Пособие по источникам питания

межутке необходимо сообщить его молекулам или атомам требуемую энергию ионизации. Эта энергия передается атомам и молекулам газа в результате их соударения с электронами, эмитируемыми (испускаемыми) с поверхности катодного пятна. Следовательно, для возникновения дугового разряда и ионизации газа необходимо обеспечить эмиссию электронов с катода и сообщить им энергию, достаточную для ионизации газа. В условиях сварки энергия, необходимая для эмиссии электронов, получается в результате нагрева катода до высокой температуры, а также путем создания вблизи катода весьма сильного электрического поля, напряженность которого достигает 107-109 В/мм.

Как уже было указано, свободные электроны вблизи поверхности твердого или жидкого тела испытывают силу электростатического притяжения, удерживающую электрон внутри тела. Величина этой силы F e2 4r2 , Н, где r - расстояние между взаимодействующими за-

рядами. Электроны в металле находятся в хаотическом движении, подчиняющемся законам теплового движения газовых молекул. Поэтому средняя кинетическая энергия электронов определяется на основании законов газовой динамики

2	3
me e			KT ,	(5)
2		2

где me - масса электрона, равная 9,1 10-28 г; υe - средняя скорость теплового движения электрона в мм/сек; К - постоянная Больцмана, равная 1,37 10-11, эрг/град; Т - абсолютная температура тела в °С.

Согласно закону теплового движения Максвелла, с повышением температуры увеличивается количество электронов, энергия которых превышает среднюю кинетическую энергию. Часть электронов может при этом иметь составляющие скорости, нормальные к поверхности, при которых их кинетическая энергия равна или больше работы выхо-

	me	2
да, т.е.		e	eUв	. Такие электроны покидают металл и попадают в
	2

газовый промежуток около катода, обладая некоторой остаточной кинетической энергией.

Явление испускания электронов раскаленными телами называется термоэлектронной эмиссией. На основе законов термодинамики, в предположении, что термоэлектронная эмиссия подобна испарению одноатомного газа, было получено следующее уравнение для плотности тока электронной эмиссии на катоде:

11

		eUв		(6)
j	AT 2e KTk		, А/мм2,
e	k

где А - постоянная, зависящая от материала катода; Тк - абсолютная температура катодного пятна в °С.

Предельная температура катодного пятна равна температуре кипения материала катода. Для тугоплавких электродов (уголь, вольфрам), обладающих высокой температурой кипения (Tk > 5000 °С), плотность тока эмиссии может быть достаточной для обеспечения мощного дугового разряда. При легкоплавких металлических электродах температура кипения материала катода сравнительно низкая, например для стали (Tk = 3013 °С). При такой температуре катодного пятна одна лишь термоэлектронная эмиссия не может обеспечить высокую плотность тока, которая при металлических электродах достигает тысячи десятков тысяч А/мм2. Это объясняется тем, что приведенное выше уравнение термоэлектронной эмиссии было выведено без учета действия электрического поля вблизи катода. Между тем на границе катодного пространства дуги положительные ионы образуют объемный положительный заряд большой плотности, создающий разность потенциалов Uк , называемую катодным падением напряжения. Учитывая, что протяженность катодного пространства очень мала ( 10-10 мм), напряженность электрического поля в катодном пространстве при наблюдающихся в дуге значениях Uд = 8-20 В может достигнуть величины 104-107 В/мм. На электрон, находящийся вблизи поверхности металла, действует сила электрического поля Fп, противоположная силе Fэ, удерживающей электроны внутри тела. Таким образом, электрическое поле вблизи катода как бы уменьшает работу выхода электронов и тем самым усиливает термоэлектронную эмиссию. Уравнение термоэлектронной эмиссии с учетом действия электрического поля вблизи катода примет следующий вид:

		eEk e eEk			(7)
j	AT 2e KTk			, А/мм2.
э	k

Для стальных электродов при подстановке в это уравнение значений А и е получим выражение

			eUв		4.4	Ek		(8)
j	э	120T 2e KTk			Tk		, А/мм2.
		k

12

При весьма сильных электрических полях возможна эмиссия электронов при слабо нагретом, «холодном» катоде, называемая автоэлектронной эмиссией. В этом случае уравнение для определения плотности тока электронной эмиссии, согласно выводам волновой механики, примет следующий вид:

		eUв			(9)
2	e	(Tk cEk ) K	2	,
jэ A(Tk cEk )			, А/мм

где с - коэффициент, зависящий от среды и материала катода. Сравнивая уравнения (6) и (9), можно заметить их структурное

