Дәріс. Пісіру доғасы және оның қасиеттері.

Пісіру доғасы және оның түрлері.

Пісіру доғасы – бұл екі электрод немесе электрод пен бұйым арасындағы газды ортада өтетін қуатты тұрақты электр бәсеңдеуі.

Электр бәсеңдеуі деп электр тоғының (яғни зарядталған бөлшектердің бағытты қозғалысы) газды ортадан өтуін айтады. Мұндай бәсеңдеудің бірнеше түрлері бар: ұшқынды, доғалы, жалынды т.с.с., бұлардың өзара ұзақтылығымен, тоқ күшімен, кернеуімен және басқа сипаттамаларымен айырмашылығы бар.

Пісіру доғасының жіктелуі:

- әсерлесу қағидасымен – тура, жанама және аралас әсерлі пісіру доғасы;

- тоқ түрімен - тұрақты тоқ доғасы және айнымалы тоқ (үшфазалы немесе бірфазалы) доғасы;

- жану ұзақтығымен (тұрақты доға, импульсті доға);

- тұрақты тоқ полярлығымен – тура полярлы және кері полярлы доға;

- қысу дәрежесімен – еркін немесе қысылған доға;

- доға жанатын орта түрімен – ашық, жабық және қорғаушы газ ортасындағы доға;

- қолданылатын электрод түрімен – балқитын және балқымайтын электрод доғасы;

- тұрақты вольтамперлік сипаттама түрімен – қатаң, құлама және өрлеу сипаттамалы доға;

- доға ұзындығымен қысқа, нормалы және ұзын доға.

Жұмыс қағидасы бойынша пісіру доғаларын тура, жанама және аралас әсерлі деп бөледі (9 – сурет). Тура әсерлі доға деп электрод пен бөлшек (бұйым) арасында өтетін доға бәсеңдеуін айтады. Екі электрод арасында өтетін (атом –сутекті пісіру) доға бәсеңдеуін жанама доға (9,б – суреті), ал тура доға және жанама доғаның бірге бәсеңдеуін аралас доға деп атайды. Аралас доға мысалы ретінде үш фазалы доғаны (9,в – суреті) келтіруге болады, мұнда екі доға электродтарды пісіру құрылғысымен байланыстырады, ал үшіншісі бір-бірінен оқшауланған екі электрод арасында жанады. Пісіру доғалары сондай-ақ қолданылатын электр тоғы түріне (тұрақты, айнымалы, үш фазалы) байланысты және доға жануы ұзақтығымен (тұрақты доға, импульсті доға) бөлінеді.

Бұдан да басқа, тұрақты пайдаланғанда тура және кері полярлы доға деп бөледі. Тура полярлыда электр тізбегінің теріс полюсы электродқа жалғанады да оң полюсы (анод) – негізгі металға жалғанады. Кері полярлыда анод электродқа, ал катод бұйымға жалғанады. Доғаларды қолданылатын электрод типіне байланысты бөледі: балқытын электрод (металдан) және балқымайтын (вольфрамнан, көмірден т.с.с.) электрод арасындағы доға.

а - тура әсерлі; б - жанама әсерлі; в - аралас әсерлі

9 - сурет. Электр доғасы

 

Балқитын электродпен пісіргенде пісіру жігі электрод балқуы және пісірілетін (негізгі) металл жиегінің балқуы есебінен қалыптасады.

Балқымайтын электродпен пісіргенде жік пісірілетін металл бөлшектерінің және қосынды металл балқуы есебінен толтырылады. Балқитын электродпен пісіргенде оны пісіру аумағына үзіліссіз (балқыған сайын) беру және мүмкіндігінше доға ұзындығын тұрақты ұстау қажет. Доға ұзындығы деп электрод шетінен пісіру ваннасы кратерінің (ойшығы) бетіне дейінгі қашықтықты айтады. Балқымайтын электродпен пісіргенде доға ұзындығы уақыт өткен сайын ұлғаяды, сондықтан реттеп түру қажет.

