Как отмечалось выше, на аноде выделяется тепло в результате бомбардировки его электронами, а на катоде — в результате бомбардировки положительно заряженными ионами.
Рассмотрим и сравним балансы энергий в общем виде на аноде и катоде. Для упрощения неизменную при данном режиме сварки величину сварочного тока опустим.
Баланс энергии на аноде составляет:
Qa = Uв + Uа
где Uв — работа выхода электронов, приобретаемая ими при выбивании из катода положительно заряженными ионами и приносимая затем аноду; Uа — кинетическая энергия ускорения электронов, приобретаемая ими в анодной области.
Работа выхода электронов зависит от материала катода, состояния его поверхности, наличия на нем окислов и других веществ.
Так, например, работа выхода Uв для железа равна 4,18 В, для вольфрама — 4,54, а для вольфрама, покрытого церием, — 1,6, барием — 1,56, торием — 2,63 В.
Падение напряжения в прианодной области (чаще говорят: в анодной области) Ua, равно 2,5±0,2 В. Эта величина является постоянной и не зависит ни от материала анода, ни от состава и характера защитной среды (тот или иной защитный газ, сорт флюса и др.), ни от режима сварки.
Баланс энергии на катоде коренным образом изменяется в зависимости от наличия или отсутствия в зоне дуги отрицательных ионов и легко ионизирующихся элементов либо от применения внешних (электрических) стабилизаторов.
В инертном газе энергия, выделяющаяся на катоде, состоит из потенциальной энергии положительных ионов (Ui) и кинетической энергии тех же ионов (UK), за вычетом энергии, затрачиваемой этими ионами на выход электронов из катода (UB). Баланс энергии на катоде при отсутсвии отрицательных ионов в дуге можно представить следующим образом:
Qк = - Uа + f(Ui + Uк)
где Ui — эффективный потенциал ионизации газов дуговой полости (энергия, приобретаемая ионами при ионизации атомов газа); UK — падение напряжения (градиент потенциала) в катодной области; f — доля токов положительных ионов в общем значении тока в дуге (сварочного тока), которая составляет примерно 0,5.
Эффективный потенциал ионизации Ui и катодное падение напряжения UK в значительной степени зависят от наличия в дуговой полости элементов-ионизаторов.
Так, например, при сварке стальным плавящимся электродом открытой незащищенной дугой, в полости которой присутствуют только пары железа, Ui = 7,83 В, UK = 17,0±0,5 В; при наличии в зоне дуги кальция без фтор-ионов Ui = 6,11 В и UK=13,0±0,5 В, а при наличии кальция Ui = 4,32 В и UK = 12,5±0,5 В.
Подобно указанному выше активированию вольфрамового катода действует на стабильность процесса и плавление стального электрода-катода добавка к аргону кислорода.
Кроме того, несмотря на то, что потенциалы ионизации аргона и гелия достаточно высокие и составляют для первого 15,7 В, а для второго 24,5 В, применение электрических стабилизаторов намного снижает эти значения.
По литературным данным, приводимым на основании опытов по сварке нержавеющей стали на прямой полярности, минимальное общее напряжение вольфрамовой дуги, горящей в аргоне, составляет 8 В, а дуги, горящей в гелии (при том же токе),— 12,5 В.
Учитывая, что анодное падение Uа ≈ 2,5 В, получим катодное падение напряжения. UK для дуги, горящей в аргоне, составляет 5,5 В, а для дуги, горящей в гелии, — 10 В.
В этих условиях как при вольфрамовом, так и при плавящемся стальном электроде выделение тепла на аноде обычно несколько больше, чем на катоде, и при обратной полярности (анод на электроде) стальной электрод плавится быстрее, чем при прямой (катод на электроде).
Особенно сильно при этом снижается нагрев катода при введении в полость дуги паров веществ с низким потенциалом ионизации, причиной чего является снижение катодного падения напряжения UK и эффективного потенциала ионизации Ui. При этом повышается электропроводность катодной области и столба дуги, а также устойчивость дуги в целом.
Совершенно противоположное явление происходит при введении в полость дуги фтора (при сварке различных сталей практически под всеми флюсами — см. табл. 14) и при дуговой сварке различных сталей большинством покрытых электродов.
О цели и мерах обеспечения паров фтора в дуге указано ранее. Фтор из всех элементов, способных образовывать отрицательные ионы, обладает наибольшим сродством к электрону (Uc = 4,25 В).
Поэтому при попадании паров фтора в полость дуги основную массу отрицательных ионов в катодной области составляют фтор-ионы (F-). В связи с этим в катодной области происходят следующие процессы.
Вышедшие из катода электроны, обладая весьма малой массой, проносятся в направлении к аноду с очень большой скоростью мимо положительных ионов, практически почти не соединяясь (не рекомбинируя) с последними.
Ионы фтора по своей массе соизмеримы с положительными ионами газа. Поэтому рекомбинация отрицательных ионов фтора с положительными ионами газа (отдача электронов ионами фтора последним) в катодной области происходит во много раз больше (по литературным данным в 104 раза), чем рекомбинация (соединение) свободных электронов с положительными ионами.
Уменьшение количества положительных ионов вследствие рекомбинации их с фтор-ионами приводит к повышению градиента потенциала в катодной области (UK) и в столбе дуги.
В результате этого наряду с некоторой деионизацией и, следовательно, снижением стабильности горения дуги возрастает кинетическая энергия положительных ионов, бомбардирующих катод, вследствие чего соответственно повышаются выделение тепла на катоде и скорость его плавления.
Баланс энергии на катоде при наличии в полости дуги ионов фтора выражается уравнением
Q= Uв + 0,5(Ui +UK) + φ0,5UС,
где Uс — сродство атома фтора к электрону; φ — отношение тока отрицательных ионов к суммарному значению тока электронов и отрицательных ионов.
Для различных флюсов и покрытий электродов φ различно. Так, при железном катоде для флюса АН-348А φ = 0,7—0,9; второй коэффициент 0,5 учитывает, что в катодной области имеется примерно равное количество (половина) долей тока отрицательных ионов и электронов.
Благодаря описанному явлению при сварке под большинством флюсов (содержащих CaF2 и Si02) на катоде выделяется больше тепла, чем на аноде.
Следует, однако, учитывать количество содержащихся во флюсе ионизирующих веществ, например окиси кальция (см. табл. 14), оказывающих противоположное фтору действие на стабильность горения дуги и на скорость плавления катода при даном режиме сварки.