Магнитное поле дуги. Пинч-эффект

Всякое перемещение заряженных частиц вызывает появление магнитных полей, которые воздействуют на частицу силой Лоренца, определяемый векторным произведением

,

где q – заряд частицы с учетом знака;

с – скорость света;

– вектор напряженности магнитного поля;

– вектор скорости частица.

Направление силы Лоренца определяется по правилу Ампера (левой руки)

Рассмотрим схему электромагнитных полей в плазме столба дуги. Силовые линии напряженности магнитного поля концентрически охватывают столб дуги. Вектор в данной точке касается к силовой линии, а его направление определяется по правилу буравчика (правой резьбы).

Из рисунка следует, что независимо от рода частицы сила Лоренца всегда направлена к центру столба, вызывая его сжатие – пинч-эффект.

 

Электромагнитное давление пропорционально квадрату тока дуги

р_м ~ I².

Действие пинч-эффекта уравновешивается термическим давлением плазмы, пропорциональным абсолютной температуре.

Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье

Столб дуги представляет собой эластичный проводник тока, способный перемещаться под действием сил магнитного давления, пропорционального напряженности магнитного поля. Рассмотрим распределение магнитных полей сварочного контура проводник тока - электрод - столб дуги - изделие - проводник тока. Семейство силовых линий напряженности магнитного поля проводника тока представляет собой концентрические окружности. Направление вектора Н определяется по правилу буравчика.

 

I

 

I

 

 

I

 

Схема магнитного дутья

Из чертежа следует, что внутри сварочного контура (слева от электрода) наблюдается,концентрация магнитных силовых линий. Столб дуги будет отклоняться в сторону меньшего магнитного давления (меньшей напряженности магнитного поля), т.е. вправо. Явление отклонения столба дуги под действием магнитного поля сварочного контура называется магнитным дутьем. Магнитное дутье вызывает блуждание пятна дуги на изделии при сварке постоянным током и ухудшает качество формирования сварного соединения. Для подавления магнитного дутья применяются симметричный токоподвод, максимальное приближение места токоподвода к зоне сварки и сварка на переменном токе.

Частным случаем магнитного дутья является явление притяжения столба дуги к ферромагнитной массе. Вследствие высокой магнитной проницаемости плотность силовых линий напряженности магнитного поля в ферромагнитной массе уменьшается, магнитное давление падает и столб дуги притягивается.

Рассмотрим взаимодействие двух дуг постоянного тока (рис.2).

а) б)

_ _ + _

I₁ I₂ I₁ I₂

 

 

 

а) – дуги одной полярности, б) – разнополярные дуги

Схема взаимодействия двух дуг постоянного тока

Из чертежа следует, что между однополярными дугами имеет место вычитание, а между разнополярными — сложение магнитных полей. Дуги отклоняются в сторону меньшего магнитного давления, т.е. однополярные дуги притягиваются, а разнополярные – отталкиваются.

При наложении внешних магнитных полей появляется возможность управлять движением столба дуги, что широко используется в сварочном производстве. В качестве примера рассмотрим схему взаимодействия магнитных полей подковообразного магнита и сварочной дуги

	+

 

 

		_

 

		S
		N

 

Схема магнитных полей дуги и постоянного магнита

 

На виде сверху силовые линии Н_м постоянного магнита направлены от северного полюса к южному. Силовые линии дуги представляют собой концентрические окружности. Направление вектора Н_д определяется по правилу буравчика.

Из рис. 3 следует, что слева от электрода Н=Н_м + Н_д , а справа – Н=Н_м - Н_д. Справа от электрода находится область пониженного магнитного давления и дуга отклоняется вправо.

Дуга переменного тока

Дуга переменного тока имеет следующие особенности:

1.Каждый полупериод электрический ток меняет направление. Анод и катод меняются местами. Дуга возбуждается повторно.

2. Повторное возбуждение облегчается остаточной термоэлектронной эмиссией или остаточной ионизацией. Остаточная эмиссия возможна за счет тепловой инерции. Чем меньше максимальный ток, тем меньше нагрев пятен дуги и тем труднее повторное возбуждение.

3. Если остаточная ионизация недостаточна, то в каждом полупериоде существует пик зажигания (напряжение зажигания Uз), по достижении которого дуга возбуждается повторно. Условие повторного зажигания

U_max siny ³ Uз,

где y -- угол зажигания.

 

 

Уменьшить угол зажигания возможно путем увеличения Umax, однако амплитудное значение напряжения ограничено из соображений безопасности. Более эффективным путем является включение в сварочную цепь источников высоковольтного высокочастотного разряда (осциллятора), которые увеличивают степень остаточной ионизации.

4. В связи с разными условиями существования дуги на электродах из разных материалов возможна асимметрия токов и напряжений на дуге в разные полупериоды – вентильный эффект.

Рассмотрим особенности сварки алюминия вольфрамовым электродом на переменном токе

 

 

Температура плавления вольфрама (3380 ^оС) гораздо выше, чем уалюминия (660 С). Следовательно, остаточная эмиссия с вольфрамового катода гораздо выше, чем с холодного алюминиевого. Помимо этого, теплоотвод в массивное алюминиевого изделия с высокой теплопроводностью гораздо интенсивней.

В период обратной полярности (катод – алюминий) дуга загорается позднее, следовательно ток прямой полярности больше, чем ток обратной полярности. Появляется постоянная составляющая тока DIпост. Ее наличие ухудшает условия работы сварочного трансформатора и качество шва. Для ее устранения применяется последовательное включение в сварочную цепь батареи конденсаторов.