Дуговой разряд

  Условие  теплового баланса рассматриваемого элементарного объёма напишется в общем виде так:

                 dN1=dL1+dS1.                  (26)

Вследствие  наличия осевой симметрии все величины, характеризующие состояние газа и режим разряда, одинаковы для точек, находящихся на одном и том же расстоянии r от оси.

Так как площадь  основания рассматриваемого элементарного объёма равна 2пrdr, то для мощности, выделяемой в этом объёме, можем написать:

                 dN₁=2пri_rE_zdr,                (27)

где i_r-плотность тока на расстоянии r от оси, а E_z-про-дольный градиент поля, одинаковый по всему поперечному сечению трубки. Обозначая коэффициент теплопроводности газа при температуре Т через λ_т, напишем для dL₁, пренебрегая членами высшего порядка малости:

dL₁=2п(r+dr)(λ_тdT/dr)_r+dr-2пr(λ_тdT/dr)_r=2пd(rλ_тdT/dr)/dr (28)

  Допустим, что  излучаемая газом энергия целиком покидает разрядный промежуток без заметной реабсорбции в газе. Такое допущение можно сделать потому, что абсорбируемое газом резонансное излучение составляет при большом давлении лишь незначительную долго общего излучения газа. Так как излучаемая за единицу времени энергия пропорциональна концентрации возбуждённых атомов n_a, то для dS₁ можем написать:

                 dS₁=2пrCn_adr,                 (29)

где С — постоянный множитель, не зависящий от Т. Подстановка значений (29) и (28) в (26) даёт:

       2пri_rE_zdr=2пd(rλ_тdT/dr)dr/dr + 2пrCn_adr  (30)

  Пренебрегая  малой долей тока, приходящейся  на долю положительных ионов, и обозначая подвижность электронов через К_e, можем написать:

                i=n_eeK_eE_z.                    (31)

Если обозначим  правую часть уравнения Сага (24) через f₁(T), а р в левой части заменим через nkТ, где n — концентрация нейтральных частиц газа, то найдём:

                 α²= f₁(T)/ nkТ.               (32)

n пропорционально массе газа, заключённого в единице длины

трубки, g₁ и обратно пропорционально квадрату радиуса трубки R1 и температуре газа в данной точке:

                 n=C₁g₁/TR₁²               (33)

Поэтому вместо (32) можем  написать:

         α=R₁ √f1(T)/C1k/ √g₁ =R₁f₂(T)/√g₁         (34)

Согласно уравнению  Ланжевена скорость движения электрона

в газе в поле напряжённости Е_z равна:

                 u=K_eE_z=aeλ_eE_z/mv              (35)

где v— средняя арифметическая скорость теплового движения

электронов, прямо  пропорциональная квадратному корню из температуры электронного газа, в то время как λ_e обратно пропорционально n. Следовательно,

                 K_e=C₂/nT^1/2                               (36)

Согласно определению  величины α:

                 n_e=αn                         (37)

Из (31), (34), (37) и (36) следует:

                 i_r=E_zR_iC₂f₂(T)/g₁^1/2 T^1/2              (38)

где Т—температура  газа на расстоянии r от оси. Из (38) и (27) следует:

 dN₁=2пrE_r²R₁C₂f₂(T)dr/g₁^1/2 T^1/2=2пrE_z²R₁f₃(T)dr/g₁^1/2,(39)

Согласно уравнению Больцмана (25):

    n_a=nge^(-eUa/kT)=C₁gg₁e^(-eUa/kT)/TR₁²=g₁f₄(T)/ R₁²,     (40)

где f₄(T)= C₁ge^(-eUa/kT)/T.

Вставляя это  значение n_a в (29) и заменяя Сf₄(Т) через f₅(Т), находим:

                 dS₁=g₁2пrf₅(Т)dr/R₁².         (41)

Подстановка (39), (28) и (41) в (26) даёт

  E_r²R₁f₃(T)/g₁^1/2=d(rλ_тdT/dr)/rdr+g₁f₅(Т)dr/R₁²   (42)

В уравнении (42) f₃(T) и f₅(T), а также λ_т-функции одного    только переменного Т. Поэтому (42) представляет собой дифференциальное уравнение, связывающее переменные Т и r.

Граничными  условиями, которым должно удовлетворять решение этого уравнения, являются: а) при r=R условие Т=Т_ст, где Т_ст — температура стенки разрядной трубки; б) при r=0 условие dT/dr = 0, так как на оси трубки температура газа имеет максимальное значение.