Доға қысқа деп саналады, егер оның ұзындығы 2-4 мм болса, нормалы – 4-6 мм ұзындықта; доғаның ұзындығы 6 мм –ден асса, онда ол ұзын доға деп саналады. Доға бәсеңдеуінің қандай ортада өтуіне байланысты үш негізгі түрге бөлінеді:

- ашық доға деп аталатын ауада жанатын доға, мұнда газ ортасының құрамына ауа мен пісірілетін металл, электрод материалы және электрод қаптамасы материалының бу қоспалары кіреді;

- жабық доға – ол флюс астында жанады, мұнда газ құрымы негізгі металдың, қосынды сымның және қорғаушы флюс буларынан құралады;

- қорғаушы газдар ортасында жанатын доға (бұл да жабық доға болып саналады). Бұл жағдайда газ ортасы қорғаушы газ құрамынан негізгі металл мен сым металының буынан тұрады.

Пісіру доғасының құрылымы.

Әртүрлі заттар электр тоғын өзгеше өткізеді. Әртүрлі заттың электр өткізгіштігі сол заттағы еркін электр зарядтарының санына байланысты. Бұдан да басқа, өткізгіштік сол еркін бөлшектердің жылжу жылдамдығымен анықталады. Яғни, материалда неғұрлым еркін заряд алып жүрушілері көп болған сайын, олардың қозғалысы көбірек, солғұрлым бұл материалдардың өткізгіштігі көп, соғұрлым оның кедергісі төмендеу болады. Газдар әдеттегі жағдайда электр тоғын өткізбейді. Бұл, газдардың әдеттегі жағдайда бейтарап молекулалар мен атомдардан тұратындығымен, яғни олар заряд алып - жүрушілер болып табылмайтындығымен түсіндіріледі. Егер газдың құрамында электрондар, оң және теріс зарядты иондар пайда болса, онда олар электр тоғын өткізе бастайды. Мұндай көрініс кейбір жағдайларда іске асады. Газдарда электрондар мен иондар қалыптасу процесі иондану, ал зарядталған бөлшектер бар газдар иондалған газдар деп аталады. Электрондарды атом ядросының байланысынан босату үшін (осының салдарынан оң зарядты иондар қалыптасады), оған біршама көлемде энергия енгізу қажет. Нәтижесінде электрон энергетикалық деңгейі жоғарырақ жаңа орбитаға ауысады, ал молекула немесе атом орнықсыз жағдайда болады. Ионды қалыптастыру үшін атқарылатын жұмыс иондану жұмысы (немесе иондану потенциалы) деп аталады, ол электрон-вольтпен (ЭВ) өлшенеді. Электронның атомнан ажырауына қажетті жылдамдық беруге арналған энергия қоздыру потенциалы деп аталады, ол да электрон-вольтпен өлшенеді. Әртүрлі химиялық элементтерді қоздыратын потенциал мен ионданудың шамасы (3-9 дан 25,5 ЭВ –қа дейін) әртүрлі болады. Ең төменгі иондану потенциалы бар металдар – сілте –жер металдарды. Бұл элементтер доғаның тұрақты жануына әсер етеді, сондықтан бұларды электрод қаптамасы құрамына енгізеді. Газдардағы оң және теріс иондар, сондай-ақ еркін электрондар кейбір жағдайларға байланысты пайда болады:

- оларға электр өрісінің әсер етуінен;

- жылу әсерінен;

- газдардан рентген, ультракүлгін және космостық сәулелер өткенінде.

Пісіру доғалары бірқатар белгілерімен жіктеледі. Газдардың иондану түрлеріне байланысты бірнеше түрлерге бөледі: бөлшектердің соқтығысуымен, фотоиондану (фотондармен иондану), термиялық, электр өрісімен. Пісіру доғасындағы доға аралығы үш аумаққа бөлінеді (10-сурет): катод, анод және доға бағанасы аумақтары. Доға жану процесінде электрод және негізгі металда барлық тоқты өткізетін көбірек қызған учаскелер – белсенді дақтар пайда болады. Бұл белсенді дақтар тиісінше анод және катод дақтары деп аталады. Электрод арасындағы кеңістікте ионданған кезде қалыптасқан электрондардан басқа катод дағынан қосымша электрондар шығады. Электрод бетінен шыққан электрондарды бірінші электрондар деп атайды. Бұл электрондардың шығуы әртүрлі факторларға байланысты: термоэлектрондық эмиссия, автоэлектрондық эмиссия, катод бетіндегі иондану.

