Ионизация газа. Нагрев металла электрическим током занимает ведущее место в сварке. Особенно важен нагрев электри­ческим дуговым разрядом, или электрической дугой, делающий возможной дуговую сварку — основной способ сварки металлов нашего времени. Достаточно сказать, что по объему и стоимости дуговая сварка дает продукции больше, чем все остальные виды сварки вместе взятые.

Создается дуга прохождением тока через газ. Вопрос электро­проводности газов, строго говоря, не имеет смысла и его ставить нельзя. В зависимости от условий проводимость газа может меня­ться от нуля до очень больших значений. Любой газ при комнатной температуре и нормальном давлении состоит из электрически нейт­ральных молекул и является совершенным изолятором, поскольку в нем нет носителей тока — электрически заряженных частиц. Про­водить электрический ток газ может только в том случае, если в нем появятся электрически заряженные частицы —электроны и ионы. Электрически заряженные частицы могут поступить в объем газа извне или образоваться из нейтральных газовых молекул за счет отщепления от них свободных электронов и одновременного возник­новения положительных ионов. Могут возникать и отрицательные ионы — за счет присоединения электронов к нейтральным моле­кулам.

Как уже упоминалось, процесс образования электрически заря­женных частиц в газе называется ионизацией, а такой газ — иони­зированным. Поскольку ионизированный газ электропровэден, то признаком и измерителем ионизации служит электропроводность газа. Величиной удельной проводимости характеризуется степень ионизации газа.

Степень ионизации газа х представляет собой отношение числа ионизированных молекул яких первоначальному числу я0 до иони­зации: х = Величина х может меняться от 0 до 1. Максималь-

ное значение х — 1 отвечает предельному случаю — когда иони­зированы все молекулы газа. Ионизация может быть однократной (отщепляется один электрон) и многократной (отщепляется не­сколько электронов). В дальнейшем будем иметь дело лишь с одно­кратной ионизацией, выражающейся уравнением

нейтральная молекула — положительный ион + свободный

электрон,

или

А° = А+ + е.

Для осуществления ионизации к молекуле нужно подвести энер­гию не менее работы ионизации (или потенциала ионизации LU), выражаемой обычно в электронвольтах (или в вольтах). Электрон - вольт равен приращению энергии электрона, прошедшего разность потенциалов в 1 в.

Потенциал ионизации отдельного свободного атома колеблется в пределах 3,9 (цезий) — 24,5 (гелий) эв. Эти данные относятся к первичной однократной ионизации, приводящей к отрыву одного электрона, слабее всего связанного с ядром атома. Отрыв следую­щего электрона требует энергии в десятки и сотни электронвольт. Полная многократная ионизация атома с отрывом всех его электро­нов может требовать тысяч электронвольт и в тех процессах, кото­рые мы будем рассматривать, никогда не встречается. Отрыв элект­рона от атома, входящего в состав молекулы, требует несколько больше энергии, чем отрыв его от свободного атома. Например: (/,- для Н составляет 13,5 в, для Нг — 15,4 в, для N = 14,5 в, для Na — 15,8 в. Электрон может быть вырван не только из отдельного атома, но и из плотного их скопления в форме конденсированной фазы — твердых и жидких веществ. Для этого нужно затратить работу выхода UB, которая примерно в 2 раза меньше потенциала ионизации, характеризующего вырывание электрона из отдельного свободного атома.

Энергия ионизации может подводиться к молекуле двумя пу­тями: соударением молекулы с другими частицами — молекулами, атомами, ионами, электронами — и электромагнитным излучением, производящим фотоионизацию.

В ионизирующих соударениях особенно велика роль электро­нов. Вследствие малой величины массы (0,91 • 10~27г) при значи­тельном электрическом заряде (е — 1,60 • 10~1В к)электрон при воздействии силы электрического поля F — еЕ получает большие ускорения и легко доводится до скоростей, достаточных для иони­зирующих соударений. По законам механики электрон, имеющий незначительную массу по сравнению с молекулой, при соударении может передать ей практически всю кинетическую энергию, тогда как при соударении частиц примерно одинаковой массы, например двух молекул, может быть передана лишь половина энергии. По - * этому в большинстве случаев достаточно учитывать лишь ионизи­рующие соударения электронов. Ионизирующие соударения дру­гих частиц столь редки, что их можно не принимать во внимание.

Строение и свойства элементарных частиц сложны и своеоб­разны. Несмотря на это, простейшая модель из твердых упругих шаров, как показывает опыт, достаточно удовлетворительно пере­дает некоторые процессы соударений частиц, хотя,

С

конечно, молекула или ион мало похожи на упругие стальные ша­рики, для которых выведены законы механики. Соударения частиц могут быть упругими или неупругими. При упругом соударении никаких изменений в строении частиц не происходит. Частицы лишь обмениваются энергией и изменяют направление и скорость движе­ния в соответствии с законами механики. Упругие соударения по­вышают температуру газа. При неупругом соударении электрон, в котором никогда никаких изменений не происходит, остается неизменным; тяжелая частица, например газовая молекула, в со­ответствии с количеством энергии, полученным при соударении, может подвергнуться диссоциации, возбуждению и ионизации, а избыток энергии соударения может пойти на изменение направле­ния и скорости движения частиц.

Изменения в строении атомов и молекул, возбуждение и иони­зация могут производиться поглощением квантов электромагнит­ного излучения, что называется фотоионизацией. Квант излучения для производства ионизации должен иметь энергию не меньше по­тенциала ионизации:

hf > eUi, (III.4)

где h — 4,13 • КГ16 эв • сек — постоянная Планка;

/ — частота излучения.

