5.4. Собственное магнитное поле дуги

В столбе дуги, возникающей между катодом и анодом под действием напряженности E электрического поля, носителями тока I дуги являются отрицательные электроны, которые движутся к аноду со скоростью v_e и положительные ионы, которые движутся к катоду со скоростью v_i под действием электрической составляющей силы Лоренца (рис. 5.8).

Рисунок 5.8

Ток дуги создает собственное магнитное поле дуги. Силовые линии магнитной индукции B имеют вид концентрических окружностей, лежащих в ортогональных плоскостях, охватывают столб дуги. Их направление (против часовой стрелки) можно определить по правилу буравчика. Вектор В в любой точке поля направлен по касательной к силовым линиям в данном направлении. На движущиеся в магнитном поле заряды будет также действовать магнитная составляющая силы Лоренца F.

Поскольку знаки зарядов различны, то и действующие на них силы должны иметь противоположные направления. Но в силу противоположно направленных векторов скорости переноса электронов и ионов магнитная составляющая сил Лоренца F, действующих на заряды, будут иметь в любой точке одно направление, а именно к центру концентрической окружности, т. е. к оси дуги (см. рис. 5.8).

Таким образом, под действием силы F векторы скорости переносного движения зарядов (v_e и v_i ) будут повернуты на некоторый угол к оси дуги. Заряды в своем движении к электродам смещаются к оси дуги. Это приводит к сжатию столба дуги, что способствует повышению давления плазмы в столбе. Данный эффект сжатия дуги под действием магнитного поля, индуцированного током дуги называется «пинч-эффектом».

Действию данных электромагнитных сил препятствует газостатическая сила, вызванная появлением градиента термического давления плазмы. Собственный магнитный поток дуги стабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта.

Рисунок 5.9

Магнитное дутьё. Электрическая цепь электрод − дуга − изделие вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону при нарушении осевой симметрии дуги. Это явление называется магнитным дутьём. Магнитное дутьё вызывает непровары и ухудшает формирование швов. Разность плотностей магнитных силовых линий, сконцентрированных внутри и вне сварочного контура, образованного электродом и токопроводящей частью изделия, будет «выжимать» дугу наружу, что может быть вызвано влияние места подвода тока (рис. 5.9).

Точками и крестиками обозначено направление магнитных силовых линий (точки − на нас, крестики − от нас): а, в − несимметричный подвод тока; б − симметричный подвод тока.

Рисунок 5.10

Меняя место подвода тока, а также изменяя угол наклона электрода к поверхности изделия, можно изменять конфигурацию магнитного поля и управлять отклонением дуги (рис. 5.10).

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 тем больше, чем больше вточке магнитная индукция В. Движение «эластичного» проводника (дуги) будет происходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий В.

Рисунок 5.11

Наличие значительных масс ферромагнитного вещества вблизи дуги может вызвать ее отклонения, относимые также к магнитному дутью. Его можно объяснить тем, что в данном случае силовые линии собственного магнитного поля дуги проходят в основном через ферромагнитную массу, благодаря их высокой магнитной проницаемости и меньшего сопротивления магнитному потоку. Вследствие этого плотность силовых линий в воздушном промежутке между дугой и ферромагнитной массой уменьшается, магнитное давление снижается, и дуга отклоняется (рис. 5.11).

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 собственный переменный магнитный поток, направленный в противофазе по отношению к сварочному току. Результирующий магнитный поток сварочного контура оказывается значительно меньшим, чем при сварке дугой постоянного тока.

Заряды дуги также подвержены действию внешнего магнитного поля. Это используют для управления дуговым разрядом и придания ему новых технологических возможностей. Причем наложение поперечного внешнего магнитного поля вызывает отклонение дуги в ту сторону, где вектора В полей имеют противоположное направление и магнитное давление меньше. При этом можно обеспечить вращение дуги.

Наложение продольного внешнего поля, совпадающего с собственным, заставляет электрические заряды – носители тока во определенному радиусу с заданной угловой скоростью. Плазма столба дуги начинает вращаться, повышая устойчивость дуги.