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

1) электрическим полем, создающим ток;

2) разницей в концентрации частиц между различными участками плазмы (амбиполярной диффузией). Направленные потоки ионов и электронов в плазме могут возникать не только под действием электрического поля, но и при условиях, когда концентрация частиц в различных точках неодинакова. Силой, приводящей в движение частицы, здесь будет разность давлений. В слабо ионизированной плазме давление электронного и ионного компонентов мало по сравнению с давлением нейтрального газа, поэтому при диффузионном движении заряженных частиц, так же как и при прохождении тока, происходит не перемещение всей массы вещества, а только перемещение составляющих. Характерной особенностью процесса является то, что по условию квазинейтральности скорости диффузии электронов и ионов должны быть одинаковы. Поскольку электроны обладают большой подвижностью, они опережают ионы, создавая благодаря этому опережению электрическое поле, которое сильно тормозит их и слегка ускоряет тяжелые ионы. В результате происходит выравнивание скоростей и весь процесс идет со скоростью, близкой к той, которая в отсутствие электрического поля соответствовала бы диффузионному движению ионов. Такой процесс совместного движения ионов и электронов через газ получил название амбиполярной диффузии.

Кроме того, в неравномерно нагретой плазме обмен частицами между  областями с различной температурой создает механизм плазменной теплопроводности, благодаря которому через плазму идет поток тепловой энергии. Перечисленные процессы объединяются общим названием – явление переноса. Они обеспечивают переход от неравновесного к равновесному состоянию.

Теплопроводность плазмы также  обусловлена движением частиц. Главную  роль в переносе теплоты от более горячих участков плазмы к холодным играют электроны (благодаря большей тепловой скорости). Если вдоль некоторого направления существует перепад температур, то электроны с большими энергиями идут в одну сторону, а с меньшими — в другую.

Пренебрегая очень небольшой долей энергии, получаемой ионами при их ускорении в продольном поле (ионный ток мал), можно считать, что вся энергия, отбираемая разрядом от внешнего источника в столбе дуги, переходит непосредственно электронам плазмы. Эта энергия расходуется на возбуждение и ионизацию молекул газа, а также на повышение их кинетической энергии при упругих столкновениях. В конечном итоге баланс мощности для единицы длины столба дуги имеет вид:

 

jE = W_n  + W_T + W_k

 

где W_n — потери столба дуги излучением; W_T и W_k — соответственно потери теплопроводностью и конвекцией.

Отношение W_n /(W_T + W_k) зависит от режима дуги, формы столба и рода атмосферы.. Однако из опыта известно, что для дуг в парах металлов при I = 100–1000 А до 90% энергии столба дуги теряется излучением. Спектр излучения таких дуг близок к спектру абсолютно черного тела, т.е. они представляют собой эффективные излучатели. Для краткости будем ниже такие дуги называть металлическими или Ме-дугами.

Температура в столбе дуги может  быть примерно вычислена по формуле, полученной К.К.Хреновым:

 

T

KU₀

 

где U₀ – эффективный потенциал ионизации, K – коэффициент, принимающий значения K=800 для РДС и K=1100 для сварки под слоем флюса. По длине столба температура принимается постоянной.

Таким образом, анализ проводимости вещества, а также элементарных процессов  и термодинамики плазмы показал  следующее:

1) в сварочных дугах имеются три характерные зоны – катодная, анодная и столб дуги;

2) столб сварочных дуг при атмосферном давлении представляет собой плазму с локальным термическим равновесием, квазинейтральностью и свойствами идеального газа. В столбе вакуумных сварочных дуг термическое равновесие может не наблюдаться, т.е. Т_е>(Т_i=Т_д);

3) с помощью физики элементарных процессов в плазме определяют потенциал ионизации газов U_i, эффективное сечение взаимодействия атомов с электронами (по Рамзауэру) Q_e и отношение квантовых весов а². С использованием термодинамических соотношений определяют эффективный потенциал ионизации U₀, температуру плазмы столба Т, напряженность поля Е и плотность тока j в нем.

Приближенные формулы позволяют  оценивать значения параметров столба сварочной дуги и влияние отдельных  факторов процесса.

1.3.1.6 Приэлектродные области дугового  разряда

1.3.1.6.1 Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии

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

Известны следующие виды эмиссии  электронов твердыми телами:

1) термоэлектронная;

2) автоэлектронная (или электростатическая);

3) фотоэлектронная (или внешний фотоэффект);

4) вторичная, возникающая при бомбардировке твердого тела тяжелыми частицами (атомами, ионами) или потоком первичных электронов.

5)экзоэлектронная эмиссия. Она  возникает на поверхностях, обработанных  с введением энергии извне  (при резании и т. п.).