Избыток энергии кванта может сообщать частице скорость v:

hf =*= eVi + • (ІИ.5)

Энергия кванта излучения hf пропорциональна частоте / и обратно пропорциональна длине волны X, так как / = у, где с — скорость

he

света в пустоте. Тогда энергия кванта будет у. Чем короче вол­на, тем больше энергия кванта излучения. Можно определить пре­дельную наибольшую длину волны, которая еще производит иони­зацию атомов с потенциалом ионизации Ut. Очевидно энергия иони-

he

зации еи( должна равняться энергии кванта излучения: сП, = у, отсюда

, he 4,13.10~18 • 3 - 1010 12,4.1(ГБ 12 400 8 /11Т „ч

--------- 177------- ШІ.6)

Для наиболее легко ионизирующихся паров цезия

X - * 318оЛ,

что лежит за пределами видимого света — в ультрафиолетовой области.

Видимый свет не ионизирует паров щелочных металлов. Рент­геновское излучение и тем более у-излучение радиоактивных ве­ществ ионизируют все газы. В наиболее важном для нас дуговом
разряде основную роль в ионизации играют соударения электронов, фотоионизация имеет меньшее значение.

Виды газовых разрядов. Газовые разряды весьма разнообразны по своим свойствам и характеристикам, внешнему виду и возмож­ным применениям.

На рис. 28 показана простейшая установка для исследования газового разряда. Герметически закрытый стеклянный баллон (трубку) можно наполнять различными газами при различных дав­лениях. В баллон введены два металлических электрода, соеди­ненных с зажимами источника тока. Последовательно с баллоном включен регулирующий реостат. Замеряется ток и напряжение на электродах. Включив ток при небольшом напряжении источника,

допустим, менее 1 кв, мы не за­метим никаких изменений в бал­лоне, газ в нем не ионизирован,, не проводит тока. При наличии особо чувствительных измери­тельных приборов можно заме­тить наличие тока, но очень сла­бого — порядка Ю-10 — 10-12а, причем он постепенно умень­шается.

В земных условиях ионизи­рованное состояние газа — не естественное явление. Для его поддержания нужен расход энергии. Нормальным должно быть полное отсутствие заряженных частиц газа. На самом деле это не совсем так. В природе есть непре­рывнодействующие источники энергии, ионизирующие газ: на зем­лю постоянно поступает космическое излучение с высокой энергией квантов; все земные горные породы содержат радиоактивные вещест­ва, дающие у-нзлучение; промышленность пользуется установками и материалами, ионизирующими газы. В результате все газы иони­зированы, хотя и очень слабо. В 1 мл обычного комнатного воздуха в среднем содержится около 10® положительных и отрицательных ионов. Поэтому получить газ, совершенно лишенный заряженных частиц, можно лишь искусственно, удалив из обычного газа заря­женные частицы специальной лабораторной обработкой.

Возвращаясь к нашему опыту, заметим, что очень слабый ток постепенно слабеет вследствие уменьшения содержания заряжен - * ных частиц в газе в результате их нейтрализации на электродах. Чтобы поддержать длительное прохождение тока, нужно ионизи­ровать газ вспомогательным источником энергии, например, воздей­ствуя на баллон рентгеновским излучением. Теперь можно устой­чиво пропускать ток через газ в баллоне.

Пока ток очень мал, заметного нагрева и свечения газа в баллоне не наблюдается и разряд называется темным. Темный разряд — эго первоначальная, наименее развитая стадия газового разряда.

1

Состав газа при нем в баллоне однороден, ионизация равномерна, особых областей в разряде нет. Практическое использование тем­ного разряда весьма незначительно. Увеличивая ток в разряде, в некоторый момент заметим довольно яркое свечение газа. Зажи­гается тлеющий разряд, устойчиво существующий при пониженном давлении газа в несколько миллиметров ртутного столба и повы­шенной плотности тока (0,1 ч - 1 )а! смй. Каждый газ светится свой­ственным ему цветом. Все это создает красивую картину. Напря­жение разряда составляет 200—300 в, в том числе падение напряже­ния на катоде Uк~ 100 в. В тлеющем разряде четко разграничены области катодная, анодная и область столба между ними, занимающая большую часть объема. Этот разряд широко применяется для рек­ламного освещения, сигнальных ламп и пр. Тлеющий разряд не очень устойчив и при колебаниях режима легко переходит в высшую форму разряда — дуговой разряд. В тлеющем разряде проявляются некоторые особенности интенсивного разряда: разделение его на отдельные области, нагрев и свечение газа, повышение плотности тока.

Все газовые разряды можно разделить на устойчивые, или ста­ционарные, и неустойчивые, например искровой разряд. Важным является разделение разрядов на самостоятельные и несамостоя­тельные. Самостоятельный питается от основного источника тока и не требует дополнительных источников, например обычная сва­рочная дуга. Несамостоятельные разряды, помимо основного ис­точника тока, имеют вспомогательные источники, главным образом, для обеспечения достаточной ионизации газа. Вспомогательными источниками могут быть рентгеновское излучение, подогреватель катода, ток высокой частоты, дежурная дуга, питаемая от вспомо­гательного источника тока, и т. п.

Дуговой разряд. Если в схеме газового разряда (рис. 28) уве­личить ток при помощи регулирующего реостата, то после дости­жения некоторого предельного значения картина разряда резко из­менится: вспыхнет ослепительно яркое пламя и загорится дуговой разряд — высшая (как уже было сказано) форма газового разряда. Дальнейшее увеличение тока, не меняя характера разряда, лишь увеличивает его размеры и свечение. Устойчив дуговой разряд в чрезвычайно широких пределах изменения тока. Характерный дуговой разряд с четко выраженными областями можно наблюдать уже при постоянном токе 1а. В сварочных дугах применяют токи 1—5000а, в электрических печах — в десятки тысяч ампер, дуга воз­можна при любом сколь угодно большом токе.

