W-дуга в гелии
По теплофизическим свойствам гелий существенно отличается
от аргона. Он имеет более высокий потенциал ионизации (24,6
вместо 15,7 эВ у аргона) и в 10-15 раз большую теплопроводность
при температурах плазмы. Кроме того, он легче аргона примерно в
10 раз. Достаточно высокая для существования дуги ионизация 17 -3
аргона при (я, - 10 см ) происходит примерно при температуре 16 000 К, в то время как для гелия - при 25 000 К. Все эти особенности существенно влияют на свойства W-дуги в гелии. Например, Добавление к аргону гелия постепенно превращает конусную дугу в сферическую (рис. 2.55, а). Пинч-эффект в гелиевой плазме практически не имеет места до весьма больших плотностей тока, так как значительная теплопроводность гелия дает низкий температурный градиент по радиусу сечения столба дуги и весьма высокое внутреннее давление р = пкТ.
|
Аг 100 Аг 85 Аг 75 Аг 50 Аг 25 Аг 15 Не 0 Не 15 Не 25 Не 50 Не 75 Не 85 а |
|
0 20 40 60 80 100 -> Не 100 80 60 40 20 0 <-Аг Состав смеси, % б Рис. 2.55. Изменение формы плазменного столба W-дуги (а) и напряженности электрического поля (б) в зависимости от состава смеси аргона и гелия (ток 100 А) |
|
100 200 300 Iд, А Рис. 2.56. Вольт-амперные характеристики W-дуги в среде Не, Ne, Аг, Кг, Хе (анод титановый) |
Высокая средняя электрическая напряженность Е в плазме гелия, достигающая 2 В/мм против 0,8... 1,2 В/мм в плазме аргона, обусловливает высокое напряжение на дуге (рис. 2.55, б). Вольт- амперные характеристики W-ду - ги в гелии и других инертных газах (аргоне, неоне, криптоне, ксеноне) приведены на рис. 2.56. Скачок вольт-амперной характеристики для гелия при 150 А связан, видимо, с переходом от дуги в парах титанового анода к дуге в ионизированном гелии.
Уникальность W-дуг среди газовых разрядов обусловлена тем, что они могут гореть при напряжениях меньших, чем потенциал ионизации проводящего газа. Низкое напряжение ни в коем случае не обусловлено наличием в столбе металлических паров от электродов. W-дуга может гореть при t/д « 9...11 В, например в потоке аргона, имеющем потенциал ионизации 15,7 В и минимальный потенциал возбуждения 11,5 В. В столбе дуги спектроскопическими исследованиями не обнаруживается каких-либо металлических паров. Очевидно, в этом случае благодаря высокой температуре происходит интенсивная термоионизация.
Выше было показано, что при малых мощностях значительная доля энергии (до 40 %) может выделяться на катоде и лишь от 20 до 30 % - на аноде. Это связано с тем, что температура катода низка и на эмиссию требуется большая затрата мощности источника. С увеличением тока доля катодной теплоты уменьшается обычно до 25 % и даже до 8... 12 %, а доля анодной теплоты достигает от 80 до 85 % общей мощности дуги.
Расход W-электрода при сварке на постоянном токе прямой полярности может значительно увеличиться при слишком большом токе или при подключении его на обратную полярность, а также при недостаточной защите электрода инертным газом или возбуждении дуги касанием. Допускаемые плотности тока для W-электродов
самые высокие на постоянном токе прямой полярности (от 20 до
2
30 А/мм ), примерно в 2 раза ниже на переменном токе и еще ниже (в 3-8 раз) - при сварке на постоянном токе обратной полярности.
Для электродов в гелии допустима меньшая плотность тока, так как температура гелиевой плазмы выше, чем плазмы аргона, и теплопередача на катод больше. С увеличением диаметра W-электродов допустимая плотность тока уменьшается обратно пропорционально.
