Почему калий должен служить для стабилизации сварочной дуги?

Поскольку натрий и калий так похожи химически, мне было интересно, почему должна быть какая-то разница.

WeldGuru - " Руководство по сварочным электродам "

_{Типы покрытия, тока и полярности, обозначаемые четвертой цифрой в классификационном номере электрода}

$$\begin{array}{l} \text{Digit} & \text{Coating} & \text{Weld Current} \\ \text{...} & \text{...} & \text{...} \\ \text{2} & \text{Titania sodium} & \text{ac, dcsp} \\ \text{3} & \text{Titania potassium} & \text{ac, dcsp, dcrp} \\ \text{...} & \text{...} & \text{...} \\ \end{array}$$ ...

Ниже описаны основные типы покрытий сварочных электродов для низкоуглеродистой стали.

• Натрий-целлюлоза (EXX10): Электроды этого типа целлюлозного материала в виде древесной муки или переработанные низколегированные электроды содержат до 30 процентов бумаги. Газовая защита содержит двуокись углерода и водород, которые являются восстановителями. Эти газы создают дугу копания, обеспечивающую глубокое проникновение. Наплавленный металл несколько шероховат, а уровень разбрызгивания выше, чем у других электродов. Он обеспечивает чрезвычайно хорошие механические свойства, особенно после старения. Это один из первых разработанных типов электродов, который широко используется для прокладки трубопроводов по пересеченной местности с использованием метода сварки под наклоном. Обычно используется с постоянным током с положительным электродом (обратная полярность).

• Целлюлозно-калиевый (EXX11): этот электрод очень похож на целлюлозно-натриевый электрод, за исключением того, что используется больше калия, чем натрия. Это обеспечивает ионизацию дуги и делает электрод пригодным для сварки переменным током. Действие дуги, проплавление и результаты сварки очень похожи. Как в электроды E6010, так и в электроды E6011 можно добавлять небольшое количество железного порошка. Это способствует стабилизации дуги и немного увеличивает скорость наплавки.

• ...

---

" Исследование влияния нанопорошка комплекса (Ti, Zr, Cs) на эффективный потенциал ионизации дугового разряда при сварке MMA [обычно называемой SMAW]", С.Б. Сапожков и Е.М. Буракова, стр. 2 :

«Воздух, как и все газы, в нормальных условиях имеет довольно слабую электропроводность из-за низкой концентрации свободных электронов и ионов. электрическая дуга Ионизация может быть результатом приложения к электродам довольно высокого напряжения, электрическое поле ускоряет несколько свободных электронов или ионов газа, которые в результате приобретения высокой энергии могут разбивать нейтральные атомы или молекулы на ионы.

Высокие напряжения не допускаются техническими правилами безопасности сварки. Поэтому для исследования этого процесса предпочтительнее использовать тепловую и полевую электронную эмиссию. Множество свободных электронов, находящихся в металле и обладающих большой кинетической энергией, переходят в газовую среду межэлектродного пространства, вызывая его ионизацию.

Термоэлектронная эмиссия предполагает «испарение» свободных электронов с поверхности металла под действием высоких температур. Количество свободных электронов, приобретающих энергию, достаточную для прохождения энергетического барьера в поверхностном слое и выхода из металла, находится в прямой зависимости от температуры. Суть полевой электронной (холодной) эмиссии заключается в том, что создается внешнее электрическое поле, которое трансформирует энергетический барьер у поверхности металла и способствует высвобождению электронов с энергией, достаточной для прохождения этого барьера.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т.е. отношением количества заряженных частиц в определенном объеме к первичному числу частиц (до ионизации)$^{[3]}$. Сварка более стабильна и легче, если потенциал ионизации низкий».

Внизу страницы 3:

«В данной работе представлено теоретическое исследование влияния комплексного (Ti, Zr, Cs) нанопорошка на эффективный потенциал ионизации (Uэфф) разряда сварочной дуги.

Энергия ионизации атома характеризует частицу и не зависит от способа ионизации, тогда как потенциал ионизации характеризует первый исторический способ ионизации.

Энергия ионизации атома, измеряемая в эВ (электрон-вольтах), численно аналогична потенциалу ионизации атома, измеряемому в В (вольтах).

Энергия ионизации является важной характеристикой атома и влияет на природу и прочность химических соединений, образуемых атомом. Энергия ионизации атомов оказывает сильное влияние на раскислительные свойства соответствующего элементарного вещества.

Потенциал ионизации представляет собой отношение работы выхода электрона атома вещества к заряду электрона:

$$\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad U = \frac{W}{e_,} \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad(1)$$

где$U$— потенциал ионизации, В;$W$— работа выхода электрона, Дж;$е$— заряд электрона, Кл.

Сложные атомы, состоящие из множества электронов, имеют несколько потенциалов ионизации. Первый потенциал ионизации отвечает удалению электрона с оболочки атома, имеющего с ней самые слабые связи. Удаление других электронов, которые находятся ближе к атомному ядру и имеют более прочные связи, требует больше работы. Следовательно, второй и последующие потенциалы ионизации, соответствующие удалению второго и последующих электронов, выше.$^{[3]}$.

Стол. Первые потенциалы ионизации (U) элементов

$$\begin{array}{c} \text{Elements} & \text{Cs} & \text{K} & \text{Na} & \text{Ca} & \text{Zr} & \text{Ti} & \text{Mg} & \text{C} & \text{H} & \text{O} \\ U & 3.88 & \text{4.30} & \text{5.11} & 6.11 & 6.63 & 6.8 & 7.64 & 11.22 & 13.53 & 13.56 \end{array}$$

Из приведенной таблицы видно, что наименьшие потенциалы ионизации имеют цезий, калий, натрий, кальций, цирконий, титан и др. Поэтому эти вещества добавляют в электродные покрытия или флюсы для поддержания стабильности горения сварочной дуги.

Мы должны знать, как элементы влияют на свариваемость изделия, чтобы избежать трудностей и исключить проблемы при сварке.

[Пожалуйста, продолжайте читать документ для получения дополнительной информации и математики, стоящей за этим.]

References: [3] Electric welding arc [Electronic resource] Mode of access: http://soedenimetall.ru/e-lektricheskaya-svarochnaya-duga/#ixzz3r9JfpMQ3 (date of application: 24.11.15) - Google Translate: Русский -> Английский

С переведенной веб-страницы:

«При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. Со временем напряжение$U_d$и текущий$I$периодически меняются от нуля до наибольшей, как показано на рис. 4 ($U_{x • x}$- напряжение зажигания дуги).

При переходе тока через ноль и смене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных точек и дугового промежутка снижается. В результате происходит деионизация газов и снижение электропроводности столба дуги. Температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с отводом тепла к объему основного металла падает более интенсивно. Повторное зажигание дуги в начале малого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания. Установлено, что пик воспламенения несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для уменьшения пика воспламенения, облегчения повторного зажигания дуги и повышения стабильности ее горения, применяются меры, снижающие эффективный потенциал ионизации газов в дуге. В этом случае электрическая проводимость дуги после ее гашения сохраняется дольше, пик зажигания уменьшается, дуга легче возбуждается и устойчивее горит.

К таким мерам относится использование различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов.

Важен сдвиг фаз между напряжением и током: необходимо, чтобы при переходе тока через нулевое значение напряжения было достаточно для возбуждения дуги.».