Питаться дуги могут как постоянным, так и переменным током. По способу воздействия на обрабатываемый металл различают пря­мое (рис. 29, а) и косвенное (рис. 29,6) действие дуги. При прямом дей­ствии обрабатываемый металл включен в электрическую цепь и слу­жит одним из электродов дуги. Если дуга питается постоянным то­ком и электрод присоединен к отрицательному полюсу источника тока, а металл — к положительному, то имеем прямую, или

нормальную, полярность дуги; присоединение электрода к положи­тельному, а металла — к отрицательному полюсу дает обратную полярность. Изменение полярности влияет на распределение тепла и перенос электродного металла в дуге. На практике применяют и прямую и обратную полярности, сообразуясь стойкостями техно­логии сварки. Электроды для дуги прямого действия могут быть плавящимися и неплавящимися. Плавящийся электрод расплав ляется дугой, его металл переходит в сварочную ванну и идет на об­разование сварного шва. Неплавящийся электрод или не плавится совсем, например уголь или графит, или плавится очень медленно и незначительно и практически в образовании шва не участвует.

При косвенном действии дуги основной металл не включается в сварочную цепь и не является электродом дуги. Дуга же обычно

Рис. 29. Схемы прямого и косвенного действия дуги.

образуется между двумя неплавящимися электродами. В дуге пря­мого действия металл подвергается бомбардировке заряженными частицами и передача тепла от дуги к металлу весьма интенсивна. В дуге косвенного действия металл нагревается хвостом ее пламени. Нагрев в этом случае менее интенсивен и мало отличается от нагрева газовым пламенем. Дугой косвенного действия можно сваривать неэлектропроводные материалы, например стекло, керамику.

Сварочная дуга может быть открытой — свободно горящей в га­зовой атмосфере — и закрытой, т. е. погруженной во флюс. Часто применяют защитную газовую атмосферу из инертных газов ар­гона и гелия или из активных газов, среди которых особенно важен углекислый газ, или двуокись углерода СО,. Столб дуги окружен ореолом, температура газа в котором значительно ниже, чем в столбе. Частью дуги являются электроды — катод и анод в дуге постоян­ного тока. На концах электродов наблюдаются более яркие участки — опорные пятна примыкания столба к электроду, а в них часто выделяются особо яркие активные электродные пятна, соот­ветственно — катодное и анодное.

Формы дуговых разрядов разнообразны. Зависят они от давле ния газа, которое может меняться от нуля (вакуума) до очень высо­ких значений (до 1000 am), когда дуга еще сохраняет все свои харак­терные особенности. Горение дуги в техническом вакууме, т. Є - при

очень низком давлении газа, вполне возможно. В дуге непрерывно и весьма интенсивно испаряются электроды, давая пары материа­ла электродов и различные газы, создающие в приэлектродных обла­стях газовую атмосферу, достаточную для существования дуги несмотря на непрерывную работу вакуумных насосов. Катод дуги постоянно эмитирует электроны. В результате и в вакууме дуга мо­жет гореть достаточно устойчиво, что очень важно для будущих сва­рочных работ в космическом пространстве.

Представляет интерес возбуждение, или зажигание, дуги. Про стейший и наиболее распространенный способ зажигания дуги — контактный: дуговой промежуток на мгновение замыкают прикосно вением электрода к основному металлу, при отдергивании электрода контакт размыкается и дуга загорается. Если контактное зажига­ние осуществить трудно, применяют другие способы, чаще всего — наложение на дуговой промежуток вспомогательного тока часто­той f > 20 кгц и достаточно высокого напряжения в несколько ки­ловольт. Происходит пробой дугового промежутка, проскакиваю­щий искровой разряд ионизирует газ и переходит в дуговой.

Рассмотрим более подробно отдельные части дугового разряда.

Столб дуги — основная и важнейшая часть ее. В нем про­текают основные процессы и проходит весь ток разряда. Объем столба заполнен ионизированным газом.

Степень и формы ионизации могут быть различны. Будем пред полагать простейший и наиболее распространенный случай — одно­кратную ионизацию, когда при каждом акте возникает один сво­бодный электрон и один однократно заряженный положительный ион. При этом, как правило, сохраняется квазинейтральность газа: в любой момент времени в любом не слишком малом объеме алгеб­раическая сумма зарядов свободных заряженных частиц равна нулю, Такой достаточно ионизированный и квазинейтральный газ полу­чил название плазмы.

Какую степень ионизации считать достаточной, чтобы признать газ плазмой,— понятие условное. Нельзя, например, признать плазмой комнатный воздух, хотя он и ионизирован в некоторой, очень слабой, степени. Иногда считают, что степень ионизации плаз­мы должна быть не менее 10~3, т. е. 0,1%.

В плазме присутствуют электрически нейтральные частицы (мо­лекулы и атомы), возбужденные частицы, электрически заряженные частицы (электроны и ионы), фотоны, кванты электромагнитной энергии. Наличие в плазме электрически заряженных частиц при­дает ей настолько необычные свойства, что ее принимают за особое, четвертое, или плазменное, состояние вещества — наряду с твердым, жидким и газообразным состояниями. В земных условиях мы сравни­тельно редко сталкиваемся с плазмой, и может показаться, что плаз­менное состояние — это редкое состояние вещества, встречающе­еся лишь при особых, необычайных обстоятельствах. Но это неверно. На самом деле Вселенная, в которой мы живем, на 99,9% состоит из плазмы: из нее состоят’ звезды, туманности и межзвездный газ,

заполняющий космическое пространство. Лишь незначительная часть вещества в конденсированном состоянии, например, планеты, спутники планет, метеориты, не является плазмой.

