2.7.2. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье. Что понимают под магнитным дутьем дуги

Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье

Столб дуги представляет собой эластичный проводник тока, способный перемещаться под действием сил магнитного давления, пропорционального напряженности магнитного поля. Рассмотрим распределение магнитных полей сварочного контура проводник тока - электрод - столб дуги - изделие - проводник тока. Семейство силовых линий напряженности магнитного поля проводника тока представляет собой концентрические окружности. Направление вектора Н определяется по правилу буравчика.

Схема магнитного дутья

Из чертежа следует, что внутри сварочного контура ( слева от электрода) наблюдается ,концентрация магнитных силовых линий . Столб дуги будет отклоняться в сторону меньшего магнитного давления (меньшей напряженности магнитного поля ), т.е. вправо . Явление отклонения столба дуги под действием магнитного поля сварочного контура называется магнитным дутьем.Магнитное дутье вызывает блуждание пятна дуги на изделии при сварке постоянным током и ухудшает качество формирования сварного соединения. Для подавления магнитного дутья применяются симметричный токоподвод, максимальное приближение места токоподвода к зоне сварки и сварка на переменном токе.

Частным случаем магнитного дутья является явление притяжения столба дуги к ферромагнитной массе. Вследствие высокой магнитной проницаемости плотность силовых линий напряженности магнитного поля в ферромагнитной массе уменьшается, магнитное давление падает и столб дуги притягивается.

Рассмотрим взаимодействие двух дуг постоянного тока (рис.2).

а) б)

_ _ + _

I1 I2 I1 I2

а) – дуги одной полярности, б) – разнополярные дуги

Схема взаимодействия двух дуг постоянного тока

Из чертежа следует, что между однополярными дугами имеет место вычитание, а между разнополярными — сложение магнитных полей. Дуги отклоняются в сторону меньшего магнитного давления, т.е. однополярные дуги притягиваются, а разнополярные – отталкиваются.

При наложении внешних магнитных полей появляется возможность управлять движением столба дуги, что широко используется в сварочном производстве. В качестве примера рассмотрим схему взаимодействия магнитных полей подковообразного магнита и сварочной дуги

Схема магнитных полей дуги и постоянного магнита

На виде сверху силовые линии Нм постоянного магнита направлены от северного полюса к южному. Силовые линии дуги представляют собой концентрические окружности . Направление вектора Нд определяется по правилу буравчика.

Из рис. 3 следует, что слева от электрода Н=Нм + Нд , а справа – Н=Нм - Нд . Справа от электрода находится область пониженного магнитного давления и дуга отклоняется вправо.

Магнитное дутье. Отклонение дуги под действием магнитного поля

6 ноября 2017 Категории: Сварная дуга

Прогиб дуги или полное ее исчезновение из точки сварки из-за магнитного поля называется магнитным дутьем. Это приводит к сложностям техники сварки и обычно возникает, если свариваемый металл имеет остаточное магнитное поле.

Ток проходящий по сварочных кабелях, дуге и основному металлу создает магнетизм. Воздействие магнитных сил на сварочную дугу происходит не симметрично и поэтому отклоняют ее в сторону меньшей напряженности. Такое отклонение и создает проблемы во время сварки или вовсе обрывает дугу.

Чаще всего появление дутья связано с расположением рядом возле дуги больших ферромагнитных участков или деталей, которые притягивают дугу. Эффект наиболее выражен при сварке сталей на постоянном токе. При сварке переменным током полярность меняется примерно 100 раз в секунду, поэтому магнитное дутье проявляется очень редко.

При сварке соединений большой толщины с разделкой кромок, наибольшее воздействие магнитного поля получает первый, корневой шов.

Это приводит к появлению непроваров сварочного шва, неравномерному расплавлению свариваемых кромок, отклонению шва от требуемых форм и т. д.

