Джерела нагрівання та

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

амперна характеристика дуги при необмеженому діаметрі електродів, між якими горить дуга (тобто, якби дуга необмежено могла збільшувати свій перетин).

Отже, залежно від величини струму вольт-амперна характеристика дуги може бути спадаючою, полого-спадаючою (або просто: пологою) і зростаючою.

І ) при малих струмах (≈ до 100 А) із збільшенням струму інтенсивно зростає число заряджених часток, головним чином, через нагрівання й збільшення емісії електронів із катода, а значить і відповідного зростання об’ємної іонізації у стовпі дуги. Опір стовпа дуги при цьому зменшується і падає потрібна для підтримки розряду напруга. Діаметр стовпа дуги із збільшенням струму – зростає.

Характеристика дуги (ВАХ) в цьому випадку – спадаюча.

ІІ ) при подальшому зростанні струму і обмеженому перетині електродів діаметр стовпа дуги стає сумірний з діаметром електродів і стовп уже не може цілком вільно розширятися. Стовп дуги є дещо стиснутим і об’єм газу, який бере участь у переносі зарядів, зменшується. Це призводить до меншої швидкості росту числа заряджених часток. Напруга дуги стає мало залежною від струму.

Характеристика дуги цьому випадку – полога.

На перших двох ділянках електричний опір дуги від’ємний (негативний): (– R). Дуга не підкоряється Закону Ома. Перші дві ділянки іноді називають узагальнено айертонівською частиною ВАХ дуги за іменем ученого (Айертон), який вперше описав таку нетипову для провідників вольтамперну характеристику дуги.

Перша і друга ділянки характерні для електричної дуги з порівняно невеликими значеннями густини струму.

ІІІ ) подальше зростання струму призводить до вичерпання термоемі-

31

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

сійної здатності катода. Кількість заряджених часток не збільшується. Діаметр дуги обмежується діаметром електродів і більше не може збільшуватись. Опір дуги стає позитивним (+R) і практично постійним. З’являється високоіонізована стиснена плазма, яка за властивостями близька до металевих провідників. Третю ділянку іноді називають узагальнено омічною частиною ВАХ дуги, маючи на увазі, що вона, як і металеві провідники підкоряється закону Ома. Вольт-амперна характеристика дуги в цьому випадку – зростаюча.

Більш докладно фізичні процеси в областях дуги будуть розглянуті в наступних розділах.

Види зварювальних дуг та їх класифікації

При постійних діаметрах електродів і відстані між ними електричні параметри дуги будуть залежати від матеріалу електродів (емісія, випаровування), складу газів дугового проміжку, температури електродів і газу у дузі (в стовпі дуги). Тобто, електричні параметри дуги залежать від фізичних і геометричних факторів. Зміна розмірів електродів, відстані між ними, хімічного складу та фізичних характеристик газу, в якому горить дуга, впливає на електричні характеристики дуги.

В зварювальній техніці вплив геометричних факторів можна характеризувати такими формами дуг, які представлені тут на рисунку.

Дуги класифікують за такими показниками:

−за матеріалами електродів між якими горить дуга: залізна, вольфрамова, вугільна (графітова), алюмінієва, ін.

−за складом газів у яких горить дуга: в повітрі, в парах металів, чи

32

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

в потоках захисних газів – повітряна, водяна (підводна), металева, азотна, воднева, аргонова, гелієва, ін.

−за технологією застосування: плавким чи неплавким електродом, у верхньому (горішньому) положенні чи в нижньому (долішньому), з механізованою подачею електрода чи з ручною і т.п.

Енергетична ємність різних областей дуги

Для наведених вище значень падінь напруги в областях дуги (дуга в парах заліза) і характерних для ручного дугового зварювання значень струму (≈120A) одержимо такі значення потужностей, які споживаються різними областями дуги:

−в катодній області: 14 В × 120 А ≈ 1,7 кВт (на довжині ≈ 10 – 5 см);

−в стовпі дуги: 25 В/см × 0,6 см × 120 А = 1,8 кВт (на довжині ≈ 0,6 см);

−в анодній області: 2,5 В × 120 А = 0,3 кВт (на довжині ≈ 10 – 4 см).

Отже, основними споживачами енергії в зварювальній дузі є катодна область і стовп дуги, очевидно, що в них і відбуваються головні події, які характеризують фізичні явища, результатом яких є дуговий розряд. То ж і ми розглянемо фізичні процеси в такій послідовності, в якій зустрічають їх електрони, які покидають поверхню катода, проходять нелегкий шлях через стовп дуги і потім поглинаються поверхнею анода, залишаючи позад себе яскравий слід у вигляді електричної дуги.