1 - катод аумағы; 2 - доға бағанасы; 3- анод аумағы

10 - сурет. Пісіру доғасы құрылымының сұлбасы

Электрод бетін жоғары температураға дейін қыздыру нәтижесінде электрондар олардың атомдарынан бөлінуіне жеткілікті жылдамдыққа жеткен кезде, электрондардың термоэлектрондық эмиссиясы басталады. Катод бетінен ажыраған электрондар анодқа қарай жылжиды. Электродты қыздыру температурасы көп болған сайын ажырайтын электрондардың саны көп болады.

Электрондардың автоэлектрондық эмиссиясы электр өрісі кернеуінің жоғары болуынан өтеді. Электродтар арасындағы потенциалдардың айырмашылығы көп болған сайын, катодтан ажырайтын бірінші электрондар саны көп болады. Электрондар саны көп болады. Катодтағы иондану процесі электрондардың оң иондармен соқтығысу нәтижесінде өтеді. Оң иондар доға бағанасындағы иондану нәтижесінде қалыптасқан, катодқа тартылады. Сондай-ақ, иондану процесі сәуле шығару (фотоиондану) нәтижесінде де өтеді. Доға бағанасында екінші деп ататын электрондар (екінші деп бейтарап атомдардың орбитасынан шыққан электродтар арасындағы кеңістікте болатын электрондарды айтады), сондай-ақ оң иондардың қалыптасу процесі өтеді.

Сонымен доға бағанасында электрондар анодқа, оң иондар катодқа қарай жылжиды. Мұнда иондар мен электрондар бейтарап атомдар қалыптастырып қайта бірігуі мүмкін. Бұл процесс рекомбинация деп аталады. Рекомбинация нәтижесінде доғадағы зарядталған бөлшектердің қалыптасуы мен жойылуы теңеседі және қыздырылған газдың иондану дәрежесі тұрақты болып қалады.

Анод аумағы анод дағы мен электрод жаны аумағынан тұрады. Анод дағын электрондар атқылайды, соның нәтижесінде иондар қалыптасады. Қатты атқылағаннан анод аумағының пішіні әруақытта ойшық ыдысты еске түсіреді (немесе жазылған сфераны) және ол пісіру кратері деп аталады.

Пісіру доғасын жағу әдістері.

Доға пайда болу жағдайы: 1) тоқтың газдан (ауадан) өткенінде; 2) екі электродты өзара түйістіріп, одан кейін бірнеше милиметр қашықтыққа ажыратқанда пайда болады. Бірінші әдісте (ауадан өтуі) тек қана үлкен кернеу болғанда ғана доға пайда болады. (Мысалы, 1000В кернеуде электродтардың арасы 1 мм болғанда). Доғаны жағудың мұндай әдісі жоғары кернеудің қауіптілігіне байланысты әдетте қолданылмайды. Доғаны кернеуі жоғары (3000 В *- тан жоғары) және жоғары жиілікті тоқпен нәрлендіргенде электрод пен бөлшек арасының саңылауы 10 мм –ге дейін болғанда тоқ ауадан өте алады. Доғаны осылайша жағу әдісі пісірушіге қауіпсіздеу және көп жағдайда пайдаланады. Бұл үшін пісіру тізбегіне осцилляторды қосу қажет.

Доға жағудың екінші әдісінде электрод пен бұйым арасындағы потенциал айырмашылығы 40-60 В болуы керек, сондықтан бұл әдіс жиірек қолданылады.

