Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Отсюда следует, что, например, увеличивая температуру Т в столбе дуги или работу выхода, можно уменьшить долю ионного тока и увеличить долю электронного тока. Если Ук = 10 В, ф = 4 В, то 7'= 0,4. Это соответствует условиям %-дуги в аргоне. Теплота, выделяющаяся в катодной (Ик) и анодной (И',) областях, затрачивается на нагрев, плавление и испарение соответствующих электродов, а также на механические воздействия в приэлектродных областях. Из формул, приведенных в табл. 2.3, следует, что на катоде не вся выделяемая энергия Ц, переходит в теплоту.
Часть ее, равная <р+ 2кТ, уносится электронами в плазму дуги. На аноде, наоборот, потенциальная (ф) и термическая (2ЕТ) энергии электронов прибавляются к энергии, определяемой анодным падением потенциала. Иногда теплоту И'„(и И') оценивают как эффективное катодное (анодное) падение потенциала: Пример 2.7. Для Ме-дуги иэ эксперимента получено; ~/, = 8 В, У, = 3 В при Т = 5800 К. Для значений 1гТ = 0,5 эВ, д = 4 эВ определить тепловы- деление в приэлектродных областях. Решеиие. В соответствии с фоРмУлами (2.81) и (2.82) на 1 А тока тепло- выделение составит: в катодной области и'„= 8 — (4+ 1) = 3 В; в анодной области И'а = 3 ч (4 + 1) = 8 В.
Пример 2.8. Вольфрамовая, или %-дуга, характеризуется следующими параметрами: У, = 9 В, Т = 23 000 К, ИТ = 2 эВ, р = 4 эВ, У, = 3 В. Найти тепловыделение в прнэлектролных областях на ! А тока. решение. Подставляя числовые значения в (2.81) и (2.82), получаем, что тепловыделение составит: в катодной области И'„= 9 — (4 + 4) = 1 В; в аиодиой области И; = 3 + (4+ 4) = 11 В, Пример 2.9.
Для плавящегося стального электрода теплота плавления на 1 А за 1 ч будет равна 9,„=а ЛН, (2.83) где а — коэффициент расплавления электрода, составляющий лля ручной дуговой сварки 6...14, а лля автоматической 12...24 г!(А ч); ЬН— теплосодержание расплавленного материала. Найти тепловыделение для ручной дуговой сварки в приэлектролных областях на 1 А тока. Решеиие. Для сварки стали ЛН = 2300 Джонг. Переводя час в секунды и подставляя числовые значения в (2.83), находим выражение лля д„„в вольтах: 9„, = О, 64а .
Подставляя а = 10, получим д„„= 6,4 В. Из этих примеров следует, что в анодной области дуги тепло- выделение энергии значительно больше, чем в катодной (как показано на рис. 2.25). Это учитывается технологами при выборе полярности электрода и изделия. Тепловыделение в столбе дуги зависит от длины дуги и от напряженности электрического поля Е. В свою очередь, Е зависит от теплофизических свойств среды и тока и имеет максимальное значение при сварке в среде водяного пара (Е = 60...80 В/см), минимальное — в вакуумной дуге (Е = 2...4 В7см).
2.6.6. Потоки плазмы в дуге Потоки плазмы в дуге увлекают за собой окружающий газ и поэтому всегда сопровождаются газовыми потоками. При малых токах (меньше 30 А) это движение вызывается подъемной силой, 96 97 возникающей в результате того, что Анод плотность горячей плазмы меньше плотности окружающей атмосферы, Дуги, в которых характер движения газа определяется свободной конвекцией, относятся к слаботочным дугам.
В связи с этим интересно отметить, что название «дуга» произошло от формы, которую принимает газовый разряд низкой интенсивности между горизонтальными электродами под % влиянием подъемных сил. Катод При увеличении тока возникает струйное течение плазмы со скоростя- Рис. 2.29. Схема течения ми, которые значительно превышают газа в снльноточной дуге скорости, обусловленные естественной конвекцией. Течение плазмы в таких сильиоточных дугах направлено обычно от стержневого катода к плоскому аноду и называется катодной струей.
Газовый поток входит в зону %-дуги в районе катода и уходит в радиальном направлении вблизи анода (рис. 2.29). Давление в дуге возникает под действием электромагнитных снл (сил Лоренца). Радиальное сжатие (линч-эффект) обратно пропорционально сечению, по которому идет ток. Следовательно, при стержневом катоде и плоском аноде оно постепенно убывает от каАнод тода к аноду. Наибольшее давление на оси столба при токе! и его плотности / составляет Но(/ (2.84) 4я 2 21 а скорость катодной струи о„„„= —, где Ар А — коэффициент, зависящий от размерности; Рис.
