венной оценки роли механизма «электрического* растворения азота металлы шва при дуговой сварке с учетом эффективности внедрения необходимо знать концентрацию ионов азота в при-катодной области и их энергию. Для этого рассмотрим состояние и поведение азота в низкотемпературной плазме.

В азотной плазме с температурой порядка 6000.7000 К могут образовываться с различной степенью вероятности следующие частицы: N. 1Ч\ N1], 1М;, Ы\ N1;, ]^\ гМ;. В работе [82] исследован ионный состав плазмы положительного столба разряда в молекулярном азоте при давлениях 13,33. 133,3 Па. При этом наблюдались ионы Ы\ N1^, N5 и N4, образование которых предполагалось в результате следующих процессов:

ионы N'1 Ы2 + е ~ 21М+ + Зе,(2.37)

N + N2 - N3 + или N + е -* 1М+ + 2е,(2.38)

ионы N.: Ы2 + е -» Ы£ + 2е,(2.39)

ионы N5: № + 2 1М; - N1^ + Ы2,(2.40)

возможно N2 + N3 ~ N3 + К,(2.41)

ионы : + 2гЧ2 - ГЧ; + Nгили гЧ; + N. -* N4" + е. (2.42)

Реакционная способность азота в плазме почти полностью определяется атомами в основном и возбужденном состояниях. При этом реакционная способность колебательно-возбужденных молекул была выше, чем электрон но-возбужденных. Значительная диссоциация азота происходила при температурах 5000.6000 К, которые характерны для сварочных дуг между железными электродами |83]. При таких температурах вероятность термической ионизации азота мала. Наибольшую вероятность ионизации атомы и молекулы азота имеют при взаимодействии с электронами плазмы дугового разряда. В этом случае вероятность процесса N2 + е N2 + 2е превышает примерно в 25 раз вероятность процесса N + е ~ N1* + 2е [84].

Процессы ионизации при взаимодействии азота с электронами в плазменно-дуговом разряде определяются эффективными сечениями реакций, которые зависят от энергии электронов. Электроны в плазме находятся в хаотическом движении и в слу-

чае стационарной плазмы их энергия имеет распределение, близкое к максвелловскому. В случае дугового разряда в катодной области распределение электронов по энергии отличается от максвелловского, так как размеры катодной области соизмеримы с длиной свободного пробега электронов.

Средняя частота соударений электронов с молекулами азота в дуговом разряде может быть оценена из следующего уравнения:

Ъ = »г]я№)*.ГШи,(2-43)

где лд — концентрация нейтральных молекул азота, 1/м3; д^Ц) — эффективное сечение соударений для электронов, м2; II — падение напряжения в катодной области дугового разряда, В; ус — скорость электронов, м/с; /(£/) — функция распределения электронов по энергиям.

В связи с тем, что протяженность катодной области в дуговом разряде мала — 10"7.Ю~5 м [85], электроны проходят эту область, не испытывая столкновений до столба дугового разряда. Поэтому с некоторым приближением можно принять, что все электроны после прохождения катодной области имеют одинаковую энергию, которую можно оценить из зависимости

1/2 те V] - е С/,(2.44)

где и — падение напряжения в катодной области, В; те — масса электрона, кг; е — заряд электрона, Кл.

Поскольку в этом случае все электроны участвуют в процессе ионизации,то

]/(£/)/£/ = !.(2.45)

Эффективное сечение ионизации молекул азота на границе со столбом дугового разряда может быть оценено из уравнения [86]:

/,(/) = а,{£У- и,),(2.46)

где а, — коэффициент пропорциональности, м2/В; Ц — первый потенциал ионизации молекулы азота, В.

Концентрацию молекул азота при заданной температуре и парциальном давлении в дуговом разряде можно найти из уравнения

10 —5-ім