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В КАТОДНІЙ ОБЛАСТІ ДУГИ

Електрони покидають поверхню катода і рухаються до анода. Шлях, який вони проходять до першого зіткнення з атомами газів стовпа дуги, обмежує катодну область. Розрахунки показують, що відстань вільного пробігу електрона від поверхні катода до першого зіткнення з нейтральним атомом складає ≈ 10 – 5 см для дуги в повітрі та парах заліза, при умові нормального тиску. Тому:

33

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

катодною областю називають простір вільного пробігу електрона

від поверхні катода до першого зіткнення з нейтральним атомом, та

саму поверхню катода.

Схема катодної області і фізичних процесів, які в ній відбуваються

Про об’ ємний позитивний заряд катодної області

Загальний електричний струм дуги ( Iд) в катодній області складає-

ться з двох зустрічно направлених потоків заряджених часток: електрони рухаються від поверхні катода до стовпа дуги, а позитивно заряджені іони рухаються від стовпа дуги до поверхні катода. Відповідно, ці потоки скла-

дають струми: електронний ( Ie ) та іонний ( Ii ). Не дивлячись на протиле-

жні напрямки, ці струми створені різнойменними зарядами і, фактично, переносять електрику в один бік. Через це загальний струм дуги є в катодній області сумою струмів іонного Ii та електронного Ie :

Iд = Ii + Ie

Абсолютні значення цих струмів залежать від багатьох факторів, самі непередбачувані з яких це розміри (поперечні перетини) областей, по яким протікає струм. Через це, розглядаючи фізику процесів, набагато зручніше

34

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

оперувати поняттям густини струму: і [А/м2].

В теоретичних основах електротехніки густина електричного струму визначається, як добуток заряду часток, які переносять струм, на кількість

Таким чином виявляється, що співвідношення кількостей іонів та електронів в катодній області визначається відношенням швидкостей їхнього руху під дією електричного поля. Середні швидкості направленого під дією електричного поля руху часток можна знайти знаючи кінетичну енергію такого руху.

Кінетична енергія руху часток визначається так само, як і для будь-

яких інших матеріальних об’єктів із залежності: E = m v2 2 , тоді буде:

35

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

де: mi – маса іона; me – маса електрона.

Заряджені частки, проходячи електричне поле (розганяючись ним) накопичують енергію, яка визначається, як добуток величини заряду на різницю потенціалів:

E = e0 Uк , де: U к – падіння напруги в катодній області.

Оскільки всі вони розганяються єдиним електричним полем катодної області, а заряди іона та електрона – рівні (тільки протилежні по знаку), то

Для прикладу знайдемо співвідношення кількостей іонів і електронів в катодній області «металевої» дуги, яка горить в парах заліза

(катодом служить низьковуглецева сталь, 98% Fe ). В цьому випадку простір катодної області заповнений парами заліза, частина атомів якого є іонізованою через високу температуру в катодній області і в дуговому проміжку взагалі.

36

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

Відомо, що: маса електрона: me » 9,10939´10 − 31 кг, масою іона заліза будемо вважати масу його атома, яка мало відрізняється від ма-

си іона {точніше, на масу одного електрона (~0,01%)}. Масу атома за-

Виконані підрахунки наочно показують важливу річ: в катодній об-

ласті в 319 разів більше іонів ніж електронів. І чим більшу масу будуть мати іони, які можуть потрапляти в катодну область, тим більшою буде чисельна перевага іонів над електронами.

Перевага позитивно заряджених часток (іонів) над негативно зарядженими (електронами) у кілька сотень разів означає, що в катодній області існує об’ємний позитивний заряд значної сили. Саме цей заряд створює

вкатодній області електричне поле дуже високої напруженості

(106...109 В/см). Електричне поле саме цього заряду вириває електрони з поверхні катода і розганяє їх до енергій, достатніх для іонізації атомів стовпа дуги.

З точки зору елементарної фізики, існування об’ємного позитивного заряду в катодній області спричиняє те, що електрони, які є в стовпі дуги, наближаючись до катодної області, відштовхуються назад. Іони – навпаки

– притягуються до катодної області і накопичуються тут.

Отже, головний процес, який відбувається в катодній області − це постачання електронами міжелектродного проміжку (емісія), що, власне, й робить можливим існування дугового розряду.

