Действие магнитных полей на сварочную дугу
Влияние магнитного поля и ферромагнитных масс на сварочную дугу при сварке. Влияние наклона электрода на отклонение дуги.
В сварочной дуге столб дуги можно рассматривать как гибкий проводник, по которому проходит электрический ток и который под действием электромагнитного поля может изменять свою форму. Если будут созданы условия для взаимодействия электромагнитного поля, возникающего вокруг сварочной дуги, с посторонними магнитными полями, с собственным полем сварочной цепи, а также с ферромагнитными материалами, то в этом случае наблюдается отклонение дугового разряда от первоначальной собственной оси. При этом иногда нарушается и сам процесс сварки, это явление получило название магнитного дутья.
Рассмотрим несколько примеров, показывающих воздействие внешнего магнитного поля на сварочную дугу. 1. Если вокруг дуги создано симметричное магнитное поле, то дуга не отклоняется, так как созданное поле оказывает симметричное действие на столб дуги (рис. 69, а).
Рис. 69. Зависимость отклонения дуги от положения токоподвода
2. На столб сварочной дуги действует несимметричное магнитное поле, которое создается током, протекающим в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токоподводу (рис. 69, б).
Существенное значение имеет и угол наклона электрода, который также вызывает отклонение дуги (рис. 70).
Рис. 70. Влияние наклона электрода на отклонение дуги
Сильным фактором, действующим на отклонение дуги, являются ферромагнитные массы: массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух, а магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по той среде, которая имеет меньшее сопротивление, поэтому дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 71).
Рис. 71. Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги:
а – в сторону массивной детали, б – при выполнении углового шва, в – при выполнении стыкового шва в разделку, г – при выполнении стыкового шва
Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить изменением места токоподвода, угла наклона электрода, временным размещением ферромагнитного материала для создания симметричного поля и заменой постоянного тока переменным.
Магнитное дутье при сварке
Во время сварки массивных металлических изделий, таких, как трубопроводы большого диаметра или крупногабаритные емкости зачастую возникает явление магнитного дутья. Магнитное поле большой массы металла взаимодействует с электродугой, вызывая ее отклонение. Отклонение может достигать значительных величин, затрудняя электросварку или делая ее вовсе невозможной. Инженерами и учеными разработано несколько способов борьбы с этим негативным явлением.
Сущность и основные причины появления
Сильный электроток, протекающий по электродуге, создает собственное магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным полем массивной металлической конструкции. В результате этого взаимодействия возникает сила, направленная к центру поля. Если массовый провод подключен близко к месту работы, то эта сила действует вдоль столба и не вызывает ее смещения от вертикали. Однако чем дальше подключена масса, тем более проявляется поперечная составляющая этой силы. Под ее действием электродуга отклоняется в сторону подключения. Степень отклонения пропорциональна расстоянию от места подключения, намагниченности металлической конструкции и квадрату рабочего тока.
Эффект проявляется особенно сильно при высоких значениях сварочного тока и при сварке постоянным напряжением. При работе переменным током эффект дуться ослабляется изменением направления отклонения с частотой сварочного напряжения. Кроме того, возникающая электродвижущая сила наводит вихревые токи в поверхностных слоях металла, также стабилизирующие положение электродуги. Даже при больших значениях рабочего электротока, достигающих тысяч ампер, магнитное дутье проявляется незначительно.
Причины отклонения дуги
Особую трудность создает эффект при работе с угловыми и стыковыми швами. Для определения степени намагниченности конструкции применяют — индикатор магнитного дутья
Влияние полей на сварочную дугу
На эффект дутья оказывают влияние несколько факторов
- Положение подключения массового провода. При присоединении кабеля в непосредственной близости к месту сварки возникает только вертикальная составляющая усилия, не отклоняющая, а, наоборот, стабилизирующая положение электродуги. По мере увеличения расстояния места сварки до места подключения горизонтальная составляющая силы проявляет себя все больше. Она действует на гибкий проводник, которым является столб электродуги, и отклоняет его по направлению, противоположному месту подключения.
- Угол наклона сварочного электрода. При наклоне в сторону подключения отклонение возрастает. При наклоне в противоположную сторону смещение ослабевает.