Магнитное дутье

Методы борьбы с магнитным дутьем и отклонением дуги

Существует несколько приемов уменьшения отклонения дуги:

присоединение обратного кабеля рядом возле места ведения сварки;

наклонить электрод таким образом, чтобы его нижний конец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
для создания симметрических магнитных полей, временно разместить дополнительные ферромагнитные материалы с противоположной стороны;
выполнять сварку дугой короткой длины, которая менее склонна к отклонению;
по возможности изменить постоянный ток на переменный, менее склонный к отклонению дуги;
использовать инверторные источники питания дуги или стабилизаторы дуги.

osvarke.net

Магнитное дутье - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Магнитное дутье

Cтраница 2

Магнитное дутье проявляется преимущественно при сварке дугой постоянного тока. Заметное отклонение дуги и сильное ее блуждание наблюдается при токе 300 - 400 А и выше. Под воздействием магнитного дутья капли электродного металла разбрасываются в стороны, резко повышается разбрызгивание, ухудшается качество швов и снижается производительность, так как сварку швов приходится выполнять короткими участками. [16]

Магнитное дутье проявляется преимущественно при сварке дугой постоянного тока. [18]

Магнитное дутье в некоторых случаях затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. [19]

Магнитное дутье создается электромагнитом, катушка которого включается последовательно в контур дуги. Важным элементом выключателя является камера гашения, которая способствует растягиванию и охлаждению дуги. На рис. 5 - 22, а показана камера с плоской узкой щелью, в которую дуга затягивается магнитным дутьем из широкой части камеры. Отдавая теплоту стенкам камеры, дуга гаснет. Третий тип камеры гашения показан на рис. 5 - 22, в. В этой конструкции узкая щель образуется за счет соответствующего расположения поперечных дугоегойких перегородок со смещенными относительно оси симметрии щелевыми вырезами. [20]

Магнитное дутье ведет к непроварам и ухудшает внешний вид шва. Уменьшить или устранить влияние магнитного дутья на качество сварного шва можно изменением места токоподвода к изделию и угла наклона электрода, временным размещением в зоне сварки дополнительного ферромагнитного материала, создающего симметричное магнитное поле, а также заменой постоянного тока переменным, если это допустимо по условиям свариваемости данного металла. [22]

Параллельное магнитное дутье обычно используется в контакторах, рассчитанных на небольшие номинальные токи. Контактор с системой параллельного дутья реагирует на направление тока. Если направление магнитного поля сохранится неизменным, а ток изменит свое направление, то сила F будет направлена в противоположную сторону. Дуга будет перемещаться не в дугога-сительную камеру, а в противоположную сторону - на катушку магнитного дутья, что может привести к аварии в контакторе. Это является недостатком рассматриваемой системы. Недостатком этой системы является также необходимость повышения уровня изоляции катушки в расчете на полное напряжение сети. Понижение напряжения сети приводит к уменьшению намагничивающей силы катушки и ослаблению интенсивности магнитного дутья, что снижает надежность дугогашения. [23]

Меньшее магнитное дутье в дуге переменного тока является существенным преимуществом последнего. [24]

Магнитное дутье дуги переменного тока значительно слабее, чем дуги постоянного тока. В ряде случаев это является существенным достоинством использования переменного тока для сварки. [26]

Если магнитное дутье вызывается наличием в свариваемой конструкции больших ферромагнитных масс, рекомендуется присоединить обратный провод со стороны, противоположной отклонению дуги. [27]

Уменьшить магнитное дутье можно применением многостороннего или переносного токопровода, наклоном сварочного электрода при сварке ( этим практически широко пользуются сварщики), наложением внешних ( продольных или поперечных) магнитных полей, стабилизацией столба дуги потоком защитных газов, а также другими приемами. В каждом конкретном случае необходимо опробовать несколько приемов и выбрать лучший. [28]

Система магнитного дутья состоит из последовательной катушки 15, размещенной на стальном сердечнике 14 с двумя стальными пластинами - полюсами 13, охватывающими дугогасительную камеру. Ток нагрузки, протекающий по катушке 15, создает магнитный поток Фк ( рис. VII.4, б) в зоне горения дуги. Дуга растягивается, интенсивно охлаждается и гаснет. Для облегчения гашения дуги могут применяться камеры с изоляционными перегородками 10, которые способствуют увеличению длины дуги и ее сопротивления. [29]

Страницы: 1 2 3 4 5

www.ngpedia.ru

2.7.2. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье

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).

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 Н. Движение «эластичного» проводника (дуги) будет происходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий H.

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 μ для железа примернов 104 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.

2.7.3. Внешнее магнитное поле и дуга

Внешнее магнитное поле по отношению к оси столба дуги может быть продольным либо поперечным. Все промежуточные случаи могут быть сведены к этим двум.