37

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

Катодна емісія

Катодною емісією називається явище покидання електроном по-

верхні твердого або рідкого тіла й віддалення його від цього тіла на від-

стань, при якій між ними не відбувається взаємодії.

Ніякий вільний електрон не може самочинно покинути ніяке тіло без спеціальних умов. Тому що як тільки це відбудеться, тоді негайно між електроном і тілом виникне різниця потенціалів (електрон забирає з собою негативний заряд, тоді тіло приймає позитивний заряд), яка приведе до повернення електрона в тіло. Для того, щоб такого не відбувалось, потрібне невпинне постачання електричного заряду до катода. В електричному колі, в якому існує дуга, таким постачальником служить джерело живлення (генератор, трансформатор, чи випрямляч), яке постачає електрику із зовнішньої мережі. Всі теоретичні викладки, які стосуються дугових, в т.ч. й катодних процесів ґрунтуються на тому припущенні, що таке постачання електрикою відбувається безперебійно і в як завгодно великій кількості (необмежено!).

Якщо, як ми щойно домовились, постачання електрики до катода здійснюється безперебійно і необмежено, тоді електрони можуть покидати поверхню катода настільки швидко, весело і невимушено, наскільки це дозволяє їм сорт атомів, які складають тіло (їх будова, зв’язки між собою та з електронами), стан поверхні тіла, її структура, та інші часто-густо невизначимі, або незрозумілі фактори. Через це легкість (або нелегкість), з якою електрони покидають поверхню того чи іншого тіла вважаться властивістю цієї поверхні і для найбільш розповсюджених матеріалів визначаться експериментально.

Здатність (або нездатність) поверхні деякого матеріалу віддавати електрони в простір характеризується особливим показником, який називають робота виходу електрона з поверхні. або просто – робота виходу.

38

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

Роботою виходу називають величину найменшої енергії, яку необхідно надати електрону, щоб він міг залишити поверхню тіла і віддалитись від неї на відстань, при якій між ними неможлива взаємодія.

В експериментальній фізиці величину цієї найменшої енергії знаходять для електронів, які відповідно до розподілу Фермі-Дірака мають найбільші швидкості руху (найбільші величини кінетичної енергії теплового руху) і відносять її до температури абсолютного нуля: (T = 0 К).

Роботу виходу визначають, як правило, в специфічних одиницях ви-

міру – електрон-вольтах (е.-В).

Електрон-вольти - це енергія, якої набуває електричний заряд, розганяючись електричним полем деякої різниці потенціалів.

1 електрон-вольт [1 е.-В] – це енергія, якої набуває заряд величиною в 1 електростатичну одиницю [1 ел.-ст.од.], розганяючись різницею потенціалів 1 Вольт. За одиницю електростатичного заряду (1 ел.-ст.од) прийнято заряд електрона.

Такий хід думок робить можливим застосування поняття потенціал виходу: це така різниця потенціалів, при проходженні якої електрон набуває енергії, рівної роботі виходу.

Таким чином, чисельно робота виходу в електрон-вольтах дорівнює

потенціалу виходу у вольтах.

Проблеми емісії електронів різними матеріалами при різних температурах і умовах досить широко опрацьовані в класичній та релятивістській фізиці стосовно до пристроїв та апаратів, які використовують це явище для свого функціонування (електронні лампи, кінескопи телевізорів та телекамер, рентгенівські трубки, катоди електронно-променевих пристроїв, ін.).

Значення роботи виходу (потенціалу виходу) для деяких матеріалів наведено нижче в таблиці:

39

Дослідження явища електронної емісії показали, що різні причини можуть викликати явище покидання електроном тіла катода.

Відповідно до цього теорія розрізняє такі види емісії:

−термоелектронна емісія;

−автоелектронна (електростатична) емісія;

−фотоелектронна емісія (зовнішній фотоефект);

−вторинна електронна емісія (при бомбардуванні поверхні важкими

частками: іонами, протонами, і т.п.).

При зварюванні дуговими способами найбільшого значення мають явища термоелектронної та автоелектронної емісії.

Величину катодної емісії оцінюють спеціальним параметром, який називається:

густина струму катодної емісії – j, [А/м2, або А/см2, або А/мм2].

Досліди показують (проф. Лєсков Г.І.), що в більшості способів зварювання зварювальним дугам притаманні значення густини струму емісії електронів з катода в межах:

j = 106…10 9А/м2,

або, користуючись традиційними позасистемними одиницями виміру: j =102…10 5А/см2 = 1…1000 А/мм 2.

40