§ 3. СВАРОЧНАЯ ДУГА И СУЩНОСТЬ ПРОТЕКАЮЩИХ В НЕЙ ПРОЦЕССОВ

Состояние вещества характеризуется взаимо­связью молекул и атомов. Различие свойств твердого, жидкого и газообразного состояния определяется разли­чием средних расстояний между молекулами.

В твердом и жидком состоянии они очень малы, чем и объясняется малая сжимаемость этих веществ и общее их название «конденсированное состояние». В газах это расстояние велико, поэтому они могут сравнительно легко сжиматься под действием внешнего давления. Этим же объясняется различие в электропроводности конденсированного состояния и газов.

В конденсированных веществах крайние электроны легко теряют связь с ядрами своих атомов и свободно перемещаются по веществу. Такие свободные электроны, называемые электронами проводимости, и являются носи­телями тока в проводнике. В газах электроны притяги­ваются только к своим ядрам, поэтому при обычных условиях газы ток не проводят.

В электрической дуге (плазме) газ ионизирован, бла­годаря чему он, сохраняя способность сжиматься, приоб - ретает электропроводность вещества, находящегося в кон­денсированном состоянии. Это и есть четвертое агрегат­ное состояние вещества — плазма. В целом же плазма электрически нейтральна, так как сумма зарядов в любой части объема равна нулю.

Сварочной дугой называют длительный разряд элек­трического тока в газовой среде между находящимися под напряжением твердььми или жидкими проводниками (электродами), который является концентрированным ис­точником теплоты, используемым для плавления металла при сварке (см. рис. 16).

Электрические заряды в сварочной дуге переносятся электрически заряженными частицами — электронами, а также положительно и отрицательно заряженными ионами.

Электроном называется материальная частица, обла­дающая отрицательным зарядом электричества. Масса электрона очень мала и составляет 9,1-10-28 г.

Положительным ионом называют атом или молекулу, потерявшие один электрон (однократная ионизация) или несколько электронов (многократная ионизация). Отри­цательным ионом называют материальную частицу, при­соединившую к себе избыточный электрон. Наименьшей массой обладает ион (протон) водорода 1,67* 10~24 г. Следовательно, масса электрона в 1840 раз меньше массы протона водорода.

Процесс, при котором в газе образуются положитель­ные и отрицательные ионы, называется ионизацией, а такой газ ионизированным.

Положительные ионы могут образоваться из атомов всех элементов, отрицательные — не всех. Легче всего отрицательные ионы образуют так называемые электро­отрицательные элементы — голоиды: (F, Cl, Br, J), кис­лород и др., обладающие значительным сродством к элек­трону. Этот фактор существенно влияет на условия горе­ния сварочной дуги, но недостаточно изучен.

При изучении процессов ионизации за единицу энер­гии, сообщенной частице, принимается электронвольт (эВ). Эта единица численно равна энергии, которую получает электрон, проходя через электрическое поле с разностью потенциалов в 1 В

1 эВ = 1,6- Ю-1Ы Дж. (3)

В зависимости от количества энергии, сообщенной электрону в атоме пли молекуле, они могут возбудиться или ионизироваться. Приняты следующие названия ха­рактеристик этих процессов: потенциал возбуждения, потенциал ионизации, работа выхода и сродство к элек­трону.

Потенциал возбуждения UB характеризует энергию, которую необходимо затратить для перемещения элек­трона атома элемента, находящегося в газообразном состоянии, на орбиту с более высоким энергетическим уровнем. Возбужденное состояние частицы неустойчиво, и электроны мгновенно возвращаются на стационарную орбиту, а энергия возбуждения выделяется в окружающее пространство в виде электромагнитного излучения. Атом или молекула возвращается в нейтральное состояние.

Потенциал ионизации Un характеризует энергию, кото­рую необходимо затратить для отрыва электрона от атома элемента, находящегося в газообразном состоянии, с пре­вращением его в положительный ион.

Потенциал возбуждения и потенциал ионизации зави­сят от строения атома и от энергетического уровня, с которого удаляется электрон.

Работа выхода <рэ равна энергии, необходимой для выделения электрона с поверхности твердого или жидкого проводника и удаления его из сферы действия сил элек­тростатического притяжения.

Работа выхода электрона обратно пропорциональна межатомарному расстоянию, и по этой причине у щелоч­ных и щелочноземельных металлов работа выхода элек­трона меньше, чем у других элементов. Работа выхода также зависит от свойств, чистоты и температуры поверх­ности электрода (катода). Окисление поверхности или нанесение на нее другого металла при определенных условиях снижает работу выхода электрона. Например, введение в состав вольфрамового электрода окиси тория ТЮ2 или лантана La203 значительно увеличивает эмис­сию (испускание) электронов с поверхности катода. Так, эмиссия с катода вольфрамового электрода, содержащего 0,5 % ТЮ2, увеличивается в тысячи раз.