сходство. В уравнении (6) принято, что с точки зрения электронной эмиссии действие сильного электрического поля аналогично действию нагрева катода. В случае, когда Tk > cEk, преобладающей является термоэлектронная эмиссия (7), что следует полагать справедливым для дуги с тугоплавким катодом. Когда Тk < cEk, преобладающей будет автоэлектронная эмиссия или оба вида эмиссии существуют совместно. Предполагается, что в мощных сварочных дугах с металлическими стальными электродами имеет место именно такой смешанный вид электронной эмиссии. Электроны, эмитированные катодом, проходят катодное пространство с большой скоростью под действием весьма сильного электрического поля (Eк =105-107 В/мм). Кинетическая энергия эмитированных электронов, прошедших катодное пространство, равна еUк. На границе катодного пространства эти электроны при неупругих соударениях с молекулами или атомами газа могут передать последним всю или большую часть своей энергии, переходящей в потенциальную энергию атома или молекулы. Если эта энергия достаточна для ионизации, то атом или молекула ионизируется, т.е. образуются новые заряженные частицы - электрон и положительный ион. Следовательно, для осуществления первичной ионизации газа вблизи катодного пространства необходимо, чтобы эмитированные электроны обладали кинетической энергией, достаточной для ионизации, т.е.

	2
	me e	e Ui .	(10)
	2

Отсюда следует вывод, что величина катодного падения напряжения зависит от потенциала ионизации газа или паров, заполняющих дуговой промежуток.

13

Электроны, образующиеся при эмиссии и ионизации газов и паров на границе катодной области, увлекаются электрическим полем в столбе дуги к аноду, а положительные ионы - к катоду. Так как масса ионов значительно превосходит массу электрона, то скорость движения ионов под действием электрического поля в столбе дуги во много раз меньше скорости движения электронов. Поэтому вблизи катода ионы образуют объемный положительный заряд и тем самым создают сильное электрическое поле в катодном пространстве.

1.2.2. Столб дуги

Электроны, как было сказано выше, пройдя катодную область обладают определенной кинетической энергией. В случае упругого соударения электрона с ионом или атомом (молекулой) только часть кинетической энергии электрона передается иону или атому, что вызывает некоторое повышение температуры газа в дуговом промежутке. При сравнительно высокой плотности газа число таких соударений очень велико. Поэтому, несмотря на небольшое количество энергии, передаваемой при каждом упругом соударении, обмен энергией между электронами и другими частицами газа (ионы атомы, молекулы) происходит весьма интенсивно. В результате большого количества соударений происходит уравнивание температур отдельных составляющих газа и общая температура газа в столбе дуги достигает весьма высоких значений Тд = 6000-8000 °С. Таким образом, большая часть кинетической энергии эмитированных электронов, приобретенная ими в электрическом поле вблизи катода, расходуется на ионизацию и подогревание газа в разрядном промежутке. Благодаря высокой температуре газа в столбе дуги решающее значение приобретает термическая или тепловая ионизация. В этом случае ионизация происходит не только при неупругих соударениях электронов с атомами, но и вследствие соударений самих атомов между собой. Это объясняется тем, что в газе, заполняющем столб дуги, с повышением температуры резко возрастает число атомов, обладающих кинетической энергией, достаточной для ионизации частиц газа путем соударения. В результате интенсивной термической ионизации столб дуги представляет собой сильно ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц (электронов, ионов) и нейтральных молекул, имеющих весьма высокую температуру. Следовательно, степень ионизации, электропроводность столба дуги и ее устойчивость определяются наличием в столбе дуги газов или паров, обладающих низким потенциалом ионизации.

