Физические явления в сварочной дуге. Фундаментальные исследования дуги

Кадры скоростной киносъемки сварочной электрической дуги с плавящимися электродами в аргоне и углекислом газе мощностью 10 кВт приведённая на рис. 1.1.

Сварочная дуга
Сварочная дуга

плавлящийся электрод

Расстояние между металлическими электродами величиной в несколько миллиметров заполнено разогретым до высокой температуры
ионизированным газом (плазмой). Благодаря наличию в ней свободных электронов и ионов плазма хорошо
проводит электрический ток и поддерживается в разогретом состоянии его энергией. Наиболее интенсивно энергия тока выделяется в слоях газа, граничащих с электродами. Здесь и на самих электродах она превращается в тепло, разогревает и плавит свариваемый металл и дополнительный плавящийся электрод.
Достигнутое в настоящее время длительное и устойчивое существование электрической дуги при сварке металлов , максимальное использование выделяющейся в ней энергии для нагрева и плавления металлов, разработанные способы и системы управления и автоматического регулирования дуги в различных условиях ее работы — результат многолетних фундаментальных исследований ее свойств и физических процессов, протекающих в различных областях разряда. Важный вклад в эти исследования внесли советские ученые и инженеры.
Развившиеся в начале XX в. основные представления электронной теории металлов выдвинули проблему «о природе электрической дуги». В соответствии с этой теорией электрический ток между металлическими электродами через газовый промежуток возможно только после преодоления потенциального барьера 2—5 эВ на границе металл—газ. Поэтому для объяснения самого факта существования электрической дуги необходимо было указать физический процесс, в котором электроны металла получают энергию, достаточную для преодоления этого барьера. Одним из первых такой процесс указал профессор Петербургского политехнического института В. Ф. Миткевич. В его докторской диссертации «О вольтовой дуге», подготовленной в 1901—1905 гг., подчеркивается [43],
что «основной процесс вольтовой дуги представляет поток электронов, исходящий из накаленного катода дуги» ,и что «основным условием существования дуги является высокая температура катода».
Аналогичные представления о термическом механизме преодоления барьера у катода дуги высказали Дж. Томсон, Хагенбах, Нотингем и другие ученые Запада в 1920—1928 гг. В дугах с вольфрамовым и угольным катодами, как показали исследования того времени и современные, основной составляющей тока дуги действительно является ток термоэлектронной эмиссии катода. Однако вскоре было обнаружено, что устойчивые дуги возникают при малом напряжении между электродами и в тех случаях, когда в качестве катода применяют металлы с низкой температурой кипения («холодные катоды»), заметная термоэлектронная эмиссия с которых невозможна. Это потребовало более глубокого анализа физических процессов у катода дуги. К тому времени уже были разработаны представления об электрическом поле пространственных зарядов, о корпускулярной и волновой природе электрона, о «туннельном эффекте» его прохождения через потенциальный барьер. Применив их в теоретических исследованиях состояния прикатодной области дуги, Ленгмюр [17] в 1923 г. показал, что в ней заряд положительных ионов создает электрическое поле весьма высокой напряженности до 10 В/см, при которой возможна заметная электростатическая эмиссия с катодов любой температуры, в том числе и с холодных. Такая эмиссия действительно наблюдается у концов острых проволок, местных неровностей и в других случаях при создании, внешнего поля высокой напряженности. В электрической дуге, как показали расчеты Маккоуна, электростатическая эмиссия на катоде могла бы быть реальностью, если бы плотность тока на катод была не менее 107 А/см2. В связи с этим исследования плотности тока на катод приобрели принципиальное значение в выяснении «природы электрической дуги». Многочисленными методами автографов, фотографирования дуги, зондирования, пересечения вращающимися рамками и другими измерялась плотность тока в дугах различной мощности с электродами из всевозможных материалов, движущихся с большой скоростью и неподвижных, при больших и малых давлениях газа. Найденная в этих экспериментах плотность тока не превышала 10 А/см2; это на три порядка ниже требуемой для объяснения катодных процессов дуги с позиций Ленгмюра. Природа электрической дуги оставалась нераскрытой.
В 1926 г. И. Слепяи [20] предложил третий подход к ее объяснению. По его представлениям ток на катод переносится в основном нонами, возникающими в результате термической ионизации газа в «ионизационном пространстве» дуги, расположенном на расстоянии 1—10 свободных пробегов атомов от поверхности катода.
Чтобы поставлять на катод ток ионов достаточно высокой плотности,
в отличие от тока легко подвижных электронов в других областях дуги, «ионизационное пространство» должно иметь более высокую температуру газа и выглядеть как наиболее яркая область разряда. В действительности во многих случаях (рис. 1.2) «катодные пятна» являются ярко светящимися и легко перемещающимися по катоду областями дуги. Они, как показано ниже, являются и наиболее эффективными частями электрической сварочной дуги, поскольку через их поверхность свариваемому металлу передается мощность с концентрацией до 5.
Термическая гипотеза И. Слепяна, как полагают некоторые исследователи, испытывает затруднения в объяснении устойчивого состояния высокотемпературного «ионизационного пространства», примыкающего к «холодным катодам», поскольку трудно указать источники энергии, поддерживающие такое состояние. Однако анализ представлений о природе дуги показывает, что к сварочным дугам, характеризующимся сравнительно малой плотностью тока на катодах и низкой температурой их кипения, больше подходят представления о термическом происхождении ионного тока в «ионизационном пространстве». Они получили широкую разработку в трудах советских ученых.
Детальное изучение дуги показало, что напряжение между ее электродами распределено неравномерно (рис. 1.3). В областях, примыкающих к электродам дуги, названных катодной и анодной, несмотря па малую протяженность, напряжения Uk и Uа значительны. В остальной части разряда, расположенной между этими областями и названной столбом дуги, напряженность поля сравнительно невелика.
Для управления свойствами дуги и максимального их использования в сварке необходимо было исследовать физические процессы во всех ее областях и факторы, определяющие их интенсивность.
В довоенный период в работах Э. X. Шамовского, Л. А. Прохорова, А. С. Огиевецкого и др., опубликованных в журналах «Автогенное дело» и «Вест пик металлопромышленности» в 1932— 1936 гг., разработаны методы определения коэффициента полезного действия сварочной дуги и найдены его значения. Они завершены исследованиями Л. О. Кульчицкого [19], показавшего, что энергия дуги затрачивается па плавление и испарение электродов, на потери ее столба излучением, потери разбрызгиванием металла и другие. Наибольшее количество тепла (до 70%) передается свариваемым изделиям. Общая мощность дуги и ее распределение зависят не только от силы тока, но и от состава электродов и газа столба дуги. Особенно заметное влияние на эффективность дуги оказывают элементы с низким потенциалом ионизации.
. В 1948 г. К. К. Хренов [43], используя представление о термической ионизации газа и термодинамический «принцип минимума», теоретическими методами установил зависимость температуры столба Тс от потенциала ионизации С- дугового газа:
Tс=800U(1)
Температура растет пропорционально этому потенциалу. В парах железа U=7,33 эВ, Tс=6250 К, в гелии U1=24,8 эВ, Tс =18 200 К. Полученные результаты открыли возможность управления температурой столба, от которой зависят многие явления процесса сварки, в том числе размеры активных пятен дуги на электродах. Данные К. К. Хренова хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований температуры столба [39].
Работами О. П. Семеновой [39] и В. В. Фролова [42], применившими представление об эффективном потенциале ионизации смесей различных газов и предложившими уравнения для его расчета, формула К. К. Хренова распространена практически на все реальные условия существования сварочных дуг. Для научного обоснования требований к источникам питания дуги и разработки способов ее регулирования необходимо было выявить условия устойчивости дуги и найти способы ее количественной оценки. Эта задача была решена В. П. Никитиным в 1947 г. [25]. Им показано, что дуга устойчива, если наклон ее внешней характеристики больше наклона внешней характеристики источника питания, т. е.

