В настоящее время существуют в основном два способа определения площади приэлектродных пятен: обмер следов, оставляемых движущейся или импульсной дугой, и регистрация области интенсивного свечения на поверхности электрода. Оба способа имеют недостатки. Во-первых, ни зона оплавления, ни зона интенсивного свечения еще не дают основания считать их областями проводимости поверхности электрода. Путем регистрации области свечения во времени, по-видимому, можно проследить за образованием и исчезновением приэлектродных пятен. Однако практически это возможно сделать только для импульсной, неподвижной дуги. Для движущейся дуги практически единственным является способ обмера следов. Если дуга оставляет на электроде прерывистые следы, то существуют стадии образования пятна и пре­кращение горения дуги в пятне. Эти стадии не могут быть прослежены в рамках данного метода, поэтому для оценки величины плотности тока по обмеру следов необходимо сделать дополнительные пред­положения о процессе роста и угасания пятна.

Исследование проводилось на установке, показанной на рис. 3.1. Нижний электрод был составлен из медных пластин шириной 10 мм. Поверхность пластины или тщательно полировали, или оставляли окисленной в том виде, как она была получена после проката. Для того чтобы дуга оставляла следы только на внешней поверхности

пластины, часть верхней поверхности на расстоянии 0,5______ 1 мм от

краев покрывали эпоксидной смолой (см. рис. 8.1, б).

Дуга, подожженная на одном конце между электродами, пробегала под действием магнитного поля один раз и оставляла на поверхности пластины следы. Перед следующим пуском устанавливалась новая пластина.

Следы имеют различный внешний вид в зависимости от скорости движения дуги, полярности, состояния поверхности. Т. Джонс и В. Конвенховен показали, что при атмосферном давлении на медном аноде непрерывное движение пятна переходит в скачкообразное пе­ремещение уже при скоростях 1 м/с. При увеличении скорости от 0,2 до 2 м/с площадь оплавленных следов уменьшилась в 3 раза. Д. Хессе описал и привел фотографии следов на медных электродах при ско­ростях перемещения дуги до 100 м/с. Плотность тока по площади следов не оценивалась. Приведем вначале качественное описание

Рис. 8.5. Фотографии следов на катоде: О) р = 0.5 МПа, V = 24 n/с. полированный, увеличено в 14 раз; б) р » 2 МПа, / =■ 270 А, О - 44 м/с, полированный, увеличено в 14 раз; в) р * 0.1 МПа, Р - 20 м/с, неполированный, увеличено в 4 раза; г) р » 0,1 МПа. V » 84 м/с, неполированный, увеличено в 4 раза; д) р - 2 МПа, / » 410 А, Р - 40 м/с, неполированный, увеличено в 13 раз; в) р ш 2 МПа, / • 420 А, Р • 30 м/с, неполированный, увеличено в 14 раз

следов. На рис. 8.5 показаны фотографии следов дуги на катоде. При небольших скоростях р * 20 м/с и невысоких давлениях р = 0,1...0,5 МПа (см. рис. 8.5, а) следы на полированием катоде представляют собой множество штрихов, приблизительно параллельных направлению движения дуги. Очевидно, что одновременно существует большое число пятен, которые обладают большой подвижностью и пе­ремещаются вместе с дугой. При своем перемещении многие пятна пробегают по следам других пятен.

При увеличении скорости перемещения дуга или при увеличении давления воздуха на характер движения приэлектродных пятен начи­нает оказывать большое влияние характер течения в проводящем кана­ле дуга. Траектории движения пятен, видимо, приближаются к траек­ториям частиц проводящего газа в столбе дуга (см. рис. 8.5, б). Пятна движутся в направлении движения дуга, одновременно раз­бегаются в стороны от оси симметрии и исчезают, достигнув края столба дуги. Кроме основных разветвлений, на поверхности полиро­ванного катода видны мелкие разветвления. Образование этой мелкой структуры, по-видимому, связано с большой подвижностью микропятен. Имеется тенденция к образованию микропятен на краях оплавленных пятен, где из-за разрушения материала электрода образуются острые кромки и появляются повышенные градиенты электрического поля, что облегчает эмиссию электронов.

На поверхности неполированного катода дуга оставляет следы неправильной формы, которые не имеют преимущественной направлен­ности. Из-за оксидной пленки прикатодные пятна обладают малой подвижностью, отстают от движущейся дуги. В результате пробоя между дугой и стенкой образуется новое пятно, а между пятнами остаются разрывы. При небольших скоростях след имеет небольшие размеры. При увеличении скорости разрывы между отдельными следами увеличиваются и доходят до 5 мм. Это связано с тем, что при мень­шей скорости воздух между дугой и стенкой успевает прогреваться сильнее и шунтирование между дугой и стенкой электрода происходит при меньшем пробойном напряжении, т. е. при меньшем перемещении дуги относительно практически неподвижного пятна. При увеличении давления разрывы между следами уменьшаются и, наконец, при р = = 2 МПа и v = 30 м/с пятна сливаются в непрерывный след (см. рис. 8.5, е). При этом заметно появление типичных ответвлений от основного следа. Появление более частого шунтирования и, наконец, образование непрерывного следа при повышении давления связано с ростом напряжения в столбе дуги.