- Ферромагнитные массы. Массивные металлические конструкции обладают сильным собственным постоянным полем. Столб смещается к этим массам. Особенно сильно это проявляется при выполнении угловых и стыковых швов
- Сила тока. Отклонение увеличивается пропорционально квадрату электротока.
Магнитное дутье сварного шва
В некоторых случаях эффект магнитного дутья в сварке удается компенсировать, комбинируя воздействие этих факторов так, что их влияние взаимно компенсируется.
Методы борьбы
Для снижения негативного воздействия эффекта магнитного дутья применяют следующие меры борьбы с ним:
- Ведут сварку переменным напряжением (если это допустимо по техническим условиям).
- Массовый провод присоединяют по возможности ближе к месту сварных работ.
- Тщательно заземляют заготовки.
- Место работ ограждают антимагнитными металлическими экранами. Это помогает снизить влияние ферромагнитных масс и излучаемых ими полей.
В некоторых случаях эти меры не дают желаемого результата. Тогда для устранения явления дутья применяют более сложный метод размагничивания, связанный с использованием дополнительного оборудования. На заготовки наматывают по 5-7 витков сварного кабеля сечением от 25 кв. мм. По нему несколько минут пропускают ток 200-300 ампер от сварочного выпрямителя.
Результат размагничивания проверяют индикатором намагниченности.
Магнитное поле и сварочная дуга
Сообщение об ошибке
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СВАРОЧНОГО КОНТУРА
Сварочная цепь электрод – дуга – изделие вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону.
Боковой распор магнитных линий, сконцентрированных внутри угла, образованного электродом и токопроводящей частью пластины, будет «выжимать» дугу наружу (рис. 1). Меняя место подвода тока, можно регулировать отклонение дуги. Отклонение дуги можно регулировать также изменением угла наклона электрода к поверхности изделия (рис. 2).
В установившемся положении отклоняющая сила собственного магнитного поля (пропорциональная квадрату тока) будет уравновешиваться противодействующими силами, вызванными «жесткостью» столба дуги.
Для объяснения «магнитного распора» в контуре лучше всего воспользоваться понятием магнитного давления, которое, согласно формуле (1), тем больше, чем больше напряженность Н .
Движение эластичного проводника – дуги – будет происходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий Н .
Рис. 1. Влияние места подвода тока на отклонение дуги (магнитное дутье) Точками и крестиками обозначены магнитные силовые линии и их направление (точка – на нас, крестик – от нас)
Рис. 2. Влияние угла наклона электрода на отклонение дуги
Действие ферромагнитных масс
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 «стремятся» сконцентрироваться магнитные силовые линии контура.
Рис. 3. Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги
Вследствие этого магнитное давление со стороны ферромагнитной массы снижается и дуга отклоняется (рис. 3). Поэтому дуга может часто отклоняться в сторону заваренного шва или от кромки в сторону основной массы изделия.
При рассмотрении магнитного дутья следует учитывать, что металл в ванне и вблизи нее нагрет выше точки Кюри и практически немагнитен.
Все сказанное выше о магнитном дутье относится в основном к дуге постоянного тока. При сварке дугой переменного тока в металле изделия создается система замкнутых вихревых токов. Вихревые токи создают собственную переменную магнитодвижущую силу, сдвинутую почти на 180º по фазе по отношению к сварочному току. Результирующий магнитный поток контура оказывается значительно меньшим, чем при постоянном токе.
При сварке под флюсом магнитное дутье обычно мало. Однако при сварке продольных швов труб из-за значительной ферромагнитной массы и замкнутого контура трубы возникает поперечное магнитное поле, сдувающее дугу вдоль трубы. Изменяя токоподвод или наклон электрода, можно ликвидировать отрицательное влияние дутья.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ДУГА
Внешнее магнитное поле по отношению к оси столба дуги может быть либо продольным, либо поперечным. Все промежуточные случаи могут быть сведены к этим двум.
При наложении продольного поля направления магнитного и электрического полей совпадают, поэтому на дрейфовое движение заряженных частиц магнитное поле влиять не будет. Однако электроны и ионы обладают еще тепловой скоростью хаотического движения и скоростью амбиполярной диффузии.