В сварочных дугах превалируют процессы термо- и автоэлектронной эмиссии.

Явление термоэлектронной эмиссии  заключается в испускании всеми  металлами при достаточно высоких  температурах электроны, число которых  быстро возрастает с повышением температуры. Механизм этого явления заключается в следующем: электроны проводимости свободно перемещаются по всему объему металла, но не могут выходить за его пределы. Этому препятствует электрическое поле, действующее в узкой зоне, которую называют поверхностным потенциальным барьером или просто барьером; форма и высота его могут быть определены при вычислении  работы, необходимой для удаления электрона из металла – работы выхода. Наличие внешнего электрического поля снижает значение этой работы (эффект Шоттки). Сообщение электронам энергии (при сварке это термоэнергия, выделяющаяся при прохождении электрического тока через площадь контакта при коротком замыкании), приводит к эмиссии электронов.

Явление автоэлектронной эмиссии  основано на туннельных переходах –  электронной эмиссии с заострений и шероховатостей металлической поверхности под действием внешнего электростатического поля. Объясняются эти переходы волновой природой электронов.

Фотоэлектронная эмиссия является следствием повышения энергии электронов в результате поглощения ими квантов  внешнего излучения (света). При этом энергия отдельных электронов оказывается настолько большой, что некоторые из них преодолевают поверхностный барьер и оказываются эмитированными. Явление это носит название внешнего фотоэффекта. В обычных сварочных дугах фотоэмиссия мало поддается количественному расчету и играет незначительную роль в балансе энергии.

1.3.1.6.2 Физические явления в приэлектродных  областях

Поверхности сварочных электродов обычно покрыты твердыми и  жидкими  оксидами, пленками шлака и т. д., которые сильно влияют на работу выхода. Некоторые покрытия, например торий, лантан, барий на вольфраме, заметно улучшают эмиссионные свойства. Другие, наоборот, адсорбируясь на поверхности металлического катода, резко снижают эмиссию (например, кислород). Увеличение эмиссии объясняется созданием у поверхности эмиттера дипольного слоя, обращенного положительным зарядами наружу. Возникающее при этом электростатическое поле способствует увеличению «Шоттки-электронов» и туннельных электронов.

Эмиссионные свойства поверхности всякого катода (термо-, авто- и фотоэлектронного) неодинаковы. На ней существуют участки с различной работой выхода электронов. Различие плотности тока в отдельных участка» катода, особенно при низких температурах, доходит до такой степени, что практически весь эмиссионный ток течет только через участки с наименьшей работой выхода. Это явление, заметное и у чистых металлов, но особенно резко выраженное у пленочных катодов, называют эмиссионной пятнистостью.

Обнаружено, что относительный  коэффициент вторичной эмиссии σвт с окисленной поверхности алюминия, обработанной парами цезия, т.е. с поверхности металла, покрытой тонкой, плохо проводящей пленкой, иногда достигает огромных значений  (σ_вт = 100–1000). Это же наблюдается при создании положительного заряда на пленке любым другим способом, в том числе осаждением положительных ионов газа, что весьма возможно для условий сварочной дуги в парах металлов. При толщине пленки порядка 1 мкм среднее значение напряженности поля достигает в ней 106–107 В/см, что может обеспечивать появление «Шоттки-электронов» и возникновение электростатической эмиссии.

С анода, изготовленного из очень чистого  и слабо испаряющегося металла, происходит небольшая эмиссия положительных  ионов. Она значительно усиливается, если анод содержит легко испаряющиеся примеси, особенно примеси щелочных металлов. Возможна также эмиссия отрицательных ионов с металлов, покрытых электропроводными слоями металлов или полупроводниками типа оксидов. Если накаленный эмиттер находится в парах какого-либо металла, то атомы падают на поверхность эмиттера, ненадолго адсорбируются ею и затем испаряются вновь. Часть из них испаряется в виде ионов. Такое явление получило название поверхностной ионизации. В сварочных дугах ионный ток обычно невелик, однако при сварке легко испаряющихся материалов, например латуни, из которой интенсивно выгорает цинк, он может оказаться значительным.

1.3.1.6.3 Краткая характеристика приэлектродных  зон

В переходных (приэлектродных) областях сварочных дуг отмечаются резкие изменения электрических, термических и других свойств по длине дугового разряда. Здесь существует переход от металлического проводника, в котором ток переносится исключительно электронами, к газообразному, в котором имеется как электронная, так и ионная проводимость. В дуговом разряде при высоких давлениях газа также существует переход от холодного электрода к весьма горячей плазме. При низких давлениях, наоборот, – от сравнительно горячего электрода к холодному газу.

