Рис. 2.37. Влияние угла наклона электрода на отклонение дуги
В установившемся положении отклоняющая сила собственного магнитного поля (пропорциональная квадрату тока) будет уравновешиваться противодействующими силами, вызванными «жесткостью» столба дуги.
Для объяснения «магнитного распора» в 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 Н.
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 Fe примерно в 104 раз выше, чем в воздухе) магнитные силовые линии контура «стремятся»
сконцентрироваться. 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 неё 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 магнитного дутья.
2.7.3. Внешнее магнитное поле
Внешнее магнитное поле по отношению к оси столба дуги может быть либо продольным, либо поперечным. Все промежуточные случаи могут быть сведены к этим двум.
74
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 искривляет траекторию заряженной частицы и заставляет ее двигаться с так называемой циклотронной или ларморовской угловой частотой по спирали по ларморовскому радиусу r (2.89), (2.90)
ω = еВ/mе. |
(2.96) |
Для электрона ω = 1,7·1011 c-1 при В = 1 Тл. Он вращается по часовой стрелке. Если смотреть по направлению поля, и его скорость образует с вектором B правовинтовую систему. Положительный ион вращается в обратном направлении с частотой, выраженной формулой (2.96), в которой отношение заряда к массе электрона следует заменить на аналогичную для иона.
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 p. Отношение p/p пропорционально квадрату магнитной индукции поля В2, но для обычных сварочных режимов 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 температура и концентрация (рис. 2.39). В связи с тем, что скорости диффузии в квазинейтральном столбе дуги равны ve ≈ vi, а масса me « 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 в магнитном поле ионов. Столб дуги будет вращаться против часовой стрелки, 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 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 рм = µ0Н2/(8π), которое, как указано выше, уравновешено давлением рт = nkT.
Поперечное внешнее магнитное поле. При воздействии поперечного магнитного 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 B соб и B поп совпадают, создается избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля.
75
Рис. 2.39. Действие продольного магнитного поля на дугу (а) и схема соленоида для создания продольного магнитного поля (б)
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 (2.88), векторному произведению плотности тока j и индукции магнитного поля B 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 поля на противоположное, можно увеличить глубину проплавления.
Рис. 2.41. Схема дуговой сварки под флюсом: а – без воздействия на дугу магнитным полем; б – с наложением поперечного магнитного поля Н
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.
2.7.4. Вращающаяся дуга
Эффект перемещения дуги в поперечном магнитном поле используется для ее вращения с образованием конической или цилиндрической поверхностей.
Вращающаяся «конусная» дуга применяется для сварки кольцевых швов малого диаметра, например соединения трубы с трубной доской (рис. 2.42), по оси которой труб располагается неплавящийся электрод. С помощью соленоида создается
76
магнитное поле, параллельное оси электрода. При горении дуги «электрод — кромка» столб ее оказывается направленным поперек поляH , что и вызывает вращение дуги. Частота вращения n пропорциональна H и току дуги и достигает обычно нескольким 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, форма которого соответствует 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.
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 В (В = µа Н). Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет действовать тангенциальная сила. Движение дуги вначале ограничивается той скоростью, с которой может перемещаться по поверхности холодной трубы катодное пятно. По мере разогрева торцов скорость движения vсв возрастает, достигая весьма больших значений. После выключения дуги осуществляется осадка.
Рис. 2.42. Схема сварки трубы в труб- |
Рис. 2.43. Схема стыковой сварки труб |
ную доску вращающейся «конусной» дугой |
вращающейся «бегущей» дугой |
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 внешнее магнитное 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.
77