  Все величины, характеризующие разряд, являются функциями от одного только Т. Поэтому решение уравнения (42) могло бы дать полное решение всех количественных вопросов, связанных с данным типом разряда. Однако значение уравнения (42) заключается главным образом в том, что путём перехода к безразмерным величинам оно приводит к характерным для данного типа разряда законам подобия, позволяющим переносить количественные результаты, установленные экспериментально для одних значений N₁, R₁ и g₁ на режим разряда при других значениях этих величин. Этот приём аналогичен тому, который применяется для решения некоторых задач гидродинамики также лишь на основании анализа дифференциального уравнения и экспериментальных измерений на моделях, построенных в соответствии с законами подобия гидродинамики. В данном случае подобными являются два разряда, в которых в соответственных точках, характеризуемых одной и той же величиной отношения r/R₁, температура газа одна и та же.

   Практически  наиболее существенными являются следующие два закона подобия:

   Первый  закон подобия отшнурованного  дугового разряда высокого давления. Два дуговых разряда высокого  давления в цилиндрических трубках  различного диаметра (2R₁ ≠ 2R₁'), наполненных газом так, что на один сантиметр длины той и другой трубки приходится одно и то же количество газа (g₁=g₁’), являются подобными в том случае, если N₁=N₁’,т. е. если расходуемые мощности на единицу длины трубки в обоих случаях одинаковы.  

   Второй  закон подобия отшнурованного  дугового разряда высокого давления. Два дуговых разряда высокого давления в парах ртути в цилиндрических трубках различного диаметра (2R₁ ≠ 2R₁'), наполненных парами ртути так, что на один сантиметр длины каждой из трубок приходятся различные количества паров ртути (g₁≠g₁’), являются подобными, если расходуемые на единицу длины каждой трубки мощности N₁ и N₁’ удовлетворяют соотношению

              N₁/N₁’=8,5+5,7g₁/8,5+5,7g₁’      (43)

При этом предполагается, что ртуть в разряде полностью  перешла в парообразное состояние. Коэффициенты 8,5 и 5,75 определены экспериментально.

   К описанному  в этой главе типу разряда принадлежит также и положительный столб (пламя) дуги Петрова, представляющий собой шнур изотермической плазмы. В этом случае граничные условия на стенках трубки отпадают и должны быть заменены условиями в пограничном слое шнура.

   В настоящее  время, кроме дугового разряда в парах ртути сверхвысокого давления (до 100 атм и более), исследован и нашёл техническое применение также и дуговой разряд в инертных газах Nе, Аr, Кr и Хе при давлениях до 20 атм и выше.

 

 

III

1. Современные методы электрообработки. Среди современных технологических процессов одним из самых распространенных является электросварка. Сварка позволяет сваривать, паять, склеивать, напылять не только металлы, но и пластмассы, керамику и даже стекло. Диапазон применения этого метода поистине необъятен — от производства мощных подъемных кранов, строительных металлоконструкций, оборудования для атомных и других электростанций, постройки крупнотоннажных судов, атомных ледоколов до изготовления тончайших микросхем и различных бытовых изделий. В ряде производств внедрение сварки привело к коренному изменению технологии. Так, подлинной революцией в судостроении стало освоение поточной постройки судов из крупных сварных секций. На многих верфях страны сейчас строят крупнотоннажные цельносварные танкеры. Электросварка позволила решить проблемы создания газопроводов, рассчитанных на работу в северных условиях при давлении 100—120 атмосфер. Сотрудники Института электросварки им. Е. О. Патона предложили оригинальный метод изготовления труб на основе сварочной технологии, предназначенных для таких газопроводов. Из таких труб со стенками толщиной до 40 миллиметров и собирают высоконадежные газопроводы, пересекающие континенты.

   Большой  вклад в развитие электросварки  внесли советские ученые и специалисты. Продолжая и творчески развивая наследие своих великих предшественников — В. В. Петрова, Н. Н. Бенардоса, Н. Г. Славянова, они создали науку о теоретических основах сварочной техники, разработали ряд новых технологических процессов. Всему миру известны имена академиков Е. О. Патона, В. П. Вологдина, К. К. Хренова, Н. Н. Рыкалина и др.

   В настоящее  время широко применяется электродуговая, электрошлаковая и плазменно-дуговая  сварка.

 

2. Электродуговая сварка. Простейшим способом является ручная дуговая сварка. К одному полюсу источника тока гибким проводом присоединяется держатель, к другому—свариваемое изделие. В держатель вставляется угольный или металлический электрод. При коротком прикосновении электрода к изделию зажигается дуга, которая плавит основной металл и стержень электрода, образуя сварочную ванну, дающую при затвердевании сварочный шов.

  Ручная дуговая  сварка требует высокой квалификации рабочего и отличается не самыми лучшими условиями труда, но с ее помощью можно сваривать детали в любом пространственном положении, что особенно важно при монтаже металлоконструкций. Производительность ручной сварки сравнительно невысокая и зависит в значительной мере от такой простой детали, как электрододержатель. И сейчас, как и сто лет назад, продолжаются поиски наилучшей его конструкции. Серию простых и надежных электрододержателей изготовили ленинградские новаторы М. Э. Васильев и В. С. Шумский.

