Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 7. Электрические свойства дуги

Различные материалы по-разному проводят электрический ток. Проводимость всякого материала зависит от количества находящихся в нем свободных, электрически наряженных частиц, переносящих электрические заряды,— электронов и ионов, а также от того, с какой скоростью эти носители электрических зарядов перемещаются. Следовательно, чем больше в материале имеется носителей зарядов и чем они подвижнее, тем меньше его сопротивление. Газы (в том числе и воздух) при нормальных условиях не проводят электрического тока. Это объясняется тем, что в обычных условиях они состоят из нейтральных молекул и атомов, которые не являются носителями зарядов. Они станут электропроводными и том случае, если в своем составе будут иметь электроны, положительные и отрицательные ионы.

Электроны, положительные и отрицательные ионы в газах возникают при воздействии на них электрического поля, тепла, при прохождении через газ ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей, а также лучей, испускаемых радиоактивными веществами.

Прохождение электрического тока через газы называется — электрическим газовым разрядом.

Электрические газовые разряды подразделяются на две основные группы: несамостоятельные и самостоятельные. При несамостоятельном электрическом газовом разряде электроны и ионы образуются от постороннего источника (например, газовый или воздушный промежуток подогревается пламенем, через него проходят лучи, на этот промежуток действует мощный поток световой энергии или сильное электрическое поле). При самостоятельном электрическом газовом разряде образование электронов и ионов происходит без постороннего источника (таким разрядом является сварочная дуга).

Процесс образования электронов и ионов называется ионизацией, а газ, содержащий электроны и ионы,ионизированным. При прохождении электрического тока через газовый промежуток положительные ионы стремятся к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные — к положительному (аноду). При движении некоторые ионы и электроны, сталкиваясь между собой, нейтрализуются и образуют нейтральные атомы и молекулы. Процесс образования нейтральных атомов и молекул называетсярекомбинацией. При рекомбинации образуется энергия в форме электромагнитных излучений. В электрическом газовом разряде при бомбардировке поверхности отрицательного полюса электрода (катода) ионами, воздействии на эту поверхность электромагнитных излучений, влиянии высокой температуры и приложении электрического поля с поверхности отрицательного полюса (катода) во внешнюю среду выходят электроны. Излучение с поверхности отрицательного полюса электронов во внешнюю среду называется — электронной эмиссией. Таким образом, при дуговом разряде происходит образование ионов — ионизация газов с обратимым процессом — рекомбинацией и имеет место электронная эмиссия.

Виды электрически заряженных частиц в газах. Заряженными частицами в газах могут быть электроны, положительные и отрицательные ионы. Материальная частица с наименьшей массой, несущая один элементарный отрицательный электрический заряд, называется  электроном. Масса электрона в состоянии покоя равна (9,10721 l0-28г или в 1840 раз меньше массы атома водорода. Заряд электрона равен1,59*10-19к. Ион — атом, несущий на себе заряд. Ион может быть отрицательным и положительным. Отрицательным ионом считают тот атом, к которому присоединились один или несколько электронов, а положительным — от которого отняли один или несколько электронов. Масса иона практически равна массе отдельного атома. Наименьшей массой обладает ион водорода (1,66*10-24г). Положительные ионы могут образовывать все атомы и молекулы, а отрицательные ионы легче всего образуют электроотрицательные моменты, обладающие значительным сродством к электрону. Такими элементами являются фтор, хлор, азот, кислород и др.

Количество энергии, выделенное при присоединении электрона к нейтральному атому или отрицательно заряженному иону и выраженное в электрон-вольтах, называется сродством к электрону. Электрон-вольтом называется единица энергии,которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1 в.

Потенциалы ионизации и возбуждения. На освобождение электрона от связи с атомным ядром, вследствие чего и происходит образование положительного иона, необходимо затратить определенное количество энергии. Энергия, израсходованная на отрыв электрона, называется — работой ионизации. Работа ионизации, выраженная в электрон-вольтах, называется — потенциалом ионизации. Если сообщить связанному электрону газовой молекулы или атома некоторое количество дополнительной энергии, то электрон перейдет на новую орбиту с более высоким энергетическим уровнем, а молекула или атом будут находиться в возбужденном состоянии. Количество энергии, выраженное в электрон-вольтах, которое необходимо затратить для возбуждения атома или молекулы газа, называется — потенциалом возбуждения. Возбужденное состояние атома или молекулы газа является неустойчивым, и электрон может снова возвратиться на стационарную орбиту, а атом или молекула перейдет в нормальное невозбужденное состояние. Энергия возбуждения при этом передается в окружающее пространство в форме светового электромагнитного излучения.

Величина потенциала ионизации и возбуждения зависит от природы атома. Наименьший потенциал ионизации (3,9э-в) имеют пары цезия, а наибольший (24,5э-в) наблюдается у газа гелия. У щелочноземельных металлов (цезия, калия, натрия, бария, кальция) связь между электронами и ядром не велика, поэтому они имеют наименьшие потенциалы ионизации, следовательно, на возбуждение и работу выхода электрона потребуется затратить меньше энергии, чем у железа, марганца, меди и никеля. Элементы, имеющие меньшие потенциалы ионизации и возбуждения, чем свариваемый металл, вводят в состав электродных покрытий, чтобы повысить стабилизацию дугового разряда в газах. Количество энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла или жидкого тела, называется — работой выхода электрона и выражается в электрон-'вольтах.

Виды ионизации

В электрическом газовом разряде различают следующие виды ионизации газов: соударением, фотоионизацию, тепловую, электрическим полем.