Создание и поддержание плазмы обычно требует подогрева газа. По степени подогрева и температуре газа различают низко­температурную, или «холодную», плазму и высокотемпературную, или «горячую». В холодных плазмах процессы происходят только во внешних электронных оболочках атомов и молекул, глубокие электронные оболочки не затрагиваются, ядерные процессы в них отсутствуют. Такие плазмы всевозможных форм наблюдаются в зем­ных условиях. Температура холодной плазмы Т < 10б °К. В горя­чей плазме температура Т > 10° °К, процессы в электронных обо­лочках затрагивают все ее слои, возможны и различные ядерные процессы. Горячая плазма образует внутренние слои звезд. В сва­рочной технике применяют лишь холодную плазму, и только о ней мы будем говорить в дальнейшем. Одна из крупнейших проблем современной техники — использование горячей плазмы в термо­ядерных энергетических установках — пока еще практически не решена из-за огромных технических трудностей.

Из свойств плазмы столба сварочной дуги очень важным является квазинейтральность плазмы, которая автоматически поддержива­ется с большой точностью. Квазинейтральность устанавливается весьма быстро при создании плазмы и при всяких отклонениях от нормы. Даже небольшие нарушения квазинейтральности создают огромные электрические силы, практически мгновенно восстанавли­вающие нормальное состояние.

Процессы ионизации газа в столбе дуги. Сгусток плазмы, образующий столб дуги, не находится в статиче­ском, установившемся состоянии. Частицы газа при высокой тем­пературе непрерывно движутся с огромными скоростями, непре­рывно соударяются, меняя скорость и направление движения, возбуждаются, ионизируются и снова возвращаются к исходному состоянию. Газ пронизывается потоками квантов электромагнитного излучения и фотонов, движущихся со скоростью света.

Важнейшим процессом ионизации в плазме является соударение частиц. Энергия соударения зависит от скоростей частиц, скорости же определяются выражением

(III.8)

известным как максвелловское распределение по скоростям частиц газа. Здесь М (v) — функция, выражающая вероятность скорости v частицы; w — наиболее вероятная скорость, т. е. максимальное зна­чение функции M(v). Скорость w связана с температурой газа соотношением

f ш2 = кТ, или w - (1119)

Г

где т — масса частицы;

k — постоянная Больцмана; k = = 1,38 • 1СГ1в эрг/'С',

R — универсальная газовая постоянная;

N — число Авогадро, т. е. число молекул в 1 моле.

Из максвелловского распределения скоростей можно найти также

/Ш

— и средне­

арифметическую скорость V =

получим следующие отношения скоростей: w:vr:v— 1 : 1,233: 1,128.

Для оценки процессов иониза­ции соударением существенно важ­но знать эффективное сечение со­ударения и среднюю длину свобод­ного пробега частицы. Эффектив­ное газокинетическое сечение оп­ределим из простейшей модели соударения твердых упругих ша­ров, заменяющих частицы (рис. 30).

Для столкновения двух различ­ных молекул ДД и М2 диаметрами 4 и 4 (случай смеси газов) рас­стояние между их центрами при сближении должно уменьшиться по

d Id

крайней мере до значения - .

Очевидно молекула Мг сталкивается с молекулой М2 только тогда, когда ее центр находится в пределах или на границе проеци­рующегося на направление движения круга площадью

4 = -J (4 + 4)2, (ШЛО)

где 4 — газокинетическое сечение столкновения.

В частных случаях формула (ШЛО) упрощается:

1) столкновение между молекулами одного газа (4 — 4 = d):

As = r. d? (III. 11)

2) один из участников столкновения — свободный электрон. Тогда можно положить 4 — 0, a d2 — d, так что

Л, = ^. (Ш. 12)

Следует заметить, что модель твердых упругих шаров, положен­ная в основу определения,— грубо приближенная и в ряде случаев дает резкое расхождение с данными опыта. Особенно велики рас­хождения для соударений с электроном. Здесь сказывается двой­ственная природа электрона, резко проявляется его волновая при­рода: он начинает взаимодействовать с электронами ударяемого

атома, и сечение соударения может увеличиться в 100—120 раз по сравнению с газокинетической моделью. Это сечение — сечение Рамзауера, по имени исследователя, много работавшего над этим вопросом,— хотя и может быть вычислено методами волновой ме­ханики, но обычно определяется лишь опытным путем. Есть и дру­гие обстоятельства, недостаточно учитываемые моделью из твердых шаров. Поэтому практически подсчеты ведут по таблицам, состав­ленным с учетом опытных данных.

Газокинетическое сечение соударения определяет и среднюю длину свободного пробега частицы между двумя соударениями. На основании элементарных рассуждений можно написать

где Xs— длина пробега;

п —- число частиц в 1 см3.

Или, учитывая, что р — knT, можно написать

откуда видно, что длина пробега обратно пропорциональна плот­ности газа.

Например, в азоте при нормальных условиях средняя длина свободного пробега составляет — 6 • 10~6 см, т. е. — 600 атомных диаметров. При давлении р = 10~влш pm. сгп. длина составит около 45 м, т. е. в вакуумированном сосуде можно принимать во внима­ние только соударения со стенками, соударения частиц будут весьма редки.

В табл. 6 приведены значения %s при 0° С и 760 мм pm. cm-, а также эффективные диаметры молекул для некоторых газов.

Таблица 6 Длины свободных пробегов при 0е С, 760 мм pm. cm. И эффективные диаметры молекул некоторых газов Газ н, Не о, N, воздух со, Xs ■ 10~7, м 1,10 1,75 0,63 0,59 0,60 0,39 d, А 2,75 2,18 3,64 3,75 3,74 4,65

Разделив среднюю скорость молекулы на К, получим число столк­новений в секунду. Для кислорода скорость составляет 500 м/сек. Разделив ее на К = 0,63 ■ 10~7 м, получим ~8 • 10встолкновений в секунду. Число столкновений изменяется пропорционально дав­лению.