Рассмотрим следы на аноде, фотографии которых приведены на рис. 8.6. При давлении р = 0,1...0,5 МПа следы на аноде, полиро­ванном и обезжиренном непосредственно перед пуском, непрерывны даже при значительных скоростях, до 53 м/с (см. рис. 8.6, а). На окисленном аноде или на полированном, но пролежавшем на воздухе несколько дней, следы имеют разрывы. При малых скоростях и дав­лениях до 2 МПа они имеют достаточно правильную круглую форму (рис. 8.6, б, в, г). При увеличении давления следы вытягиваются в направлении движения и, наконец, при давлении 8 МПа дают один или несколько непрерывных следов (см. рис. 8.6, д, е). При этом за­метно влияние характера течения в дуговом столбе на разветвление следа аналогично тому, как это прослеживается на катоде. Число круглых пятен на аноде при постоянном давлении заметно растет при увеличении скорости движения дуги, а размер каждого пятна сильно

Рис. 8.6. Фотографии следов на аноде: а) р = 0,5 МПа, / = 420 А, V = 53 м/с, свежая полировка, увеличено в 14 раз; б) р = 0,1 МПа, V ш 16 м/с, неполированный, увеличено в 14 раз; в) р - 2 МПа, / = 440 А, V = 36 м/с, полированный, увеличено в 14 раз; в) р - 2 МПа, / = 460 А, О = 50 м/с, неполированный, увеличено в 14 раз; д) р - 8 МПа, / = 420 А, V « 26 м/с, полированный, увеличено в 14 раз; £) р * 8 МПа, О = 27 м/с, неполированный, увеличено в 10 раз

уменьшается. При силе тока 500 А и р = 0,1 МПа на длине 10 мм образовывалось около 30 пятен, что хорошо согласуется с данными Д. Хессе.

Таким образом, анодное пятно при малых давлениях малопод­вижно, а при увеличении давления - стремится к единому непре­рывному следу. Такое поведение следов, по-видимому, так же как и на катоде, связано с малым падением напряжения в прианодной части дуги при малых давлениях и быстрым ростом его при увеличении давления.

Так как образующиеся пятна имеют сложную форму, существенно отличающиеся размеры и достаточно хаотическое расположение на по­верхности электродов, то определение их общей площади становится затруднительным. Для подсчета площади пятен использовался стати­стический метод обработки, заключающийся в следующем. На пластине намечался ряд поперечных сечений через равные промежутки Ах. С
помощью микроскопа в каждом сечении определяли наличие следов и измеряли ординаты следов у.. Можно показать, что если выбрать

достаточно большое число сечении, то площадь всех пятен между ну­левым и последним сечениями определяется по формуле

п k п k

F = 2 2 Аху. = Ах 2 2 у.. її 1 і і 1

Здесь п - число сечений; k - число замеров в каждом сечении.

В наших измерениях выбиралось 75 сечений. При обработке следов на полированном катоде ограничивались меньшим числом сечений (обычно 20), так как следы имели множество ветвлений и число за­меров было слишком большим. Разделив площадь всех пятен на длину участка и силу тока, получим ширину следа на 1 А (если бы след был

. На рис. 8.7 приведены зависимости ширины та­

кого условного следа от скорости движения дуги. Видно, что площадь следа как на катоде, так и на аноде существенно уменьшается при увеличении скорости. Приведенный там же средний размер пятна у,

40	80 120 м/с	20	60 100	140 vf м/с
	о)		6)
8.7.	Зависимость площади и	размера	пятен на	электродах
	/ = 270..	.650 А:

а) анод; А. А — поверхность полированная; О, • — поверхность окисленная; б) катод: О, • — поверхность окисленная

полученный осреднением всех замеров у., также уменьшается при

увеличении скорости.

На полированном катоде не удалось установить закономерности изменения площади следов от скорости движения дуги. Имеется боль­

шой разброс в экспериментальных данных. Значения - ту - колебались в —з

пределах (4...7) 10 мм/А.

