Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Рассмотрим его подробнее. Значение электромагнитного сжимающего давления, так называемого пинч-эффекта, можно определить, проинтегрировав элементарные силы, действующие на отдельные площадки кольцевого слоя проводника (плазмы) единичной длины (рис. 2.33). Отсюда 1 0,5 0,5 ! то Род Ртах (2.92) Рнс. 2.34. Распределение электромагнитного давления по сечению проводника Рнс. 2.35. Осевая сила пннч-эффекта в проводнике переменного сече- ния 103 102 Рис. 2.33. К расчету давлений в столбе дуги: а — сжнмающне силы панч-эффекта; б — противодействующее термическое давле- нне плазмы р„= лИТ Распределение избыточного электромагнитного давления имеет параболическую форму с максимумом в центре (рис.
2.34). При г = 0 4к 11~ Так как при равномерном распределении 1 по сечению столба дуги 1 2 г' кй' Для проводника переменного сечения, например, для сужения столба дуги около стержневого электрода (рис. 2.35), разность давлений вызовет осевую силу ЛЕ, действующую от меньшего сечения о1 к большему 5г. Для ее оценки определим сначала осевую силу в проводнике постоянного сечения. Электромагнитное давление Р, выражаемое формулой (2.91) для жидкого или газообразного проводника, может быть в произвольной точке принято постоянным независимо от направления.
Поэтому в осевом направлении элементарная сила ,у'= Р 2кгсЬ,а силу ЛР по всей площади сечения определим по формуле Я Я ЬГ= ~ф= ~р 2кгдг= ~(Я~ — гг)гсвг= о . (2.93) 2кг)14 АР=5 10 т'~, (2.94) т. е. осевая сила Лг' не зависит от сечения проводника, а зависит только от квадрата тока.
Пример 2.10. Найти осевую силу ЬЕ, если сечения 51 н Ят отличаются по площади в 4 раза. Решеивж Поскольку осевая сила зависит от тока, то разность давлений прн токе, например 200 А, создаст силу в2 ~У ~5 10-вгт 5 10-в тт(1п5 — 1пЯ ) = Я! =5.10 4 10 1,386=0,28.10 Н.
Этой силы достаточно, например, для удержания на торце электрода стальной капли диаметром около 4 мм. В теории магнитного поля доказывается, что полю напряженностью К соответствует условное магнитное давление )вон Рм = 8к Следует учесть„что действие линч-эффекта должно уравновешиваться изнутри термическим давлением плазмы (идеального газа), т. е. Рм =Р„причем Р, = пЕТ, где и = и, + и; + и,.
Давление рт распределено в соответствии с изменением температуры и концентрации частиц по радиусу столба дуги, поэтому эффект сжатия столба дуги будет определяться теплофизическими свойствами вещества в столбе дуги. Однако из равенства электромагнитного (см. (2.91)) и термического давлений ртаа = рт следует, что температура газа в столбе дуги под влиянием пинч-эффекта 1тот будет повышаться пропорционально квадрату тока: Т = 4лйкгйг 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 1рис.
2.36). Рис. 2.36. Влияние места подвода тока иа отклонение дуги — магнитное дутье. Точками и крестиками обозначено направление магнитных сило- вых линий (точки — иа иас, крестики — от ивс): а, в — несимметричный подвод тока; й — симметричный подвод тока Рис. 2.37. Влияние угла наклона электрода на отклонение дуги 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 О.
Движение «эластичного» проводника 1дуги) будет проис- 104 ходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий О 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 11 для железа примерно в 4 Ге 10 раз выше, чем для воздуха) магнитные силовые линии контура «стремятся» сконцентрироваться. Вследствие Р этого магнитное давление со стороны магнитных масс иа откдо ферромагнитной массы снижается и пение дуги дуга отклоняется 1рис. 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 натрет 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 метеле 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 малб. 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 105 еВ оз=— те (2.96) 106 107 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: по спирали с ларморовским радиусом г (см.
(2.89), (2.90)). 11 — 1 Для электрона ш = 1,7 1О с 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 т; вращается в обратном направлении с частотой, выражаемой формулой (2.96), в которой нужно т заме- нить на т;. При движении по окружности пугь! частиц между двумя соударениями в среднем такой же, как и при отсутствии магнитного поля. Но длина свободного пробега Л измеряется по прямой, т. е.
по хорде, стягивающей дугу окружности радиусом г. Значит, пробег Л уменьшается, что равносильно увеличению давления газа Лр. Отношение Лр!р пропорционально квадрату магнитной индук- 2 ции поля В, 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 (о = о;), а масса электрона т значительно меньше массы иона ть 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. а б Рис. 2.39. Действие продольного внешнего магнитного поля ва дугу (а) и схема соленоида для создания продольного магнитного поля (б) 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
