HomeСварка стали › Сталь и дуговой разряд

Сталь и дуговой разряд

Сталь и дуговой разрядМногими успехами современная сварка обязана замечательному источнику нагрева — дуговому разряду. Теория дугового разряда начала развиваться в конце XIX — начале XX в. Большой вклад в изучение электрической дуги внесли русский физик В. Ф. Миткевич, англичанин Дж. Томсон, немецкий физик И. Штарк и другие. Постепенно дуга стала все шире применяться в сварочной технике.

 

Дуговая сварка получила особое развитие в 30-50-х гг. XX в. в результате исследований советских ученых В. П. Никитина, Е. О. Патона, К. К. Хренова, М. Н. Броуна, Г. И. Погодина-Алексеева, Г. М. Тиходеева и других.

 

В обычных условиях газы ведут себя как электрические изоляторы, и в воздухе между двумя пластинами, соединенными с источником тока, электрический ток не возникает. Но если в пространство между ними ввести заряженные, частицы — ионы или электроны, то ток потечет. Прохождение тока через газ и называется электрическим разрядом.

 

Известно несколько видов разрядов: темный, коронный, тлеющий, искровой, дуговой и др. Отличаются они величиной тока и напряжения, свечением, звуковыми явлениями, длительностью существования.

 

Дуга — это устойчивый вид разряда, существующий при токе от десятых долей ампера до тысяч ампер. Это сложное физическое явление в наше время привлекает внимание многих ученых.

 

Ведь до сих пор дуга остается единственным источником энергии, который может долгое время поддерживать высокотемпературные процессы. С помощью дуги работают термоядерные электростанции и межпланетные ионные ракетные двигатели. Астрофизики моделируют процессы, происходящие в звездах. Химики синтезируют различные соединения.

 

Но дуга не всегда помощник: электрикам приходится решать проблемы гашения дуги, которая возникает в выключателях и может стать причиной серьезных аварий.

Для сварщиков важно, чтобы дугу было легко возбудить, чтобы она была устойчивой и более управляемой.

 

Как возникает дуга. Известно несколько способов возбуждения дугового разряда. По способу В. В. Петрова два электрода сводят до соприкосновения и сразу же разводят на небольшое расстояние. В этот момент между ними и вспыхивает дуга.

 

Как объяснить это явление? Упрощенно можно представить себе это так: при соприкосновении электродов электрическая цепь замыкается и по ней идет ток. В соответствии с законом Джоуля — Ленца в проводниках выделяется теплота. Место контакта двух электродов, которое обладает самым большим сопротивлением, нагревается сильнее и быстрее остальных участков цепи.

 

При высокой температуре начинается испарение материала электрода и возникает явление так называемой термоэлектронной эмиссии (термоэмиссия) — испускание электронов под действием теплового возбуждения. Если в этот момент разорвать контакт между электродами, возникнет электрическое поле, подобное полю, возникающему между обкладками конденсатора. На катоде, подключенном к отрицательному полюсу источника тока, собираются те электроны, которые вылетают благодаря термоэмиссии.

 

А при достаточной напряженности электрического поля возникает явление автоэлектронной эмиссии: электроны вырываются с поверхности катода под действием электростатических сил. В результате этих процессов в пространстве между электродами появляются свободные электроны. Сталкиваясь с молекулами и атомами газа и испарившегося электродного материала, электроны «раскалывают» их на ионы и новые электроны (такое явление называют вторичной эмиссией). В ионизированном таким образом пространстве развивается дуговой разряд.

 

В пространстве между электродами (дуговом промежутке) находится светящийся электропроводящий канал — столб дуги. Светятся и раскаленные концы электродов. По яркости свечения можно определить температуру. На поверхности катода и анода — в так называемых активных пятнах дуги — она достигает огромной величины, при которой плавится и кипит самый тугоплавкий металл электродов. Температура в столбе дуги при сварке достигает десятков тысяч градусов.

 

Длина дуги редко превышает 1 — 2 см, диаметр столба — и того меньше. Плазма дуги концентрируется в объеме около 1 см!. Но и в этом небольшом пространстве можно выделить три области. Две из них пограничные между электродами и ионизированным газом, третья — собственно электродный промежуток, заполненный ионизированным газом. В каждой из областей ученые обнаружили свои особенные явления.

 

Что происходит в столбе дуги. Столб дуги заполнен заряженными частицами. Почти всегда там присутствуют и нейтральные частицы — атомы и даже молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды, и газов, окружающих дугу. На движение частиц оказывают действие силы, вызванные разностью давлений из-за неодинаковой концентрации частиц, кулоновским взаимодействием между электронами и ионами и рядом других причин.