В устойчивом дуговом разряде температура электродов часто приближается к точке кипения электродного материала, и его пары могут добавляться к газовой среде. Поэтому вблизи электродов дуга будет гореть в смеси газов и паров, а давление здесь может быть значительно выше, чем в столбе.

Можно предполагать, что в большинстве случаев эмиссионный ток электронов с поверхности сварочных катодов будет складываться из собственно термоэлектронов, «Шоттки-электронов», туннельных электронов и из вторичных электронов. В Ме-дугах при большой напряженности поля и низкой температуре плавления металла могут преобладать туннельные электроны, причем сильное поле вероятно также при наличии флюсовых диэлектрических пленок на катоде.

За исключением  специальных случаев (например, угольная дуга), анод не эмитирует положительных ионов. Поэтому анодный ток – чисто электронный. Вблизи анода сказывается избыток отрицательного пространственного заряда и появляется анодное падение потенциала U_a. Его значение определяется, в основном, энергией, потребляемой для образования положительных ионов в анодной области. В большинстве случаев U_а<U_к и для Ме-дуг U_a составляет 2–3 В, U_к - примерно 10–20 В

Обычно  в анодной области дуги выделение  энергии значительно больше, чем  в катодной (в 2–2,7 раза). Это учитывается  технологами при выборе полярности электрода и изделия.

Таким образом, рассмотрение приэлектродных областей дуги показало, что катодная область, служащая источником электронов, определяет свойства дуги. Исходя из вида катодов, сварочные дуги целесообразно разделить  на:

1) металлические (Me-дуги) в парах с плавящимися холодными катодами;

2) дуги в газах с неплавящимися термокатодами (например, вольфрамовая W-дуга).

Обычные Me-дуги характеризуются следующими, общими для них всех, признаками:

1) сравнительно низкой (менее 3000–4000 К) температурой катода, близкой к температуре кипения электродного металла, и его интенсивным испарением;

2) высокой плотностью тока в пятне дуги (j 100 А/мм2)

3) блужданием и неустойчивостью пятна на жидком металле электрода;

4) катодным падением напряжения, соразмеримым с потенциалом ионизации металлов (10–20 В); анодным падением напряжения, мало зависящим от материала электродов (2–3 В);

5) температурой столба дуги около 5000 К

6) наиболее вероятным механизмом появления электронов в катодной зоне при плотности тока j=104–105 А/мм2 можно считать автоэлектронную эмиссию.

1.3.1.7 Элементы магнитогидродинамики  сварочной дуги

1.3.1.7.1 Электромагнитные силы в  дуге

Так как всякое перемещение заряженных частиц сопровождается появлением магнитных полей, то существуют они и в сварочной дуге. На проводник длиной l с током I, находящийся в магнитном поле, действует сила Лоренца F, направление которой можно определить для тока от плюса к минусу по правилу Ампера (левой руки):

 

F = BIl

 

где магнитная индукция B=μH. При μ=1 для неферромагнитной среды:

 

F = HIl

 

где Н – напряженность магнитного поля.

Применительно к газовому разряду  вектор элементарной силы , действующей на каждую частицу зарядом q, движущуюся со скоростью , будет определяться векторным произведением:

 

F = (q/c)[

]

 

или на единицу объема:

 

F = (1/c)[

]

 

где с — скорость света. Сила перпендикулярна плоскости векторов и . Она не производит работы, но меняет направление скорости частицы. При этом в однородном магнитном поле (H = const) действуют постоянное центростремительное ускорение v²/r и сила mv²/r = (1/c)qvH.

Так как в столбе дуги могут  быть два тока – электронный и  ионный, – то сила будет направлена по-разному для каждой частицы при одинаковом направлении их скоростей. Но дрейфовые скорости электронов v_e и ионов v_i противоположны, и сила F для любой частицы оказывается направленной к центру дуги (рис. 11). Собственный магнитный поток столба дуги Ф_ст , силовые линии которого концентрически охватывают столб и могут быть определены по правилу буравчика, стабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта – электромагнитного сжимающего давления. Распределение электромагнитного давления по сечению проводника (сварочной дуги) имеет параболическую форму с максимумом в центре. Для проводника переменного сечения, в частности, для сужения столба дуги около стержневого электрода, разность давлений вызовет осевую силу ΔF, действующую от меньшего сечения к большему. Например, если площади сечений отличаются в 4 раза (2 раза по диаметру), то при токе 200 А создается сила, способная удерживать стальную каплю диаметром около 4 мм (см. [1], стр.81). Следует учесть, что действие пинч-эффекта должно уравновешиваться изнутри термическим давлением плазмы (идеального газа).