Таблица 1. Значения потенциала возбуждения, потенциала ио­низации, работы выхода и сродства к электрону некоторых элементов Параметр Cs к Na А1 Са Ті Fe ив, в 1,6 2,1 _ 1,9 3,3 4,7 и И. В 3,8 4,3 5,1 5,9 6,1 6,8 7,8 <ра, эВ — 2,2 2,3 4,2 2,9 3,9 4,1 Uс, В 0,7 0,6 “ Параметр С о н N Аг F Не ив, в 7,9 10,2 6,3 11,6 11,6 19,7 Ua, В 11,2 13,2 13,5 14,5 15,7 18,6 24,5 Фэ> эВ 4,3 — — — — — — Vс, в 1,1 3,8 0,7 0,6 "1 3,9 0,37

Сродство к электрону Uc характеризует энергию, которая выделяется при присоединении электрона к атому или положительно заряженному иону. Наибольшее срод­ство к электрону имеют фтор, кислород, хлор; наличие этих элементов в дуговом промежутке сказывается на условии горения дуги.

Значения потенциалов возбуждения и ионизации, ра­боты выхода, сродства к электрону некоторых элементов приведены в табл. 1.

Эмиссию электронов с катода и ионизацию в дуговом промежутке вызывает ряд факторов. Так, в частности, выделение электронов с поверхности катода достигается за счет термоэлектронной эмиссии, автоэлектронной и эмиссии в результате ударов тяжелых ионов по катоду.

Термоэлектронная эмиссия заключается в способности раскаленной поверхности электрода (катода) испускать электроны. Необходимая для этого энергия получается за счет изменения при высоких температурах собствен­ной энергии электронов проводимости материала. В ре­зультате создаются условия, при которых электроны способны оторваться от поверхности электрода и поки­нуть его пределы. При этом будет затрачена энергия, равная работе выхода.

Электроны, ушедшие из металла в результате эмиссии, пополняются из внешнего источника тока, служащего для питания дуги. Чем выше температура катода, тем больше плотность тока термоэлектронной эмиссии и тем больше электронов будет обладать энергией, необходимой для выхода электронов из катода.

Для плавящихся электродов термоэлектронная эмис­сия не играет основной роли в ионизации дугового про­межутка вследствие низкой температуры их кипения и малой плотности тока. При термоэлектронной эмиссии наблюдается охлаждение электрода, являющегося като­дом, за счет уноса электронами значительной энергии.

Автоэлектронная эмиссия характеризуется тем, что энергия, необходимая для вырыва электронов с поверх­ности катода, сообщается внешним электрическим нолем, создаваемым источником питания. Внешнее электрическое поле облегчает выход электронов; оно как бы вытягивает электроны за пределы действия силы притяжения электрона оставшимся в металле положи­тельным зарядом, поэтому при той же температуре уве­личивается плотность тока эмиссии.

Автоэлектронная эмиссия возможна даже при низкой температуре катода. При сварке электродами с низкой температурой кипения автоэлектронная эмиссия является, вероятно, одной из основных причин эмиссии электронов.

Эмиссия электронов в результате ударов ионов по катоду возникает в тех случаях, когда положительные ионы под действием электрического поля устремляются к катоду и передают им энергию, достаточную для выби­вания электронов. Этот вид эмиссии играет значительную роль в создании мощного потока электронов в сварочной дуге, и благодаря выделению на катоде потенциальной и кинетической энергии ионов увеличивается скорость плав­ления электрода.

Изучив основные условия эмиссии электронов, рас­смотрим основные виды ионизации в газах.

На условия стабильного горения сварочной дуги наряду с процессами, связанными с эмиссией электронов, существенное влияние оказывают процессы возникнове­ния заряженных частиц в объеме нейтрального газа — объемная ионизация.

Различают три вида ионизации в газах: соударением, облучением (фотоионизация), нагревом (термическая иони­зация).

Ионизация соударением заключается в том, что элек­троны, движущиеся с большой скоростью, встречаясь с нейтральными атомами газа, ударяются о них, выби­вают электроны, ионизируют атомы. Такие соударения называют неупругими соударениями в отличие от упругих, вызывающих только повышение температуры газа. Коли­чество энергии, которое необходимо затратить для отрыва электрона от ядра, называют работой ионизации eU. Если работа ионизации eU измеряется в электронвольтах, а потенциал ионизации Un — в вольтах, то их численные значения равны. Кинетическую энергию для ионизации электроны приобретают под действием сил электрического поля, и скорость их движения пропорциональна разности потенциалов поля на участке пути их пробега без соуда­рения.

Зная, что на основании закона сохранения энергии приращение кинетической энергии электрона mv2/2 должно равняться работе, затраченной на перемещение электрона, можно написать следующее уравнение:

mv2i2 — eU, (4)

где т — масса электрона (9,1 -10~31), кг; v— скорость электрона, м/с; е — заряд электрона (1,6-10'19), Кл; U — разность потенциалов на участке пути, пройденном электроном, В.