Screenshot_5 Характеристика источника питания

Рис 2

Их разность является количественной характеристикой устойчивости. Развитая теория содействовала созданию источников питания дуги, наиболее полно удовлетворяющих требованиям сварки (как ручной, так и автоматической) аппаратами с различными системами регулирования режимов.
Исследования процессов в приэлектродных областях сварочной дуги развивались на основе фундаментальных работ по физике газового разряда, выполненных известными советскими учеными Д. А. Рожанским [36], Н. А. Капцовым [17], В. Л. Грановским [14] и другими. В 1951 г. Д. М. Рабкин в работе [34] показал, что на плавление электродной проволоки расходуется преимущественно энергия при электродных областей дуги. Это открыло возможность использования данных о скорости плавления проволок для определения мощности приэлектродных областей и проникновения в физическую сущность протекающих там процессов. Уже в работе Д. М. Рабкина была показана малая зависимость анодного напряжения дуги от условий ее горения и найдена величина этого напряжения Ua=2,5±0,2 В.
В 50е годы в работах ИЭС им. Е. О. Патона, МВТУ им. Н. Э. Баумана, ИМЕТ им. А. А. Байкова и других организаций, разрабатывались новые методы исследования сварочной дуги и накапливался обширный экспериментальный материал. Было доказано термодинамическое равновесие газа в столбе дуги [6]. К катодной области были применены представления о граничном слое газа, в котором происходит термическая ионизация, а равновесное состояние поддерживается за счет энергии электрического тока, выделяющейся в этой области. На этой основе Г. И. Лесковым и Г. И. Погодиным Алексеевым совместно решены уравнения электрического поля объемного заряда ионов и теплопроводности газа в катодной области [20] и получено выражение для напряжения в катодной
области дуги

Screenshot_4

Рис 3

где i— плотность тока на катод, b— подвижность ионов.
Оно вскрывает пути повышения эффективности сварочных дуг как источников нагрева и плавления металлов. К ним относится повышение разности температур Т в катодной области за счет увеличения температуры столба. I Последнее, как показано выше, достигается повышением эффективного потенциала ионизации дугового газа.
Энергия, выделяющаяся на катоде и I в катодной области, существенно увеличивается при использовании газов с высокой теплопроводностью — водорода, гелия и содержащих их смесей.
Аналогичный подход был применен к анализу процессов в анодной области, для которой получено

Screenshot_4-150x37Характеристика источника питания

Рис 4

где U1 — потенциал ионизации дугового газа, О, — сечение столкновения атомов с электронами, эти соотношения указывают основные факторы, определяющие размеры, мощность дуги и ее распределение между основными областями разряда. Наиболее существенными из них являются потенциал ионизации и теплопроводность дугового газа, с ростом которых существенно увеличиваются скорость сварки и глубина проплавления свариваемых изделий.
Многочисленные измерения физических характеристик дуг и их технологические свойства [20/ 22] в принципе согласуются с изложенными выше представлениями об основных протекающих в них процессах и природе электрической дуги.

Добавить комментарий