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 Δ р. Отношение Δ р / р пропорционально квадрату магнитной индук­ции поля В ², 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 давлени­ем р _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.

Вращающаяся дуга

Эффект перемещения дуги в поперечном внешнем магнитном поле используется для ее вращения с образованием конической или цилиндрической поверхностей.

Вращающаяся «конусная» дуга применяется для сварки коль­цевых швов малого диаметра, например соединения трубы с труб­ной доской (рис. 2.42), по оси которой располагается неплавящийся электрод. С помощью соленоида создается магнитное поле, па­раллельное оси электрода. При горении дуги «электрод - кромка» столб ее оказывается направленным поперек поля Н ¯, что и вызывает вращение дуги. Частота вращения п прямо пропорциональна напряженно­сти поля Н и току дуги I и достигает обычно несколько тысяч оборотов в минуту. Сварка изделия происходит за несколько секунд, что соответствует 100-1000 оборотам дуги. Использова­ние вращающейся дуги весьма упроща­ет сварочную аппаратуру.

Применяют также не стержневой, а фигурный неплавящийся электрод, форма которого соответствует конфи­гурации свариваемой кромки. Сдвиг электрода относительно кромок изделия должен обеспечить взаимодействие столба дуги с поперечным внешним магнитным полем. Фигурным медным электродом удается свари­вать детали произвольной формы, что весьма перспективно при массовом производстве таких изделий, как конденсаторы, герме­тизированные изделия автоматики и т. д.

Способ сварки кольцевых швов труб вращающейся «бегущей» дугой заключается в том, что на концы труб надеваются два соле­ноида - катушки, включенные встречно (рис. 2.43). Благодаря этому в зазоре между трубами создается радиальное магнитное поле В (В = μ_a H). Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет дей­ствовать тангенциальная сила. Движение дуги вначале ограничива­ется той скоростью, с которой может перемещаться по поверхности холодной трубы катодное пятно. По мере разогрева торцов скорость движения дуги v _CB возрастает, достигая весьма больших значений. После выключения дуги осуществля­ется осадка труб.

Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну рас­плавленного металла можно исполь­зовать не только для регулирования глубины проплавления, но и для управления положением сварочной ванны в зазоре стыка (см. рис. 2.41). Для этого необходимо создать в ме­талле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Попереч­ное внешнее магнитное поле можно использовать также для управления формированием шва в разных пространственных положениях. При многодуговой сварке в одну сварочную ванну и при трехфазной сварке магнитогидродинамические эффекты даже в отсутствие внешнего магнитного поля по­зволяют существенно расширить технологические возможности процесса. Магнитное воздействие на сварочную ванну эффективно также при электрошлаковом и других методах сварки.