Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Рабкиным получены значения 1~ = 2,5 ~ 0,5 В, не зависящие от тока, материала анода и состава атмосферы дуги. По данным многочисленных наблюдений различают два основных режима горения дуги на аноде: а) с контрагированным (сжатым) анодным пятном и б) с диффузной (распределенной по большой поверхности) зоной контакта дуги с анодом. Форма зоны контакта плазмы с поверхностью анода обусловлена действием ряда факторов, таких как ток дуги, давление, род плазмообразующего газа, скорость движения плазмы и т. д.
Так, при низком давлении 1р ( 10 Па) переход от распределенной дуги к контрагированной наблюдается с увеличением тока, когда превышается некоторое его значение, называемое критическим. В то же время при атмосферном давлении и выше переход от распределенной дуги к контрагированной наблюдается при уменьшении тока ниже некоторого порогового значения.
При диффузной зоне контакта дуги с анодом (диффузной привязке) плотность тока на аноде либо сравнима, либо меньше плотности тока в столбе дуги. В этом режиме не требуется увеличения тока в анодной области дуги, даже, наоборот, иногда может возникнуть необходимость в уменьшении электронного тока. В данном случае анод под действием потока электронов может принимать отрицательный заряд и начинает тормозить избыточные электроны из столба дуги. Поэтому в режиме с диффузной привязкой У принимает значения от отрицательного до положительного, обеспечивающие вытягивание необходимого потока электронов из плазмы. При контрагированной дуге плотность тока на аноде заметно выше, чем в плазме столба дуги.
В этом случае происходит как бы 92 ионизационное усиление тока в анодном слое, что возможно при дополнительном вкладе энергии в поток электронов. Поскольку электроны получают энергию от электрического поля, можно считать, что ионизационное усиление тока происходит при положительном анодном падении потенциала У~. Так, для дуги с неплавящимся катодом в среде аргона при переходе в контрагированную форму дуги У, возрастает до 7 В.
Для контрагированных дуг в молекулярных газах (азоте и воздухе) У, может достигать 12 В. Создание условий для перехода от распределенной дуги к контрагированной может рассматриваться в качестве одного из способов повышения удельных тепловых потоков на поверхность анода, т, е, повышения проплавляющей способности при дуговой сварке. 2.б.4.
Измерении в приэлектродных областях Изучение явлений в катодной и анодной областях, особенно в дугах высокого давления, к которым относятся почти все сварочные дуги, за исключением вакуумной, связано с определенными трудностями. Получение сведений о плотностях тока7' и7'„на электродах, об отношениях д Я на катоде, о значениях Ц, и У, о напряженности электрического поля зон с1„, а'„о температурах электронов и давлениях газа вблизи них осложняется тем, что исследуемые области характеризуются высокой температурой и малыми размерами. Существует два основных метода измерения Ь', и С',: сближение электродов до соприкосновения и зондовый метод.
При сближении электродов разность потенциалов между ними перед непосредственным соприкосновением приблизительно равна сумме 17х + У . Однако при тесном сближении электродов столб дуги может смещаться в сторону и длина дуги!д становится больше зазора между электродами. Напряжение У, при 1д < 0,2 мм может вновь возрастать или понижаться, поэтому при снятии показаний приборов для построения кривой Уд = У(!д) и экстраполиРовании ее на 1д = 0 надо это Учитывать. КРоме того, 17х и 17а во многих случаях существенно зависят от lд, Выделение значений Ц, и 14 из показаний приборов, регистрирующих сумму анодного и катодного падения потенциала (l„+, также вызывает большие трудности.
При высоких температурах плазмы, характерных для сварочных дуг, можно использовать зондовый метод измерения 1'х и У,. Зонды, например вращающиеся, перемещают с большой скоро- 93 стью, чтобы они не успели расплавиться. Потенциал зонда регистрируют с помощью электронного осциллографа. Точно измерить разность потенциалов между холодным зондом и горячей плазмой достаточно сложно, поэтому нельзя определить Ц, и У с точностью до 1 В. Затруднено также измерение протяженности переходных зон. По теоретическим соображениям считают, что в атмосферных дугах — 3 с холодным металлическим катодом зона !1к = Л, т. е. 10 мм и менее.