Из уравнения (4) определим скорость электрона

Подставляя в это выражение значения е и т, получим

v — 6• 1 О5fU м/с или v = 600 U км/с. Пользуясь этой формулой, можно подсчитать необходимую скорость для осуществления ионизации соударением.

Пример. Требуется определить, какую скорость должны приобре­тать электроны, чтобы за счет соударения осуществить ионизацию ато­мов железа, калия, азота: = 600 | 7,8 = 1680 км/с; ек =

= 600 і/4,3 — 1254 км/с; l>n = 600 7 14,5 = 2280 км/с.

Ионизация облучением — процесс образования заря­женных частиц за счет поглощения газом световых кван­тов. Для ионизации облучением требуется, чтобы энергия световых квантов была равна или больше энергии, необ­ходимой для ионизации газа. Видимый свет не может ионизировать газы.

Ультрафиолетовые лучи спектра вызывают ионизацию ларов щелочных и щелочно-земельных металлов. Кванты рентгеновских и гамма-лучей способны ионизировать все без исключения газы.

Ионизация нагревом (термическая ионизация) проте­кает при высоких температурах за счет неупругих столкно­вений частиц газа, имеющих большую кинетическую энергию. Термическую ионизацию может вызвать столкно­вение нейтральных частиц, а также столкновение ней­тральных частиц с заряженными.

В газе, подвергнутом высоким температурам, даже при отсутствии каких бы то ни было ускоряющих потенциалов или воздействий облучения извне, возникают возбужден­ные и ионизированные атомы. Термическая ионизация практически заметна уже при температуре 1750 °С, по­этому соприкосновение нейтральных атомов с капель­ками перегретого расплавленного металла приводит к повышению кинетической энергии хаотического дви­жения атомов, а следовательно, к усилению иониза­ции.

Для осуществления термической ионизации всех час­тиц газа, заключенных в рассматриваемом объеме, тре­буется определенный нагрев, что при сварке может иметь место только тогда, когда столб дуги заполнен газом с низким потенциалом ионизации. Обычно в нагретом газе уравновешиваются процессы возникновения заря­женных частиц и их исчезновение, и в объеме газа при данной температуре устанавливается постоянная степень ионизации.

Степень ионизации газа характеризует отношение числа образовавшихся заряженных частиц к общему количеству нейтральных и заряженных частиц. Степень термической ионизации однородного газа может быть определена по графику, который построен расчетным путем (рис. 15). Из графика видно, что с повышением температуры степень ионизации возрастает, асимптоти­чески приближаясь к единице, так как наряду с иониза­цией имеет место рекомбинация.

Рекомбинацией называется процесс образования ней­тральных частиц из ионов разных знаков или из поло­жительных ионов и электронов.

По кривым, приведенным на рис. 15, видно, что чем ниже потенциал ионизации вещества, тем больше степень его ионизации при данной температуре. Так, при темпе­ратуре 6000 К степень ионизации паров калия состав­ляет около 0,4, а для паров железа степень ионизации
очень мала. Уменьшение степени ионизации приводит к уменьшению проводимости дугового промежутка.

В реальных условиях сварки плавящимся электродом дуговой промежуток заполнен не одним газом, а смесью газов. Ионизация каждого из газов, входящих в смесь, будет протекать не так, как однородного газа, поэтому вводится понятие об эффективном потенциале иониза­ции (Уи. эф-

Под эффективным потенциалом ионизации газовой смеси подразумевают потенциал ионизации газа (условно однородного), который давал бы при заданной темпера­туре ту же степень ионизации, что и смесь газов заданного состава. Результаты расчета эффективного потенциала ионизации в газовой смеси паров калия и железа при Т — 5800 К следующие:

Содержание атомов К, % (Си —

= 4,3 эВ) 0 1 2 5

Содержание атомов Fe, % (Си —

= 7,8 эВ) 100 99 98 95

Эффективный потенциал ионизации

Uu, aф, В................................................... 7,83 6,35 6,08 5,46

Содержание атомов К, % (Ua =

= 4,3 эВ) 10 20 50 100

Содержание атомов Fe, % (Un =

= 7,8 эВ) 90 80 50 0

Эффективным потенциал ионизации

Vи. »ф. В................................................ 5,28 5,05 4,61 4,3

Из приведенных данных следует, что при введении в ат­мосферу дуги уже сравнительно небольшой массы веще­ства с низким потенциалом ионизации эффективный по­тенциал ионизации газовой смеси значительно снижается
по сравнению с потенциалом ионизации газов, входящих в смесь, что обеспечивает устойчивое горение дуги. На этом эффекте основано введение в покрытия и флюсы стабилизирующих веществ с низким потенциалом иони­зации.