ТЕОРИЯ сварочных процессов

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

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.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua

За услуги или товары возможен прием платежей Онпай: Платежи ОнПай