Так, смесь паров калия (f/, = 4,33 эВ) и железа {U = 7,83 эВ)

при одинаковой их концентрации = 0,5 и температуре 5800 К

характеризуется эффективным потенциалом ионизации = = 4,61 эВ. В большинстве случаев введение в газ столба 5-8% присадок с низким потенциалом ионизации уже существенно снижает t/эф смеси и в соответствии с уравнениями (2-1)-(2-3) оказывает сильное воздействие на все параметры столба: снижается температура и напряженность поля в нем, увеличивается диаметр.

При сварке металлов неплавящимися электродами в среде защитных газов концентрация различных компонентов смеси неодинакова по длине дуги. Так, при сварке алюминия в среде аргона дугой с вольфрамовым электродом наиболее высокая концентрация паров алюминия наблюдается у поверхности изделия, наименьшая - у вольфрамового электрода. В результате столб сильно расширен у алюминиевого и сжат у вольфрамового электродов Температура, плотность тока и напряженность поля в различных его сечениях неодинаковы. Это, в свою очередь, приводит к появлению интенсивных потоков плазмы.

Мощность, теряемая столбом дуги,

частично передается электродам дуги, частично излучается в пространство. Чем больше дуга углубляется в свариваемый металл, тем меньше потери излучения столба.

Анодная область. Температура газа в этой области падает на несколько тысяч градусов от температуры столба до температуры поверхности активного пятна анода. Активной называется лишь та часть поверхности анода, на которую течет ток дуги. Большинство металлических анодов, кипящих при температурах ниже 4000 К, испаряется в зоне активных пятен под действием теплоты дуги, поэтому перепад температур АГ в анодных областях в таких случаях может быть найден с достаточной определенностью из уравнения

AT = Т,- Т,

Где - температура кипения материала анода.

При протяженности анодной области 10 * см и AT = 3-10* К

градиент температуры в ней имеет значение -р- = 3-10 К/см.

Это вызывает интенсивный тепловой поток Q в сторону анода:

где т] - коэффициент теплопроводности газа; - площадь активного пятна на аноде.

Стационарное состояние анодной области возможно при восполнении этого потока выделяющейся внутри нее мощностью 3* 35

тока f/a/д, где - падение напряжения в анодной области. Отсюда баланс энергии анодной области выражается соотношением

UJ = ~nPi- (2-5)

Сравнительно низкая средняя температура анодной области указывает на весьма малую вероятность термической ионизации заполняющего ее газа. Поэтому основными заряженными частицами, находящимися в этой области, являются электроны, переносящие ток от столба к аноду. Электроны создают здесь пространственный отрицательный заряд плотностью Р, который и определяет характер изменения напряженности поля в анодной области. С учетом этого заряда и переносимого им тока можно из уравнения (2-5) найти величину падения напряжения в анодной области:

fa = 2,65.lO-;J, (2-6)

где i - средняя плотность тока в анодной области; - подвижность электронов.

Заметное влияние на величину оказывает коэффициент теплопроводности газа, заполняющего анодную область. В газах с высокой теплопроводностью сравнительно велико падение напряжения в анодной области. Вследствие сравнительного постоян-

ства соотношения ц в широком диапазоне изменении потенциала ионизации газа столба и тока дуги анодное напряжение относительно постоянно (см. рис. 2-2). По многочисленным измерениям в дугах сварочного режима f/a составляет 4-6 В.

Мощность VJj, выделяющаяся в анодной области, передается аноду и расходуется на его нагрев и плавление. Кроме того, при пересечении электронами границы газ-металл их потенциальная энергия уменьшается на величину работы выхода металла ср, которая также передается аноду. При силе тока /д и работе выхода эта разность составит UJ. В результате общая передаваемая аноду мощность равна

В дуге со стальным анодом =4,2 В, а f/ = 4,36 В, поэтому каждым ампером тока аноду передается мощность (4,2 -\- 4,36) X X 1 = 8,56 Вт. Ее достаточно, чтобы за 1 ч расплавить и нагреть до температуры 2933 К (температура капель, покидающих стальной анод) около 14,5 г/А-ч металла. По многочисленным измерениям фактически плавится 11,5 г/А-ч металла, так как часть передаваемой аноду мощности затрачивается на его испарение. Расчеты и измерения показывают, что эта мощность составляет около 2 Вт на каждый ампер тока.

Катодная область. Недостаток данных о физических процессах в катодной области заставляет исследователей пользоваться рядом гипотез об их сущности и на этой основе выяснять важные для практики сварки закономерности. Основное затруднение возникает при объяснении процессов стекания электронного тока высокой плотности с катодов дуги, кипящих при сравнительно низких температурах (холодных катодов).

Расчет термоэлектронного тока производят по уравнению Ричардсона-Дешмана:

1, = АТЧх[-),

где А - постоянная; Т - температура поверхности катода; k - постоянная Больцмана.

Такие расчеты дают максимальную величину плотности термоэлектронного тока на стальных, медных, алюминиевых, никелевых и других холодных катодах = 20-50 А/см. Экспериментально же измеренная плотность тока в активных пятнах таких катодов достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Следовательно, термоэлектронной эмиссией нельзя объяснить процессы на холодных катодах.

Электростатическая гипотеза объясняет механизм стекания электронов действием у катода поля высокой напряженности (Е = 10-т-10 В/см), создаваемого объемным положительным зарядом ионов. Она удовлетворительно согласуется с основными представлениями и уравнениями современной физики, описывающими явления на границе металл-газ в аналогичных условиях. Однако эта гипотеза пока не разработана в такой мере, чтобы выяснить основные параметры катодной области и определяющие их факторы.

Термическая гипотеза предполагает существование у катода небольшой области газа - ионизационного пространства, нагретой до температуры немного более высокой, чем температура столба. В этой области в результате интенсивной термической ионизации образуется необходимое количество электронов и ионов, которые движутся соответственно заряду в столб (электроны) и к катоду (ионы). Рекомбинируя у поверхности катода, ионы вызывают стекание с него тока электронов соответствующей силы. На основе термической гипотезы получены некоторые подтверждаемые экспериментом закономерности, описывающие катодную область дуги.

Принимается, что температура ионизационного пространства постепенно убывает в направлении катода от некоторого максимального значения до температуры кипения материала катода Т, поскольку скачки температуры и, следовательно, бесконечные градиенты падения температуры невозможны. В катодной области разность температур АГ = Т - может