При соударениях меняется направление движения частиц и про­исходит обмен энергией, стремящийся свести уровень энергии частиц

к общему уровню. Наибольшее значение имеют соударения электронов наиболее быстрых и подвижных частиц, получающих энергию непосредственно от электрического поля. Естественно, что электроны, проходящие наибольший путь, производят и наи­большее число соударений. Соударения могут быть упругими и не­упругими. Упругие соударения не производят никаких изменений в частицах и лишь меняют скорость их движения. Количество энергии, передаваемой при упругом соударении, незначительно. По законам механики это количество не может превышать доли, рав­ной где іп — масса электрона, М — масса молекулы. Напри­

мер, при упругом соударении электрона с атомом железа макси­мальная доля переданной энергии не может превысить

2 . О QI. 10-30 _ , 1

4 u'at J —- О. 10~е = .

56 • 1,66 • 10~87 ' 50000’

Неупругие соударения помимо передачи сразу больших коли­честв энергии изменяют строение частиц. При каждом соударении неизбежно происходит возбуждение атома ил и молекулы с перебро­ской электрона на более удаленные от ядра орбиты с более высоким уровнем энергии. Спонтанно возвращаясь к нормальному состоя­нию, частицы излучают энергию, полученную при возбуждении. Поэтому плазма дуги ослепительно ярко светится, и это свечение — один из наиболее наглядных признаков дуги.

Соударения частиц повышают и температуру плазмы. В свароч­ных дугах при давлениях газа, близких к атмосферному, темпера­тура дуги может составить в разных случаях 4500—50 000 °С. При таких температурах молекулы химических соединений диссоциируют, распадаясь на отдельные атомы, все вещества испаряются и пребы­вают в газообразном состоянии. Повышение температуры газа озна­чает увеличение скорости и энергии составляющих его частиц. Кинетическая энергия частицы ек = 3/2 kT. При достаточно высо­ких температурах энергия частиц становится настолько большой, что они производят неупругие соударения, вызывающие возбужде­ние и ионизацию атомов. Ионизация, происходящая за счет высо­кой температуры газа, называется термической ионизацией. Уже нагрев на 1000 °С создает заметную ионизацию, 6000 °С значительно ионизируют любой газ.

В обычном дуговом разряде термическая ионизация занимает основное место. В результате плазма состоит из трех различных ком­понентов: нейтрального, ионного и электронного газов. Эти компо­ненты могут иметь различающиеся температуры: Те, Ті и Те. Газы нейтральный и ионный ввиду приблизительно одинаковых размеров частиц практически имеют одну и ту же температуру. Плазма, в которой Tg?= Ті— Те — Т, называется изотермической, или равно - сесной. Получению изотермической плазмы способствуют повыше­ние давления газа и силы тока. В обычной сварочной дуге, горящей при атмосферном давлении, плазму можно считать изотермической.

Получению неравновесной плазмы способствуют понижения давле­ния газа до р < 0,1 am и силы тока до і < 1 а. В этих условиях раз­личие температур электронного и нейтрального газов может быть очень большим: при температуре электронного газа в несколько десятков тысяч градусов нейтральный газ может иметь температуру, близкую к комнатной.

Уравнение термической ионизации может быть записано сле­дующим образом:

А°+е = А+ + 2е. (III.14)

Для поддержания равновесного состояния плазмы наряду с пря­мыми процессами, требующими затраты энергии, такими, как дис­социация, возбуждение и ионизация, необходимы и обратные про­цессы — молизация, переход в нормальное стационарное состоя­ние, деионизация. Особо важное значение имеют процессы деиони­зации, т. е. перехода электрически заряженных частиц в электри­чески нейтральное состояние. Из процессов деионизации отметим рекомбинацию: А+ + е = А°, т. е. объединение положительного иона с электроном с отдачей освободившейся энергии в виде излу­чения. Деионизации плазмы способствуют и другие процессы: нейт­рализация заряженных частиц на электродах и диффузия заряжен­ных частиц за пределы столба дуги.

Уравнение Сага. Для изотермической, или равновес­ной, плазмы индийский физик Сага (Saha) на основании теорети­ческих рассуждений в 1921 г. вывел уравнение, определяющее сте­пень ионизации плазмы. Вывод основан на учете необходимости равновесия прямых и обратных процессов в плазме. После под­становки численных значений входящих величин уравнение Сага получает следующий вид:

^/> = 2,4. 10-Wvexp(^),' (HI-15)

где а2 = = — — квантовый коэффициент, образуемый из ста-

60 #0

тистических весов электронов ge, ионов gt и нейтральных моле - кул g0. Веса определяются числом состояний с одинаковой энергией. Для электронов ge = 2 соответственно двум возможным значениям спинов; gt и g0 могут быть вычислены из строения атомов. Прове­денные подсчеты показали, что для различных атомов величина а2 может меняться от I до 4.

Кривые зависимости степени ионизации х от температуры, вы­численные по уравнению Сага, имеют 5-образный вид (рис. 31). В начальной части кривая х растет с температурой сравнительно медленно, почти по линейному закону, затем рост ускоряется, а при очень высоких температурах вновь замедляется, что выражается перегибом кривой. Это замедление объясняется уменьшением ко­личества атомов, способных к ионизации, так как при очень высоких температурах степень ионизации приближается к единице, а у == 1

Рис. 31. Кривые зависимости степени ионизации от температуры для различных элементов при атмосферном давлении.

Рис. 32. Начальные части кривых ионизации до сте­пени ионизации х = 0.2.

означает, что ионизированы все атомы. В этой области уравнение становится мало применимым, так как увеличивается возможность многократной ионизации: вслед за отрывом первого электрона от атома могут быть оторваны второй, третий и г. д.

