2.13 Плазмові струмені в дузі
Плазмові струмені в дузі можуть бути у вигляді потоків пари, газу та їх суміші. Плазмові струмені ділять на слабкострумні (до 30 А) та сильнострумні (більше 30 А). В слабкострумних плазмові струмені викликані підйомними силами, які є результатом меншої густини
гарячої плазми по відношенню до навколишнього середовища.
В сильнострумних дугах плазмові струмені спрямовані від стержневого катода до плоского аноду і викликані силами Лоренца. Пінч–ефект, або радіальне стиснення дуги, оберненопропорційний струмоведучому радіусу дуги. Тому при стержньовому катоді і плоскому аноді дуга поступово розширюється від катоду до аноду. У випадку, коли електрод вольфрамовий, дуга має дзвіноподібну форму (рисунок 2.21).
Рисунок 2.21 — Форми дуги
Чим більша величина зварювального струму, тим сильніші плазмові струмені, тим більша залежність форми дуги від пінч–ефекту.
В металевих дугах мають місце зустрічні плазмові потоки: катодні та анодні. Анодний струмінь переміщується швидше ніж катодний.
2.14 Магнітогідродинаміка зварювальної дуги
2.14.1 Власне магнітне поле дуги. Пінч-ефект
Дуга - гнучкий провідник електричного струму. Навколо неї є власне магнітне поле. На провідник в електричному полі діє сила Лоренца F (рисунок 2.22).
Рисунок 2.22 — Вплив електромагнітних сил на елементарні
заряджені частинки плазми — іон та електрон
, (2.53)
де F — сила Лоренца;
B — магнітна індукція;
І — зварювальний струм;
l — довжина дуги.
Сили Лоренца втягують заряди обох знаків до вісі дуги, стискаючи розряд. Густина частинок збільшується. Такий ефект називається пінч–ефектом (стискаючим ефектом). Пінч–ефект підвищує стабільність дуги, вона стає більш жорсткою, тому підвищується якість зварювання.
2.14.2 Магнітне поле зварювального контуру
Відхилення дуги від нормального положення під дією магнітних полів називається магнітним дуттям.
Магнітне дуття визначається двома факторами:
1) магнітна проникність середовища навколо дуги;
2) густина магнітних силових ліній навколо дуги.
Дуга відхиляється в бік більшої магнітної проникності та в бік меншої густини магнітних силових ліній. В загальному випадку магнітне дуття зменшує стабільність процесу та якість зварювання.
Рисунок 2.23 — Схема магнітного дуття
На магнітне дуття впливає:
1) форма зварювального контуру;
2) кут нахилу електрода (рисунок 2.24);
Рисунок 2.24 — Вплив кута нахилу електрода
3) наявність феромагнітних мас (рисунок 2.25).
Рисунок 2.25 — Вплив наявності феромагнітних мас
2.14.3 Зовнішнє магнітне поле і магнітне поле дуги
Існує два види зовнішнього магнітного поля:
1) поздовжнє (рисунок 2.26);
Рисунок 2.26 — Схема отримання поздовжнього магнітного поля
2) поперечне (рисунок 2.27).
Рисунок 2.27 — Схема отримання зовнішнього поперечного
магнітного поля
Якщо вісь зовнішнього магнітного поля і вісь власного магнітного поля дуги співпадають, тоді ми маємо поздовжнє магнітне поле. Воно утворюється за допомогою соленоїда. Зовнішнє поздовжнє магнітне поле підсилює пінч–ефект, тому якість зварювання збільшується.
Якщо вісь зовнішнього магнітного поля розташована під кутом до вісі власного магнітного поля дуги, тоді ми маємо поперечне магнітне поле.
В загальному випадку поперечне магнітне поле негативно впливає на якість процесу зварювання, завдяки посиленню магнітного дуття.
В окремих випадках воно використовується і з позитивним ефектом: зварювання дугою, яка обертається (рисунок 2.28) та зварювання бігаючою дугою (рисунок 2.29).
Рисунок 2.28 — Схема зварювання дугою, яка обертається
1 — дві труби; 2 — дві котушки, ввімкнуті зустрічно
Рисунок 2.29 — Схема зварювання бігаючою дугою
При зварюванні дугою, яка обертається зовнішнє магнітне поле розташовується таким чином, щоб власне магнітне поле дуги виявилось перпендикулярним до зовнішнього. При цьому дуга буде обертатися по колу зі швидкістю 100–1000 обхв-1. Ця швидкість тим більша, чим більша величина зварювального струму та чим більша напруженість.
Зварювання бігаючою дугою використовується для зварювання труб за рахунок тангенціальних сил, які змушують дугу “бігати” по колу.