Продольное внешнее магнитное поле. Направление продольного внешнего магнитного поля совпадает с направлением электрического поля, поэтому на дрейфовое движение заряженных частиц магнитное поле влиять не будет. Однако электроны и ионы обладают еще скоростью хаотического теплового движения и скоростью амбиполярной диффузии.

Магнитное поле с магнитной индукцией В¯ искривляет траекторию заряженной частицы и заставляет ее двигаться с угловой скоростью так называемой циклотронной, или ларморовской, частотой, равной, например для электрона:

(2.96)

по спирали с ларморовским радиусом г (см. (2.89), (2.90)).

Для электрона ω = 1,7 • 1011 с-1 при В = 1 Тл. Он вращается по часовой стрелке, если смотреть по направлению поля, и его скорость образует с вектором В¯ правовинтовую систему. Положительный ион массой mi вращается в обратном направлении с частотой, выражаемой формулой (2.96), в которой нужно mе заменить на mi.

При движении по окружности путь l частиц между двумя соударениями в среднем такой же, как и при отсутствии магнитного поля. Но длина свободного пробега Λ измеряется по прямой, т. е. по хорде, стягивающей дугу окружности радиусом r. Значит, пробег Λ уменьшается, что равносильно увеличению давления газа Δр. Отношение Δр/р пропорционально квадрату магнитной индукции поля В2 , но для обычных сварочных режимов оно невелико.

В обычных сварочных дугах при атмосферном давлении наибольшее влияние продольное внешнее магнитное поле оказывает на скорости диффузии ионов и электронов, которые направлены по радиусу от центра дуги к периферии, туда, где меньше их температура и концентрация (рис. 2.39, а). В связи с тем, что скорости диффузии электронов и ионов в квазинейтральном столбе дуги равны (ve ≈ vi), а масса электрона mе значительно меньше массы иона mi, импульсы, передаваемые нейтральным частицам от ионов, будут в тысячи раз больше, чем от электронов. Поэтому плазма столба дуги придет во вращательное движение, соответствующее движению ионов в магнитном поле. Столб дуги будет вращаться против часовой стрелки, если смотреть по направлению поля В.

Угловая скорость вращения столба дуги будет максимальной в тех его участках, где наибольшие скорости диффузии. Действие электрического поля, которым пренебрегаем в рассуждениях, приводит к появлению осевой составляющей вектора скорости, и заряженные частицы начинают двигаться по спирали.

Продольное магнитное поле получают с помощью соленоида (рис. 2.39, б) и используют для придания дуге большей жесткости и устойчивости. Воздействие продольного внешнего магнитного поля несколько повышает температуру в центре столба дуги в связи с тем, что появляется магнитное давление, которое, как указано в разд. 2.7.1, уравновешивается термическим давлениемрТ = пкТ.

Поперечное внешнее магнитное поле. При воздействии поперечного внешнего магнитного поля целесообразно рассматривать дугу как проводник с током. При наложении поперечного внешнего магнитного поля на собственное магнитное поле дуги в сварочном контуре может произойти отклонение дуги в ту или другую сторону (рис. 2.40). В той части сварочного контура, где силовые линии B¯соб и B¯поп совпадают, создается избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля. Воздействуя поперечным внешним магнитным полем на дугу и сварочную ванну расплавленного металла при сварке под флюсом, можно, например, изменить формирование сварного шва (рис. 2.41).

На металл сварочной ванны действуют объемные силы F, пропорциональные согласно уравнению (2.88) векторному произведению плотности тока j и индукции магнитного поля В. Под действием этих сил металл стремится «подтечь» под дугу (рис. 2.41, б), чему также способствует отклонение дуги, и глубина проплавления уменьшается. Изменив направление внешнего магнитного поле на противоположное, можно увеличить глубину проплавления.

Если использовать переменное поперечное внешнее магнитное поле, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой изменения напряженности внешнего поля. Этот технологический прием получил название «метелка» и применяется, например, при сварке труб в трубную доску.

studfiles.net

Магнитогидродинамика сварочной дуги

ТЕОРИЯ сварочных процессов

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 ихскоростей. 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

Рис. 2.35. Осевая сила пинч-эффекта в проводнике переменного сечения

Рис. 2.34 Распределение электромагнитного давления по сечению проводника

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

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).

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

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,

Рис. 2.39. Действие продольного магнитного поля на дугу (а) и схема направляющего соленоида (б)

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.

