Магнитогидродинамика сварочной дуги
Так как всякое перемещение заряженных частиц сопровождается появлением магнитных полей, то существуют они, безусловно, и в сварочной дуге.
На проводник длиной / с током /, находящийся в магнитном поле, действует пондеромоторная сила Лоренца F, направление которой можно определить для тока от плюса к минусу по правилу Ампера (левой руки):
F = BII, (2 81)
где магнитная индукция В = рЯ. При р ж 1 для неферромагнитной среды
F = НИ, (2.82)
где Я — напряженность магнитного поля.
Применительно к газовому разряду вектор элементарной силы
F, действующей на каждую частицу зарядом q, движущуюся
со скоростью V, будет определяться векторным произведением
F = {q/c)[HXv], (2.83)
или на единицу объема
Я = (1/с)[/ХЯ], (2.84)
где с — скорость света.
Сила F перпендикулярна плоскости векторов Я и и. Она не производит работы, но меняет направление скорости частицы. При этом в однородном магнитном поле Я = const действуют постоянное центростремительное ускорение v2/r и сила mv2/r — = (1 /c)qvH.
Силы заставляют заряженную частицу двигаться по так называемому ларморовскому радиусу г, который при энергии частицы W, эВ, равен: для электрона
Ге = 3,4У і (2.85)
для иона с атомным весом А
г, = (143Уи7/Я)УА. (2.86)
При А = 1 для протона г, ж 42ге.
СОБСТВЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ДУГИ И КОНТУРА СВАРКИ
Магнитное поле дуги. Так как в столбе дуги могут быть два тока — электронный и ионный, то сила F будет направлена по - разному для каждой частицы при одинаковом направлении их
скоростей. Но дрейфовые скорости электронов Ve И ИОНОВ V, про - тиві. положны и сила F для любой частицы оказывается направ - леннвй к центру дуги (рис. 2.32). Собственный магнитный поток столба дуги Фст, силовые линии которого концентрически охватывают столб и могут быть определены по правилу буравчика, стабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта.
Пинч-эффект. Значение электромагнитного сжимающего давления так называемого пинч-эффекта (от англ. to pinch — сжимать), можно определить, проинтегрировав элементарные силы, действующие на отдельные площадки кольцевого слоя проводника (плазмы) единичной длины (рис. 2.33).
Распределение электромагнитного давления имеет параболическую форму с максимумом в центре (рис. 2.34).
При г = О
Ртах = ї7(я/?2). (2.87)
Так как
І = іУ(*Я2).
то
Ртах Ч'
Если ток в t амперах, то выраженное в паскалях давление
Ртах =: Ч *Ю. (2.88)
|
|
Для проводника переменного сечения, например, для сужения столба дуги около стержневого электрода разность давлений вызовет осевую силу ДF, действующую от меньшего сечения Si к большему S2 (рис. 2.35). Для ее оценки определим сначала осевую силу в проводнике постоянного сечения.
|
|
|
Рис. 2.32. Действие элек - Рис. 2.33. К расчету давлений в столбе дуги: тромагнитных сил на эле - а — сжимающие силы пинч-эффекта; б — противодей* ментарные заряженные ствующее термическое давление плазмы рт=гс6Г частицы плазмы — ион и электрон |
|
AF |
||
|
CSI |
||
|
S? |
|
Рис. 2.35. Осевая сила пинч-эффекта в проводнике переменного сечения |
|
Рис. 2.34 Распределение электромагнитного давления по сечению проводника |
|
"Ё |
Электромагнитное давление р, выражаемое формулой (2.88) для жидкого или газообразного проводника, может быть в данной точке принято постоянным независимо от направления. Поэтому в осевом направлении элементарная сила df—p'2nrdr, а по всей площади сечения
F=f df=f p-2nrdr==-^-( (R2-r2)rXdr = i2/2. (2.89)
0 0 nR 0
Если ток в амперах, то выраженная в ньютонах сила
F — Ъ' 10-8t2S. (2.90)
Продольная сила F не зависит от сечения проводника, а зависит только от квадрата тока.
Пример 14. Если сечения Si и S2 отличаются по площади, например, в 4 раза (по диаметру в 2 раза), то разность давлений при токе 200А создаст силу
|
F-- |
5-10-8(2ds/S = 5-10-8-i2(lnS2-lnS,): = 5- 10_8-4 - 104 -1,5= 0,3-10~2 Н.
Эта сила достаточна, например, для удержання стальной капли диаметром около 4 мм.
В теории магнитного поля доказывается, что полю напряженностью Йэ соответствует условное магнитное давление
рм=Я2/( 8л). (2.91)
Следует учесть, что действие пинч-эффекта должно уравновешиваться изнутри термическим давлением плазмы (идеального газа)
Р м === Рт>
p^ = nkT,
где
tl — Пе til па.
