УП ФОИЭС (Учебное пособие ФОИЭС Неровный), страница 6

Индексы 293, S и L идентифицируют температуру 293 К, солидуса и ликвидуса соответственно27Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ2.1. Электрический разряд в газах2.1.1. Виды разрядаВ обычном (нормальном) состоянии газы являются хорошими электрическимиизоляторами – диэлектриками. Однако, в достаточно сильном электрическом поле,может произойти нарушение изолирующих свойств газа (пробой) и его ионизация:появляются заряженные частицы в газе и он становится проводником, благодаря чему появляется возможность пропускать через него электрический ток и взаимодействовать на него электромагнитными полями.

Протекание тока через газ получило название электрического разряда в газах (или газового разряда). Различают газовыеразряды самостоятельный и несамостоятельный, последний прекращается при устранении внешнего источника ионизации. Явления, возникающие при протеканииэлектрического тока через газ, зависят от рода и давления газа, материала, из которого изготовлены электроды, геометрии электродов и соединяющего их канала, протекающего тока.Газовый разряд может быть неустойчивым (например, искровым) и устойчивым(стационарным). В дальнейшем будем рассматривать только самостоятельные истационарные разряды.

Их можно классифицировать по внешнему виду: темновой(таунсендовский), тлеющий, в том числе коронный, и дуговой разряды. Например, если в длинной цилиндрической стеклянной трубке, заполненной газом при давленииоколо 100 Па, медленно повышать разность потенциалов между катодом и анодом,то приборы фиксируют наличие тока начиная с 10-12 А. Он появляется вследствие ионизации в объеме газа, на стенках и электродах, вызываемой космическими лучами.С помощью ограничивающего сопротивления можно получить все три формы разряда (рис.

2.1). Темновой разряд переходит в тлеющий, который отличается уже заметным свечением, используемым в газосветных трубках. При этом катодное падениепотенциала Uк ≥ 100 В; плотность тока составляет j – до (10-2 …10-1 А/см2).Рис. 2.1. Статическая вольт-амперная характеристикаразличных видов газового разрядаПрактически повсюду, за исключением приэлектродных областей, ионизованныйгаз в столбе электронейтрален, т.е. представляет собой слабоионизированную не-27равновесную плазму. Это так называемый положительный столб тлеющего разряда.Температура атомов или молекул газа в тлеющем разряде практически не повышается и равна примерно 300…350 К.Затем через аномальный тлеющий разряд происходит переход к дуговому разряду, существующий, как правило, на токах более 1 А и низком общем напряжении(десятки вольт) с катодным падением потенциала Uк ≤ 20 В и большой плотностьютока на катоде jк ≈ 102…105 А/см2.

Дуговой разряд (дуга) характеризуется высокаойтемпературой газа в проводящем плазменном канале (при атмосферном давлении Т= 5000…50000 К), высокими концентрациями частиц в катодной области.2.1.2. Возбуждение дуги и ее зоныВозбуждение дуги возможно в следующих случаях:1) при переходе из устойчивого маломощного электрического разряда в дуговой(рис. 2.1);2) в процессе создания высокоионизованного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство (в большинстве случаев с помощью третьего электрода);3) при электрическом пробое газового или вакуумного промежутка между электродами, обеспечивающем переход из неустойчивого искрового разряда в устойчивый разряд (осуществляется подачей импульса высокой частоты и высокого напряжения);4) при размыкании контактов или разрыве перемычки между электродами в цепис током.При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а присварке неплавящимся вольфрамовым электродом — высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора.

Импульс высокого напряжения получают обычно спомощью конденсатора. При сварке угольным (графитовым) электродом дугу возбуждают чаще всего, используя третий электрод.В газовых промежутках при атмосферном давлении с резко неоднородным полем напряжение возбуждения самостоятельного дугового разряда не совпадает с напряжением пробоя. Последнему соответствует перекрытие промежутка плазменнымканалом с падающей вольт-амперной характеристикой. В этих условиях сопротивление плазменного канала, перекрывающего промежуток разряда, становится меньше,чем сопротивление внешней цепи, включая внутреннее сопротивление источника напряжения. Поэтому правильно считать, что при достаточной мощности источника напряжения искровой пробой завершается образованием плазменного канала дуги.В самостоятельном дуговом разряде начиная с токов выше нескольких ампернаблюдается неравномерное распределение потенциала между электродами (рис.2.2).

Скачки потенциала в прикатодной и прианодной областях обусловлены скоплениями пространственного заряда и повышенным сопротивлением этих областей посравнению со столбом.Неравномерным оказывается и распределение температуры по длине дуги(рис.2.3). Высокие значения температуры в столбе дуги (плазменном канале) снижаются до существенно меньших значений на поверхности электродов.