14

Как показали исследования, столб дуги однороден в осевом направлении; температура столба в осевом направлении одинакова, а электроны и ионы равномерно распределены по его длине. Поэтому поперечные размеры и свойства столба дуги по всей длине будут одинаковыми, т.е. столб дуги имеет кругло-цилиндрическую форму. Последнее подтверждается опытами, которые указывают на постоянство напряженности электрического поля и равного ей по абсолютной величине градиента потенциала в столбе дуги по всей его длине, т.е.

	Ec	Uc	const ,	(11)
		lc

где Ес - напряженность электрического поля в столбе дуги, В/мм; Uc - падение напряжения в столбе дуги, В; lc - длина столба дуги, мм.

Распределение температуры по радиусу столба дуги весьма неравномерно т.е. температура столба резко понижается по мере удаления от его оси. Вследствие этого плотность газа при удалении от оси столба резко повышается, а степень ионизации, т.е. электропроводность столба дуги и плотность тока, наоборот, резко снижаются. Поэтому разряд

встолбе дуги можно представить как разряд в газовом канале, имеющем наиболее высокие температуру и электропроводность по оси и ограниченном стенками из более холодного и слабо проводящего газа.

Как уже было указано выше, под влиянием продольного электрического поля в столбе дуги заряженные частицы получают направленную скорость: электроны - в направлении анода, а положительные ионы - в направлении катода. Так как подвижность ионов очень мала по сравнению с подвижностью электронов, то долей ионного тока в общем, токе столба дуги можно пренебречь. Таким образом, ток в столбе дуги подобен току в металлических проводниках и обусловлен, главным образом, движением электронов. Следовательно, число электронов в единице объема в столбе дуги, в результате термической ионизации, значительно превосходит число эмитированных электронов в катодном пространстве. Поэтому электропроводность столба дуги во много раз превосходит электропроводность катодной области. Вследствие этого напряженность электрического поля и градиент потенциала

встолбе значительно меньше, чем в катодном пространстве: Ес. = 1-4 В/мм. Учитывая постоянство Ес с учетом выражения (3), можно определить общее падение напряжения в столбе дуги по уравнению

Uc Eclc Eclд .

(12)

15

1.2.3. Анодная область

Напряженность поля в анодной области должна быть больше, чем в столбе дуги. Это объясняется уменьшением степени ионизации газа вблизи анода из-за более низкой температуры в анодной области по сравнению со столбом дуги. Поэтому электропроводность анодной области ниже и для обеспечения высокой плотности тока на аноде необходима большая напряженность поля, т.е. Еа Ес. Усиление напряженности поля Еа достигается в результате образования на границе анодной области отрицательного объемного заряда, так как число электронов в этой части дуги преобладает над числом положительных ионов. Вследствие образования объемного заряда на границе анодной области в последней возникает разность потенциалов - анодное падение напряжения Ua. Величина анодного падения напряжения обычно сравнительно невелика и для металлических электродов лежит в пределах 2-4 В.

Электроны, эмитируемые с катода, забирают с собой часть энергии, которую передают аноду, попадая на него. Представив энергию, выделяющуюся на электродах в зависимости от падения напряжения, можно записать ее следующим образом:

Wk	Uk	I	t	(	2kT ), Дж,	(13)
Wa	Ua	I	t	(	2kT ) , Дж,	(14)

где Uk, Ua – падение напряжения в катодной и анодной области, В; Wk, Wa – соответственно, энергия катода и анода, Дж; - потенциальная энергия электронов; 2kT - термическая энергия электронов.

В результате того, что энергия анода выше энергии катода, анодная область значительно шире катодной. Следовательно, плотность тока в анодной области меньше, чем в катодной, поэтому напряженность поля в анодной области меньше, чем в катодной, но существенно превосходит напряженность поля в столбе дуги.