Для более точного определения небольших степеней ионизации, обычных в сварочных дугах, на рис. 32 мы приводим начальные части кривых ионизации, вычисленных по уравнению Сага. Для самостоятельных вычислений приводим также первые потенциалы

Приведенное уравнение Сага относится к одному газу. Такой случай мы имеем при сварке вольфрамовым электродом в атмосфере аргона. Более обычная сварка — ручная дуговая плавящимся сталь­ным электродом с покрытием — представляет значительно более сложный случай, когда в атмосфере дуги есть пары железа и мате­риалов покрытия электродов, а также кислород и азот, проникшие из окружающего воздуха. При нагревании подобной смеси ионизи­руются все ее компоненты.

Можно представить условную степень ионизации смеси ^опреде­ляемую как отношение числа ионизированных атомов в компонентах

смеси к общему числу атомов в смеси. А за эффективный потен­циал ионизации смеси U0 принять потенциал однородного газа, дающего то же количество заряженных частиц, что образуется в смеси.

В. В. Фролов дал для вычисления U0 следующую формулу:

U°----- 5® InSv?-exp(-^), (Ш.19)

1

где V, = ~ — ~ — концентрация компонента в смеси.

На рис. 33 показано изменение эффективного потенциала ион» зации смеси паров калия (Uik — 4,32) и железа ((/lFe = 7,83 Видно, что содержание в смеси 5%

(атомных) калия уже значительно снижает эффективный потенциал иони­зации ее. Отсюда следует важный вывод: для снижения потенциала ио­низации смеси и облегчения горения Дуги достаточно небольшой добавки компонента с низким потенциалом ионизации.

Электрическая дуга представляет собой сложную систему, зависящую от многих факторов и способную к автоматическому саморегулированию, основы которого определяются урав­нением Сага. Широко распространено вание стремится осуществить разряд при минимальной напряжен­ности электрического поля (принцип Штеенбека).

Для обычной сварочной дуги с плавящимся электродом основ­ная потеря энергии идет за счет излучения в окружающую среду, примерно пропорционального четвертой степени температуры столба дуги оТ4, т. е. столб дуги излучает энергию, как черное тело. Поэтому температура столба—одна из важнейших характеристик дуги. Очень важны способы измерения температуры дуги. Для предварительного, ориентировочного определения температуры дуги предложены различные эмпирические формулы. Например, для ручной дуговой сварки плавящимся стальным электродом К- К - Хре­нов предложил формулу

Гд = 800 Uи (111.20)

где 1/, — потенциал ионизации газа дуги.

Излучения дуги. Дуга — мощный источник электро­магнитных излучений.

Основную массу излучений создает столб дуги. Стремительно дви­жущиеся и соударяющиеся частицы его плазмы создают непрерывное

электромагнитное излучение, поток атомов света — фотонов. Из процессов, рождающих фотоны, наибольшее значение имеют переход возбужденного атома в нормальное, стационарное состоя­ние и рекомбинация — объединение положительного иона с элект­роном. При этом освобождается как потенциальная энергия электрона, равная потенциалу его ионизации, так и кинетическая, отвечающая скорости движения электрона.

Поскольку свободные электроны обладают непрерывным набором количеств энергии, то фотоны, излучаемые в процессе рекомби­нации, дают сплошной спектр, в то время как излучения возбуж­денных атомов образуют линейчатый спектр, отвечающий ступеням перехода с орбит возбуждения на нормальные орбиты. В конечном счете дуга создает сплошной спектр, образующий фон, на который налагаются характерные линии излучения отдельных атомов. Спектр дуги — сильнейшее средство диагностики дугового разряда, позво­ляющий определять состав газа и с наибольшей точностью измерять температуру плазмы дуги.

Измерения температуры дуги всегда привлекали внимание иссле­дователей. Задача эта трудна, и здесь в разное время применялись весьма различные способы. Например, за основу принималось изме­нение плотности газа при высокой температуре, а для определения ее измерялась скорость звука в газе или поглощение в нем мягких рентгеновских лучей. Применялись и другие способы, представ­ляющие сейчас лишь исторический интерес.

В настоящее время наиболее надежным и точным способом изме - * рения температуры дуги считается спектральный способ, основан­ный на измерении и сравнении яркости спектральных линий различ­ных атомов. Часто, например, за основу берут спектральные линии железа. Проведение измерений облегчается наличием таблиц и альбомов, приводящих точные данные по спектральным линиям различных элементов. Спектральный метод позволяет получать тем­пературу газа столба в среднем по значительным объемам и в от­дельных точках столба, от которых исходит световой луч для иссле­дования. Есть возможность определять температуру в отдельных точках как по длине, так и по сечению столба.

На рис. 34 показано температурное поле дуги с угольными ано­дом 1 и катодом 2 в воздухе при токе 200 а. Измерения температур в отдельных точках выполнены исследованием спектральных ли­ний. Наивысшая температура дуги 12 000° К - По длине столба температура при постоянном диаметре его меняется мало.

На рис. 35 показано распределение температур в поперечном сечении той же дуги на расстоянии 14 мм от катода. Температура меняется очень быстро, кривая распределения температур по ха­рактеру близка к экспоненте.

Излучение дуги с плавящимся металлическим электродом по своему характеру близко к солнечному излучению с небольшим сдвигом максимума излучения в сторону более длинных волн (рис. 36); кривая 1 — для столба дуги, кривая 2 —для ванны.

Г у

П риэ лектр од ные области дугового разряда. Основная часть дугового разряда — столб — достаточно одно­родна по составу, строению и свойствам. По концам она примыкает к электродам — катоду и аноду, через которые питается током от источника. Материал электро­дов — твердый или жидкий про­водник, чаще всего металл — со­прикасается с газовым проводни­ком— столбом дуги. На очень малом протяжении, порядка сво­бодного пробега, чрезвычайно резко меняются составы веществ и характер заряженных час­тиц — носителей тока. Протека­ние тока в пограничных облас­тях приобретает совершенно осо­бый, часто очень сложный харак­тер. Здесь наблюдаются весьма высокие плотности тока и совер­шенно необычайные значения напряженности электрического поля — в десятки тысяч и даже миллионы вольт на сантиметр при напряженности поля в столбе 20—30 в! см и общем напряжении дуги в несколько десятков вольт. Процессы в приэлектродных областях во многом необычны и уникальны и привлекают особое внимание исследователей, работающих в области газовых разрядов.

