Неровный В.М. Теория сварочных процессов (Неровный, Коновалов, Куркин - Теория сварочных процессов), страница 10

Число валентных В плазме столба сварочной дуги злектронол при Т = 5000„.10 000 К, как будет Рис. 2.10. Эффективные сечения показано ниже, средняя энергия Рамзауэра для атомов с разлнчэлектронов в соответствии с масвел- ным числом внешних валентных электронов (по Меккеру) ланским распределением по скоростям равна = 1 эВ. Поэтому для плазмы в инертных газах следует принять длину свободного пробега электронов равной (2.22) Ле 1! 5е что отвечает минимуму соответствующей данному газу кривой Рамзауэра.

В приэлекгродных областях дуги температуры электронов Т, и газа Те не равны, термическое равновесие не соблюдается (Т, ~ Т ) и электроны могут набирать энергию до 8...20 эВ. На рис. 2.9 это примерно соответствует газокинетическим сечениям молекул.

Средний газокинетический пробег иона Л; в слабых полях мало отличается от пробега молекул, т. е. для ионов (если диаметры иона и молекулы считать равными) имеет место соотношение (2.23) 53 Скорость электронов намного больше скорости молекул ге» о . Кроме того, согласно кинетической теории газов элек трон можно считать точкой (4, «4„). Это значит, что электрон может подойти к центру молекулы на расстояние е1„72, поэтому площадь круга эффективного соударения Д „будет вчетверо меньше. Учитывая это, получим газокинетический пробег элек- трона Л, =~/2 4Ля =5,6Лп. (2.24) Например, в воздухе при Т = 300 К и атмосферном давлении для газов Л„=1 1О м. В плазме при Т = 6000 К значение Лп бу- -7 дет в 20 раз больше (см. формулу (2.9)), а Ле =20 5,6 1О -5 — — 5 =1,1 10 м.

Такое значение (Ле= !О м) часто принимают при расчете в прнэлектродных областях дуги наряду с Л, = 1О ' м. Вы- численный по Рамзауэру пробег электрона в плазме Л, может от- личаться от газокинетического Л, в десятки раз. 2.2.6. Упругие и иеупругие соудареиия Электрическое поле дуги напряженностью Е сообщает за 1 с 3 энергию 7Е электронам и ионам в 1 м столба. Электроны воспринимают наибольшую часть этой энергии и в результате соударений передают ее атомам н ионам. Возможны два вида соударений — упругие и неупругие: (2.25) Ф' = аупр + енеупр Электрон, который близко подходит к атому, отталкивается электронным облаком атома и нарушает, в свою очередь, расположение облака.

Окончательный результат зависит от скорости электрона (его энергии и направления движения). Медленный электрон легко отражается, а электронное облако атома претерпевает лишь незначительное возмущение; это так называемое упругое соударение. С позиций классической физики его можно представить как столкновение двух идеально упругих шаров, обменивающихся кинетической энергией. Изменения потенциальной энергии атома здесь не происходит. Прн неупругих соударениях частиц энергия передается в виде 1'' ргии диссоциации ад, возбуждения св или ионизации вь причем элер за о одно столкновение может быть передана энергия порядка не.я„ольких электронвольт. При этом электрон нейтрального атома Э8)реходит с низкого энергетического уровня на более высокий, ц тенциальная энергия атома увеличивается и атом возбуждается ябоионизируется.

ян. ЭиеРгил диссоциации ед молекУл Различных газов имеет спея Рюшие значения: Газ ........................................... Н О Х2 Гг СО7 ед, эВ .......................,.......,........ 4,48 5,08 7,37 1,6 9,7 Х:..: и Запасенная в возбужденных атомах энергия уходит из них в ' е излучения — столб дуги светится. 2.2.7.

Потенциал ионизации Ионизацию можно рассматривать как крайний случай возбуждения, когда электрону сообщается энергия большая, чем энергия самого высокого возбужденного уровня атома. Чтобы вырвать электрон из атома (молекулы), нужно затратить ж4ергию, равную энергии его связи в атоме. Эту энергию называяят потенциалом ионизации Ц и часто выражают в вольтах (точРее, в электронвольтах).

Первый потенциал ионизацин — потенциал ионизацин, соответствующий удалению наиболее слабо связанЙдо электрона из нейтрального невозбужденного атома; удалеяшо из ионизованного атома следующих электронов соответству- 5()Ф второй, третий и т. д. потенциалы ионизации. 'Значения первого потенциала ионизации Ц атомов некоторых элементов приведены ниже: Атом...... Сз К Ха Са Ре Н О Х Аг Г 1Че Не 7!ьэВ.....

3,9 4,3 5,11 6,08 7,83 13,53 13,56 14,5 15,6 18,6 21,5 24,6 2.2.8. Термическая ионизация "-Иеупрутие соударения частиц между собой при высоких температуре и плотности газа приводят к так называемой термической яяяизации, которая возникает за счет кинетической энергии час~Р~ Наиболее вероятна следующая схема неупругого соударення быстрого электрона и атома: 54 55 2.2.9. Фотононизации О ебьитр+ '1 ~ А +2емедд.