Учитывая, что ток дуги, в основном электронный, следовательно, поток электронов на аноде создает более высокое давление, чем давление, создаваемое потоком ионов на катоде. В итоге, при одном и том же материале электродов точка кипения материала анода выше точки кипения материала катода. И, таким образом, температура анодной области становится выше, чем температура катодной Та – Тk ≈ 300–600 ºС. Данное обстоятельство учитывается при выборе

16

полярности электрода и изделия в зависимости от того, где должна быть приложена более высокая энергия.

Изложенные выше физические основы дугового разряда справедливы для всех видов дуг (открытой, защищенной и закрытой). Различие в режимах, материалах электродов и среды, в которой происходит дуговой разряд, обуславливает, главным образом, лишь некоторые количественные отличия в отдельных параметрах дуги, не изменяя основной физической сущности явлений.

1.2.4. Ионизированные потоки газа в разрядном промежутке

На процессы, протекающие в разрядном промежутке при горении сварочной дуги, значительное влияние оказывают потоки ионизированного газа, называемые плазменными. Они возникают у активных пятен и направлены в сторону столба дуги. Появление этих потоков связано с интенсивным испарением материалов электрода и изделия. Потоки, направленные встречно, взаимодействуют и дают результирующий плазменный поток в дуге. Плазменные потоки, возникают в дугах как с плавящимся, так и с неплавящимся электродом, как в воздухе, так и в среде защитного газа; вообще возникновение плазменных потоков типично для сварочных дуг. Плазменные потоки, кроме нейтральных атомов испаряющегося материала электрода и изделия, содержат заряженные частицы ионизированного газа. Возникая у активных пятен, плазменные потоки хаотично перемещаются в пространстве, поскольку сами активные пятна хаотично перемещаются по поверхности электрода и изделия. Хаотичное перемещение плазменных потоков в пространстве усиливают анизотропию разрядного промежутка. Скорость перемещения плазменных потоков порядка 106 мм/с. Эта скорость на 1-2 порядка ниже скорости упорядоченного движения электронов, поэтому плазменные потоки не оказывают влияния на скорость движущихся свободных электронов. Скорость положительных ионов соизмерима со скоростью плазменных потоков, и поэтому ионы увлекаются плазменными потоками, что оказывает влияние на состояние объемных зарядов в приэлектродных областях. Это сказывается на величинах напряженности электрического поля в приэлектродных областях, на распределении потенциалов и, в конечном счете, на условиях, в которых горит дуга, а следовательно, на ее устойчивости. Особенно заметное влияние оказывают плазменные потоки на процесс сварки плавящимся электродом. Учитывая, что катодный поток охватывает анодный, то при сварке на обратной полярности увеличение капли электродного металла вызывает ее отталкивание катодным плаз-

17

менным потоком. Кроме этого, потоки воздействуют на относительно медленно перемещающуюся в дуговом промежутке каплю жидкого металла и могут вызывать ее отбрасывание за пределы сварочной ванны и тем самым увеличить потери металла на разбрызгивание. Сила, возникающая в результате испарения металла и перемещения плазменных потоков равна

	I 2		(15)
F A		, Н,
p	S

где А - коэффициент, зависящий от материала электрода и параметров приэлектродных, областей; I - сила сварочного тока, А; S - площадь анодного пятна, мм2.

1.2.5. Магнитное поле сварочной дуги

Как известно из физики и электротехники, при движении заряженных частиц в твердом, жидком или газообразном проводнике в окружающей среде возникает магнитное поле.

Магнитным полем сварочной дуги принято считать магнитное поле, созданное упорядоченным движением частиц с зарядом q, который по абсолютной величине равен заряду электрона, т.е. магнитное поле дуги - это поле, созданное в разрядном промежутке током проводимости.