2.30. Форма р — плотность плазмы. Для %-дуг типична форма колокола (рис. 2.30), расширяющаяся к аноду. Область перед катодом здесь можно представить как электромагнитный насос, который забирает газ из среды и выбрасывает его к аноду. Скорость ионизованного газа в катодной 2 струе %-дуги может иметь порядок 1О м/с, что соответствует от 0,1 до 0,2 М (М вЂ” число Маха). Поэтому катодиую струю можно исследовать методами теоретического течения несжимаемой жидкости. При сварке Ме-дугой возможны скорости плазменного по- 3 тока до 10 м/с. Потоки плазмы дуги обычно направлены перпендикулярно поверхности электродов, и их интенсивность увеличивается с ростом тока. В Ме-дугах возникают встречные плазменные потоки струи как на катоде, так и на аноде.
Они иногда могут располагаться соосно; внутренняя — от катода к аноду, а наружная — от анода к катоду, причем анодные струи (от анода к катоду) часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5 10 м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной области.
Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникновения потока плазмы в результате появления градиента давления. Это хорошо видно на рис. 2.31, где между угольными электродами показана в двух положениях Светящий всглщийся (а, б) охлаждаемая водой медная столб дуги Анод пластинка Я с отверстием. На катоде возникает поток плазмы. Х На широком аноде его нет. В отверстии возникают плазменные струи, направленные в обе стороны.
В обычной дуге места сужения, а следовательно, и плазменные струи возникают только вблизи электролов и в этом Рис. 2.31. Возникновение плазсмысле о них можно говорить, менных струй в местах сужения как о явлениях, связанных с дуги при положениях (а и б) электродами. Однако инжекти- пластинки 5 рование струи горячего, хорошо пРоводящего газа или пара способствуют возникновению «сердечника» столба, характерного для мощной дуги.
Такой «сердечник» возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой зависимости теплопроводность — температура 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 струей (потоком плазмы). 98 99 для электрона (2.89) (2.90) » =В//, (2.85) !еОНП (2.86) » =ебхВ, (2.87) или на единицу объема Р=/ В. (2.88) 100 !О! 2.7. Магнитогидродинамика сварочной дуги Так как всякое перемещение заряженных частиц сопровождается появлением магнитного поля, то существуют оно, безусловно, и в сварочной дуге. На проводник длиной / с током /, находящийся в магнитном поле, действует пондеромоторная сила Ампера»", направление которой можно определить для тока от плюса к минусу по правилу левой руки: 2 где В = р Н вЂ” магнитная индукция, Тл (В с/м ); )з = )т!зо — абсолютная магнитная проницаемость вещества; и — относительная — 7 магнитная проницаемость вещества; РО = 12,57 1О В с/ (А м) (илн 12,57 10 Гн/м) — магнитная постоянная; Н вЂ” напряженность магнитного поля, А/м.
При р = 1 для неферромагнитной среды (для вакуума) В газовом разряде вектор силы Лоренца Р, действующей на частицу зарядом е, движущуюся в магнитном поле со скоростью б, будет определяться векторным произведением Сила Лоренца Р перпендикулярна плоскости, проходящей через векторы В н Е Она не производит работы, но меняет направление скорости частицы. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле со скоростью, перпендикулярной вектору магнитной индукции В, то сила Лоренца» создает центро- 2 стремительное ускорение о /» и частица будет двигаться под дейст- 2 вием центростремительной силы то /» = еоВ, где т — масса заряженной частицы. Движение заряженной частицы будет происходить по спирали или винтовой траектории, радиус которой называется ларморовским радиусом ».Формула для вычисления », см, при энергии частицы е, эВ, и магнитной индукции В, Тл, имеет вид: »е =3,4 1О В для иона с атомной массой А »; =145.10 -4/с А В При А = 1 (для протона) ларморовский радиус»; = 42» .
2.7.1. Собственное магнитное поле дуги Так как в столбе дуги могут быть два вида тока — электронный и ионный, то сила Лоренца Р будет направлена по-разному для каждого сорта частиц при одинаковом направлении их скоростей. Но дрейфовые скорости электронов (ге) и ионов (и/) имеют противоположные на- О правления и сила» для любой частицы оказывается направленной к центру дуги,' ' ', Н (рис. 2.32). При цилиндрической симмет- »// ','Х рии имеется только азнмутальная состав- //,:: /, '.
'. ое лающая напряженности магнитного поля Н . Взаимодействие собственного азимутального магнитного поля с аксиальной составляющей плотности тока приводит к Рис. 2.32. Действие снл сжатию электромагнитной силой столба Лоренца на заряжен- цилиндрической дуги, что способствует ные частицы плазмы— повышению давления в столбе дуги. Деи ион и электрон ствию данных сил препятствует газостатическая сила, вызванная появлением градиента термического давления плазмы столба дуги. Собственный магнитный поток столба дуги В, О, силовые линии которого охватывают столб (их направление может быть определено по правилу буравчика) и стабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