атом до~ (2.26) (2.27) (2.28) Оо эВ 25 20 15 1О 2.2.10. Деионизацня 57 Результатом неупругого соударения будет образование иона и двух электронов, обладающих малыми скоростями. Затем электроны снова начнут ускоряться электрическим полем. Ионизация холодной плазмы осуществляется весьма небольшим числом высокоскоростных электронов, соответствующих «хвосту» максвелловского распределения. Поэтому неупругих столкновений в сварочном столбе дуги обычно значительно меньше, чем упругих.

Энергия ионизации, численно равная Ц, зависит от строения атома, т. е. от его места в периодической системе элементов Менделеева (рис. 2.11). Потенциал ионизации Ц представляет собой О 1О 20 30 40 50 60 70 80 У Рис. 2.11. Потенциалы иониэации химических элементов в зависимости от их порядкового номера Л в периодической системе элементов Менделеева периодическую функцию атомного номера элемента 2, и значения (7; снижаются с уменьшением номера группы и увеличением номера периода таблицы Менделеева. Наименьший потенциал ионизации (Ц = 3,9 эВ) имеют пары цезия Ск Единственный валентный электрон у щелочных металлов первой группы слабо связан с ядром, поэтому и энергия ионизации щелочных металлов невелика.

Наивысший потенциал У; =24,6 эВ наблюдается у самого легкого из инертных газов — гелия Не. Оболочка инертных газов заполнена и поэтому наиболее прочна. Атомы и молекулы могут возбуждаться не только при соударениях м ежду собой или с ионами и электронами, но и путем поглощения ния квантов излучения которые появляются в столбе дуги при Р рекомбинации других сильно возбужденных атомов. Условие фотоионизации выражается формулой Ьч > е(7„ — !5 где л = 4,13 1О эВ с — постоянная Планка; ч = с!Х, — частота колебаний с — скорость света; Ц вЂ” длина волны электромагнитного 1 излучения, способного вызвать ионизацию атомов, м. Из условия (2.27) получаем выражение для Хр Ьс 4,13 1О 1~ 3 10~ 12,4.10 7 е(/; е(l; е(7; Чем больше потенциал ионизации элемента Ц, тем меньше требуемая длина волны Хь Для сварочной дуги значения еЦ составляют 4...25 эВ и соответствующие длины волн находятся в ультрафиолетовой части спектра.

Например, для аргона е(', = = 15,7 эВ, Х; = 1,24 10 !15,7 = 7,85 1О мкм, а для щелочных металлов еЦ = 4...6 эВ; Х; = 0,2...0,3 мкм. Фотоионизация в плотной плазме, видимо, незначительна по сравнению с термической ионизацией, причем выделить их доли расчетным и опытным путем пока не удается. В любой точке стационарного разряда концентрация заряженных частиц любого типа определяется равенством скоростей образования и потерь частиц в этой точке. Ионизация в плазме приводит к Разделению зарядов, но электрическое притяжение ограничивает степень возможного разделения и плазма остается квазинейтральной Наряду с ионизацией непрерывно происходят уравновешиваю~цие ее процессы деионизации.

К ним относятся рекомбинация заряженных частиц в нейтральные, захват электронов (прилипание), дрейф проводимости и диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию (амбиполярная диффузия). Скорость рекомбинации ионов и электронов в нейтральные частицы при их концентрациях пь и, и определяется коэффициентом рекомбинации Р по уравнению д.

— а= — йпп . дг (2.29) Коэффициент рекомбинации Р тем больше, чем больше плотность частиц. Он зависит также от сорта частиц, времени их жизни, от размеров ионов, от наличия близко расположенных тел (нейтральных атомов воздуха или охлаждающих стенок). Проводимость газового разрядного промежутка определяют прежде всего электроны как высокоскоростные частицы.

Захват электронов атомами (прнлипание) и ионами в процессе рекомбинации можно в некоторых случаях рассматривать как обратимый процесс, а в других — как практически необратимый процесс. НаО пример, процесс Ма + е~~!9а можно считать обратимым. Если же при сварке в состав покрытия электрода или флюса вводят плавиковый шпат СаР2, то в этом случае может происходить необратимый захват электрона фтором. Захват электронов с образованием тяжелых отрицательных ионов может осуществляться и другими атомами металлоидов, которые обладают довольно большим сродством к электрону (3...4 эВ). В дуговом разряде под флюсом из галогенов могут происходить, например, такие процессы: Г + е — Р + 3,94 эВ; О + е — О -ь 3,8 эВ; — ! -! С! + е - С! + 3 7 эВ; Н + е - Н + 0 76 эВ. Порядок значения сродства к электрону таков, что указанные процессы могут считаться обратимыми.

Но быстрая рекомбинация образовавшихся отрицательных ионов и положительных ионов металлов в молекулы ()! велико) приводит к более интенсивной деиоиизацин разрядного промежутка. 2.2.11. Излучение плазмы 58 Явление рекомбинации электрона и иона заключается в том, что свободный электрон, пролетая в поле иона, захватывается им и переходит в связанное состояние. При этом освобождается энергия, равная сумме кинетической энергии свободного электрона и его энергии связи. Например, если электрон с энергией а, захватывается протоном и в результате образуется нормальный атом водорода, то полный выигрыш энергии составит а, + 13,6 эВ (рис. 2.! 2).