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 m_i вращается в обратном направлении с час­тотой, выражаемой формулой (2.96), в которой нужно m_е заме­нить на m_i.

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 (v_e ≈ v_i), а масса электрона m_е значительно меньше массы иона m_i, 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 давлени­емр_Т = 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.