2.8. Абсорбция азота на катоде при сварке плавящимся электродом

При изучении механизма абсорбции газов расплавленным металлом при сварке очень важно знать, какую роль при этом играют нейтральные и электрически заряженные частицы.

Рассчитаем выход ионизации азота и водорода в катодной области. Выходом ионизации в физической электронике принято считать число актов ионизации, происходящих в 1 м3 газа за 1 с. Выход ионизации определяется по уравнению [86]:

21 - Свс//*,/(0Л'. 1/(м3-с),(2.61)

где Си — концентрация нейтральных атомов, 1/м3; Се — концентрация электронов, 1/м3"» ?; ~ эффективное сечение ионизации, м2; ^ — скорость электронов, м/с; Д^) — нормированная функция распределения электронов.

При определении выхода ионизации в стационарной плазме электрического разряда в равенство (2.61) вместо Дус) подставляется функция распределения электронов по скоростям или энергиям, которая подчиняется зако)гу Максвелла. В катодной области распределение электронов отличается от максвеллов-ского. Эта область, как известно, соизмерима с длиной свободного пробега электронов.

В расчетах было принято, что электроны при движении в катодной области не испытывают соударений и всю энергию передают нейтральным частицам газа и пара на границе катодной

области со столбом дуги. В этом случае ^/{у)сЫ = 1.

Скорость электронов после прохождения катодной области на границе со столбом дуги (О определяется выражением

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

Эффективное сечение ионизации молекулы QiiKo) может быть аппроксимировано простым линейным законом 186]:

ЯШ = *№*-Щ(2-63)

где а, — коэффициент пропорциональности; и1 — потенциал ионизации, В.

Концентрации электронов на внешней границе катодной области выражается через плотности электронного тока:

пе=-Ь- = —Л-,(2.64)

где /е — плотность электронного тока, А/м2.

Подставляя значения Сг, ц}, vc. в уравнение (2.61) и выполняя ряд простых преобразований, получаем

г, =£^(ик-и;).(2.65)

Рассчитаем выход ионизации для интересующих нас газов и паров (Ы2, N0, Н3, Ре).

Выход ионизации азота. При расчете принимаем /р=107. 108 А/м3; парциальное давление азота =0,1атм (приблизительно равно 10 кН/м2); температура газа 7^,= 5000 К; а, = = 8,5-Ю-22 м2/В. Суммарное значение катодного (¿4) и анодного (£4) падений напряжения определяется по осциллограммам процесса сварки при минимальном значении длины дуги (метод сближения электродов). Для случая сварки на прямой полярности в атмосфере Не + 10 % 1М2 проволокой Св-0Х18Н9 диаметром 2 мм /„= 115.270 А, ик + (]а « 20.21 В (среднее из 37 измерений). Учитывая, что сУ3, по данным многих исследователей (В. Финкельнбург, Г. Меккер, Г.И. Лесков и др.), составляет 4.5 В, значение С/к в расчетах принимается равным 16,8 В, т. е. (7К - и, = 1 В.

Расчет выполняли для молекулярного азота, так как потенциалы ионизации молекулярного и атомарного азота различаются незначительно, а вероятность процесса N2 - N3' примерно в 25 раз больше чем N - 1М" 184]. Число молекул азота определяли по формуле

СЫз =,(2.66)

где N1 — число Лошмидта; р0 и Та — давление и температура газа в нормальных условиях; рф и Тф — принятые в расчете давление и температура. В заданных условиях СЫ1 - 1,47 1023 м-3; = = 7,8-1027.Ю28 1/(мЧ).