Дтя определения плотности тока в приэлектродных пятнах необхо­димо знать площади пятен, через которые одновременно идет ток. Необходимо сделать предположения о процессе роста пятен и процессе затухания тока в пятне. Даже если следы непрерывны, необходимо выяснить, какую форму имело пятно, оставившее этот след, как рас­пределен в пятне ток, например, предположить, что пятна имеют круглую форму и постоянную плотность тока. Так как на полированном катоде одновременно существует множество непрерывных следов, то естественно предположить, что некоторые пятна двигаются по следам пятен, бегущих впереди, т. е. существует перекрытие следов. Если не учитывать перекрытие, то из обмера следов на полированном катоде при скоростях 80... 150 м/с и атмосферном давлении плотность тока

5 2

получается равной 10 А/см.

Для определения плотности тока по прерывистым следам сложной формы были изготовлены специальные электроды, секционированные по длине, как показано на рис. 8.1, в. На конце первой секции уста­навливается изолятор, а затем 2-я секция. Ток к 1-й и 2-й секциям подводился от одного ввода. В цепи 2-й секции устанавливался шунт, измеряющий силу тока. По времени нарастания тока во 2-й секции и скорости движения дуги можно определить расстояние вдоль элек-

Рис. 8.8. Осциллограмма роста силы
тока на 2-й секции электрода, сек-
ционированного по длине, и предпо-
лагаемая схема формирования пятна

трода, на котором расположены пятна, проводящие ток. Нарастание тока на 2-й секции регистрировалось на осциллографе. Типичная ос­циллограмма приведена на рис. 8.8. Видно, что вначале сила тока нарастает быстро, а затем темп роста существенно снижается. Это свидетельствует о быстром росте силы тока во вновь образовавшихся пятнах в головной части дуги и медленном исчезновении тока на "хвосте” дуги. Очевидно, что при уменьшении тока через пятно зона проводимости не занимает всей оплавленной площади пятна. Для по­лучения количественных данных о плотностях тока определим расстояние А/, на котором располагаются пятна, проводящие 80 % тока, как показано на рис. 8.8. Обработка осциллограмм показала, что на катоде длина зоны проводимости существенно зависит от скорости движения дуги. Для анода зависимости от скорости нет. Рост силы тока заметно увеличивает длину зоны проводимости.

Будем считать, что площадь каждого отдельного пятна линейно растет за время достижения максимальной силы тока в этом пятне, затем площадь пятна остается постоянной, а площадь зоны проводи­мости падает пропорционально уменьшению силы тока. Тогда истинное сечение проводящей зоны пятна на расстоянии АI при сделанном предположении вдвое меньше площади на той же длине, измеренной после пробегания дуги. Поэтому плотность тока определим по формуле

Определенная таким образом плотность тока на окисленном катоде

при атмосферном давлении примерно равна 2*104 А/см2 независимо от скорости перемещения дуги. Плотность тока на полированном катоде

согласно проведенной выше оценке составляет » 105 А/см2. Возможно, что следы от катодных пятен на полированной поверхности перекры­ваются в среднем 5 раз и действительная плотность тока в обоих

4 2

случаях примерно равна 2-Ю А/см .

Плотность тока при атмосферном давлении на аноде в зависимости от скорости движения дуги приведена на рис. 8.9. Заметен рост плотности тока с увеличением скорости, что согласуется с данными Т. Джонса и В. Конвенховена, полученными при небольших скоростях перемещения дуг. Данная методика оказалась ненадежной при высоких давлениях, так как площадь приэлектродных пятен существенно уменьшилась.

0,1 1,0 10 v, м/с Рис. 8.9. Зависимость плотности тока на аноде от скорости при атмосферном давлении: данные Джонса и Конвенховена; А — поверхность окисленная; О — поверхность полированная

 

У, А/См2

15м/с

j, А/С»г

3-Ю5

гмs

1-Ю5

Рис. 8. Ю. Изменение плотности тока, определенное по оплавленному

следу:

а) иа катоде; б) на аноде; А — электрод полированный; • — электрод

окисленный

Чтобы оценить плотность тока при повышенных давлениях, выберем (там, где это возможно) участки электродов с единственным и не­прерывным следом. Измерим среднюю ширину следа у. Будем считать,

ср

что пятно имеет форму квадрата со стороной, равной ширине следа у. Таким образом, плотность тока определим как

На рис. 8.10 приведены значения плотности тока на катоде и аноде при различных давлениях, полученные этим методом. Виден рост плотности тока при увеличении давления. Сохраняется тенденция увеличения плотности тока на аноде при увеличении скорости дви­жения дуги V.

Как показано выше, размер проводящего канала столба дуги d ме­няется приблизительно пропорционально /Г^’2, что соответствует

изменению плотности тока пропорционально /Г°’4. Интересно отме­тить, что плотность тока в приэлектродных пятнах меняется прибли­зительно в такой же степени.