§ 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ОЦЕНКИ ВЕЛИЧИН КАТОДНОГО И АНОДНОГО НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГАХ

Энергетическая структура короткой сварочной дуги опреде­ляется в основном приэлектродными падениями напряжений, величина которых устанавливается благодаря процессам само­регулирования в дуге.

Измерение этих напряжений в сварочных дугах представляет существенные трудности по ряду причин. Во-первых, современ­ными методами зондовых измерений трудно точно ограничить по оси дуги зону действия катодного н анодного напряжений. Вс-вторых, измерениям мешает блуждание активных пятен, перенос металла в дуге и весьма высокие температуры в зоне дуги.

Большинство современных данных о катодных и анодных напряжениях основано па определении их усредненных значе­ний, причем широко используются косвенные методы измерений, особенно для мощных дуговых разрядов типа сварочных.

Кратко рассмотрим наиболее часто применяемые методы определения UK и Ua. Если сдвигать электроды, то между ними, в конце концов, должно установиться напряжение, равное их сумме— Uк 1-а — Это верно лишь с некоторым приближением, так как практически невозможно получить дугу со столбом менее 0,1 мм. Как показывает скоростная киносъемка, при более тес ном сближении столб «выскальзывает» из-под электродов в сторону. Вторая трудность заключается в том, что UK и U„ могут изменяться с изменением длины дуги. Для коротких сва рочных дуг эта трудность не имеет существенного значения, од­нако в дугах с длинным столбом нужны соответствующие по­правки.

В табл. 9 приведены результаты определения UK методом сближения электродов [147].

Значения UK+a можно также получить, измеряя изменение напряжения дуги при изменении ее длины. Строя зависимости Ud =/(/й) и экстраполируя их до /е =0, получаем UK+a. Зная сумму прнэлектродных напряжений, можно отдельно опреде­лить UK и Ua, исследуя разогрев обоих электродов, который зависит от падения напряжения вблизи электродов. А. Бауер и П. Шульц разработали метод дифференциального определения UK и (Ja по разнице между температурами электродов на

Материал обоих электродов

Пределы тока в а

Наименьшие напряжения в в

Железная проволока 0 4 мм. . .

5—20

П,7

То же, с тонкой обмазкой. . .

„Ч 5- 20

12,7

.Медная проволока, 4 мм.

2-20

11,3

Графит 0 8 мм………

21

Ртуть……………………………………..

. 1,5—10 1

8,1

постоянном и переменном токе. При постоянном токе поляр­ность фиксировалась. На переменном токе полярность непре­рывно менялась [108].

Подобный метод с некоторыми уточнениями в последнее гремя нашел наибольшее применение при определении катод­ного и анодного падений напряжения в сварочных дугах [3, 1)9, І7У].

Известен метод раздельного измерения IJK И IJа с помощью зондов. В настоящее время в качестве зондов применяются про­волочки диаметром 0,2 -0,3 мм из тугоплавких металлов. При высоких температурах плазмы, характерных для дуг высокого давления, применять стационарные зонды нельзя. Можно ис­пользовать зонды, пересекающие дугу с высокой скоростью. Запись напряжения должна производиться шлейфовым млн ка­тодным осциллографом. Дополнительные трудности возникают из-за того, что зонд получает отрицательный потенциал отно­сительно плазмы. Кроме того, вокруг зонда образуется зона пониженной температуры плазмы. Это вносит значительные ис­кажения в показания и требует внесения специальных попра­вок. Теория зондов при больших давлениях газа в столбе раз­работана еще недостаточно [122]. Метод зондов используется главным образом для малоамперных дуг с неплавящнмся элек­тродом, горящих в вакууме.

Известен также метод определения UK по размыканию кон­такта. При размыкании контакта мгновенно устанавливается начальное напряжение. Считают, что это наименьшее напряжение при неустановившемся режиме дуги, когда еще не успел сфор­мироваться положительный столб, равно величине UK [139, 152]. Этот метод неприменим к сварочной дуге, так как в начальный момент размыкания контакта практически отсутствует та атмо­сфера дуги, которая устанавливается при сварке. Кроме того, дополнительные искажения может создавать электрический контур сварочной цепи.

