Собственное магнитное поле дуги
|
Рис. 2.32. Действие сил Лоренца на заряженные частицы плазмы - ион и электрон |
Так как в столбе дуги могут быть два вида тока - электронный и ионный, то сила Лоренца F будет направлена по-разному для каждого сорта частиц при одинаковом направлении их скоростей. Но дрейфовые скорости электронов (ve) и ионов (Vj) имеют противоположные направления и сила F для любой частицы оказывается направленной к центру дуги (рис. 2.32). При цилиндрической симметрии имеется только азимутальная составляющая напряженности магнитного поля Др. Взаимодействие собственного азимутального магнитного поля с аксиальной составляющей плотности тока приводит к сжатию электромагнитной силой столба цилиндрической дуги, что способствует повышению давления в столбе дуги. Действию данных сил препятствует газостатическая сила, вызванная появлением градиента термического давления плазмы столба дуги. Собственный
магнитный поток столба дуги £соб, силовые линии которого охватывают столб (их направление может быть определено по правилу буравчика) и стабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта. Рассмотрим его подробнее.
Значение электромагнитного сжимающего давления, так называемого пинч-эффекта, можно определить, проинтегрировав элементарные силы, действующие на отдельные площадки кольцевого слоя проводника (плазмы) единичной длины (рис. 2.33).
Рис. 2.33. К расчету давлений в столбе дуги: а - сжимающие силы пинч-эффекта; б - противодействующее термическое давление плазмы рт = пкТ
|
Рис. 2.34. Распределение электромагнитного давления по сечению проводника |
|
TO |
|
2 ’ |
|
(2.92) |
|
Ртах — |
|
Рис. 2.35. Осевая сила пинч-эффекта в проводнике переменного сечения |
|
Для проводника переменного сечения, например, для сужения столба дуги около стержневого электрода (рис. 2.35), разность давлений вызовет осевую силу AF, действующую от меньшего сечения 51 к большему 52. Для ее оценки определим сначала осевую силу в проводнике постоянного сечения. Электромагнитное давление /?, выражаемое формулой (2.91) для жидкого или газообразного проводника, может быть в произвольной точке принято постоянным независимо от направления. Поэтому в осевом направлении элементарная сила |
|
Распределение избыточного электромагнитного давления имеет параболическую форму с максимумом в центре (рис. 2.34). При г = О 4п R Так как при равномерном распределении j по сечению столба дуги / J=- |
|
МУ 4я |
|
nR |
df = p-2%rdr, а силу AF по всей площади сечения определим по формуле
R R 2 R 2
AF = Jdf = |р• 2nrdr = |(Д2 = --^ . (2.93)
О О 2*R о 871
Отсюда
AF = 5 10'8/2, (2.94)
т. е. осевая сила AF не зависит от сечения проводника, а зависит только от квадрата тока.
Пример 2.10. Найти осевую силу AF, если сечения S и S2 отличаются по площади в 4 раза.
Решение. Поскольку осевая сила зависит от тока, то разность давлений при токе, например 200 А, создаст силу
52 dV
AF = JS-IO'8/2 — = 510'8/2(ln52-ln5,) =
|
«і |
S
= 5 ■ 10"8 • 4 • 104 • 1,386 « 0,28 • 10-2 H.
Этой силы достаточно, например, для удержания на торце электрода стальной капли диаметром около 4 мм.
В теории магнитного поля доказывается, что полю напряженностью Я, соответствует условное магнитное давление
Л--1*Г (2'95>
Следует учесть, что действие пинч-эффекта должно уравновешиваться изнутри термическим давлением плазмы (идеального
газа), т. е. рм =рг, причем рт = пкТ, где п = пе + и,- + 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. Однако из равенства электромагнитного (см. (2.91)) и термического давлений ртаХ =Рг следует, что температура газа в столбе дуги под влиянием пинч-эффекта
_ _ Ц(Я2
будет повышаться пропорционально квадрату тока: Т =
|
ЛпккR |
2 п2
|
Рис. 2.36. Влияние места подвода тока на отклонение дуги - магнитное дутье. Точками и крестиками обозначено направление магнитных силовых линий (точки - на нас, крестики - от нас): а, в - несимметричный подвод тока; б - симметричный подвод тока |
|
0 |
|
Рис. 2.37. Влияние угла наклона электрода на отклонение дуги |
|
Меняя место подвода тока, а также изменяя угол наклона электрода к поверхности изделия, можно управлять отклонением дуги (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 сварочном контуре лучше всего воспользоваться понятием магнитного давления, которое согласно формуле (2.95) тем больше, чем больше напряженность Я. Движение «эластичного» проводника (дуги) будет проис- |
Электрическая цепь электрод - дуга - изделие вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону. Это явление называется магнитным дутьем. Разность плотностей магнитных силовых линий, сконцентрированных внутри и вне сварочного контура, образованного электродом и токопроводящей частью пластины, будет «выжимать» дугу наружу (рис. 2.36).
ходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий Я.
|
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 (например, относительная магнитная проницаемость х для железа примерно в
4
10 раз выше, чем для воздуха) магнитные силовые линии контура «стремятся» сконцентрироваться. Вследствие этого магнитное давление со стороны ферромагнитной массы снижается и дуга отклоняется (рис. 2.38), причем часто в сторону сварного шва или от кромки в сторону основной массы изделия. При рассмотрении магнитного дутья следует учитывать, что металл в сварочной ванне и вблизи нее нагрет выше точки Кюри и практически теряет магнитные свойства.
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 сварочного контура оказывается значительно меньшим, чем при сварке дугой постоянного тока.
При сварке под флюсом магнитное дутье обычно мало. Однако при сварке продольных швов труб вследствие значительной ферромагнитной массы и замкнутого контура трубы возникает поперечное магнитное поле, «сдувающее» дугу вдоль трубы. Изменяя токоподвод или наклон электрода, можно устранить отрицательное влияние магнитного дутья.
