УП ФОИЭС (841336), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Найти тепловыделение для ручной дуговой сварки в приэлектродныхобластях на 1 А тока.Решение.Для сварки стали ΔΗ ≈ 2300 Дж/г. Переводя час в секунды и подставляя числовые значения в (2.83), находим выражение для q п л ввольтахq ≈ 0,64α р , Подставляя α р = 10, получим q п л ≈ 6,4 В.плИз этих примеров следует, что в анодной области дуги тепловыделение энергиизначительно больше, чем в катодной (см. рис. 2.25). Это учитывается технологамипри выборе полярности электрода и изделия.Тепловыделение в столбе дуги зависит от его длины и от напряженности электрического поля Е.
В свою очередь, Е зависит от теплофизических свойств среды итока. Значение Е максимально при сварке в среде водяного пара (Е = 60…80 В/см),минимально — в вакуумной дуге (Е = 2…4 В/см).682.6.6. Потоки плазмы в дугеПотоки плазмы в дуге увлекают за собой окружающий газ и поэтому всегда сопровождаются газовыми потоками.При малых токах (меньше 30 А) это движение вызывается подъемными силами,возникающими из-за того, что плотность горячей плазмы меньше плотности окружающей атмосферы. Дуги, в которых характер движения газа определяется свободной конвекцией, относятся к слаботочным дугам. В этой связи интересно отметить,что само название «дуга» произошло от той формы, которую принимает газовый разряд низкой интенсивности между горизонтальными электродами под влиянием подъемных сил.При увеличении тока возникает гидродинамическое течение со скоростями, значительно превышающими скорости, обусловленные естественной конвекцией.
Течение газа сильноточных дуг направлено обычно от стержневого катода к плоскомуаноду и называется катодной струёй. Газовый поток входит в зону W-дуги в районекатода и уходит в радиальном направлении вблизи анода (рис. 2.29).Давление в дуге возникает под действием электромагнитных сил (сил Лоренца).Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно пропорционально сечению, по которомуидет ток. Следовательно, при стержневом катоде и плоском аноде оно постепенноубывает от катода к аноду. Наибольшее давление на оси столба при токе I и егоплотности j составляетрmax = µ0I·j/4π ,(2.84)а скорость катодной струи v2max =2I2/(Aρ), где А — коэффициент, зависящий от размерности; ρ — плотность плазмы.Для W-дуг типична колоколообразная форма (рис. 2.30), расширяющаяся каноду.
Область перед катодом здесь можно представить электромагнитный насос,который забирает газ из среды и выбрасывает его к аноду.Рис. 2.29. Схема течения газа в сильноточной дугеРис. 2.30. Форма столба W- дуги варгоне: (I = 150 А, lд = 6 мм)Скорость ионизованного газа в катодной струе W-дуги может иметь порядок10 м/с, что соответствует от 0,1 до 0,2 М (М — число Маха). Поэтому гидродинамику этой струи можно исследовать методами теоретического течения несжимаемойжидкости. При сварке Ме-дугой возможны скорости плазменного потока до 103 м/с.269Потоки плазмы обычно направлены перпендикулярно поверхности электродови их интенсивность увеличивается с ростом тока.В Ме-дугах возникают встречные плазменные потоки как на катоде, так и нааноде.
Они иногда могут располагаться концентрически: внутренняя — от электродак пластине, а наружная — от пластины к электроду, причем анодные струи частодвижутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5·103 м/с.Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной зоне.Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникновения потока плазмыиз-за появления градиента давления.
Это хорошо видно на рис. 2.31, где междуугольными электродами показана в двух положениях (а, б) охлаждаемая водоймедная пластинка S с отверстием. На катоде возникает поток. На широком анодеего нет. В отверстии возникают потоки, направленные в обе стороны.В обычной дуге сужения, а следовательно, и плазменные струи возникаюттолько вблизи электродов, и в этом смысле о них можно говорить, как о явлениях,связанных с электродами. Однако инжектирование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара, способствуют возникновению «сердечника» столба, характерного для мощной дуги.Такой сердечник возникает также в связи сотрицательным наклоном кривой «теплопроводность — температура», имеющимсяпосле максимума диссоциации или ионизации. Его иногда называют стержнем илишнуром диссоциации (ионизации). Еслиплазменная струя сообщает «жесткость»дуге вблизи катода, то в этом случае можноРис.
2.31. Возникновениеговорить о дуге, стабилизированной катодплазменных струй в местах сужения ной струёй (потоком).дуги2.7. Магнитогидродинамика сварочной дугиТак как всякое перемещение заряженных частиц сопровождается появлениеммагнитных полей, то существуют они, безусловно, и в сварочной дуге. На проводникдлиной l с током I, находящийся в магнитном поле, действует пондеромоторная силаАмпера F, направление которой можно определить для тока от плюса к минусу поправилу Ампера (левой руки):F = BIl,(2.85)2где магнитная индукция В = µа Н, Тл (В·с/м ), µа – абсолютная магнитная проницаемость вещества.