Рис. 35. Распределение температур Рис. 36. Распределение энергии в в поперечном сечении дуги. спектре излучения солнца и дуги.

Несмотря на многочисленные работы, многое до сих пор остается невыясненным. Это объясняется трудностями исследований: очень высокими температурами, малой протяженностью исследуемых об­ластей, сложностью и необычностью протекающих процессов. На активной поверхности электрода обычно можно заметить
четко отграниченный участок, отличающийся необычайной яр­костью даже на фоне дуги: так называемые электродные пятна — катодное и анодное.

В электродном пятне различают опорное пятно, представляющее собой проекцию столба на поверхность электрода, с плотностью тока в сотни ампер на квадратный сантиметр и повышенной яркостью. Во многих случаях внутри опорного пятна можно различить и активное электродное пятно с весьма высокой яркостью и плот­ностью тока в тысячи ампер на квадратный сантиметр.

Своеобразным процессом на электродах является выбрасывание, или эмиссия, электрически заряженных частиц с поверхности элек­трода в окружающее пространство. Удаление электрона из сво­бодного атома или молекулы в газе называется ионизацией, характе­ризуемой работой и потенциалом ионизации ф. Удаление электрона из комплекса атомов в конденсиро­ванной фазе из твердого или жид­кого вещества называется выходом. Он характеризуется работой или потенциалом выхода. Ионизация и выход аналогичны и отличаются лишь средой, из которой освобож­дается электрон. Работа выхода (табл. 7) примерно раза в два меньше работы ионизации, опреде­ляется она опытным путем. Работа выхода весьма чувствительна к составу эмитирующего вещества, загрязнениям и пленкам на поверхности. Часто она заметно изме­няется от незначительных, трудно обнаруживаемых загрязнений, поэтому результаты определения работы выхода у различных ис­следователей заметно различаются.

Поскольку работа выхода значительно меньше работы иониза­ции, твердые и жидкие тела часто служат источником свободных электронов для прилегающего газового объема. Подобно видам иони­зации в газе (где мы знаем ионизацию соударением, фотоионизацию, термическую ионизацию), имеем аналогичные процессы и для эмис­сии электронов: термоэлектронную, автоэлектронную, или электро­статическую, фотоэлектронную и вторичную — при бомбардировке поверхности различными частицами.

Для сварочной дуги основными процессами эмиссии будут термо­электронная и автоэлектронная. Термоэлектронная эмиссия наблю­дается при нагревании эмиттера. Энергия электронов возрастает пропорционально температуре Т, °К. Некоторые электроны дости­гают при этом уровней энергии, достаточных для преодоления потенциального барьера, ограждающего поверхность эмиттера, и вылетают в окружающее пространство, становясь свободными электронами. г

Процесс термоэлектронной эмиссии хорошо выражается форму­лой Ричардсона — Дэшмана, выведенной на основе теоретических рассуждений, подкрепленных обширными экспериментальными исследованиями:

/ = АТ2е kT а! см2,

где / — плотность термоэлектронного тока;

А — константа, теоретическое значение которой А — — 120 а/(см2 ■ град2); опытные значения А часто очень отличаются от теоретического;

ср — работа выхода.

Наибольшее значение термоэлектронная эмиссия имеет на ка­тоде. Здесь может создаваться электрическое поле, направленное в сторону движения электронов и тем самым усиливающее электрон­ную эмиссию (эффект Шоттки). Подобная термоэлектронная эмис­сия, усиленная действием электрического поля, называется иногда автотермоэлектронной эмиссией. Эмиссия электронов может наблю­даться и на холодных катодах при наложении сильного электри­ческого поля напряженностью Е = 10е - г - 108 в! см.

Плотность тока автоэлектронной эмиссии может быть определена по формуле Фаулера — Нордгейма:

(III.22)

где у и Ь — константы, зависящие от материала катода. ,

Определение Е, входящей в формулу (111.22), с достаточной точ­ностью затруднительно, поэтому обычно пользуются лишь данными рдытных измерений Е.

Очень эффективна фотоионизация на поверхностях твердых и жидких тел. Поскольку работа выхода меньше потенциала иони­зации, то здесь фотоионизацию производят и лучи видимого света.

Эмиссионная способность катода может быть многократно уси­лена нанесением на катод пленок и слоев оксидов с низкой работой выхода. Нанесение оксидов Са, Ва, Sr может понизить работу вы­хода на катоде до 1 в, вместо4,4 — 5 в для металлов с идеально чистой поверхностью. Это обстоятельство широко используют в электрон­ной технике, например при изготовлении электронных ламп. В сва­рочной технике следует также использовать возможность усиления эмиссии с катода за счет нанесения веществ, усиливающих ее. Общая плотность тока на катоде тогда достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр.

^Анодная область дуги отличается однообразием и сравнитель­ной простотой протекающих в ней процессов. Эта область по-види­мому более тесно связана с металлом — основным (прямая поляр­ность) или электродным (обратная полярность) — и часто создает ускоренное расплавление металла. Значительной эмиссии положи­тельных ионов анод не создает. Если она и наблюдается в сварочных

дугах, то в столь незначительных размерах, что не имеет практи­ческого значения. Анодное падение в сварочных дугах (стальной электрод) составляет 6—8 в. Оно не зависит от длины и напряжения дуги и остается постоянным. Постоянна и мощность анодной обла­сти. Протяженность анодной области — порядка длины свободного пробега частицы. Плотность тока на аноде — обычно около несколь­ких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Температура анода близка к температуре кипения его материала. Объемный заряд у поверхности анода создается избытком электронов.

