Глава 2. Взаимодействие металла с азотом

где Ри — парциальное давление азота в дуговом разряде, Па; Тй — температура газа, К; к — постоянная Больцмана, Дж/К.

Средняя частота соударений электронов с молекулами азота в условиях дугового разряда может быть оценена из выражения

кТ, \т

При сварке проволокой сплошного сечения Св-0Х18Н9 диаметром 2 мм и силе сварочного тока 115.270 А суммарное падение напряжений в катодной и анодной областях составляет 20.-.21 В [42]. Падение напряжения в катодной области оценивается усредненной величиной, равной 16,8 В, парциальное давление азота в столбе дугового разряда /^= 9000 Па, температура газа Тйъ 5000 К. Для определения эффективности ионизации молекул азота коэффициент пропорциональности а, был принят, согласно данным работы [86], равным 8,5- 10~22 м2/В.

Используя эти данные, рассчитываем среднюю частоту соударений электронов с молекулами азота на границе со столбом дугового разряда по формуле:

7,=■ /* '■6-'°-" 16.8 - 2.708.0 ■ 1/с.

1,380662 1 0 -5000 \ 9- 10'31

Отсюда время жизни образующихся ионов азота имеют следующее значение

тМг = = * 3,69 Ю-9 с.(2.50)

Скорость, которую достигают ионы азота у поверхности катода после прохождения катодной области, можно оценить из уравнения

При размерах катодной области приблизительно 10~5.10"7м время, необходимое ионам азота для ее прохождения, составляет 0,93'10"9.0,93-10"" с. Это меньше времени жизни молекулярных ионов азота и позволяет допустить, что все молекулярные ионы азота, образовавшиеся на границе катодной области со столбом дугового разряда, достигают поверхности катода.

В работе [42] время взаимодействия капли с плазмой дугового разряда предложено оценивать по усредненным по массе каплям:

где — средняя по массе капля, кг; vc^ — средняя скорость плавления электродного материала, кг/с. При этом средняя масса переходящей капли определяется выражением

тср = та + т„/2,(2.53)

где та — остающаяся часть капли на торце электрода, кг; т„ — масса переходящей капли, кг.

В свою очередь изменение скорости плавления электродного материала приводит к изменению массы переходящих капель, что отражается зависимостью [42]:

КР = тп/х,(2.54)

где т — время между отрывами капель, с.

Время взаимодействия капель электродного металла с плазмой дугового разряда тк определяется зависимостью, приведенной в уравнении (2.32). Эффективность взаимодействия капель электродного металла с плазмой дугового разряда зависит не только от времени взаимодействия, но и от площади поверхности капли. Кинетический показатель взаимодействия имеет вид (см. табл. 2.4)

со = октк,(2.55)

где ак — отношение площади боковой поверхности капли к ее объему, 1/м. Экспериментальное определение этих параметров подробно описывается в работе [42] и осуществляется путем скоростной рентгенокиносъемки процесса плавления электродного металла при дуговой сварке. В табл. 2.5 приведены показатели переноса и содержание азота в каплях электродного металла при сварке проволокой Св-08А диаметром 2 мм на прямой полярности в газовых смесях Аг + N2 и Не + N2 [421. Рассмотрим в качестве примера случай сварки на режиме /св= 100 А, иа = 29 В в газовой смеси Не + 10 % N2. При массовой доле азота 0,044 % в каплях со средней массой 0,14 г масса азота составляет приблизительно 6,16-10-8 кг. Это соответствует общему количеству молекул азота, которые растворены в капле: