Энергетические свойства плазменной дуги

Плазменная дуга — преобразователь элек­трической энергии в тепловую. Поэтому с од­ной стороны, как элемент электрической цепи, она характеризуется электрическими параметрами (током, напряжением), а с другой сто­роны, как источник тепла,— тепловыми пара­метрами (температурой, теплосодержанием). Существует сложная взаимосвязь между пара­метрами первой и второй группы.

Структурно плазменную дугу постоянного тока можно представить в виде ряда харак­терных участков, последовательно расположен­ных вдоль ее оси. Плазменная дуга прямого действия состоит из катодной об­ласти, досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба и анодной области, расположенной на обрабатываемом изделии.
Соответственно напряжение дуги является сум­мой падений напряжения на этих участках:

причем,

где l_кс, l_с, l_cа — протяженность соответствен­но досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба дуги, мм;
Е_Кс, Е_с, Е_са — напряженность электрическо­го поля тех же участков стол­ба, в/мм.
На внутрисопловом участке столб пред­ставляет собой цилиндрический электропровод­ный канал диаметром d₁< d_c (d_c — диаметр сопла), а за срезом сопла по мере удаления от него электропроводный диаметр столба увели­чивается и на изделии достигает величины d₂, а температура и скорость течения плазменной струи уменьшаются.
Столб плазменной дуги косвенного дейст­вия также имеет цилиндрическую форму и в основном расположен внутри плаз­мотрона. Температура, электропроводный диа­метр и скорость течения струи плазмы по мере ее удаления от среза сопла резко умень­шаются. Напряжение плазменной дуги косвен­ною действия может быть определено следующей формулой:

Обычно сумма катодного и анодного падений напряжения составляют малую долю общего напряженияплазменной дуги.
В зависимости от тока и степени сжатия дуги в плазмотронах с вольфрамовым катодом величина ик изменяется  в пределах 5—8 в, а с циркониевым катодом в пределах 10—12 в (39). Величина иа практически мало зависит от материала анода, плазмообразующей среды, тока и составляет 5—6 в. Таким образом, на­пряжение плазменной дуги определяется в основном напряженностью поля и длиной участков
составляющих столб дуги. Значения Екс и Ес близки по величине и почти неизменны по всей длине досоплового и внутрисоплового участков столба. Их мо­жно сравнительно просто определить [39].
В плазмотроне с дугой прямого действия потенциал сопла относительно катода прини­мает значение потенциала столба на уровне входа в сопло, поэтому, замерив напряжение ипл между катодом и соплом, получим

Откуда

В плазмотроне с дугой косвенного действия

Напряженность поля открытой части стол­ба дуги прямого действия уменьшается по мере удаления от среза сопла. Ее среднее значение

Зная напряженность поля Е_с и рассчитав плотность тока по формуле

где к = 0,6 ? 0,9 — коэффициент заполнения плазмой канала сопла, можно с достаточной для практических целей точностью определить температуру плазменной струи на выходе из сопла [39]. Для этого достаточно вычислить удельную проводимость плазмы по формуле

и по известным для различных газов зависи­мостям ? = ?(Т) [14, 5] определить усреднен­ную по сечению электропроводного столба температуру Т_пл^.

Вернуться на Плазменная резка