Шпаргалка по "Теория сварочных процессов"

Виды эмиссии электронов с катода в дугу.

1. Термоэлектронная эмиссия.

J_тэ= , где

Т- температура катода,

А=120 - коэффициент, Ф- работа выхода электрона Ме .

При высоких температурах энергии теплового движения некоторых электронов оказывается достаточно для преодоления потенциального барьера притяжения электростатического поля ядер атомов кристаллической решетки.

2. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия.

Под действием напряженности Е электрического поля, электроны вытягиваются из катода, преодолевая потенциальный барьер у поверхности.

Электростатическое поле изменяет работу выхода электрона, , что при совместном действии термо- и автоэлектронной эмиссий увеличивает величину плотности тока термоэлектронной эмиссии.

J_ат=

3. Фотоэлектронная эмиссия.

Под действием фотонов  часть электронов приобретают энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера. Энергия фотонов зависит от длины волны. В видимой области спектра фотоэлектронная эмиссия присуща щелочным металлам, для остальных требуется ультрафиолет.

4. Вторичная электронная эмиссия.

При бомбардировке катода положительно заряженными ионами и нейтральными атомами, некоторым электронам сообщаются энергии, достаточные для преодоления поверхностного потенциального барьера, и они покидают катод.

Возможна вторичная электронная эмиссия и на аноде, а также отраженные электроны при бомбардировке анода потоком электронов.

В сварочных дугах  имеют место все виды электронной  эмиссии, но основную роль играют термоэлектронная и электростатическая эмиссии.

 

21. Назовите основные области дугового разряда и отметьте их характерные особенности. Приведите балансы энергии

 

Физические  процессы в катодной области дуги.

Переходные области между электродами  и столбом дуги- это участки  резких изменений электрического и  теплового полей.

В зависимости от материала  катода сварочные дуги подразделяют на два основных типа:

1. Дуга с неплавящимся катодом (W, C, Zr, Hf)

Чаще применяют W, с добавками To, Y, La, уменьшающими работу выхода электронов.

2. Дуга с плавящимся катодом.

Как правило, используют проволоку, близкую по химсоставу с материалом свариваемого изделия.

Дуги с неплавящимся катодом.

Для W: Т_пл=3650К, Т_кип=6170К.

Основная цель катода- обеспечить электронную эмиссию, т.е. подать электроны (эмитировать) в столб дуги , где  они будут являться основными электро- и теплоносителями.

Основная часть катодного тока обеспечивается за счет термоэлектронной эмиссии (j_тэ до А/см²). При этом катод разогревается попадающими из дуги ионами и атомами.

При неплавящихся катодах, катодное падение напряжения, как правило, при условии достаточного разогрева катода, меньше потенциала ионизации газа, в котором горит дуга- U_k<U_i .

Длина катодной зоны сотсавляет несколько  длин свободного пробега электрона  l_k (2-3) 10^-5-10^-3мм.

Дуги с неплавящимся катодом подразделяются:

а) Дуги с катодным пятном. (при малом  токе и сильном охлаждении катода). В катодном пятне, кроме термоэлектронной эмиссии, большую роль играет электростатическая, и напряжение на дуге (в катодной области) повышенное.

б) дуги без катодного пятна (при  больших токах и раскаленном  катоде) –

собственно термоэлектронная дуга- вся поверхность катода, обращенная к дуге, эмитирует электроны.

Дуги с плавящимся («холодным») катодом.

У Fe, Cu, Al, Ni и др. Ме, применяемых в качестве основы для сплава стержня плавящегося электрода,  термоэлектронная эмиссия мала даже при температуре их кипения. В таких дугах преобладает электростатическая эмиссия.

Характерная особенность таких  дуг- хаотическое движение дуги по поверхности катода. В месте посещения дуги наблюдается интенсивное испарение материала катода. Потоки паров катода нарушают симметричность магнитного поля дуги и возникают электромагнитные силы, перемещающие дугу по поверхности.

Катодное падение напряжения сравнимо с потенциалом ионизации газа и паров металлов, в которых горит дуга. U_k 10…20 В.

Длина катодной области примерно равна  длине свободного пробега иона

l_k 10^-4мм.

 

 

Баланс энергии  на катоде.

Поскольку эмитированные электроны  уносят энергию с катода в столб  дуги, то:

P_k= - , где - работа выхода электрона из материала катода, эВ; U_k- катодное падение напряжения , В.

 

Физические  процессы в анодной области дуги.

 

Образование анодной области с  падением напряжения от 0 до 30 В (обычно 2,5 0,5В), протяженностью в направлении оси дуги около 10^-2-10^-3мм. Обусловлено отрицательным объемным зарядом. Электроны, поступающие из столба, ускоряются в направлении к аноду, где их кинетическая (2кТ) и потенциальная ( ) энергии преобразуются в теплоту.

Анод не является поставщиком ионов  в столб дуги. Они образуются вследствие термической ионизации в пранодной области и затем ускоряются в направлении к катоду.

 

Баланс энергии  на аноде.

 

P_а= - , где

Т- температура электрона вблизи анода.

 

22. Опишите процессы, протекающие в столбе дуги. В чем физический смысл уравнения Саха, как определяют эффективный потенциал ионизации газовой смеси?

Физические  процессы в столбе дуги.

В столбе дуги находится смесь ионов, нейтральных атомов и молекул газов и паров металлов и электронов.

Положение столба определяется броуновским  движением (диффузией) и дрейфом зарядоносителей в осевом направлении под действием электрического поля.

