Этот приём аналогичен тому, который применяется для решения некоторых задач
гидродина-мики также лишь на основании анализа дифференциального уравнения
и экспериментальных измерений на моделях, постро-енных 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 коли-чества
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 инер-тных газах Nе, Аr, Кr и Хе при
давлениях до 20 атм и выше.
План:
III. ВВедение.
IV. Свойства дугового разряда.
1.Образование дуги.
2. Катодное пятно. Внешний вид и отдельные части
дугового разряда.
3. Распределение потенциала и вольтамперная
характеристика при дуговом разряде.
4. Температура и излучение отдельных частей дуювого разряда.
5. Генерация незатухающих колебаний при помощи элек-
трической дуги.
6. Положительный столб дугового разряда при высоком
и сверхвысоком давлении.
V. Применение дугового разряда.
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 про-
блемы создания газопроводов, рассчитанных на работу в северных условиях при
давлении 100—120 атмосфер. Сотрудники Института электросварки им. Е. О.
Патона предложили ори-
гинальный метод изготовления труб на основе сварочной тех-нологии,
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 насле-дие своих великих
предшественников—В. В. Петрова, Н. Н. Бенардоса, Н. Г. Славянова, они
создали науку о теорети-ческих основах сварочной техники, разработали ряд
новых технологических процессов. Всему миру известны имена акаде-миков 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 электро-да к изделию
зажигается дуга, которая плавит основной металл и стержень электрода,
образуя сварочную ванну, даю-щую при затвердевании сварочный шов.
Ручная дуговая сварка требует высокой квалификации рабо-чего и отличается
не самыми лучшими условиями труда, но с ее помощью можно сваривать детали в
любом пространственном положении, что особенно важно при монтаже
металлоконстру-кций. Производительность ручной сварки сравнительно невысо-
кая и зависит в значительной мере от такой простой детали,
кaк электрододержатель. И сейчас, как и сто лет назад,
продолжаются поиски наилучшей его конструкции. Серию про-стых и надежных
электрододержателей изготовили ленинград-ские 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. про-извел подводную резку металла.
Понадобилось 45 лет, чтобы
первый опыт получил научное обоснование и превратился в метод.
А 16 октября 1969 г. электрическая дуга впервые вырва-лась 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
бортинжене-ра В. Н. Кубасова осуществил эксперименты по проведению
сварочных работ , в космосе. Целью этих экспериментов яви-лось определение
особенностей сварки различных металлов в условиях космического
пространства... Поочередно были осуществлены несколько видов автоматической
сварки». И да-
лее: «Проведенный эксперимент является уникальным и имеет большое значение
для науки и техники при разработке техно-логии 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 созда-на 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 меня-ются 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 осуществля-ют плазменную
сварку, резку, направку, напыление и т. п. Для получения плазменной дуги
созданы специальные генера-торы — плазмотроны.
Плазменная дуга, как и обычная, бывает прямого и косвен-ного 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 плаз-мотроне косвенного
действия. Наружный слой плазмообразу-ющего газа имеет относительно низкую
температуру, поэтому он защищает сопло от разрушения.
Значительное повышение температуры плазмообразующего газа в плазмотронах
прямого действия может привести к электри-ческому 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 плазмо-тронов. 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 полу-чить 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 осцилля-тором. 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.
Зону шва при плазменной сварке, как и при других ее видах, защищают от
действия окружающего воздуха. Для этого кроме плазмообразующего газа в
специальное сопло подают защитный газ: аргон или более дешевый и
распространенный углекислый газ. Углекислый газ часто используют не только
для защиты, но и для образования плазмы. Иногда плазменную сварку ведут под
слоем флюса.
Плазменно-дуговую сварку можно производить как автомати-чески, так и
вручную. В настоящее время этот метод получил довольно широкое
распространение. На многих заводах внедре-на плазменная сварка сплавов
алюминия и сталей. Значитель-ную экономию дало применение однопроходной
плазменной сварки алюминия вместо многопроходной аргонно-дуговой свар-
ки. Сварку ведут на автоматической установке с применением углекислого газа
в качестве плазмообразующего и защитного.
IV
В современной жизни применение электрической энергии полу-чило самое
широкое распространение. Достижения электротех-ники используются во всех
сферах практической деятельности человека: в промышленности, сельском
хозяйстве, на транс-порте, в медицине, в быту и т. д. Успехи электротехники
оказывают существенное влияние на развитие радиотехники, электроники,
телемеханики, автоматики, вычислительной тех-ники, кибернетики. Все это
стало возможным в результате строительства мощных электростанций,
электрических сетей, создания новых электроэнергетических систем, совершенс-
твования электротехнических устройств. Современная электротехническая
промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи,
преобразования, распределения и потребления электроэнергии, разнообразную
электротехническую аппаратуру и технологическое обору-дование,
электроизмерительные приборы и средства электро-связи, регулирующую,
контролирующую и управляющую аппарату-ру для систем автоматического
управления, медицинское и научное оборудование, электробытовые приборы и
машины и многое другое. В последние годы дальнейшее развитие получи-ли
различные методы электрообработки: электросварка, плазменная резка и
наплавка металлов, плазменно механи-ческая и электроэрозионная обработка.
Из вышесказанного
видно, что исследование разряда в газе имеет большое значе- ние для
общенаучного и технического прогерсса. Следова-тельно, не нужно
останавливаться на достигнутом,а необходи-мо продолжать исследования,
отыскивая неизвестное, тем самым стимулируя вдальнейшем построение новых
теорий.
-----------------------
Рис.4. Динамическая характерис-
тика дугового разряда на
переменном токе низкой частоты.
Рис.5. Изменение динамической харак-теристики при повышенной частоты
переменного тока, наложенного на пос-тоянный.
Рис. 6. Изменение температуры угольного анода электрической дкги в воздухе
при изменении давления. Шкала по оси ординат логарифмическая.
Рис. 7. Принципиальная электри-ческая схема дугового генератора.
Рис. 8. Элемент объема в аксиально-сим-метрическом разряде.