Электрод бұйыммен түйіскенде тұйықталған пісіру тізбегі пайда болады. Электродты бұйымнан ажыратқаннан кейін қысқа тұйықталу нәтижесінде қыздырылған катод дағындағы электрондар атомдардан ажырап, электро-статикалық тартылыспен электр доғасын қалыптастырып, анодқа қарай жылжиды. Доға жылдам тұрақталады (микросекунд шамасында). Катод дағынан шыққан электрондар газ аралығын иондайды да онда тоқ толығынан өтетін болады. Доғаны жағу жылдамдығы нәрлендіру көзінің сипаттамасына, электродты бұйыммен түйістірген кезіндегі тоқ күшіне, олардың тұйықталу уақытына және газ аралығының құрамына байланысты. Бұйым мен электрод арасындағы потенциал аз болған сайын, соншалықты жылдам және көп көлемде иондар пайда болады да электрондық доғадан электрон-ионды доғаға жылдам ауысады. Доғаның қозу жылдамдығына, бірінші ретте, пісіру тоғының шамасы әсер етеді. Тоқтың шамасы көп болған сайын (электродтың бірдей диаметрінде) катод дағы қимасының шамасы көбірек болады және доғаны жағарда электрон тоғы (ағымы) соншалықты көбірек болады. Электрон ағымының көптігі жылдам иондандырып, доға бәсеңдеуі тұрақты қалыпқа көшеді. Электрод диаметрін азатқанда (яғни тоқ тығыздығын көбейткенде) тұрақты доға бәсеңдеуіне өтетін уақыт көбірек қысқарады. Доға жағу жылдамдығына, сондай-ақ тоқтың түрі мен полярлығы да әсер етеді. Кері полярлы тұрақты тоқта (яғни нәрлендіру көзінің оң полюсі электродқа жалғанады) доғаны қоздыру жылдамдығы айнымалы тоқтан гөрі жоғарырақ.

Балқыған металды пісіру доғасының өткізуі.

Балқитын электродпен пісіру процесінде жоғары температура әсерінен оның ұшындағы метал балқып, тамшы пайда болады да ол тамшы бұйым бетіне өтеді (тамады). Тамшының мөлшеріне және олардың қалыптасу жылдамдығына байланысты электрод металының бұйымға өту түрі тамшылы және ағынды болып бөлінеді (11 сурет).

а - ірітамшылы; б - ағынды; I-IV – үрдістің ретті кезеңдері;

d_К - тамшы диаметрі; d_Э - электрод диаметрі

11 - сурет. Қысқа доғада электрод металының бұйымға өту процесі

 

Тамшының мөлшері және олардың қалыптасу жылдамдығы доғалы пісіру түріне, ток күшіне, доға ұзындығына, электрод диаметріне және басқа да факторларға байланысты. Қолмен доғалы пісіргенде электрод металының шамамен 95 % тамшы түріне өтеді, қалған 5 % металл шашырандылары мен буларын құрайды. Түйір электродтармен доғалы пісіргенде тамшы доға аралығын тұйықтамай тамшы түрімен өтеді.Бұл жағдайда тамшының едәуір бөлігі, электрод қаптамасы балқығанда пайда болатын, қож қабыршағында қалады. Мұндай процесс қорғаушы газ ортасында пісіргенде және ұнтақты сыммен пісіргенде де байқалады. Электрод металының ағынды түрінде өтуінде бірінен соң бірі тізбек (ағын) құрып майда тамшылар қалыптасады. Металдың ағынды өтуі тоқтың үлкен тығыздығында пайда болады (мысалы, диаметрі кіші сымдармен пісіргенде). Осылайша, жартылай автоматты аргонда диаметрі 1,6 мм сыммен пісіргенде металдың ағынды өтісі тоқтың күшінің 300А шамасында басталады. Тоқтың бұл мәнінен төмен шамасында пісіргенде металдың тамшылы өтуі байқалады.

Әдетте, ағынды өтуде пісіру сымындағы легірлеуші қоспалардың жануы азаяды, жік металының тазалығы жақсарады. Будан да басқа, пісіру сымының балқу жылдамдығы ұлғаяды. Сонымен металдың ағынды өтуі тамшылы өтумен салыстырғанда бірқатар артықшылықтары бар. Түйір электродпен пісіргенде электродтағы тоқ тығыздығының аздығынан (10-20 А/мм² шамасында) электрод металының ағынды өтуі мүмкін емес.

Әдебиеттер:1 нег. [26- 44], 2 нег. [35-47], 1-3 қос.

Бақылау сұрақтары

1. Пісіру доғасы дегеніміз не?

2. Пісіру доғаларының қандай түрлері бар, олар қалай жіктеледі?

3. Доға аралығы қандай учаскелерден тұрады?

4. Доғаны жағу әдістерін айтыңыз.

5. Электрод металының тамшылы және ағынды түрлерінің қандай айырмашылықтары бар?

6. Доғаның анод аумағының пішіні қандай болады?