Газ, ионизированный хотя бы частично, т.е. содержащий свободно перемещающиеся зарядоносители, называется плазмой.

Если ионизация осуществляется в результате высокой температуры, то плазму называют термической.

Электропроводность такой термической  плазмы может достигать электропроводности металла.

Сварочное дуги при атмосферном  давлении имеют термическую плазму, в которой идут процессы диссоциации и ионизации.

Уравнение Саха.

        Для термической плазмы, то есть находящуюся в термическом равновесии каковой является плазма столба дуги можно рассматривать термическую ионизацию как обратимую химическую реакцию газов:

А⁰+(работа ионизации) А⁺+ ^-

Обозначим через æ степень ионизации

æ =      -    отношение числа заряженных частиц одного знака к суммарной концентрации.

Степень ионизации термической  плазмы определяется уравнением Саха:

, где

р- давление среды, в которой горит дуга, Па;

а- квантовый коэффициент (для аргона а²=4);

Т- температура плазмы, К;

U_i- потенциал ионизации газа, в котором горит дуга, В;

( )- энергия ионизации, эВ.

 

Однако надо иметь ввиду, что  уравнение Саха дает результаты близкие  к экспериментальным только при малых степенях ионизации, что вполне приемлемо для сварочных дуг.

Эффективный потенциал  ионизации.

 

Очень часто дуговой разряд происходит в смеси газов и паров металлов электродов. При этом в большей степени ионизируются элементы с наименьшим потенциалом ионизации.

Для учета этого вводят понятие  эффективного потенциала ионизации, под которым понимается потенциал однородного газа, число заряженных частиц в котором равно числу заряженных частиц в газовой смеси:

, где

- концентрация i-ого компонента в смеси;

- число компонентов в смеси.

Концентрация зависит от относительных  масс компонентов находящихся в  зоне сварки, упругостей их паров, а также от тех фаз, которые будут образовываться в смеси, поэтому расчет эффективного потенциала ионизации является приближенным.

 

23. Опишите основные процессы в прикатодной области дугового разряда.

 

Приэлектронные области электрического разряда - катодная и анодная –представляют собой переходные зоны между твердыми (жидкими) поверхностями электродов и плазмой разряда. В катодной области сварочных дуг, как пока предполагалось, в основном протекают эмиссионные процессы.

Эмиссионные процессы:

1)Термоэлектронная эмиссия.

J_тэ= , где

Т- температура катода,

А=120 - коэффициент, Ф- работа выхода электрона Ме .

При высоких температурах энергии теплового движения некоторых  электронов оказывается достаточно для преодоления потенциального барьера притяжения электростатического поля ядер атомов кристаллической решетки.

2)Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия.

Под действием напряженности  Е электрического поля, электроны  вытягиваются из катода, преодолевая потенциальный барьер у поверхности.

Электростатическое поле изменяет работу выхода электрона, , что при совместном действии термо- и автоэлектронной эмиссий увеличивает величину плотности тока термоэлектронной эмиссии.

J_ат=

3)Фотоэлектронная эмиссия.

Под действием фотонов  часть электронов приобретают энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера. Энергия фотонов зависит от длины волны. В видимой области спектра фотоэлектронная эмиссия присуща щелочным металлам, для остальных требуется ультрафиолет.

4)Вторичная электронная эмиссия.

При бомбардировке катода положительно заряженными ионами и нейтральными атомами, некоторым электронам сообщаются энергии, достаточные для преодоления поверхностного потенциального барьера, и они покидают катод.

Возможна вторичная  электронная эмиссия и на аноде, а также отраженные электроны при бомбардировке анода потоком электронов.

В сварочных дугах  имеют место все виды электронной  эмиссии, но основную роль играют термоэлектронная и электростатическая эмиссии.

 

24. Опишите взаимосвязь вольтамперной характеристики дуги и физических процессов, протекающих в ней.

 

Электрическая дуга есть электрический разряд в газе, характеризующийся:

1. высокой плотностью тока (сотни А/мм²), низким напряжением, высокой температурой газа в токопроводящем канале (5000…50000К)

     Свойства  эл. дуги:

1. большой диапазон изменения мощности разряда
2. большой диапазон изменения концентрации энергии
3. свойство саморегулирования
4. простота условий эксплуатации

Схема элементарных процессов в эл. дуге 

Для газового разряда сопротивление не является постоянным (R≠const), так как число заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от тока. Поэтому электрический ток в газах не подчиняется закону Ома и вольт-амперная характеристика разряда для газов является обычно нелинейной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В зависимости от плотности  тока вольт-амперная характеристика дуги может становиться падающей, пологой и возрастающей (рис. 1).

В I области при малых  токах (примерно до 100 А) и свободной  дуге с увеличением тока Iд  интенсивно возрастает число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается и падает нужное для поддержания разряда напряжение Uд; характеристика дуги является падающей.

Во II области при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродов столб дуги несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги становится мало зависящим от тока, а характеристика — пологой. Первые две области токов охватывают дуги с так называемым отрицательным электрическим сопротивлением. Падающая и пологая характеристики типичны для дуги при ручной дуговой (ДР) и газоэлектрической (ГЭ) сварке, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).

Сварка на высоких  плотностях тока и плазменно-дуговые  процессы соответствуют III области режимов дуги. Они характеризуются сильным сжатием столба дуги, а вольтамперная кривая здесь — возрастающая, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.