В термоэлектронных дугах значение к!к больше и его оценивают примерно по расстоянию темпового пространства у катода. Плотность тока 1' обычно определяют либо по ширине канала вблизи электрода, либо по следам, оставленным дугой на электродах. В первом случае зона свечения обычно имеет меньшие поперечные размеры, чем сам токопроводящий канал, но не ясно, как распределен ток по сечению. Во втором случае при замерах 1' по площади следа не учитываются эмиссионная пятнистость н блуждание пятна и т. д.
Пока не существует прямых методов определения отношения плотностей электРонного и ионного токов 1кЯ. ИзмеРение температуры электродов по их излучению затруднено тем, что источником излучения может быть не поверхность электрода, а светящийся слой плазмы вблизи него. Бомбардировка поверхности катода положительными ионами приводит к такому быстрому распылению материала и размыванию границы катод — газ, что такие понятия,ькак температура поверхности и работа выхода электронов, становятся неопределенными. 2,6.5.
Баланс энергии в прнэлектродных областях Баланс эяергин дуги. Как для катодной, так и для анодной областей дуги можно составить подробную схему баланса энергии. Например, для участка анода основные составляющие баланса энергии следующие: приход — потенциальная и кинетическая энергия электронов, конвективная и лучистая теплопередача от столба плазмы; расход — плавление, излучение и теплоотвод в материал анода. Однако механизм явлений в переходных областях дуги пока недостаточно ясен, поэтому проводить точный расчет всех составляющих баланса энергии трудно.
В катодной области остается неизвестной доля ионного тока, коэффициент аккомодации энергии ионов для данного катода, изменение работы выхода электронов вследствие эффекта Шоттки и т. п. В технологическом отношении энергетическая структура дуги вполне определяется при термодинамическом макроподходе. Дугу при этом рассматривают как квазиравновесную систему, состоящую из трех источников теплоты: катодного И!к; анодного И' и столба дуги И'ст.
Ток во всех зонах дуги условно можно принять электронным. На результат термодннамического расчета такая условность совершенно не влияет. Баланс энергии за 1 с в расчете на 1 А тока приведен в табл. 2.3. Таблица 2.3. Баланс энергии в различных областях дуги Принимаем условно !рк = ц! = !р, тогда для всей дуги У =У„+У, +У~, =И' +И;+И'„ (2.75) что соответствует известной формуле Уд = а ~- Ыд.
(2.76) Термодинамическнй баланс энергии на катоде целесообразно сравнить с точным балансом энергии, который для катода следовало бы написать так: приход = расход в катод + расход в столб, т. е. 1~'к 1!(Ик! + Исл) 1е~к (2.77) где 1= 1;+ 1, — общий ток; И'„, И'„; — кинетическая и потенциальная энергии ионов, передаваемые на катод ионным током силой 1 А. Обозначив долю ионного тока 1' = 1;11, а долю электронного тока 1, !1 =1 — 7' и разделив обе части уравнения (2.77) на 1, получим баланс энергии на 1 А общего тока (2.78) и.
= 11Иьч+ Игл)+(К -~)и„ В соответствии с табл. 2.3 для термодинамического баланса энергии в катодной области первое слагаемое в правой части (2.78) есть И'„, а второе равно ф + 2)гТ. Отсюда (2.79) (1 — 7)(7„=щ+2КТ, т. е. электроны уносят в столб дуги потенциальную энергию, соот- ветствующую высоте барьера ф, и кинетическую энергию 2)гТ, где Т вЂ” температура плазмы столба дуги.
Тогда доля ионного тока на катоде Х =((/„-((р+2кТ)]!Ц„. (2.80) И' =Цэ =Ц -((р+2)гТ). И' =У' =П +(ср+26Т). (2.81) (2.82) Тогда суммарное эффективное падение потенциала на катоде и аноде ух+я =(ге+а По формулам (2.81), (2.82) можно решить и обратную задачу— приближенно оценить тепловыделение на электродах без измерения теплового потока на катод и анод. Для этого необходимы значения катодного и анодного падений потенциала, температуры столба дуги и работы выхода электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