Давление рт распределено в соответствии с изменением температуры и концентрации частиц по радиусу столба дуги, поэтому эффект сжатия столба дуги будет определяться теплофизическими свойствами вещества в столбе дуги. С другой стороны, из равенства давлений следует, что если рм=рт, температура газа в столбе под влиянием пинч-эффекта будет повышаться пропорционально квадрату тока.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СВАРОЧНОГО КОНТУРА.
МАГНИТНОЕ ДУТЬЕ
Сварочная цепь электрод— дуга — изделие вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону.
Боковой распор магнитных линий, сконцентрированных внутри угла, образованного электродом и токопроводящей частью пластины, будет «выжимать» дугу наружу (рис. 2.36). Меняя место подвода тока, можно регулировать отклонение дуги. Отклонение дуги можно регулировать также изменением угла наклона электрода к поверхности изделия (рис. 2.37).
В установившемся положении отклоняющая сила собственного магнитного поля (пропорциональная квадрату тока) будет уравновешиваться противодействующими силами, вызванными «жесткостью» столба дуги.
Для объяснения «магнитного распора» в контуре лучше всего воспользоваться понятием магнитного давления, которое, согласно формуле (2.91), тем больше, чем больше напряженность Я.
Движение эластичного проводника—дуги — будет происходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий Я.
|
Рис. 2.36. Влияние места подвода тока на отклонение дуги (магнитное дутье) Точками и крестиками обозначены магнитные силовые линии и их направление (точка — на нас, крестик — от нас) |
Рнс. 2.37. Влияние угла наклона электрода на отклонение дуги
|
|
Действие ферромагнитных масс.
|
□ |
|
Рис. 2.38. Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги |
Наличие значительных ферромагнитных масс вблизи дуги может вызвать ее отклонения, относимые также к магнитному дутью. Можно считать, что в ферромагнитной массе благодаря ее высокой магнитной проницаемости «стремятся» сконцентрироваться магнитные силовые линии контура. Вследствие этого магнитное давление со стороны ферромагнитной массы снижается и дуга отклоняется (рис. 2.38). Поэтому дуга может часто отклоняться в сторону заваренного шва или от кромки в сторону основной массы изделия.
При рассмотрении магнитного дутья следует учитывать, что металл в ванне и вблизи нее нагрет выше точки Кюри и практически немагнитен.
Все сказанное выше о магнитном дутье относится в основном к дуге постоянного тока. При сварке дугой переменного тока в металле изделия создается система замкнутых вихревых токов. Вихревые токи создают собственную переменную магнитодвижущую силу, сдвинутую почти на 180° по фазе по отношению к сварочному току. Результирующий магнитный поток контура оказывается значительно меньшим, чем при постоянном токе.
При сварке под флюсом магнитное дутье обычно мало. Однако при сварке продольных швов труб из-за значительной ферромагнитной массы и замкнутого контура трубы возникает поперечное магнитное поле, сдувающее дугу вдоль трубы. Изменяя токоподвод или наклон электрода, можно ликвидировать отрицательное влияние дутья.
ВНЕШНЕЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ДУГА
Внешнее магнитное поле по отношению к оси столба дуги может быть либо продольным, либо поперечным. Все промежуточные случаи могут быть сведены к этим двум.
Продольное поле. При наложении продольного поля направления магнитного и электрического полей совпадают, поэтому на дрейфовое движение заряженных частиц магнитное поле влиять не будет. Однако электроны и ионы обладают еще тепловой скоростью хаотического движения и скоростью амбиполярной диффузии.
Магнитное поле напряженностью Н искривляет путь частицы и заставляет двигаться ее по ларморовскому радиусу г с так называемой циклотронной или ларморовской угловой частотой
|
(2.92) |
w — qH/{тс).
Для электрона со = 1,7-107 с-1 при Н~ I Э. Он вращается по часовой стрелке, создавая с вектором Н магнитного поля правовинтовую систему. Положительный ион вращается в обратном направлении с частотой согласно уравнению (2.92).
При движении по окружности путь / частиц между двумя соударениями в среднем такой же, как и при отсутствии магнитного поля. Но свободный пробег Я измеряется по прямой, т. е. по хорде, стягивающей дугу окружности радиусом г. Значит, пробег Я уменьшается, что равносильно увеличению давления газа Ар. Отношение Др/р пропорционально квадрату напряженности поля Н2, но для обычных сварочных режимов невелико.
