величину густини струму в дузі. Попередньо зауважимо, що коли дуговий процес стабільний і склад газової фази сталий, тоді переріз Ра-

мзауера Qe в деяких заданих умовах можна вважати постійною величи-

ною. Отже, на цьому етапі зазначимо три основних чинники, які регулюють густину струму в стовпі дуги:

−ступінь іонізації;

−напруженість електричного поля;

−температура стовпа дуги.

Про каналову модель дуги К.К. Хрєнова

Каналова модель дуги К.К. Хрєнова − це сума абстракцій і спрощень, які доводиться застосовувати при розгляді процесів у дузі, особливо, при аналітичних викладках тих чи інших закономірностей. Найбільш оптимальний з таких наборів спрощень акад. К.К. Хрєнов назвав свого часу терміном «каналова модель». Він включає в себе такі припущення:

−стовп дуги приймають електронейтральним, циліндричним за формою, однорідним;

−стовп дуги відділяється від навколишнього середовища уявною циліндричною границею, зовні якої температура приймається рівною нулю;

−всередині цієї уявної оболонки − в стовпі дуги − темпера-

98

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

тура та густина струму вважаються постійними по перерізу;

−довжина стовпа дуги приймається рівною довжині дуги, а за довжину дуги приймається відстань між електродами;

−градієнт електричного поля в стовпі дуги − лінійний − па-

діння напруги в стовпі дуги U cт пропорційно напруженості

електричного поля Ест і довжині стовпа Lст дуги:

Ucт = ЕстLст .

Каналова модель дуги є найбільш розповсюдженим і найбільш часто уживаним спрощенням при розгляді дугових процесів.

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В АНОДНІЙ ОБЛАСТІ

Анодною областю прийнято називати простір від останнього зіткнення електрона з нейтральним атомом стовпа дуги до поверхні анода і саму поверхню анода.

Електричне поле аноду відкидає позитивні іони в стовп дуги, натомість притягуючи електрони. З поверхні анода не відбувається емісії позитивних іонів (за винятком окремих видів вугільної дуги).

Через це в анодній області протікає тільки електронний струм, тобто,

величина струму дорівнює струму електронів в анодній області: Ia = Ie , і

густина струму теж є рівна густині струму електронів: ia = ie .

Отже, простір навколо поверхні анода довжиною, приблизно рівною вільному пробігу електрона виявляється заповнений тільки електронами і нейтральними атомами. Переповненість електронами створює в анодній

99

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

області об’ємний негативний заряд. Об’ємний негативний заряд анодної області спричиняє анодне падіння напруги, яке мало залежить від матеріалу анода, складу газової фази дуги, струму через дугу, та інших параметрів і для практично всіх видів зварювальних дуг складає 2…3 В. Довжина анодної області теж мало залежить від умов і параметрів горіння дуги і складає, наприклад, для дуги в парах заліза величину приблизно 10 – 4 см.

Електрон, досягаючи поверхні анода віддає йому свою кінетичну енергію, накопичену розгоном анодним падінням напруги, а також потенціа-

льну енергію − роботу виходу, яку було витрачено на вирив електрона з поверхні катоду.

ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА ВІЛЬНОЇ ДУГИ

Дуговий розряд – стійка система. При необмеженому живленні енергією дуговий процес підтримує своє стабільне існування в широкому інтервалі режимів. Всяке порушення рівноваги (в межах наявності електричного живлення) приводить до такої зміни параметрів дуги, щоб дуговий процес залишився існувати (не переривався). Межі, в яких можливі дугові процеси, і в яких можливий такий характер зміни параметрів дуги у відповідь на порушення рівноваги, визначають вольт-амперні характеристики.

Вольт-амперною характеристикою називається залежність падіння напруги в провіднику, або напруженості електричного поля в ньому, від величини струму: Uд = f (Iд ); Eд = f (Iд )

Існує два типи вольт-амперних характеристик: статичні, побудовані за умови, що час існування процесу необмежено довгий: tісн → ∞; та динамі-

чні, побудовані за умови, що час реагування системи на збурення нескінченно малий: tзб → 0 .

В даному матеріалі розглядаються тільки статичні характеристики, причому загальній вольт-амперній характеристиці дуги надається власти-

100