Особенности процесса ионизации газа при сварочных работах

Технология высоких напряжений и ионизация газа — взаимосвязанные процессы. Если рассматривать процесс с точки зрения природного явления, он происходит при разрядах молнии и ультрафиолетовом излучении, а в искусственном исполнении — при работе электродов (будь то сварка или электродуговой переплав металла) около высоковольтной ЛЭП. Чаще всего с этим явлением сталкиваются при сварных работах как обычной электросваркой, так и аргонодуговой.

Процесс ионизации газов, в зависимости от интенсивности, оказывает влияние на диэлектрические свойства защитной атмосферы и нередко ухудшает качество сварного соединения, поэтому стоит обратить на него особое внимание. Он аналогичен диссоциации электролита, реагирующего с растворителем, в результате чего освобождаются ионы. При ионизации этот же процесс активизируется либо при попадании в электрическое поле, либо при нагревании — это то, чем ионизация газов отличается от диссоциации электролитов.

Оба явления достаточно изучены, чтобы использовать их в бытовых целях, а также минимизировать оказываемое ими негативное влияние. В научной практике для контроля над атомными процессами используется ионизация газа, прибор же, основанный на этом принципе, называется детектором ионизации.

Ионизация газа

Особенности процесса

Важно! Если количество свободных электронов и катионов незначительно, а потенциал тока невысок, ионизация молекул газа не возникнет, и газ останется диэлектриком

Разберем подробнее, как происходит ионизация газа. По сути, каждый газ является диэлектриком (при нормальном давлении и температуре), поскольку заряд его молекулы нейтральный. Частицы находятся в постоянном хаотичном движении: ударяются друг о друга, отталкиваются, продолжая столкновение дальше. Чем больше концентрация молекул, тем чаще происходят столкновения (выше давление), но хаотичность от этого не меняется. И только при появлении электрического поля (направленное движение электронов) в перемещении заряженных частиц появляется направление. Каким образом?

Освежим курс химии и вспомним, какие частицы вызывают ионизацию газа. Молекула этого вещества рассматривается как электрический диполь. При попадании под «бомбардировку» электронами отдельные диполи распадаются, образуя положительно заряженные частицы — ионы (катионы, у которых недостает одного электрона) и свободный электрон. Первые движутся к катоду, вторые — к аноду, образуя электрический поток. При повышении напряженности количество «разорванных» молекул (диполей) будет увеличиваться в геометрической прогрессии, пока процесс станет не лавинообразным. И как результат — диэлектрик проводит электрический ток в газах — ионизация газов достигает своей апогейной фазы.

Виды ионизации в газах

При постоянной подаче газа и тока, первый можно перевести в новое агрегатное состояние — плазму. Момент, когда происходит проход тока через газ, называется разрядом, по определению он может делиться на 4 типа:

• Дуговой — плазма представлена дугой. Возникает при более низком напряжении, высокой плотности тока, чем при тлеющем разряде. Источником столба являются электроны, подаваемые через электрод. Этот тип используется при сварочных работах.
• Тлеющий — явление можно наблюдать в специально созданных условиях разреженного газа. При определенном напряжении (невысоком, поскольку атмосфера разряжена) ток проходит сквозь плазму, что характеризуется появлением света. Цвет зависит от типа газа. Используется в светотехнике (неон).
• Искровой — аналог тлеющего разряда, но происходит в обычных условиях (при высоком напряжении). Разряд сопровождается треском. Этот тип используется в двигателях внутреннего сгорания.
• Коронный — назван по фигурной форме. Объясняется она возникновением разряда в поле с мощной, но неоднородной напряженностью. В результате образуется градиент: там, где напряженность больше — усиливается свечение. Применяется в оргтехнике, воздушных ионизаторах, производстве озона.

Поскольку этот процесс зависит от различных параметров, то он подразделяется на 2 вида ионизации в газах:

• Объемная — появление ионов непосредственно в самом газе. Образование частиц также имеет свой характер и подразделяется на 4 группы:

1. Ударная ионизация в газах — появление катодов в результате соударения нейтрального атома или молекулы электроном.
2. Ступенчатая — для «выбивания» частицы из нейтрального атома нужно действие второго электрона, поскольку первый приводит его лишь в возбужденное состояние.
3. Фотопроцесс ионизации запускают фотоны, но их мощность излучения должна быть больше мощности поглощения нейтральными атомами. Возможна ступенчатая ионизация.
4. Термическая ионизация газа — появляется в результате нагрева газа до очень высоких температур в момент, когда соударение атомов освобождает электроны.

• Поверхностная — излучение ионов поверхностью электрода, появляется за счет:

1. Бомбардировки катода катионами.
2. Фотоэмиссии — облучения катода лучистой энергией.
3. Термоэлектронной эмиссии — нагрева катода.
4. Электрического поля, подаваемого на катод.

Процесс изменения состояния газа инертен, он происходит в течение времени, на него влияют такие параметры, как напряжение, тип газа. Для расчета приращения тока за счет ионизации, а также последующего определения соотношения интенсивности и давления, используется такое понятие как коэффициент ионизации газов. Переход в состояние плазмы возможен, только если степень ионизации газа достигнет нужного предела (т. е. количество заряженных частиц будет превышать число общих).

Ионизация газа возникает под действием сторонних сил и зависит от объема газа и силы тока. Процесс отрыва электрона и его возврат называется ионизация и рекомбинация газов. Поскольку движение +/- ионов противоположно, наряду с разрушением, происходят восстановление диполей и возврат нейтрально заряженных частиц.

Плазменная сварка

Применение в сварочных работах

Важно! При работе с аргонодуговой сваркой при подключении обратной полярности нельзя сильно нагревать аргон, поскольку осуществляется переход в состояние плазмы

Чтобы исключить появление нежелательной фазы, нужно знать, при каком условии происходит ионизация газа во время сварочных работ. Появляется она независимо от режимов, в которых проводятся работы, но большую опасность представляет для обратной полярности. Здесь мы имеем дело с ионизацией газа пламенем. Разогретый свыше 2400 °С газ начинает превращаться в плазму. Это агрегатное состояние меняет свои характеристики, превращая газ из защитной атмосферы в активную струю, используемую для резки металла. Энергия ионизации газов изменяется при регулировании температуры разогрева газа (как правило, используется аргон).

Заключение

Широкое применение получила ионизация газа: прибор для измерения, основанный на этом принципе, используется в современных телескопах, лазерных установках, приборах для подсчета атомных частиц — все это позволяет проводить сложнейшие опыты, изготавливать медицинское и другое оборудование. Потенциал ионизации газов еще полностью не раскрыт и проходит свою стадию изучения.

Видео: Ионизация газа