В обычных сварочных дугах при атмосферном давлении наибольшее влияние продольное магнитное поле оказывает на диффузионную составляющую скорости ионов и электронов. Скорость диффузии их направлена по радиусу от центра дуги к периферии, где температура и концентрация меньше (рис. 2.39). В связи с тем что скорости диффузии в квазинейтральном столбе дуги равны Vetzvi, а масса импульсы, передаваемые
нейтральным частицам от ионов, будут в тысячи раз больше, чем от электронов. Поэтому плазма столба дуги придет во вращательное движение, соответствующее движению в магнитном поле ионов. Столб дуги будет вращаться против часовой стрелки,
|
а) |
S)
|
Рис. 2.39. Действие продольного магнитного поля на дугу (а) и схема направляющего соленоида (б) |
|
t |
|
© © © © ©' © © © |
|
© © © |
|
<§ґ® © |
|
<? + |
|
Рис. 2.40. Поперечное магнитное поле и дуга |
|
если смотреть по направлению поля. Угловая скорость вращения максимальна в тех участках столба, где скорости диффузии наибольшие. Действие электрического поля, которым пренебрегаем в рассуждениях, приводит к появлению осевой составляющей вектора скорости, из-за чего заряженные частицы начинают двигаться по спирали. Продольное поле Фпрод получают с помощью соленоида (см. рис. 2.39) и используют для придания дуге большей жёсткости И устойчивости. Фпрод несколько повышает температуру в центре столба дуги в связи с магнитным давлением р„=Я2/(8л), которое, как указано выше, уравновешено давлением рт. Поперечное поле. При наложении поперечного поля целесообразно рассматривать дугу как проводник с током. Поперечное магнитное поле, накладываясь на собственное поле дуги в контуре, может вызвать ее отклонение в ту или другую сторону (рис. 2.40). В той части сварочного контура, где силовые линии Феб и Фпоп совпадают, создается избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля. Воздействуя поперечным магнитным полем на дуги и ванну расплавленного металла, при сварке под флюсом можно, например изменить формирование шва (рис. 2.41). На металл ванны действуют объемные силы F, пропорциональные, согласно уравнению (2.84), векторному произведению плотности тока / и напряженности магнитного поля Я: F=[jXH]. (2.93) Под действием этих сил металл стремится «подтечь» под дугу (рис. 2.41,6), чему также способствует отклонение дуги, и проплавление уменьшается. Переключив поле, можно увеличить проплавление. Если использовать управление поперечным переменным маг- |
|
Рис. 2.41. Действие магнитного поля на дугу под флюсом: а — без магнитного поля, 6 — с поперечным магнитным полем Н |
нитным полем, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой поля. Этот технологический прием получил название «метелка» и применяется, иапример, при сварке трубных досок.
ВРАЩАЮЩАЯСЯ ДУГА
Эффект перемещения дуги в поперечном магнитном поле используется для ее вращения на конической или цилиндрической поверхности.
Вращающаяся «конусная» дуга применима для сварки кольцевых швов малого диаметра (рис. 2.42). По оси труб располагается неплавящийся электрод. С помощью соленоида создается магнитное поле, параллельное оси электрода. При горении дуги «электрод — кромка» столб ее оказывается направленным поперек поля Н, что и вызывает вращение дуги. Частота вращения п пропорциональна напряженности поля и току дуги и практически достигает обычно нескольких тысяч оборотов в минуту. Сварка изделия происходит за несколько секунд, что соответствует
100.. . 1000 оборотам дуги. Использование вращающейся дуги весьма упрощает аппаратуру.
Применяют также не стержневой, а фигурный неплавящийся электрод, соответствующий по форме конфигурации свариваемой кромки. Сдвиг электрода относительно кромок изделия должен обеспечить взаимодействие столба дуги с поперечным магнитным полем. Фигурным медным электродом удается сваривать детали произвольной формы, что весьма перспективно при массовом производстве таких изделий, как конденсаторы, герметизированные изделия автоматики и т. д.
|
Рис. 2.42. Схема сварки вращающейся «конусной» дугой |
Способ сварки кольцевых швов труб вращающейся «бегущей» дугой заключается в том, что на концы труб надеваются две катушки, включенные встречно (рис. 2.43). Благодаря этому в зазоре между трубами создается радиальное магнитное поле //.
|
Рис. 2.43. Стыковая сварка труб вращающейся «бегущей» дугой |
Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет действовать тангенциальная сила. Движение бегущей дуги вначале ограничивается той скоростью, с которой может перемещаться по поверхности холодной трубы катодное пятно. По мере разогрева торцов скорость движения vCB возрастает, достигая весьма больших значений. После выключения дуги осуществляется осадка.
Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну расплавленного металла можно использовать не только для регулирования глубины проплавления (см. рис. 2.41), но и для управления положением ванны в зазоре стыка. Для этого необходимо создать в металле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Поперечное поле позволит также управлять формированием шва в разных пространственных положениях.
При многодуговой сварке в одну ванну и трехфазной сварке магнитогидродинамические эффекты даже при отсутствии внешнего поля могут существенно расширить технологические возможности процесса. Магнитное воздействие на ванну эффективно также при электрошлаковом и других методах сварки.