Общая мощность, освобождаемая на аноде,

W*« = IpUan, (III.23)

где /д — ток дуги;

UaH — напряжение на аноде.

Характеристики дуги. Дуга — весьма эффектив­ный источник тепла при сварке. Сварочная дуга с плавящимся металлическим электродом в различных случаях эффективно отдает на нагрев и плавление основного металла 60— 80% энергии, полу­ченной от источника тока. Потери энергии идут на излучение дуги в окружающее пространство, на теплопроводность металла, уно­сятся вместе с брызгами металла.

Дуга четко разграничивается на три области — катодную, столб и анодную, характеризуемые падениями напряжения UK, ІЛт, Ua„. Соответственно и мощность дуги можно разделить на три части:

Wд - /дПд = /д (Uк + U„ + UaH). (111-24) '

Падения напряжений UK и V&„ не зависят от длины дуги, U„ пропорционально длине дуги L: Ucr — bL, где Ь — градиент напря­жения в столбе, в(мм. Поэтому мощность дуги можно выразить и так:

WA= /д(а +6L), (III.25)

где

Cl = Uк - f - Uан|

L — длина дуги, мм.

Эта форма удобнее, так как значительно легче измерить сумму UK f Van, чем эти величины в отдельности.

Сумму катодного и анодного падения напряжений можно найти, постепенно уменьшая длину дуги и замеряя напряжение при мини­мальной ее длине, когда падением в столбе можно пренебречь. Отдельные же величины, входящие в выражение мощности дуги, определяют так. Катодное падение UK часто принимают равным потенциалу ионизации газа. Потенциал паров железа UlPe— 7,83, воздуха — Uі позр. = 14 в. Если нет точных измерений (довольно трудно выполнимых), то в среднем часто берут UK — 10 в. Для анодного падения напряжения, сильно меняющегося в зависимости от разных обстоятельств, при обычной ручной сварке стальным электродом часто принимают UaH = 6 - ь 8 в. Таким образом* сумму

UK + Ua„ можно принять равной 16—18 в. Что касается столба, то градиент напряжения в нем можно принять 2—3 в! мм, в среднем — 2,5 в! мм. Таким образом, напряжение дуги длиной 6 мм будет 104-8 + 2,5-6= 33 в. Распределение напряжения по длине дуги имеет вид, показанный на рис. 37.

Для исследований и практического применения чрезвычайно важна вольт-амперная характеристика дуги UA = / (/) (рис. 38). Вольт-амперная характеристика показывает, что дуга как вид га­зового разряда является нелинейным сопротивлением и не подчи­няется закону Ома.

Области применения дуги весьма обширны, весьма различны условия ее существования и, конечно, столь же различны и ее ха­рактеристики. На рис. 38 изобра­жена некоторая «средняя» характе­ристика, относящаяся, примерно, к ручной сварке стальным элек-

Ua. b

БО

40

го

тродом. В характеристике можно условно различить три области: /, // и ///. Область I — это малые токи. Здесь — падающая харак­теристика, так как с увеличением тока увеличивается объем разо­гретого газа и степень его ионизации, поэтому проводимость дуги возрастает быстрее тока и напряжение на ней падает. Область II — это средние токи, пологая характеристика. С увеличением тока здесь пропорционально увеличивается и сечение столба. Падение напряжения на нем остается постоянным, как и все напряжение дуги. Сила тока устанавливается регулированием источника пита­ния. Область III — это большие токи, возрастающая характери­стика, степень ионизации высока. С увеличением силы тока сече­ние столба становится недостаточным, сопротивление его возрас­тает, падение напряжения на столбе и все напряжение дуги возрас­тает. Напряжение приближается к линейному и возрастает с увели­чением тока. Все три вида характеристик встречаются на прак­тике. Изучение характеристики дает ценные сведения о свойствах Дуги.

При заданной длине дуги L возможно, вообще говоря, бесконеч­ное число вариантов дугового разряда, отличающихся напряжением дуги, температурой газа, диаметром столба, размерами электродных
пятен и пр. Однако опыт показывает, что в заданных условиях устанавливается один, вполне определенный стационарный режим дугового разряда. Весьма правдоподобным представляется часто принимаемое допущение (по аналогии со многими другими энер­гетическими процессами), что дуговой разряд подчиняется «прин­ципу минимума», т. е. протекает при минимальной энергии. По­скольку мощность разряда W и величина тока заданы, то минималь­ная мощность достигается при наименьшем значении напряжения дуги (/д min-Из всего возможного многообразия только этот вариант устойчив.

На протяжении более чем сотни лет дуговой разряд остается основным источником тепла, позволяющим получать и длительно поддерживать высокие температуры газа — от 5000 до 30 000 °К. (Кратковременно в особых условиях можно получать температуры, измеряемые многими миллионами градусов). Возможность дости­жения таких температур составляет важнейшее преимущество дуго­вого разряда, используемое в сварочной технике. Дуговой разряд отличается также высокой концентрацией энергии. В электродных пятнах можно наблюдать удельные мощности в несколько сотен киловатт на квадратный сантиметр или 100 ккал/(см*-сек) и более. Столь высокая концентрация энергии весьма желательна в свароч­ной технике.

В заключение отметим, что для питания сварочной дуги вполне применим и переменный ток частотой 50 гц. Успешное применение переменного тока свидетельствует о большой устойчивости свароч­ной дуги, благополучно переносящей падение тока до нуля, происхо­дящее 100 раз в секунду, и не очень большой разнице в энергети­ческих свойствах катодной и анодной областей дуги.