МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ СТОЛБА СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Экспериментальное определение таких параметров, как напря­женность электрического поля в столбе, радиальное распределе­ние температуры Т(г) и плотности тока /(г), связано со значи­тельными трудностями. Поэтому особое значение приобретают теоретические исследования, которые позволяют связать эти параметры дуги с режимом и условиями ее горения. Сведения о физических процессах в сварочной дуге, основах теории и ре­зультатах исследований можно найти в работах известных отечественных и зарубежных ученых [4—14]. Однако сложность объекта исследования вынуждает многих исследователей в каж­дом конкретном случае прибегать к различным упрощениям или модельным представлениям дуги.

Для математического описания столба цилиндрической дуги имеется полная система уравнений, описывающая баланс энер­гии, электропроводность и теплопроводность плазмы с учетом электрон-атом:ных и электрон-ионных соударений, степень иони­зации, а также уравнение для объемной плотности энергии излучения. Данная система уравнений, по существу, сводится к решению одного дифференциального уравнения второго по­рядка относительно температуры. Однако это уравнение не­линейно, и нахождение аналитического решения Т(г) даже в однородной газовой среде связано со значительными матема­тическими трудностями. В сварочных дугах из-за сложного и неоднородного состава среды эти трудности возрастают. Для приближенной оценки параметров столба дуги и выяснения качественного влияния на них различных факторов часто поль­зуются более простой системой уравнений или прибегают к упрощенной модели дуги. Исходным положением для всех мо­делей дуги является то, что основная часть тока и энергия столба дуги сосредоточены в центральной его зоне. Это позво­ляет представить столб дуги в виде двух зон: зоны электропро­водности— токового - канала столба (внутренний цилиндр) и зоны теплопроводности (в. нешняя цилиндрическая оболочка), в которой электропроводность практически равна нулю. Во вто­рой зоне происходит перенос тепла от токового канала столба в окружающее пространство.

Для малоамперных дуг обычно пренебрегают излучением и считают, что вся потребляемая столбом дуги энергия теряется путем теплопроводности (теплопроводностная модель). Реше­ние такой задачи с учетом специально введенной функции теп­лопроводности выполнено Мэккером [14]. Им найдено радиаль­ное распределение электропроводности а (г). Максимальное ее значение приходится на ось столба. По мере удаления от оси

электропроводность падает все быстрее. Из этого решения сле­дует, что радиус токового столба R обратно пропорционален напряженности электрического поля. Большей напряженности поля соответствует меньший радиус токового канала столба. Однако задача Мэккером не решена до конца. Напряженность электрического поля и радиальное распределение температуры так и не были Ьлйдены. Это решение не дает также ответа на вопрос, как влияют режим гореиия дуги и коэффициент тепло­проводности среды на параметры столба.

Для мощных сварочных дуг, горящих в парах металла, при­нимается излучательная модель столба. Физическая сущность такой модели состоит в том, что вся потребляемая столбом энергия теряется только за счет «черного» излучения [5, 6]. Потери энергии, обусловленные теплопроводностью, в данной модели столба принимаются равными нулю. На основании опи­санной модели столба К. К. Хренов установил количественную связь между температурой столба и эффективным потенциа­лом ионизации Vi дугового газа в виде Т « 800 W Естествен­но, что полученное выражение является приближенным. Как отмечает К - К. Хренов, в нем не отражено влияние многих фак­торов, например тока дуги, давления и теплопроводности газа и т. ц. Тем не менее для некоторых режимов сварочных дуг соотношение Т « 800 V* хорошо согласуется с данными экспе­риментов. Для температуры столба дуги с неплавящимся элек­тродом, горящей в среде защитных газов, В. В. Фролов приво­дит выражение: Т — 1000 Vi [12]. Оба эти выражения прибли­зительно соответствуют опытным данным. Первое выражение в большей мере приемлемо для дуг средней мощности, а вто­рое — для более мощных дуг. В этом плане модель черного излучения дуги дает хорошие результаты. Однако ее использо­вание для вычисления других параметров столба дуги, в част­ности напряженности электрического поля, менее приемлемо. Так, на основании этой модели в работе [6] получено аналити­ческое выражение для вычисления напряженности электриче­ского поля (В/м) в столбе сжатой дуги, горящей в аргоне (Vi = 15,7 В):

£= 35 • 10-s-^r4. (ІЛ)

д

Здесь г0— радиус сжатого столба, м, принятый равным радиусу канала сопла плазмотрона; /я — ток дуги, А; Т—температура столба, К.

Вычисленные по формуле (1.1) значения напряженности электрического поля Е для заданных, близких к действитель­ности, параметров гс, /д, Т представлены в табл. 1.

Из таблицы видно, что вычисленная напряженность поля находится в пределах (73—425) • 103 В/м. Экспериментальные измерения, выполненные, например, Д. Г. Быховским, показыва * ют, что напряженность поля в столбе сжатой дуіи состаъляет примерно (1,1-~3) • 103 В/м.

Столь существенное различие между расчетными и экспери­ментальными данными свидетельствует о том, что формула (1.1), полученная непосредственно из основного уравнения баланса энергии

/д£ = 2тгг^оГ (1.2)

где 3 — степень черноты дугового газа; а — постоянная Стефана— Больцмана, о = 5,67 * 10~8 Вт/м2-град4) для модели черного из­лучения, нуждается в существенном уточнении. Такое расхож­дение, по-видимому, объясняется тем, что к дуге, имеющей линейчатый спектр, как это отмечает А. М. Залесский, нельзя применять закон Стефана—Больцмана ЦІ].

Из изложенного следует, что как теплопроводностная модель столба, так и модель черного излучения во многом не удовлет­воряют запросам практики.

Более достоверные результаты дает метод численного реше­ния известного уравнения баланса энергии для столба цилиндри­ческой дуги

Здесь ^(Г)—коэффициент теплопроводности плазмы; q(T) — объемная плотность энергии излучения; г — текущая коорди­ната.

В уравнении (1.3) учтено два вида потерь энергии столбом дуги: теплопроводностью %(Т) и объемным излучением q{T). Конвективные потери, как отмечает В. Л. Грановский, для центральный зоны столба дуги малы, и ими можно пренебречь. Они заметны только на периферии столба, где температура газа соизмерима с температурой окружающей среды [8].