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 …

На современном уровне развития математики аналитическое решение у

msd.com.ua

2.7. Магнитогидродинамика сварочной дуги

Потоки плазмы обычно направлены перпендикулярно поверхности электродов

иих интенсивность увеличивается с ростом тока.

ВМе-дугахвозникают встречные плазменные потоки как на катоде, так и на аноде. Они иногда могут располагаться концентрически: внутренняя — от электрода к пластине, а наружная — от пластины к электроду, причем анодные струи часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5·103 м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной зоне.

Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникновения потока плазмы из-запоявления градиента давления. Это хорошо видно на рис. 2.31, где между угольными электродами показана в двух положениях(а, б) охлаждаемая водой медная пластинка S с отверстием. На катоде возникает поток. На широком аноде его нет. В отверстии возникают потоки, направленные в обе стороны.

Вобычной дуге сужения, а следовательно, и плазменные струи возникают только вблизи электродов, и в этом смысле о них можно говорить, как о явлениях, связанных с электродами. Однако инжектирование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара, способствуют возникновению «сердечника» столба, характерного для мощной дуги.

Рис. 2.31. Возникновение плазменных струй в местах сужения дуги

Такой сердечник возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой «теплопроводность — температура», имеющимся после максимума диссоциации или ионизации. Его иногда называют стержнем или шнуром диссоциации (ионизации). Если плазменная струя сообщает «жесткость» дуге вблизи катода, то в этом случае можно говорить о дуге, стабилизированной катодной струёй (потоком).

Так как всякое перемещение заряженных частиц сопровождается появлением магнитных полей, то существуют они, безусловно, и в сварочной дуге. На проводник длиной l с токомI, находящийся в магнитном поле, действует пондеромоторная сила АмпераF, направление которой можно определить для тока от плюса к минусу по правилу Ампера (левой руки):

где магнитная индукция В =µа Н, Тл (В·с/м2),µа – абсолютная магнитная проницаемость вещества.µа =µ0µ гдеµ0 =1,257·10-6 В·с/(А·м) – магнитная постоянная,µ - относительная магнитная проницаемость вещества. Приµ ≈ 1 для неферромагнитной среды (для вакуума),

где Н — напряженность магнитного поля, А/м.

В газовом разряде вектор силы Лоренца F, действующей на каждую частицу зарядоме, движущуюся в магнитном поле со скоростьюv, будет определяться вектор-

ным произведением
F = еvx В,	(2.87)
или на единицу объема
F = jx В,	(2.88)

Сила Лоренца F перпендикулярна плоскости векторовВ иv . Она не производит работы, но меняет направление скорости частицы. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле со скоростью, перпендикулярной вектору магнитной индукцииB , то сила ЛоренцаF создает центростремительное ускорениеv2/r и частица будет двигаться под действием центростремительной силыmv2/r = еvВ.

Движение заряженной частицы будет происходить по спирали или винтовой траектории, радиус которой называется ларморовским радиусом r, см. Формула для его вычисле-

ния при энергии частицы ε, эВ, и магнитной индукцииВ, Тл, имеет вид:
для электрона	r = 3,4 10−4 ε /В , см,	(2.89)
	e
для иона с атомным весом А
r	=145 10−4 εА/В, см.	(2.90)
i

При А=1 для протона ri ≈ 42re.

2.7.1. Собственное магнитное поле дуги и сварочного контура

Магнитное поле дуги. Так как в столбе дуги могут быть два вида тока — электронный и ионный, то силаF будет направленапо-разномудля каждого сорта частиц при одинаковом направлении их скоростей. Но дрейфовые скорости электроновve и ионовvi противоположны и силаF для любой частицы оказывается направленной к центру дуги (рис. 2.32). При цилиндрической симметрии имеется только азимутальная составляющая напряженности магнитного поляНφ. Взаимодействие собственного азимутального магнитного поля с аксиальной составляющей плотности тока приводит к сжатию электромагнитной силой столба цилиндрической дуги, что способствует повышению давления в столбе. Действию данных сил препятствует газостатическая сила, вызванная появлением градиента термического давления плазмы столба дуги. Собственный магнитный поток столба дугиB соб, силовые линии которого охватывают столб (их направление может быть определено по правилу буравчика) и стабилизируют дугу вследствиепинч-эффекта.Рассмотрим его подробнее.