Все это приводит к тому, что условия в приэлектродных областях заметно отличаются от условий вплазменном канале (шнуре), и, следовательно, при изучении процессов в дуге следу-28ет выделить три зоны: прикатодная 1, прианодная 2 и столб дугового разряда 3(рис.2.4).Рис. 2.2. Характерное распределение Рис. 2.3. Характерное распределениепотенциала по длине дуги: 1 – с поло- осевой температуры плазмы по длинеII –жительным анодным падением потенциала; дуги: I – катодная область;2 – с отрицательным анодным падением столб дуги; III – анодная область;потенциала; I – катодная область; II К – катод; А - анод– столб дуги; III – анодная область;К – катод; А - анодВ газовом промежутке между двумя электродами заряженные частицы могутвозникнуть во всех трех зонах, но главным образом они появляются в результатепроцессов эмиссии на катоде и объемной ионизации в столбе дуги.

В связи с ограниченностью эмиссии электронов столб дуги (как и любой проводник) вдали от катодасохраняет по отношению к нему положительный потенциал, поэтому часто его называют положительным столбом. В то же время не следует забывать, что плазма столба обычно квазинейтральна.2.1.3. Вольт-амперная характеристика дугиДля газового разряда сопротивление не является постоянным (R ≠ const), так какчисло заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации и, в частности,от величины тока.

Поэтому электрический ток в газах, как правило, не подчиняетсязакону Ома и вольт-амперная характеристика разряда для газов является обычно нелинейной. В зависимости от плотности тока вольтамперная характеристика дугиможет быть падающей, пологой и возрастающей(рис.

2.5). В I области при малых токах (примернодо 100 А) и свободной дуге с увеличением тока Iдинтенсивно возрастает число заряженных частицглавным образом вследствие разогрева и ростаэмиссии катода, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбедуги. Сопротивление столба дуги уменьшается ипадает нужное для поддержания разряда напряжение Uд; характеристика дуги является падаюРис. 2.4. Зоны дугового разщей.рядаВо ІІ области при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродовстолб дуги несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядовуменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа запряженных частиц.Напряжение дуги в этой области слабо зависит от тока, а вольт-амперная характери-29стика является пологой.

Первые две области на рис. 2.5. описывают сварочные дугис так называемым отрицательным электрическим сопротивлением.Падающая и пологая вольт-амперные характеристики типичны для дуги при ручной дуговой сварке штучными электродами с покрытием(РД) и газоэлектрической (ГЭ) сварке, а такжевообще для сварки при малых плотностях тока, втом числе и дугой под флюсом (ДФ).Сварка на высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют областиІІІ на рис.

2.5.. Они характеризуются сильнымсжатием столба дуги, и возрастающей вольтамперной характеристикой, что указывает наРис. 2.5. Вольт-амперные харакувеличение энергии, расходуемой внутри дуги.теристики сварочных дугВ сильноточных сжатых дугах ионизация газа в столбе может достигать значений, близкихк 100%, а термоэмиссионная способность катода оказывается исчерпанной. В этомслучае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге.

Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным: R =const. Высокоионизованная сжатая плазма по электропроводности близка к металлическому проводнику и для нее справедлив Закон Ома.2.2. Элементарные процессы в плазме дугового разряда2.2.1. Основные параметры плазмыКак известно, плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами плазмы являются положительные ионы (газоваяплазма) и дырки (плазма твердого тела), а отрицательно заряженными частицами —электроны и отрицательные ионы.Состав нейтральной компоненты плазмы может быть достаточно сложным: помимо атомов и молекул в нормальном состоянии в плазме в гораздо большем количестве могут присутствовать атомы и молекулы в различных возбужденных состояниях. Но поскольку плазма — это ионизованный газ, для ее описания используютсяте же понятия, что и для обычного газа.

Введем основные параметры плазмы, исходя из простых молекулярно-кинетических представлений.Прежде всего необходимо знать концентрацию (плотность) частиц разного сорта nα, м-3 , (индекс α означает сорт частиц). Далее все величины, относящиеся кэлектронам плазмы, будем обозначать индексом е, к ионам — индексом i, а к нейтральным частицам — индексом a. Если в плазме присутствуют ионы несколькихсортов, следует задавать отдельно концентрацию ионов каждого сорта.Состав плазмы удобно также характеризовать другим параметром — отношением концентрации электронов к концентрации нейтральных частиц, или степеньюионизации χ = ne/(na + ne). По степени ионизации плазму обычно подразделяют наслабоионизованную (χ < 10-3) и полностью ионизованную (χ → 1), т.