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 подъемной силой, возникающей в результате того, что плотность горячей плазмы меньше плотности окружающей атмосферы. Дуги, в которых характер движения газа определяется свободной кон­векцией, относятся к слаботочным ду­гам. В связи с этим интересно отме­тить, что название «дуга» произошло от формы, которую принимает газовый разряд низкой интенсивности между горизонтальными электродами под влиянием подъемных сил.

При увеличении тока возникает струйное течение плазмы со скоростя­ми, которые значительно превышают скорости, обусловленные естественной конвекцией. Течение плазмы в таких сильноточных дугах на­правлено обычно от стержневого катода к плоскому аноду и назы­вается катодной струей. 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

(2.84)

а скорость катодной струи ,

где А - коэффициент, зависящий от размерности; р - плотность плазмы.

Для W-дуг типична форма колокола (рис. 2.30), расширяющаяся к аноду. Область перед катодом здесь можно представить как 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 катодную струю можно исследовать методами теоретического течения несжимаемой жид­кости. При сварке Ме-дугой возможны скорости плазменного потока до 10³ м/с. Потоки плазмы дуги обычно направлены перпен­дикулярно поверхности электродов, и их интенсивность увеличи­вается с ростом тока.

В Ме-дугах возникают встречные плазменные потоки струи как на катоде, так и на аноде. Они иногда могут располагаться соосно: внутренняя - от катода к аноду, а наружная - от анода к ка­тоду, причем анодные струи (от анода к катоду) часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5 • 10³ м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной области.

Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникнове­ния потока плазмы в результате появления градиента давления. Это хорошо видно на рис. 2.31, где между угольными электродами показана в двух положениях(а, б) охлаждаемая водой медная пластинка S с отверстием. На катоде возникает поток плазмы. На широком аноде его нет. В от­верстии возникают плазменные струи, направленные в обе сто­роны.

В обычной дуге места суже­ния, а следовательно, и плазмен­ные струи возникают только вблизи электродов, и в этом смысле о них можно говорить, как о явлениях, связанных с электродами. Однако инжекти­рование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара способствуют возникновению «сердеч­ника» столба, характерного для мощной дуги. Такой «сердечник» возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой зави­симости теплопроводность - температура после максимума диссо­циации или ионизации. Его иногда называют стержнем или шну­ром диссоциации (ионизации). Если плазменная струя сообщает «жесткость» дуге вблизи катода, то в этом случае можно говорить о дуге, стабилизированной катодной струей (потоком плазмы).