µа = µ0µ где µ0 = 1,257·10-6 В·с/(А·м) – магнитная постоянная, µ - относительная магнитная проницаемость вещества. При µ ≈ 1 для неферромагнитнойсреды (для вакуума),F = µ0 HIl,(2.86)где Н — напряженность магнитного поля, А/м.70В газовом разряде вектор силы Лоренца F, действующей на каждую частицу зарядом е, движущуюся в магнитном поле со скоростью v, будет определяться векторным произведениемF = еv x В,(2.87)или на единицу объемаF = j x В,(2.88)Сила Лоренца F перпендикулярна плоскости векторов В и v . Она не производитработы, но меняет направление скорости частицы. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле со скоростью, перпендикулярной вектору магнитнойrrиндукции B , то сила Лоренца F создает центростремительное ускорение v2/r и частица будет двигаться под действием центростремительной силы mv2/r = еvВ.Движение заряженной частицы будет происходить по спирали или винтовой траектории, радиус которой называется ларморовским радиусом r, см.
Формула для его вычисления при энергии частицы ε, эВ, и магнитной индукции В, Тл, имеет вид:для электронаre = 3,4 ⋅ 10 −4 ε / В , см,для иона с атомным весом Аri = 145 ⋅ 10 −4 εА / В , см.При А=1 для протона ri ≈ 42re.(2.89)(2.90)2.7.1. Собственное магнитное поле дуги и сварочного контураМагнитное поле дуги. Так как в столбе дуги могут быть два вида тока — электронный и ионный, то сила F будет направлена по-разному для каждого сорта частицпри одинаковом направлении их скоростей.
Но дрейфовые скорости электронов ve иионов vi противоположны и сила F для любой частицы оказывается направленной кцентру дуги (рис. 2.32). При цилиндрической симметрии имеется только азимутальная составляющая напряженности магнитного поля Нφ. Взаимодействие собственного азимутального магнитного поля с аксиальной составляющей плотности тока приводит к сжатию электромагнитной силой столба цилиндрической дуги, что способствует повышению давления в столбе.
Действию данных сил препятствует газостатическая сила, вызванная появлением градиента термического давления плазмы столrба дуги. Собственный магнитный поток столба дуги B с о б , силовые линии которогоохватывают столб (их направление может быть определено по правилу буравчика) истабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта. Рассмотрим его подробнее.Значение электромагнитного сжимающего давления так называемого пинчэффекта (от англ.
to pinch — сжимать), можно определить, проинтегрировав элементарные силы, действующие на отдельные площадки кольцевого слоя проводника(плазмы) единичной длины (рис. 2.33).Распределение избыточного электромагнитного давления имеет параболическую форму с максимумом в центре (рис. 2.34). При r = 0(2.91)Pmax = µ0I2/(4π2R2).Так как, при равномерном распределении j по сечению столба дугиj = I/(πR2), тоPmax = µ0Ij/4π, Па.(2.92)71Рис. 2.32. Действие сил Лорен- Рис. 2.33. К расчету давлений в столбе дуги:ца F на заряженные частицыа – сжимающие силы пинч-эффекта; б – противоплазмы – ион и электрондействующее термическое давление плазмы рт = nkTДля проводника переменного сечения, например, для сужения столба дуги околостержневого электрода разность давлений вызовет осевую силу ΔF, действующую отменьшего сечения S1 к большему S2 (рис.
2.35). Для ее оценки определим сначалаосевую силу в проводнике постоянного сеченияЭлектромагнитное давление р, выражаемое формулой (2.92) для жидкого илигазообразного проводника, может быть в данной точке принято постоянным независимо от направления. Поэтому в осевом направлении элементарная сила df =p ⋅ 2π rdr, а силу ΔF по всей площади сечения определим по формулеμ0 ⋅π ⋅ I 2 R 2F = ∫ df = ∫ p ⋅ 2π ⋅ rdr =( R − r 2 )r ⋅ dr = μ 0 ⋅ I 2 / 8π ,24 ∫2π ⋅ R 000RR(2.93)тогдаF = 5·10-8⋅I2, Н(2.94)Продольная сила ΔF не зависит от сечения проводника, а зависит только отквадрата тока.Рис. 2.35. Осевая сила пинч-эффекта впроводнике переменного сеченияРис. 2.34.
Распределение электромагнитного давления по сечениюпроводникаПример. 2.10.Найти осевую силуΔF, если сечения S1 и S2 отличаютсяпо площади в 4 раза.Решение. Поскольку осевая силазависит от тока, то разность давлений при токе, например, 200 А создаст силу72S2ΔF = ∫ 5 ⋅ 10 − 8 I 2 ds / S = 5 ⋅ 10 − 8 ⋅ I 2 (ln S − ln S ) =21S1= 5·10-8·4·104·1,386 ≈ 0,28·10-2 , Н.Этой силы достаточно, например, для удержания на торце электродастальной капли диаметром около 4 мм.В теории магнитного поля доказывается, что полю напряженностью Н, соответствует условное магнитное давление(2.95)Рм = µ0Н2/(8π).Следует учесть, что действие пинч-эффекта должно уравновешиваться изнутритермическим давлением плазмы (идеального газа) рм = рт, причемрт = nkT,гдеn = ne + ni + na.Давление рт, распределено в соответствии с изменением температуры и концентрации частиц по радиусу столба дуги, поэтому эффект сжатия столба дуги будетопределяться теплофизическими свойствами вещества в столбе дуги.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
