Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

3) при переходе из неустойчивого  искрового разряда путем подачи  импульса высокой частоты или  высокого напряжения;

4) при замыкании и последующем  размыкании токонесущих электродов (короткое замыкание). Данный способ  является основным для возбуждения дуги при РДС. При этом происходит следующее: в месте контакта на катоде образуется катодное пятно, которое настолько сильно нагрето, что становится способным к электронной эмиссии при приложении напряжения в 60–70 В. Для возникновения сварочной дуги как газового разряда необходимо наличие заряженных частиц, направленное движение которых и будет электрическим током. Явлением, обеспечивающим появление этих частиц, является ионизация.

При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом — высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с помощью конденсатора. Угольную дугу возбуждают чаще всего, используя третий электрод.

1.3.1.2 Строение сварочной дуги и ее вольтамперная характеристика

В самостоятельном разряде, начиная  с токов выше нескольких микроампер, наблюдается неравномерное распределение  электрического поля в межэлектродном пространстве, состоящем из трех зон (рис. 5): катодной 1, анодной 2 и столба разряда 3. На электродах часто наблюдаются пятна – анодное А и катодное К. Скачки потенциала U_к и U_a обусловлены скоплениями пространственного заряда (рис. 6) и повышенным сопротивлением этих зон по сравнению со столбом. В длинной дуге можно отчетливо различить три указанные выше области, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и анодной зонах. В связи с этим, в дальнейшем отдельно рассмотрены явления в столбе дуги и в пограничных областях – катодной и анодной. Для коротких дуг, где влияние процессов, происходящих у одного электрода, простирается до второго электрода, подразделение дуги на отдельные части, очевидно, становится бесполезным. В газовом промежутке между двумя электродами заряженные частицы могут возникнуть во всех трех зонах, но главным образом они появляются в результате процессов эмиссии на катоде и объемной ионизации в столбе дуги. В связи с ограниченностью эмиссии электронов столб дуги (как и любой проводник) вдали от катода сохраняет по отношению к нему положительный потенциал, поэтому часто его называют положительным столбом. В то же время не следует забывать, что плазма столба обычно квазинейтральна.

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 вольтамперная характеристика разряда для газов является обычно нелинейной.

В зависимости от плотности тока вольтамперная характеристика дуги может становиться падающей, пологой и возрастающей (рис. 7). В I области при малых токах (примерно до 100 А) и свободной дуге с увеличением тока I_д 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 (U_д); 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.

В сильноточных сжатых дугах ионизация  газа в столбе может достигать  значений, близких к 100%, а термоэмиссионная способность катода исчерпана. В  этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным: R=const. Высокоионизированная сжатая плазма по своим свойствам близка к металлическому проводнику. Закон Ома вновь становится справедливым в его обычном виде.

1.3.1.3 Элементарные процессы в  плазме дуги. Ионизация и деионизационные  процессы в дуге

После возбуждения разряда ионизация  в газе может происходить в  основном двумя путями: взаимным соударением  частиц и поглощением квантов  энергии (фотоионизация).

Одновременно идут процессы деионизации, т. е. образование нейтральных частиц при взаимодействии ионов и электронов.

Электрическое поле дуги напряженностью Е сообщает за 1 с энергию jE электронам и ионам в 1 м³ столба. Электроны в связи с подвижностью воспринимают наибольшую часть этой энергии и в результате соударений передают ее атомам и ионам. Возможны два рода соударений – упругие и неупругие:

Электрон, который близко подходит к атому, отталкивается электронным  облаком, но нарушает, в свою очередь, расположение облака. Окончательный результат зависит от скорости электрона (его энергии и направления движения).

1)медленный электрон легко отражается, а атомное электронное облако  претерпевает лишь незначительное  возмущение; это так называемое  упругое соударение. Классически его можно представить как столкновение двух идеально упругих шаров, обменивающихся кинетической энергией. Изменения потенциальной энергии атома здесь не происходит.

2)при неупругих соударениях  частиц энергия передается в  виде энергии диссоциации w_д , возбуждения w_в или ионизации w_i , причем за одно столкновение может быть передано сразу несколько электрон-вольт. При этом электрон нейтрального атома переходит с низкого уровня на более высокий, потенциальная энергия атома растет, и атом возбуждается либо ионизируется. Запасаясь в возбужденных атомах, энергия вновь уходит из них в виде излучения – столб дуги светится.

Ионизацию можно рассматривать  как крайний случай возбуждения, когда электрону сообщается энергия  большая, чем самый высокий возбужденный уровень атома.

Энергию, которая должна быть сообщена электрону для его ионизации, часто выражают в вольтах (точнее в электрон-вольтах) и называют соответственно потенциалом ионизации U_i. Условия неупругого соударения электрона е при напряжении поля U можно записать так:

 

eU >> w_д (или w_в; w_i).

 

Значения первых потенциалов ионизации U_i некоторых атомов приведены в табл. 3:

Таблица 3

Значения первых потенциалов ионизации  некоторых атомов

Атом	Cs	K	Na	Ca	Fe	H	O	N	Ar	F	Ne	He
Ui,эВ	3,9	4,3	5,11	6,08	7,83	13,53	13,56	14,5	15,7	18,6	21,5	24,5

 

Неупругие соударения частиц между  собой при высоких температуре  и плотности газа приводят к так  называемой термической ионизации, которая возникает за счет кинетической энергии частиц. Наиболее вероятна схема электронного удара:

 

e_быстр + A⁰

A⁺ + 2e_медл

 

После неупругого соударения оба электрона  будут обладать малыми скоростями и  вновь начнут ускоряться электрическим  полем.

