В настоящее время считается, что величина ионной доли тока в сварочных дугах примерно равна β ≈ 0,5. Полагая, что величина β не зависит от величины сварочного тока (I), определим количество ионов, переносящих ионный ток в катодной области (Ni) при разных токах по формуле
Ni = Ii/е = βI/е,
где е — заряд электрона, Кл, а также соответствующее им количество испарившихся с катодного пятна атомов (Nп) по формуле Nп = Gп/ mFe, где mFe — масса атома железа, равная 9,26*10–26 кг.
Ni ≈ Nп и с увеличением тока отношение Ni/Nп увеличивается, а также возрастает и общее количество испарившихся атомов Ni + Nп. Механизм этого процесса можно описать следующим образом. Испарившиеся с катодного пятна атомы попадают в ионизационную часть катодной области, где часть из них (Ni) ионизируется и в виде ионного тока возвращается на катод, а часть (Nп) покидает катодную область и входит в столб дуги, частично оттесняя от катодной области атомы защитного газа.
Теперь рассмотрим, какова концентрация атомов катода в катодной области, в данном случае атомов железа (nFe). С поверхности катодного пятна в единицу времени испаряется Ni + Nп атомов железа. Эти атомы за одну секунду распространяются в объеме, равном W = Sкп *Vа, где Sкп — площадь катодного пятна, м2, Vа — скорость теплового движения атома при температуре катодного пятна, равной температуре кипения железа Тк = 3160 К. Величина Vа определяется формулой Va = √2kT/m, где k — постоянная Больцмана, Дж/К; Т — температура испаряющихся атомов, К;
m = mFe. Подставляя Т = Тк, получим Vа = 9,58*102 м/с. Величину Sкп можно определить по формуле Sкп = I/j, где j — плотность тока в катодном пятне для железного электрода, равная ∼ 2*107 А/м2. Согласно сказанному, концентрация атомов железа определяется формулой
nFe = (Ni + Nп)/W = (Ni + Nп)j/(I √2kT /mFe).
nFe несколько увеличивается с увеличением тока и примерно на порядок меньше концентрации атомов при атмосферном давлении и средней температуре дуги в СО2, равной Т = 7000 К, определяемой по формуле
n = p/(kT) = 1,04 ・ 1024 1/м3, где р = 105 Н/м2 — величина атмосферного давления. Однако необходимо учесть, что на границе катодной области со столбом дуги скорость потока газа (паров железа) должна уменьшиться до скорости потока газа в столбе дуги. Эта скорость определена в зависимости от величины тока и составляет (0,68…1,09)*102м/с. Поэтому скорость потока испарившихся атомов уменьшается на границе катодного пятна, т.е. в ионизационном пространстве, пример- но в 9,58 /(0,68…1,09) = 14,1…8,79 раз, т.е. примерно на порядок, что во столько же раз вызывает увеличение концентрации атомов железа в этой части катодной области.