   При дуговой  сварке большое значение имеет  защита металла шва от кислорода  и азота воздуха. Активно взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород и азот атмосферного воздуха образуют окислы и нитриды, снижающие прочность и пластичность сварного соединения.

  Существуют  два способа защиты места сварки: введение в материал электрода  и электродного покрытия различных веществ (внутренняя защита) и введение в зону сварки инертных газов и окиси углерода, покрытие места сварки флюсами (внешняя защита).

  В 1932 г.  в Московском электромеханическом  институте инженеров железнодорожного  транспорта под руководством академика К. К. Хренова впервые в мире была осуществлена дуговая электросварка под водой. Однако еще в 1856 г. Л. И. Шпаковский впервые провел опыт по оплавлению дугой медных электродов, опущенных в воду. По совету Д. А. Лачинова, получившего подводную дугу, Н. Н. Бенардос в 1887 г. произвел подводную резку металла. Понадобилось 45 лет, чтобы первый опыт получил научное обоснование и превратился в метод.

   А 16 октября  1969 г. электрическая дуга впервые вырвалась в космос. Вот как об этом выдающемся событии сообща-лось в газете «Известия»; «Экипаж космического корабля «Союз-6» в составе подполковника Г. С. Шонина и бортинженера В. Н. Кубасова осуществил эксперименты по проведению сварочных работ , в космосе. Целью этих экспериментов явилось определение особенностей сварки различных металлов в условиях космического пространства... Поочередно были осуществлены несколько видов автоматической сварки». И далее: «Проведенный эксперимент является уникальным и имеет большое значение для науки и техники при разработке технологии сварочно-монтажных работ в космосе» ...

 

3. Плазменная технология.

Эта технология основана на использовании дуги с высокой температурой. Она включает плазменную сварку, резку, наплавку и плазменно-механическую обработку.

  Как повысить производительность дуги? Для этого надо получить дугу с большей концентрацией энергии, т. е. дугу надо сфокусировать. Добиться этого удалось в 1957—1958 гг., когда в Институте металлургии им. А. А. Байкова была создана аппаратура для плазменно – дуговой резки.

  Как увеличить  температуру дуги? Наверное, так  же, как повышают давление водяной  или воздушной струи,-пропустив  ее через узкий канал.

  Проходя  через узкий канал сопла горелки,  дуга обжимается струей газа (нейтрального, кислородсодержащего) или смесью газов и вытягивается в тонкую струю. При этом резко меняются ее свойства: температура дугового разряда достигает 50 000 градусов, удельная мощность доходит до 500 и более киловатт на один квадратный сантиметр. Ионизация плазмы в газовом столбе настолько велика, что электропроводность ее оказывается почти такой же, как и у металлов.

  Сжатую дугу  называют плазменной. С ее помощью осуществляют плазменную сварку, резку, направку, напыление и т. п. Для получения плазменной дуги созданы специальные генераторы — плазмотроны.

  Плазменная  дуга, как и обычная, бывает прямого и косвенного действия. Дуга прямого действия замыкается на изделие, косвенного действия — на второй электрод, которым служит сопло. Во втором случае из сопла вырывается не дуга, а плазменная струя, возникающая за счет нагрева дугой и последующей ионизации плазмообразующего газа. Плазменная струя применяется в основном для плазменного напыления и обработки неэлектропроводных материалов.

  Газ, окружающий  дугу, выполняет также теплозащитную функцию.

  Наибольшую  нагрузку в плазмотроне несет  сопло. Чем выше его теплостойкость, тем больший ток можно получить в плазмотроне косвенного действия. Наружный слой плазмообразующего газа имеет относительно низкую температуру, поэтому он защищает сопло от разрушения.

  Значительное  повышение температуры плазмообразующего  газа в плазмотронах прямого  действия может привести к электрическому пробою и возникновению двойной дуги — между катодом и соплом и между соплом и изделием. В таком случае сопло обычно выходит из строя.

 

  4. Плазменная сварка.

Существуют две конструкции плазмотронов. В одних конструкциях газ подается вдоль дуги, при этом достигается хорошее ее обжатие. В других конструкциях газ охватывает дугу по спирали, за счет чего удается получить стабильную дугу в канале сопла и обеспечить надежную защиту сопла пристеночным слоем газа.

  В плазмотронах  прямого действия дуга возбуждается  не сразу, так как слишком  велик воздушный промежуток между  катодом и изделием. Сначала возбуждается  так называемая дежурная, или вспомогательная, дуга между катодом и соплом. Развивается она из искрового разряда, который возникает под действием напряжения высокой частоты, создаваемого осциллятором. Поток газа выдувает дежурную дугу, она касается обрабатываемого металла, и тогда зажигается основная дуга. После этого осциллятор выключают, и дежурная дуга гаснет. Если этого не произойдет, может возникнуть двойная дуга.