Ионизация соударением заключается в том, что вышедшие электроны с поверхности отрицательного полюса электрода (катода) движутся со скоростью света через слой молекулярного газа к положительному полюсу (аноду). При своем движении электроны, сталкиваясь с молекулами и атомами газа, сбивают с их орбит электроны, образуя при этом положительные ионы. Электроны, сбитые с поверхности электрода, называются первичными, а электроны, выбитые с орбит нейтральных частиц (атомов),—вторичными. Вторичные электроны также могут оказать ударное действие на следующие молекулы и атомы и образовать так называемые третичные электроны, которые при потере кинетической энергии образуют с нейтральными частицами отрицательные ионы (последние легко образуются в кислороде, окислах азота, галоидах, водяном паре и т.д.). Образовавшиеся положительные и отрицательные ионы стремятся проделать путь к противоположному по закону полюсу. При столкновении положительных ионов с отрицательными ионами или с электронами будут образовываться нейтральные молекулы или атомы (процесс рекомбинации).

Соударения ионизируемой частицы со свободным электроном и нейтральным атомом могут быть упругими и неупругими. При упругом соударении кинетическая энергия остается неизменной, при неупругом — часть кинетической энергии расходуется на внутреннюю работу — возбуждение или ионизацию. Поэтому после соударения энергия частицы уменьшится. Возбуждение и ионизация частицы возможны только в том случае, если кинетическая энергия ударяющейся частицы будет больше работы возбуждения или ионизации.

Фотоионизация заключается в том, что при воздействии на газовый промежуток световой энергией атомы и молекулы газа будут поглощать кванты света (фотоны), образуя электрически заряженные частицы — электроны и ионы. Процесс образования атомами и молекулами газа электрически заряженных частиц за счет поглощения квантов света называется — фотоионизацией. Фотоионизация возможна в том случае, если энергия кванта света будет больше работы ионизации газовой молекулы.

Тепловая ионизация заключается в образовании электрически заряженных частиц в газах от воздействия на газ высоких температур в результате неупругих столкновений частиц газа, имеющих большие запасы кинетической энергии. Образование электрически заряженных частиц в газе, хуже становится заметным при температуре около 2000° К.

Под степенью термической ионизации следует понимать отношение числа образовавшихся электрически заряженных частиц к общему количеству нейтральных частиц в объеме газа до ионизации. При атмосферном давлении степень ионизации газа изменяется с изменением температуры и зависит от потенциала ионизации.

При сварке в дуговом промежутке находится не один газ, а смесь газов и паров, поэтому ионизация каждого газа, входящего в смесь газов и паров, протекает иначе, чем отдельного газа. Для удобства определения степени ионизации газовой смеси вводится понятие«эффективный потенциал ионизации». Под эффективным потенциалом ионизации понимают потенциал ионизации некоторого однородного газа, который при тех же температурах, давлении и концентрации образует такое же количество заряженных частиц, как и газовая смесь. Если в атмосферу дуги будут введены вещества с малым потенциалом ионизации, то эффективный потенциал ионизации значительно снизится, что повысит стабильность дугового разряда.

Ионизация электрическим полем заключается в том, что электрическое поле, действуя на электрически заряженные частицы газа, ориентирует и ускоряет их движение. Воздействие электрического поля на электрически заряженные частицы газа сказывается на участке пути, равном свободному пробегу частицы. При движении частицы соударяются, вследствие чего происходит либо возбуждение, либо ионизация частиц, а вместе с этим и изменение направления их движения.

Электронная эмиссия

Процесс испарения, излучения или выхода электронов проводимости из металлов называется — электронной эмиссией. Этот процесс играет исключительно важную роль в сварочной дуге. Электронная эмиссия подразделяется: на эмиссию электронов вследствие бомбардировки металла ионами, фотоэлектронную, термоэлектронную и автоэлектронную эмиссию.

Эмиссия электронов за счет потока ионов заключается в том, что положительные ионы, ударяясь о поверхность катода при нейтрализации, выделяют тепловую и лучистую энергию, за счет которой и происходит эмитирование электронов с катода во внешнюю среду. Эмиссия электронов вызывается главным образом положительными ионами, так как отрицательные ионы в катодной зоне испытывают торможение. Энергия, выделившаяся в результате ударов положительных ионов о катод за счет потенциальной и кинетической энергии ионов, способствует увеличению скорости плавления электродного и основного металла.

Фотоэлектронная эмиссия заключается в том, что лучистая энергия, действуя на поверхность катода, сообщает необходимую энергию электронам для их выхода. Лучистая энергия вызывает выход электронов не только из катода, но и из материалов, входящих в состав покрытий. Чем будет короче длина световой волны, тем больше выделится электронов с поверхности катода.

Термоэлектронная эмиссия — это процесс выхода электронов проводимости с накаленной поверхности отрицательного полюса (катода) при нагревании электрода. При нагревании электрода кинетическая энергия электрона становится больше работы выхода, необходимой для преодоления электростатического притяжения электрона, и последний, теряя связь с ядром, вылетает с поверхности электрода. С увеличением температуры нагрева торца электрода кинетическая энергия электрона увеличивается, а сила электростатического притяжения его уменьшается, благодаря чему число вырываемых электронов увеличивается. При термоэлектронной эмиссии происходит охлаждение электрода, так как при выходе электроны уносят с собой большое количество энергии. Выход электронов зависит от свойств и чистоты поверхности металла. Если, например, в состав вольфрамового электрода ввести 0,5% окиси тория (ТhO2), то эмиссия такого торированного электрода значительно повысится.

Автоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов за счет силового электрического поля. Она возможна при высоких и низких температурах катода. Явление выхода электронов при низких температурах объясняется тем, что внешнее электрическое поле сообщает электрону такую энергию, которая позволяет ему выйти за пределы поверхности металла.

вверх страницы