 

Поэтому траектория движения частиц имеет очень сложную форму. Под действием различных сил частицы перемещаются. Быстрее всего перемещаются электроны. Маленькие, подвижные, они легко разгоняются и, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию. Столкновения электрона с атомами могут быть упругими и неупругими.

При упругих столкновениях ничего заметного не происходит.

 

Эти столкновения похожи на удары друг о друга теннисных мячей. Атом, в который попал электрон, начинает двигаться быстрее — увеличивается его кинетическая энергия. В результате повышается температура плазмы. Тот электрон, который в электрическом поле приобрел достаточно большое количество энергии, является виновником неупругих столкновений.

 

Попав в атом, он возбуждает его, а когда удар достаточно силен, то и выбивает из атома его собственные электроны. Атом становится положительным ионом: однозарядным, если выбит один электрон, двузарядным — если два, и т. д. Энергию, которая должна быть сообщена электрону для ионизации какого-либо атома, выражают в электровольтах (ЭВ) и называют потенциалом ионизации.

 

Величина потенциала ионизации зависит от строения атома. Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше энергии необходимо затратить для ионизации. Наименьшим потенциалом ионизации (3,9 ЭВ) обладает атом цезия. Он самый тяжелый из всех щелочных металлов. Самый легкий из инертных газов — элемент последней, нулевой группы — гелий обладает наивысшим потенциалом ионизации (24,5 ЭВ).

 

Энергия, расходуемая на диссоциацию различных молекул, также различна. Так, например, для диссоциации молекулы водорода необходимо затратить 4,48 ЭВ, фтора — 1,6 ЭВ, а углекислого газа — 9,7 ЭВ.

 

Эти величины имеют для сварщиков особое значение. При разработке электродной проволоки или защитной среды приходится учитывать поведение в дуге многих элементов, и важно знать, какие газы диссоциируются раньше, а какие — позже, какие элементы ионизируются сначала, а какие — потом и сколько для этого энергии потребуется.

Когда сварочная дуга работает в реальных условиях, на процесс сварки влияют особенности среды, окружающей дугу, материалы, из которых сделаны электроды, и т. д.

Явления у катода и анода.

 

Сложны процессы в плазме столба дуги, но процессы у поверхности электродов еще сложнее. Именно здесь прерывается течение электронов по металлическому проводнику — электроду и начинается другой вид тока — ток дуги, который создается как электронами, так и ионами. Изменяется характер явлений не только электрических, но и термических.

 

Именно здесь горячая плазма граничит со сравнительно холодной поверхностью электродов, нагретых всего на каких-то 2-3 тыс. градусов. Да и среда в этих переходных областях неопределенная. Неизвестно, сколько в ней газа, а сколько паров материала электродов.

 

Протяженность переходных областей очень мала и в обычных сварочных условиях составляет тысячные доли сантиметра. Через активные пятна в металл поступает основная часть тепла. Удельный тепловой поток в пятне нагрева при некоторых способах дуговой сварки превышает 1000 кВт/см2.

 

Катодная область — это своеобразный поставщик электронов. Причины выхода электронов могут быть различные. Одна из основных — термоэмиссия, возникающая при высокой температуре. Энергия, необходимая для поддержания высокой температуры катода, пополняется за счет энергии ионов, бомбардирующих катодную поверхность, или за счет энергии ионов постороннего источника нагрева. В некоторых случаях и фотоны могут выбивать из катода электроны.

 

Катодное пятно обычно занимает очень маленькую площадь, и поэтому линии тока в дуге, если их условно себе представить, как бы сжимаются там, где кончается столб и начинается электрод. Здесь расходуется часть энергии дуги, необходимая для поступления первичных электронов и пополнения тепла, уходящего с электрода. В отличие от катода анод непрерывно бомбардируется электронами, которые он притягивает из столба дуги.

 

Электроны, ударяясь о поверхность анода, разогревают его, проникают в его материал и превращаются в электроны металлической проводимости. На аноде в обычных условиях выделяется больше тепла, чем на катоде. Факторы, влияющие на поведение частиц. Чем сильнее напряженность электрического поля между электродами, тем больше энергии сообщает оно электронам и ионам. Увеличивается интенсивность ионизации, а с ней изменяется и плотность токопро-водящих частиц. Но проводимость дуги изменяется по своим, более сложным законам, отличающимся от проводимости металла.

 

Кроме электрического поля на поведение частиц в столбе дуги влияет еще много факторов: и термическая диффузия — стремление разогретых частиц «разбежаться» в разные стороны; и пинч-эффект — воздействие магнитного поля, возникающего вокруг столба и стремящегося его сжать, и «неустойчивость» различных типов; и струи плазмы и пара и др. В зависимости от условий, в которых существует дуга, влияние этих факторов может ослабевать или, наоборот, усиливаться.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.