УП ФОИЭС (841336), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В то же время при атмосферном давлении и выше переход от распределенного разряда к контрагированному наблюдается при уменьшении тока, когда его величина становится ниже некоторогопорогового значения.При диффузной зоне контакта с анодом (диффузной привязки) плотность токана аноде либо сравнима, либо меньше плотности тока в столбе дуги.
В этом режимене требуется увеличения тока в анодной области дуги, даже, наоборот, иногда можетвозникнуть необходимость в уменьшении электронного тока. В данном случае анодпод действием потока электронов может принимать отрицательный заряд и начинаеттормозить избыточные электроны из столба дуги. Поэтому в режиме с диффузнойпривязкой Ua принимает значения от отрицательного до положительного, необходимого для вытягивания электронов из плазмы.Если дуга контрагирована, то плотность тока на аноде заметно выше, чем вплазме столба разряда. В этом случае, происходит как бы ионизационное усилениетока в анодном слое, что возможно при дополнительном вкладе энергии в поток электронов.
Поскольку электроны получают свою энергию от электрического поля, можносчитать, что ионизационное усиление тока происходит при положительном анодномпадении потенциала Ua. Так, для дуги с неплавящимся катодом в среде аргона припереходе на контрагированную форму разряда Ua возрастает до 7 В.Дляконтрагированных разрядов в молекулярных газах (азоте и воздухе) – Ua может достигать 12 В. Создание условий для перехода от распределенного разряда к контрагированному может рассматриваться в качестве одного из способов повышения удельных тепловых потоков на поверхность анода, т.е. повышения проплавляющей способности при дуговой сварке.2.6.4.
Измерения в приэлектродных областях.Изучение явлений в катодной и анодной областях, особенно в дугах высокогодавления, к которым относятся почти все сварочные дуги, за исключением вакуумной, затруднено. Получение сведений о плотностях тока ja и jк на электродах, отношениях je/ji катода, значениях Uк и Ua, напряженностях зон dк, dа, температурах электронов и давлениях газа вблизи них осложняется высокой температурой и малымиразмерами. Существует два основных метода измерения Uк и Ua: сдвигание электродов до соприкосновения и зондовый метод.При сближении электродов разность потенциалов между ними перед самымсоприкосновением приблизительно равна сумме Uк + Ua. Однако при тесном сближении столб дуги может смещаться в сторону и длина ее становится больше зазорамежду электродами.
Напряжение Uа при lд ≤ 0,2 мм может вновь возрастать или понижаться, поэтому при снятии кривой Uд = U(lд) и экстраполировании ее на lд = 0 надоэто учитывать. Кроме того, Uк и Ua, во многих случаях существенно зависят от lд. Выделение Uк и Ua из суммы Uк+а также вызывает большие трудности.При высоких температурах плазмы, характерных для сварочных дуг, можно использовать зондовый метод. Зонды, например вращающиеся, перемещают с боль-65шой скоростью, чтобы они не успели расплавиться. Потенциал зонда регистрируют спомощью электронного осциллографа.
Точно измерить разность потенциалов междухолодным зондом и горячей плазмой достаточно сложно, поэтому нельзя определитьUк и Ua с точностью до 1 В.Затруднено также измерение протяженности переходных зон. По теоретическимсоображениям считают, что в атмосферных дугах с холодным металлическим катодом зона dк ≈ Λе, т.е. 10-3 мм и менее. В термоэлектронных дугах dк больше, что оценивается примерно по величине темнового пространства у катода.Плотность тока j обычно оценивают либо по ширине канала вблизи электрода,либо по следам, оставленным дугой на электродах. В первом случае зона свеченияобычно имеет меньшие поперечные размеры, чем сам токопроводящий канал, но неясно, как распределен ток по сечению, При замерах j по площади следа не учитываются эмиссионная пятнистость и блуждание пятна и т.
д.Пока не существует прямых методов замера отношения плотности je/ji электронного и ионного токов. Замер температуры электродов по их излучению затруднентем, что источником излучения может быть не поверхность электрода, а светящийсяслой плазмы вблизи него. Бомбардировка поверхности катода положительными ионами приводит к такому быстрому распылению материала и размыванию границы«катод — газ», что такие понятия, как температура поверхности и работа выхода еφ,становятся неопределенными2.6.5. Баланс энергии в приэлектродных областяхБаланс энергии дуги. Как для катодной, так и для анодной областей дуги можно составить подробную схему баланса энергии.
