2.11.3. Баланс энергии w-дуги

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 U_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 30 А/мм² ), 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.

2.11.4. Дуга с полым неплавящимся катодом в вакууме

Дуговой разряд с полым катодом (ДРПК) в вакууме применя­ется для сварки ответственных изделий из химически активных металлов и сплавов. Сварку ведут на постоянном токе прямой по­лярности, от источника с крутопадающей внешней характеристи­кой. Процесс сварки осуществляется стабильно в диапазоне давлений в камере от 1 до 10^-2 Па при подаче (через полость катода) аргона 1...2 мг/с (2...4 л/ч). Со­гласно классификации дуговых режимов работы ДРПК, исполь­зуемый для сварочных процессов (рис 2.57), относится к так назы­ваемому нормальному режиму (I ≥ 10 А, подача аргона через по­лость катода G ≥ 0,05 мг/с, давле­ние в камере р_к ≤ 10 Па).

Характерной особенностью нормального режима является значительное проникание плазмы разряда в полость катода и немо­нотонное распределение темпера­туры по длине катода с максиму­мом, расположенным на некото­ром расстоянии r от выходного торца катода (рис. 2.58). Участок вблизи максимума температуры нагрева полого катода принято называть активной зоной (A3).

Наблюдения за положением A3 показали, что в случае изме­нения какого-либо из параметров режима ДРПК происходит увели­чение статического давления р_∞ перед входом в полый катод (например, увеличение подачи плазмообразующего газа или тока) и A3 смещается в сторону его выходного сечения. Вместе с тем ста­тическое давление р_∞ в A3 практически не зависит от этих пара­метров и изменяется в диапазоне р_∞ = 900... 1100 Па. При этом плазма как бы вытесняется из катодной полости, а напряжение ДРПК несколько снижается. Положение A3 существенно зависит от тока ДРПК. При I = 10...20 А центр A3 уходит в глубь катода на 1,5...2 см и более, а в случае тока свыше 50 А он смещается ближе к выходному торцу на расстояние 0,4...0,8 см от него.

С увеличением длины дугового промежутка (расстояние от вы­ходного торца катода до анода) от 0,5 до 1,0 см центр A3 смещает­ся ближе к выходному сечению катода. Особенно это заметно при токах ДРПК свыше 50 А, когда столб дуги имеет цилиндрическую форму. При дальнейшем увеличении длины дугового промежутка смещение положения центра A3 практически не наблюдается.

Основная доля полной мощности ДРПК (от 70 до 90 %) выде­ляется на положительном электроде, т. е. на аноде. С увеличением тока дуги доля выделяющейся на аноде мощности, как правило, увеличивается и примерно равна 90 %. По сравнению со свароч­ными дугами при атмосферном давлении ДРПК в вакууме являет­ся по доле выделяющейся на аноде мощности одним из самых эф­фективных источников энергии.

Энергетический баланс полого катода показал, что потери мощности в нем происходят за счет излучения, эмиссии электро­нов, теплопроводности и испарения материала катода. Наиболее существенны потери на излучение, составляющие 45...75 % пол­ной мощности, выделяющейся на катоде за счет бомбардировки ионами и выделения джоулевой теплоты. Потери на теплопровод­ность не превышают 8... 14 %; потери на эмиссию электронов со­ставляют 17...40 % мощности, выделяющейся на катоде. Суммар­ная мощность потерь в полом катоде с увеличением тока как бы достигает своего насыщения и составляет по отношению к полной мощности дугового разряда 7... 13 %. Так, мощность потерь в по­лом катоде, выполненном из иттрированного вольфрама ЭВИ-2, длиной 35 мм с диаметром полости 3 мм и толщиной стенки 0,8... 1 мм на токах 250...350 А практически остается неизменной и равна примерно 700...780 Вт. В этом случае потери в полом ка­тоде составляют 7.. .8 % полной мощности дугового разряда.

Потери в столбе ДРПК в основном определяются давлением в камере и характером процессов в межэлектродном промежутке. При давлении в камере (2...9)•10^-2 Па, которое обычно применя­ют в технологических процессах, потери во внешнем столбе ДРПК не превышают 2...3 % полной мощности дугового разряда. Мощ­ность, выделяющаяся во внешнем столбе, передается в основном излучением в окружающую среду и на анод. Таким образом, отно­сительная суммарная мощность потерь в ДРПК сравнительно не­высока и на токах свыше 150 А, как правило, составляет 10... 15 %.

ДРПК в вакууме на токах свыше 200 А отличается весьма вы­сокой концентрацией энергии, что приближает его к электронно­лучевому источнику энергии для сварки.