МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

О ВРЕМЕНИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДУГИ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

При подаче на электроды разности потенциалов, соответствую­щей напряжению зажигания, разряд возбуждается не сразу, а через некоторое время, называемое временем запаздывания.

Это явление имеет место как в дуге нормального давления, воз­буждаемой, например, с помощью осциллятора, так и в дуге низкого давления, возбуждаемой с помощью прямонакального термокатода. Время запаздывания при этом самое различное. Иногда оно может измеряться даже минутами. Вероятность того, что из N0 опытов в течение промежутка времени t с мо­мента включения разряд не зажжется в N опытах, описывает­ся формулой

(II.2)

где т3 — статистическое время запаздывания зажигания раз­ряда [24].

На основании теории ьероятности можно показать, что для A-о > 50 опытов относительная ошибка в определении вели­

чины т3 будет меньше 30%, если вычислять т3 по формуле (II.2). При обработке результатов экспериментов погрешность Ат3 можно несколько уменьшить. С этой целью построен график, на оси

абсцисс которого откладывается время, а на оси ординат — 1п~-

(рис. 20). Линейная зависимость ln~ — f (t) свидетельствует о том,

что запаздывание возбуждения разряда подчиняется нормальному

закону и описывается выражением (II.2). Значение ~ для задан­но

ных промежутков времени t вычислялось из экспериментальных данных. Величина *с3 определялась как котангенс угла наклона

коси абсцисс прямой In = /(/). На основании теоретического

анализа установлено, что для определения времени запаздывания возбуждения разряда в каждой серии измерений достаточно было провести 50 опытов.

При определении больших значений т3 измерения проводи­лись с помощью электрического секундомера, включающегося в момент подачи напряжения и автоматически выключающе­гося при возникновении дуги. Во избежание влияния послераз-

Рис. 20.

Определение статистического времени запаздывания зажигания разряда.

Глава вторая. Способы мякроплазмеиной сварки

рьдных процессов между опытами выдерживалось время 5— 10 с. В случае малых значений т3 измерения проводились с по­мощью электронного осциллографа С1-19Б. С этой целью на разрядный промежуток подавался одиночный прямоугольный импульс напряжения длительностью 0,2 с и одновременно с на­чалом переднего фронта импульса напряжения запускалась развертка осциллографа. Величина т3 определялась с помощью меток времени на экране осциллографа за промежуток време­ни от начала развертки луча Ди момента появления разряда, т. е. переднею фронта импульса тока дуги.

Внешние условия эксперимента (давление в камере, нате­кание аргона через горелку, величина разрядного промежутка и т. п.) выдерживались постоянными, а напряжение накала катода и выпрямителя, питающего разряд, стабилизировалось.

Время запаздывания возбуждения дуги низкого давления обусловливаемся в основном вероятностью ионизации и должно уменьшаться вместе с ростом холостого хода источника пита­ния UXm Кроме гого, повышение тока накала катода также должно снижать величину т3 из-за повышения температуры катода, приводящей к росту эмиссии электронов и их энергии.

Зависимость времени запаздывания от прикладываемой к разрядному промежутку разности потенциалов при различных значениях тока накала катода /н и диаметра канала сопла плазмотрона представлена на рис. 21, из которого видно, что эти параметры значительно влияют на величину т3. При напря­жениях более 35—50 Ь влияние этих параметров постепенно ослабевает, а при 100 В время т3 ~ (1—3) - 10_2с, что на

2— 3 порядка меньше, чем при напряжении 30—40 В. Столь сильную зависимость можно объяснить тем, что сопло плазмен­ной горелки, находясь под плавающим потенциалом, уменьшает напряженность электрического поля около катода и тем самым ослабляется ионизация плазмообразующего газа.

Рис. 21.

Зависимость времени запаздывания зажигания дуги низкого давления от холостого хода источника питания (Qp “ 1,2 см8/с;

/д = 4 мм):

Л 5 — /н = 65 Л;

2, € — /н — 62 А;

3, 7 — /н 60 А;

4* 8 ~~ /55 А.

Уменьшение времени запаздывания при увеличении нате­кания плазмообразующего газа (рис. 22, кривая /) можно объяснить повышением давления в районе катода, приводящим к усилению частоты ионизации. Давление газа за срезом сопла, по данным наших экспериментов, практически не сказывается на величине т3. Измерения проводились при натекании газа 0,036 л/мин и давлении аргона в камере примерно 0,1 мм рт. ст. Полученные значения т3 в пределах ошибки эксперимента не отличались от приведенных на рис. 21, снятых при давлении в камере около 10~3 мм рт. ст.

Бремя запаздывания возбуждения разряда зависит также от длины дугового промежутка (см. рис. 22, кривая 2). Умень­шение дугового промежутка /д увеличивает напряженность электрического поля, что приводит к некоторому снижению величины тэ. При дальнейшем уменьшении /д возрастает не только напряженность поля, но и давление в области катода, поскольку анод, находящийся вблизи сопла, препятствует исте­чению из него газа, а это также уменьшает значение т3. Этим можно объяснить тот факт, что при сравнительно большой дли­не разрядного промежутка наблюдается слабая зависимость тз—/((ц), а при малой длине, начиная с /д==5 мм,— более сильная.

Итак, время запаздывания возбуждения сжатой дуги низко­го давления может составлять от нескольких минут до сотых до чей секунды в зависимости от значений холостого хода источ­ника питания, натекания плазмообразующего газа, тока накала катода, длины дугового промежутка и диаметра сопла горел­ки [25]. При возбуждении дуги постоянного тока можно допус­тить, чтобы величина т3 равнялась нескольким секундам. В им­пульсном режиме даже малые значении т3 становятся весьма существенными по сравнению с длительностью импульсов

сварочного тока. Поэтому стабильный процесс сварки импульс­ной дугой низкого давления возможен только при соблюдении

условия Тз <£ти.

Существует несколько способов уменьшения времени запаз - дываниь. Известен прием подачи импульса газа в момент воз* буждения дуги. Он хотя и связан с определенными неудобства­ми, тем не менее дает положительный результат при возбуж­дении дуги постоянного тока. Однако для импульсного режима он неп! иемлем из - за инерционности натекания газа. Более эф­фективным является использование малоамперной вспомога­тельной дуги, питающейся от источника питания с повышенным напряжением холостого хода.

Нами изучалось также влияние послеразрядных процессов (подогрева катода, остаточной ионизации и т. п.) на величину т3. Для этого определялась зависимость от длительностей импульса тока и паузы при периодической подаче на разряд­ный промежуток импульсного напряжения. Измерения прово­дились с помощью электронного осциллографа. Результаты измерений [25] показали, что послеразрядные процессы умень­шают величину т3, однако незначительно.

Способ уменьшения времени запаздывания возбуждения ду­ги низкого давления, предложенной нами, основан на подклю­чении сравнительно высокоомного резистора (102—103 Ом) между соплом горелки и анодом. Это существенно изменяет распределение потенциала в промежутке катод — сопло. Опыты показали, что величина т3 в таком случае уменьшается более чем на 5 порядков (рис. 23). Таким образом, этот прием умень­шения т3 оказался наиболее эффективным и в то же время весьма простым. Он позволил при сравнительно низких напря­жениях холостого хода уменьшить время запаздывания разря­да до 10~4 с, что вполне удовлетворяет требованиям, предъяв­ляемым к крутизне фронта и длительности импульса тока при сварке импульсной дугой низкого давления [25].