Ионизация холодной плазмы осуществляется весьма небольшим числом высокоскоростных электронов, соответствующих «хвосту» максвелловского распределения. Поэтому неупругих столкновений в сварочном столбе дуги обычно значительно меньше, чем упругих.

Энергия ионизации зависит от строения атома, т.е. от его места в периодической  системе элементов. Она представляет собой периодическую  функцию атомного номера элемента Z и снижается с уменьшением номера группы и увеличением номера периода таблицы Менделеева.

Атомы и молекулы могут возбуждаться не только при соударениях между  собой или с ионами и электронами, но и путем поглощения квантов излучения (явление фотоионизации). Такие кванты в дуге появляются при рекомбинации (деионизации, или восстановлении) других сильно возбужденных атомов. Условие фотоионизации:

 

hν 

eU_i

 

где h – постоянная Планка. Отсюда можно определить длину волны Λ_i электромагнитного излучения, способного вызвать ионизацию атомов:

 

ν =

     Λ_i =

 

Чем больше потенциал ионизации  элемента, тем меньше требуемая для ионизации атома этого элемента длина волны. Для сварочной дуги соответствующие значения длины волны находятся в ультрафиолетовой части спектра. Фотоионизация в плотной плазме, видимо, незначительна по сравнению термической (ударной), причем выделить их доли расчетным и опытным путем пока не удается.

В любой  точке стационарного разряда  концентрация заряженных частиц любого типа определяется равенством скоростей  образования и потерь частиц в  этой точке. Ионизация в плазме приводит к разделению зарядов, но электрическое притяжение ограничивает степень возможного разделения и плазма остается квазинейтральной. Наряду с ионизацией непрерывно происходят уравновешивающие ее процессы деионизации. К ним относятся рекомбинация заряженных частиц в нейтральные, захват электронов (прилипание), дрейф проводимости и диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию (амбиполярная диффузия)

Явление рекомбинации электрона с  ионом заключается в том, что  свободный электрон, пролетая в поле иона, захватывается последним и переходит в связанное состояние. При этом освобождается энергия, равная сумме кинетической энергии свободного электрона и его энергии связи. Так как свободные электроны обладают непрерывным набором энергий, то фотоны, излучаемые в процессе рекомбинации, образуют сплошной спектр, на который накладывается линейчатый спектр возбужденных атомов, образующихся при ступенчатых переходах.

Для сварочных  дуг излучение рекомбинации преобладает  над тормозным излучением электронов и имеется преимущественно сплошной спектр с максимумом в области видимого и ультрафиолетового диапазонов (0,3–1,0 мкм). Спектр сварочной дуги в парах металлов приближается к спектру солнечного излучения с небольшим сдвигом от последнего в сторону длинных волн (рис. 8).

1.3.1.4 Термодинамическая характеристика плазмы. Понятие эффективного потенциала ионизации

Для обычных сварочных дуг, горящих  в среде при давлении порядка  атмосферного, столб дуги представляет собой плазму. В полностью ионизированной плазме нейтральные частицы  отсутствуют.

Плазма  дуги квазинейтральна (т. е. почти нейтральна), так, как в ней отрицательный  заряд электронов почти точно  нейтрализует положительный заряд  ионов. Однако так как электроны  гораздо подвижнее, чем положительные  ионы, то поле заставляет электроны быстро уходить к аноду и столб дуги имеет положительный потенциал относительно катода.

Термическое равновесие в дуговом  промежутке будет полным, когда частота  появления всех возможных энергетических состояний удовлетворяет распределению  Максвелла-Больцмана. В плотной среде столба дуги столкновения между частицами приводят к быстрому установлению локального равновесного состояния. Напротив, в разреженной плазме, где столкновения частиц редки, могут длительное время существовать состояния, далекие от равновесия. Столкновения частиц становятся редкими и при высоких температурах в так называемой горячей плазме, когда энергия теплового движения kT = 10–100 эВ и более. Плазма, имеющая kT порядка 1 эВ (11600 К), в физике считается холодной плазмой.

Основное понятие термодинамики – понятие температуры, которая характеризует значение энергии и ее распределение между частицами вещества. В разреженной или в горячей плазме электронная Т_е и ионная T_i температуры не равны между собой, но с увеличением давления газа их значение и распределение по сечению столба дуги становятся почти одинаковыми (рис. 9). Ионная температура близка к температуре газа.

Так как дуговой разряд существует обычно не в однородном газе, а в  смеси газов и паров, находящихся  при высокой температуре, то необходимо знание эффективного потенциала ионизации – U_i. Практика показывает, что в смеси газов в большей степени ионизируется газ с наименьшим U_i. Расчет эффективного потенциала термической ионизации U₀ выполняется по формуле Фролова (под U₀ смеси, обладающей степенью ионизации x₀, следует понимать потенциал ионизации некого однородного газа, в котором число заряженных частиц такое же, как и в газовой смеси).

 

U₀ =

ln exp(- )

 

где k – количество газов в смеси, ν_i – концентрация i-го газа в смеси, U_i – потенциал ионизации i–го газа, T – абсолютная температура.

Расчет U₀ в зависимости от концентрации паров в системе Fe-K при предположительной T = 5800 К (рис. 10) позволяет сделать вывод, что сравнительно небольшие добавки ионизаторов достаточны для обеспечения стабильности горения дуги (при сварке под флюсом или покрытыми электродами).

1.3.1.5 Явления переноса, баланс энергии  и температура в столбе дуги

Направленное движение ионов и электронов в плазме может быть вызвано двумя причинами: