Плазменные струи в дуге

Плазменные струи могут существовать в дуге в виде потоков пара, газа или их смеси.

При маленьких токах (меньше ЗОА) это движение вызывается подъемными силами, возникающими из-за того, что плотность горячей плазмы меньше плотности окружающей атмосферы. Дуги, в которых характер движения газа определяется свободной конвекцией, относятся к слаботочным дугам. Благодаря действию этих подъемных сил и наблюдается «прогиб» разряда в виде дуги в газовой (?) разряде низкой интенсивности.

При увеличении тока возникает гидродинамическое течение со скоростями, значительно превышающими скорости, обусловленные естественной конвекцией. Течение газа сильноточных дуг направлено обычно от стрежневого катода к плоскому аноду и называется катодной струей. Газовый поток входит в зону W- дуги в районе катода и уходит в радиальном направлении вблизи анода.

Давление в дуге возникает под действием электромагнитных сил (сил Лоренца). Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно пропорционально сечению, по которому идет ток. Следовательно, при стержневом катоде и плоском аноде оно постепенно убывает от катода к аноду. Наибольшее давление по оси столба при токе и его плотности составляет

(5.15)

где - скорость света в вакууме; скорость струи – (5.16)

тут - коэффициент, зависящий от размерности, - плотность плазмы.

Для W-дуг типична колоколообразная форма (рис 5.1), расширяющаяся к аноду. Область перед катодом здесь подобна электромагнитному насосу, который забирает газ из среды и выбрасывает его к аноду.

Скорость газа в катодной струе W-дуги может иметь порядок, что соответствует (М – число Маха). Поэтому гидродинамику этой струи можно исследовать методами теоретического течения несжимаемой жидкости. При сварке Me-дугой возможны скорости струй до 10⁴ м/с (10 км/с).

Плазменные струи обычно направлены перпендикулярно поверхности электродов и их интенсивность увеличивается с ростом тока.

В Me-дугах возникает встречные струи как на катоде, так и на аноде. Иногда они могут располагаются концентрически: внутренняя – от электрода к пластине, а наружная – от пластины к электроду, причем, анодные струи часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения равна примерно 10³ м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в прианодной зоне.

Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникновения плазменной струи из-за появления градиента давления. Это равно видно на рис. 5.6., где между угольными электродами показана в двух положениях (а,б) охлаждаемая водой медная пластинка S с отверстиями. На катоде возникает струя. На широком аноде ее нет. В отверстии возникают струи, направленные в обе стороны.

В обычной дуге сужение (в т.ч. и струи) возникает только вблизи электродов. Инжектирование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара способствует возникновению «сердечника» столба, характерного для мощной дуги.

Такой сердечник возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой и теплопроводность – температура, имеющимся после максимума диссоциации или ионизации. Его иногда называют стержнем или шнуром диссоциации (ионизации).

Если плазменная струя сообщает «жесткость» дуге вблизи катода, то в этом случае можно говорить о дуге, стабилизированной катодной струей (потоком).

Рассмотрение приэлектродных областей дуги показало, что катодная область, служащая источником электронов, определяет основные свойства дуги. Исходя из вида катодов, сварочные дуги целесообразно разделить на две группы: а) металлические (Me-дуги) в парах с плавящимися холодными катодами и б) дуги в газах, с неплавящимися термокатодами. В качестве примера последних рассматриваются W-дуги.

Обычные Me-дуги отличаются сравнительно низкой (менее 3000-4000К) температурой катода, близкой к температуре кипения металла электродов, и их интенсивным испарением; высокой плотностью тока в катодном пятне дуги (), с блужданием и неустойчивостью катодного пятна на жидком металле электрода; катодным падением напряжения, соизмеримым с паров металла (); анодным падением напряжения, мало зависящим от металла электродов (); температурой столба дуги ~ 5000К.

Наиболее вероятным механизмом появления электронов в катодной зоне Me-дуг при можно считать автоэлектронную эмиссию. Однако, значения плотности тока требуют дальнейшей опытной проверки.

Обычно W-дуги отличаются сравнительно высокой температурой катода; плотностью тока на катоде; отсутствием катодного пятна; малым газовой среды; анодным падением напряжения, не превышающим, температурой столба дуги, доходящей до и выше, основным механизмом эмиссии электронов в W-дугах можно (?)

Дата добавления: 2014-01-03