2.6.6. Потоки плазмы в дуге

Потоки плазмы в дуге увлекают за собой окружающий газ и поэтому всегда сопровождаются газовыми потоками.

При малых токах (меньше 30 А) это движение вызывается подъемными силами, возникающими из-за того, что плотность горячей плазмы меньше плотности окружающей атмосферы. Дуги, в которых характер движения газа определяется свободной конвекцией, относятся к слаботочным дугам. В этой связи интересно отметить, что само название «дуга» произошло от той формы, которую принимает газовый разряд низкой интенсивности между горизонтальными электродами под влиянием подъемных сил.

При увеличении тока возникает гидродинамическое течение со скоростями, значительно превышающими скорости, обусловленные естественной конвекцией. Течение газа сильноточных дуг направлено обычно от стержневого катода к плоскому аноду и называется катодной струёй. Газовый поток входит в зону W-дуги в районе катода и уходит в радиальном направлении вблизи анода (рис. 2.29).

Давление в дуге возникает под действием электромагнитных сил (сил Лоренца). Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно пропорционально сечению, по которому идет ток. Следовательно, при стержневом катоде и плоском аноде оно постепенно убывает от катода к аноду. Наибольшее давление на оси столба при токе I и его плотности j составляет

а скорость катодной струи v2max =2I2/(Aρ), где А — коэффициент, зависящий от размерности; ρ — плотность плазмы.

Для W-дуг типична колоколообразная форма (рис. 2.30), расширяющаяся к аноду. Область перед катодом здесь можно представить электромагнитный насос, который забирает газ из среды и выбрасывает его к аноду.

Скорость ионизованного газа в катодной струе W-дуги может иметь порядок 102 м/с, что соответствует от 0,1 до 0,2 М (М — число Маха). Поэтому гидродинамику этой струи можно исследовать методами теоретического течения несжимаемой жидкости. При сварке Ме-дугой возможны скорости плазменного потока до 103 м/с.

69