Название: Технологические основы сварки плавлением - Конспект лекций (Е.В. Харламова)

Жанр: Технические

Просмотров: 1422


3.1. столб дуги

 

Падение напряжения сравнительно невелико, а напряженность поля в нем составляет 10…50 В/см.

Диаметр столба дуги, а также температура и напряженность поля в нем определяются внутренними процессами.

Для оценки величины перечисленных параметров столба дуги современная теория использует уравнение баланса энергии единицы длины столба и уравнение термической ионизации газа (уравнение Саха). Кроме того, для дуги справедлив «принцип минимума», утверждающий, что из всех возможных сочетаний столба наиболее устойчиво состояние с минимальной напряженностью поля в нем. Из этих уравнений и изложенного принципа вытекают:

 

· температура столба, К: T = 800 Ui ;                                            (3.1)

· напряженность поля, В/см: ;                   (3.2)

· плотность тока, А/м2:  ,                      (3.3)

где Ui – потенциал ионизации; Ge – сечение столкновения атомов с электронами.

По Iд  и iср  вычислим сечение S (мм2):

,                                            (3.4)

где d – диаметр столба дуги.

Из уравнений (3.1)–(3.3) видно, что все параметры столба дуги наиболее существенно зависят от потенциала ионизации дугового газа, с ростом которого значительно увеличиваются Т, Е – поля и iср  тока.

Например, при горении дуги в парах калия (Ui = 4,33 эВ) и силе тока Iд = 200 А Тст = 3460 К, Еполя  = 8 В/см в парах железа (Ui =

= 7,83 эВ) и сила тока Тст  = 6320 К, Е = 28 В/см и  iср = 1800 А/см2.

Чаще всего сварочная дуга горит в смесях многих газов и паров, включающих пары электродов, покрытий, флюсов, воздух, защитные газы и т.д. При термической ионизации такие смеси ведут себя подобно некоторому однородному газу с «эффективным потенциалом ионизации Uэф», который зависит как от (Ui) компонентов смеси, так и от концентрации (ni/n). Как показал В.В. Фролов:

 

.                              (3.5)

Из уравнения видно, что наибольшее влияние на величину Uэф смеси оказывает тот компонент, который имеет самый низкий Ui.

Например, смесь паров калия (Ui = 4,33 эВ) и железа (Ui = 7,83 эВ) при одинаковых их концентрациях ni/n = 0,5 и температуре 5800 К – Uэф = 4,63эВ. Введение в газ столба 5…8 \% присадок с низким Ui существенно снижает Uэф смеси и в соответствии с уравнениями (3.1) –(3.3) оказывает сильное воздействие на все параметры столба: снижается Т и Е поля в нем и увеличивается диаметр.

При сварке неплавящимися электродами в среде защитных газов концентрация различных компонентов смеси неодинакова по длине дуги.

Так, при сварке алюминия в среде аргона дугой с вольфрамовым электродом наиболее высокая концентрация паров алюминия наблюдается у поверхности изделия, наименьшая – у вольфрамового электрода. В результате столб сильно расширен у алюминиевого и сжат у вольфрамового электродов. Т, Е и плотность тока iср в различных его сечениях неодинаковы. Это приводит к появлению интенсивных потоков плазмы. Мощность, теряемая столбом дуги,  частично передается электронам дуги, частично излучается в пространство.