Существование сварочной дуги обеспечивается электропроводностью плазмы, благодаря которой через дугу проходит сварочный ток. В свою очередь электропроводность плазмы обусловлена наличием в ней электронов и ионов, образующихся из нейтральных атомов путем их ионизации. Интенсивность ионизации атомов в конкретных условиях обеспечивается величиной энергии, требуемой для ионизации атома (Wi). Поэтому знание величины Wi и ее зависимости от конкретных особенностей сварочной дуги является весьма важным параметром.
В этой статье мы будем говорить о зависимости величины Wi от температуры плазмы и связанной с этим зависимости величины Wi от места нахождения атомов в сварочной дуге. Термическая ионизация атома в плазме происходит благодаря его столкновениям с другими частицами плазмы. Количество столкновений в единицу времени (ν) можно оценить по формуле:
ν = π√ 2d2 nV ,
где d — диаметр атома, м; n — концентрация частиц, 1/м3; V — тепловая скорость атомов, м/сек.
Величины n и V определяются формулами:
n =p∕kT,
V = √2*( kT∕m),
где р — давление плазмы, Н/м2;
k = 1,38*10-23 Дж/град — постоянная Больцмана; Т — температура плазмы, К; m — масса атома, кг.
Определим величину ν для сварочной дуги, горящей в аргоне при атмосферном давлении, для которой средняя температура равна 104 К. Для аргона: d = 3,84*10-10 м, m = 66,3*10-27 кг, тогда ν = 9,7*108 1/сек.
Время пребывания атомов в возбужденном состоянии составляет не менее 10-8 сек. Следовательно, в сварочной дуге за время пребывания атома в возбужденном состоянии он испытывает не менее 10 столкновений с другими частицами с примерно равной ему энергией, что не позволяет атому выйти из возбужденного состояния. Поскольку все атомы в плазме находятся в одинаковых условиях, то сказанное относится и ко всем остальным атомам плазмы, из чего что все они при высоких Т возбуждены и имеют избыточную внутреннюю энергию Wи. Для удаления из возбужденных атомов электронов требуется меньшая энергия, чем для удаления электронов из атомов, находящихся в невозбужденном состоянии, что можно записать так:
Wi = Ui – Wи,
где Wi — энергия ионизации возбужденного атома, эВ; Ui — потенциал ионизации атома, эВ; Wи — внутренняя избыточная энергия возбужденного атома, эВ.
При этом, чем выше температура плазмы, тем большую энергию атом получит от других частиц и, следовательно, тем больше будет величина его Wи и меньше Wi. Поскольку все атомы в плазме при заданных Т и р находятся в одинаковых условиях, то сказанное относится ко всем атомам плазмы. Из чего следует, что с увеличением Т при заданной величине р Wi атомов плазмы уменьшается. Этот вывод подтверждается тем фактом, что с увеличением Т плазмы степень ее ионизации увеличивается.