В настоящее время накоплен значительный эксперименталь­ный материал по величинам катодного и анодного падений на­пряжений в различных электрических дугах. Одно время при­держивались точки зрения, что U к численно равняется потенциалу ионизации газов или паров, находящихся перед ка­тодом. Однако имеющийся сейчас экспериментальный материал не подтверждает правильности этого положения. Так,. Б. Н. Клярфельд и В. Н. Соболев, а также Е. Ламора и К. Комптон установили, что падение напряжения в катодной области ртутной дуги, горящей в вакууме в парах ртути, ниже, чем потенциал ионизации ртути [39, 45].

Известен установленный X. Бартеле факт уменьшения ка­тодного падения напряжения ртутной дуги с ростом давления ртутных паров с 11 до 8 в [39]. Для медного электрода, наобо­рот, увеличение давления с 0,1 мм рт. ст. до атмосферного вы­звало повышение Uк с 8 до 13 в [152]. По зондовым измере­ниям Д. Мюллера и В. Финкельнбурга катодное падение в угольной дуге с током 200 а составляет всего 3+1 в, что на­много ниже потенциала ионизации газов и паров в дуге [122].

Катодное падение напряжения зависит от тока дуги. Напри­мер, по данным, приведенным в работе [122], для аргоновой дуги с вольфрамовым катодом, горящей при атмосферном дав­лении, оно уменьшается от довольно больших значений при малом токе до величин, значительно меньших даже первого потенциала возбуждения газа дуги. Интересно отметить, что при токе дуги более 100 а вновь начинается некоторый рост катодного падения напряжения.

С. Майер с помощью зондов нашел в дугах с железными электродами при токах 1,5—5 а и длине дуги 0,5 см катодное падение напряжения 16,5 в, что значительно выше потенциала ионизации железа [172]. Дуги с электродами из Al, Ag, Си, Fe н Pt при атмосферном давлении имели значения 1)к, значи­тельно превышающие потенциалы ионизации паров соответст­вующего металла.

Весьма различны имеющиеся данные о падении напряжения в анодной области. Некоторые сведения приведены в работе [122]. Измерения анодного падения напряжения мощной угольной дуги дают наиболее вероятные значения около 36 и 20 в. В угольных дугах, анод которых имел присадки солей метал­лов, было обнаружено значительно меньшее анодное падение напряжения. Оно снижалось от 16 до 10 в при росте тока от 10 до 40 а. Анодное падение при малом токе для дуг с анодом из металлов или их окислов, горящих в воздухе или в парах ме­таллов, составляет 3—12 в.

По измерениям Д. Бус-Пейкерта и В. Финдельнбурга анод­ное падение напряжения в азотных дугах между вольфрамовым катодом и охлаждаемым медным анодом линейно снижается с

17 до 2 в при увеличении тока от 50 до 200 а. А. Бауер и П, Шульц получили для вольфрамовой дуги в среде ксенона при токе 3—10 а катодное падение напряжения 9,5—13 в, а анодное 0,7 1,0 в.

Приведенные результаты отдельных исследований в основ­ном касались либо дуг с угольным или вольфрамовым электро­дом, либо малоамперных дуг с металлическими электродами.

В литературе имеются сведения о катодном и анодном падениях напряжении также в более мощ­ных дугах с металлическими электродами.

Для тонкообмазанных сва­рочных электродов при токе 200 a U к= 10,1-1-10,9 в [135]. М. Рёлл нашел, что при сварке медными, алюминиевыми и сталь­ными электродами на токах 100-270 а значения нриэлект — родных напряжений остаются для данного типа электрода при­близительно постоянными

(рис. 16) [180].

Подпись:С. Конрадп выполнил около 2000 замеров зондами па же­лезной, медной п алюминиевой дугах при токах 50—250 а и напряжениях 32 — 45 в при длинах дуг 6—24 мм [142]. Получен­ные при этом величины катодного и анодного падения напря жепия изменялись в узких пределах и их значения при­ведены в табл. 10. Катодное падение напряжения во всех случаях оказалось выше, чем анодное. Особенно ■большая разница нлблюда лась при железных элект­родах.

А. Энгель провел расчет катодного падения напря­жения сварочной дуги, за­давшись изменением тока положительных ионов 50—33% пол­ного тока. Расчетная величина катодного падения напряжения составила 7,5—13,6 в [147].

По измерениям С. Одзава для сварочных дуг со стальными электродами диаметром 1,6—4 мм при токах 5—170 а катодное падение напряжения составляло 12,11—17,22 в, а анодное 0,7— 4.2 в [179].

Краткий обзор экспериментального определения величин

приэлектродных падений напряжений показывает, что величи­на этих напряжений значительно изменяется в зависимости от большого числа различных трудно учитываемых факторов.