Например, для участка анода основные составляющие баланса следующие: а) приход — потенциальная и кинетическая энергия электронов, конвективная и лучистая теплопередача от столба плазмы;б) 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 областиостается неизвестной доля ионного тока, коэффициент аккомодации энергии ионовдля данного катода, изменение работы выхода электронов вследствие эффектаШоттки и т. п.В технологическом отношении энергетическая структура дуги вполне определяется при термодинамическом макроподходе.
Дугу при этом рассматривают как квазиравновесную систему из трех источников теплоты: катодного Wк ; анодного Wа истолба дуги Wст.Ток во всех зонах разряда условно можно принять электронным. На результаттермодинамического расчета такая условность совершенно не влияет. Баланс энергии за 1 с на 1 А тока приведен в табл. 2.3.Принимаем условно φк = φа = φ, тогда для всей дугиUд = Uк + Ua + Uст = Wк + Wа + Wст ,что соответствует известной формулеU д = а + bl d .(2.75)(2.76)66Таблица 2.3. Баланс энергии в различных зонах дугиЗоныПриходРасходКатоднаяUкWк + φ + 2kTАноднаяUa + φа + 2kTWаUст = EстlстWстСтолб дугиТермодинамический баланс на катоде целесообразно сравнить с точным балансом. Точный баланс для катода следовало бы написать так: приход = расход в катод +расход в столб или(2.77)IU = I (W + W ) + I U ,кi кinie кгде I = Ii + Ie W , W — кинетическая и потенциальная энергии ионов, передаваемыекi niодним ампером ионного тока на катод.Учитывая, что I / I = f (доля ионного тока), а I / I = 1 − f , и относя баланс к 1 Аieобщего тока, получимUк= f (Wкi+ W ) + (1 − f )U к .ni(2.78)Здесь первое слагаемое правой части есть W , а второе (φ + 2kT) термодинамиче-кского баланса.
Отсюда(1 − f )Uк= ϕ +2kT,(2.79)т. е. электроны уносят в столб потенциальную энергию, соответствующую высотебарьера φ, и кинетическую энергию 2kT, соответствующую температуре Т плазмы столба. Тогда доля ионного тока на катод(2.80)f = [U − (ϕ + 2kT )] / U .ккИз формулы (2.80) видно, от чего зависит доля ионного тока f и как ее можно изменить.Например, увеличивая температуру Т в столбе или работу выхода, тем самымуменьшаем f и увеличиваем долю электронного тока.
Если U = 10 В, φ = 4 В, то f = 0,4.кЭто соответствует W-дуге в аргоне.Теплота, выделяющаяся в катодной Wк и анодной Wа областях, затрачивается нанагрев, плавление и испарение соответствующих электродов, а также на механическиевоздействия в приэлектродных областях.Из формул (см. табл. 2.3) видно, что на катоде не вся выделяемая энергия U пе-креходит в теплоту. Часть ее ϕ + 2kT уносится электронами в плазму.
На аноде, наоборот, потенциальная φ и термическая 2kT энергии электронов прибавляются к энергии,определяемой анодным падением.Иногда теплоту, выделяющуюся на катоде W и на аноде W оценивают как эф-кaфективное падение напряжения:W = U э = U − (ϕ + 2kT ) ;ккк(2.81)67W = U э = U + (ϕ + 2kT).aaaТогда(2.82)Uэ=U.к+ак+аПо формулам (2.81), (2.82) можно решить и обратную задачу - приближеннооценить тепловыделение на электродах без измерения теплового потока на катод ианод.
Для этого необходимы значения катодного и анодного падений, температурыстолба дуги и работы выхода.Пример. Для Me-дуги из эксперимента получено: Uк = 8 В; Ua = 3 В;T ≈ 5800 К. Определить тепловыделение в приэлектродных областях.Решение.kT ≈ 0,5 эВ; φ =4 эВ. На 1 А тока тепловыделение составит: в катодной области Wк = 8-(4+1) = 3 В; в анодной области Wа = 3+(4+1) = 8В.Пример.Вольфрамовая W-дуга характеризуется следующимипараметрами: U к =9 В; T ≈ 23000 К; kT ≈ 2 эВ; φ = 4 эВ; Ua =3 В.Найти тепловыделение в приэлектродных областях На 1 А тока.Решение.Тепловыделение составит: в катодной области Wк = 9-(4+4)=1 В; ванодной области Wа = 3+(4+4)=11 В.Пример. Для плавящегося стального электрода теплота плавления на1 А за 1 ч будет(2.83)q = α ΔΗ = ηэUI,плргде α р —коэффициент расплавления электрода, составляющий дляручной сварки 6-14, а для автоматической 12…24 г/(А·ч); ηэ ≈ 0,35 –КПД нагрева электрода; ΔΗ — теплосодержание расплавленного материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
