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.

1)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 составляет 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.

3) 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.

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.

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.