Силы, возникающие под действием магнитного поля представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Магнитное поле сварочной дуги

На движущиеся в магнитном поле дуги заряженные частицы действуют механические силы. Сила F, действующая на частицу с зарядом q, определяется выражением

18

F q
	B ,	(16)

где - вектор скорости движущейся частицы в точке m электрическо-

го поля разрядного промежутка; B - вектор магнитной индукции маг-

нитного поля дуги в той же точке m; B - векторное произведение

векторов и B .
С учетом изменения наклона силовых магнитных линий абсолют-
ное значение силы F равно
F q		B cos , Н,	(17)
где q - заряд движущейся частицы; α - угол между векторами и B .
Направление вектора	B	лежит в плоскости,	перпендикулярной

направлению тока проводимости дуги, а направление вектора скорости

зависит от направления вектора напряженности электрического поля
E в точке, через которую проходит частица,					несущая заряд q. Из (17)
следует, что при α = 0, F	F	, а при α =			, когда векторы B,	E ,
	min		2
взаимно перпендикулярны,	F	Fmax . При			и сила становится
вновь минимальной, а при		вектор F			изменяет направление.

Большое значение для величины и направления вектора F имеет кон-

фигурация электрического поля, созданного электрическим током, протекающим в системе (сварочная проволока – жидкая капля - раз-

рядный промежуток), так как направление вектора определяется на-

правлением вектора E , совпадающим с касательной к силовой линии

электрического поля. Величина силы F определяется значениями напряженностей электрического и магнитного полей и зависит от параметров среды, т.е. от физических условий межэлектродного промежут-

ка. По известному из электротехники правилу левой руки определяется

направление вектора силы F , действующей в точке m на движущуюся частицу с зарядом q в ионизированном газе столба дуги. Точка m взята на силовой линии магнитного поля, протекающего тока дуги в плоско-

сти сечения, которое перпендикулярно оси системы. Вектор парал-
лелен оси столба и совпадает с направлением вектора E . Между век-
торами и B угол	2 . Как видно из рисунка, возникающие силы

19

направлены радиально от наружной поверхности столба дуги к его оси и оказывают сжимающее действие на столб дуги.

Сжимающее действие силы F называют пинч-эффектом (от англ. глагола to pinch - сжимать). Столб дуги уплотняется, чему противодействует внутреннее давление. В случае равенства сил сжатия и внутрен-

него давления процессы в столбе протекают в условиях равновесия.

Изменение полярности не изменит направления вектора силы F . Попрежнему будет наблюдаться эффект сжатия столба дуги. Это объясня-

ется тем, что при изменении направления вектора напряженности E

электрического поля в разрядном промежутке изменяется и направле-

ние векторов скорости и магнитной индукции B .

Рассматривая силовые линии электрического поля при сварке плавящимся электродом, образованные протекающим по системе (проволока – капля – дуга – сварочная ванна) сварочным током, необходимо определить их конфигурацию в каждой из составляющих и найти влияние силы пинч-эффекта на каждую из них.

Силовые линии тока, протекающего по сечению электродной проволоки, не искривлены и параллельны ее оси, следовательно, электродинамическая сила имеет только радиальную составляющую и направлена перпендикулярно оси. Как известно, столб сварочной дуги имеет круглоцилиндрическую форму, поэтому электродинамическая сила столба дуги также не имеет осевой составляющей. Но на конце электрода образуется капля жидкого металла, имеющая большую площадь поперечного сечения, чем диаметр электродной проволоки, поэтому между проволокой и каплей электродного металла силовые магнитные линии электрического поля имеют искривленную форму. Учитывая,

что сечение электродной проволоки меньше сечения капли, то при угле
2 вектор силы F , определяемой по правилу левой руки,			имеет
две составляющие: радиальную Fрад и осевую	Fос. . Сила	Fос	- это

проекция силы F , которая перпендикулярна вектору скорости на ли-

нию, лежащую в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной ин-

дукции B . Благодаря результирующему действию радиальных сил происходит сжатие жидкой перемычки, соединяющей каплю с торцом электродной проволоки, а под действием осевых сил происходит перемещение капли вдоль оси столба дуги в сварочную ванну. Если свариваемый стык находится на горизонтальной или потолочной поверхности, то отрыв и перенос капли электродного металла происходит в основном при взаимодействии радиальных и осевых сил (выражение 18), а также сил поверхностного натяжения:

20