Значение электромагнитного сжимающего давления так называемого пинчэффекта (от англ. to pinch — сжимать), можно определить, проинтегрировав элементарные силы, действующие на отдельные площадки кольцевого слоя проводника (плазмы) единичной длины (рис. 2.33).

Распределение избыточного электромагнитного давления имеет параболическую форму с максимумом в центре (рис. 2.34). При r = 0

Pmax = µ0I2/(4π2R2).	(2.91)
Так как, при равномерном распределении j по сечению столба дуги
j = I/(πR2),то
Pmax = µ0Ij/4π, Па.	(2.92)

Рис. 2.32. Действие сил ЛоренРис. 2.33. К расчету давлений в столбе дуги:

ца F на	заряженные частицы	а – сжимающие силыпинч-эффекта;б – противо-
плазмы –	ион и электрон	действующее термическое давление плазмы рт = nkT

Для проводника переменного сечения, например, для сужения столба дуги около стержневого электрода разность давлений вызовет осевую силу F, действующую от меньшего сеченияS1 к большемуS2 (рис. 2.35). Для ее оценки определим сначала осевую силу в проводнике постоянного сечения

Электромагнитное давление р, выражаемое формулой (2.92) для жидкого или газообразного проводника, может быть в данной точке принято постоянным незави-

симо от направления. Поэтому								в осевом направлении элементарная сила df =
p 2πrdr, а силуF по всей площади сечения определим по формуле
R	R		μ		π I 2			R
F = ∫df= ∫p2π rdr=				0	2	R	4	∫(R2 − r2 )r dr= μ0 I2 / 8π ,	(2.93)
0	0		2π			R		0
тогда		F = 5·10-8 I2, Н							(2.94)

Продольная сила F не зависит от сечения проводника, а зависит только от квадрата тока.

Рис. 2.35. Осевая сила пинч-эффектав проводнике переменного сечения

Рис. 2.34. Распределение электромагнитного давления по сечению проводника

Пример. 2.10.Найти осевую силу F, если сечения S1 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

S2	10−8 I 2 (lnS		−lnS )=
F = ∫ 5 10−8 I2ds/ S= 5	10−8 I 2 (lnS	2	−lnS )=
S1		2	1
S1
= 5·10-8·4·104·1,386≈0,28·10-2 ,Н.
Этой силы достаточно, например, для удержания на торце электрода
стальной капли диаметром около 4 мм.
В теории магнитного поля доказывается, что полю напряженностью Н, соответ-
ствует условное магнитное давление
Рм =µ0Н2/(8π).			(2.95)

Следует учесть, что действие пинч-эффектадолжно уравновешиваться изнутри термическим давлением плазмы (идеального газа)рм =рт, причемрт =nkT,

где

n = ne + ni + na.

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 давленийрм =рт следует, что температура газа в столбе под влиянием пинчэффекта будет повышаться пропорционально квадрату токаT = µ0 I2 /(4nkπ2 R2 ).

2.7.2. 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. 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).

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, крестики – от нас): a,в - несимметричный подвод тока;б - симметричный подвод тока.

Меняя место подвода тока, можно регулировать отклонение дуги. Отклонение дуги можно регулировать также изменением угла наклона электрода к поверхности изде-

лия (рис. 2.37).

studfiles.net

Магнитное дутье - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Магнитное дутье

Cтраница 2

Магнитное дутье проявляется преимущественно при сварке дугой постоянного тока. [18]

Меньшее магнитное дутье в дуге переменного тока является существенным преимуществом последнего. [24]

Страницы: 1 2 3 4 5

2.7.2. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье. Что понимают под магнитным дутьем дуги

Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье

Похожие статьи:

Магнитное дутье. Отклонение дуги под действием магнитного поля

Методы борьбы с магнитным дутьем и отклонением дуги

Магнитное дутье - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Магнитное дутье

2.7.2. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье

2.7.3. Внешнее магнитное поле и дуга

Магнитогидродинамика сварочной дуги

2.7. Магнитогидродинамика сварочной дуги

2.7.1. Собственное магнитное поле дуги и сварочного контура

2.7.2. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье

Магнитное дутье - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Магнитное дутье

Товар добавлен к сравнению

Товар добавлен в корзину

Вы заказали товар.

Наш менеджер свяжется с вами в ближайшее время.