Магнитное поле напряженностью Н искривляет путь частицы и заставляет двигаться ее по ларморовскому радиусу r с так называемой циклотронной или ларморовской угловой частотой
Для электрона ω =1,7.10 7 с -1 при Н=1 Э. Он вращается по часовой стрелке, создавая с вектором Н магнитного поля право- винтовую систему. Положительный ион вращается в обратном направлении с частотой согласно уравнению (2) .
При движении по окружности путь l частиц между двумя соударениями в среднем такой же, как и при отсутствии магнитного поля. Но свободный пробег 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 напряженности поля Н, но для обычных сварочных режимов невелико.
В обычных сварочных дугах при атмосферном давлении наибольшее влияние продольное магнитное поле оказывает на диффузионную составляющую скорости ионов и электронов. Скорость диффузии их направлена по радиусу от центра дуги к периферии, где температура и концентрация меньше (рис. 4) . В связи с тем что скорости диффузии в квазинейтральном столбе дуги равны υ e ≈υ i , а масса me 2 /(8 π ), которое, как указано выше, уравновешено давлением рт..
При наложении поперечного поля целесообразно рассматривать дугу как проводник с током. Поперечное магнитное поле, накладываясь на собственное поле дуги в контуре, может вызвать ее отклонение в ту или другую сторону (рис. 5). В той части сварочного контура, где силовые линии Фсоб и Фпоп совпадают, создается избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля.
Рис. 5. Поперечное магнитное поле и дуга
Воздействуя поперечным магнитным полем на дуги и в расплавленного металла, при сварке под флюсом можно, например изменить формирование шва (рис. 6). На металл в действуют объемные силы F, пропорциональные, согласно уранению (3), векторному произведению плотности тока i и напряженности магнитного поля H :
(3 )
Под действием этих сил металл стремится «подтечь» под дугу (рис. 6, б), чему также способствует отклонение дуги, и проплавление уменьшается. Переключив поле, можно увеличить проплавление.
Рис. 6. Действие магнитного поля на дугу под флюсом: а – без магнитного поля, б — с поперечным магнитным полем
Если использовать управление поперечным переменным магнитным полем, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой поля. Этот технологический прием получил название «метелка» и применяется, например, при сварке трубных досок.
Эффект перемещения дуги в поперечном магнитном поле используется для ее вращения на конической или цилиндрической поверхности.
Вращающаяся «конусная» дуга применима для сварки кольцевых швов малого диаметра (рис. 7). По оси труб располагается неплавящийся электрод. С помощью соленоида создается магнитное поле, параллельное оси электрода. При горении дуги «электрод – кромка» столб ее оказывается направленным поперек поля H, что и вызывает вращение дуги. Частота вращения n пропорциональна напряженности поля и току дуги и практически достигает обычно нескольких тысяч оборотов в минуту. Сварка изделия происходит за несколько секунд, что соответствует 100. 1000 оборотам дуги. Использование вращающейся дуги весьма упрощает аппаратуру.
Рис. 7. Схема сварки вращающейся «конусной» дугой
Применяют также не стержневой, а фигурный неплавящийся электрод, соответствующий по форме конфигурации свариваемой кромки. Сдвиг электрода относительно кромок изделия должен обеспечить взаимодействие столба дуги с поперечным 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 две катушки, включенные встречно (рис. 8). Благодаря этому в зазоре между трубами создается радиальное магнитное поле H.
Рис. 8. Стыковая сварка труб вращающейся «бегущей» дугой
Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет действовать тангенциальная сила. Движение бегущей дуги вначале ограничивается той скоростью, с которой может перемещаться по поверхности холодной трубы катодное пятно. По мере разогрева торцов скорость движения υ св возрастает, достигая весьма больших значений. После выключения дуги осуществляется осадка.
Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну расплавленного металла можно использовать не только для регулирования глубины проплавления (см. рис. 6), но и для управления положением ванны в зазоре стыка. Для этого необходимо создать в металле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Поперечное поле позволит также управлять формированием шва в разных пространственных положениях.
При многодугoвой сварке в одну ванну и трехфазной сварке магнитогидродинамические эффекты даже при отсутствии внешнего поля могут существенно расширить технологические возможности процесса. Магнитное воздействие на ванну эффективно также при электрошлаковом и других методах сварки.
Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по спец. «Оборуд. и технология сварочн. пр-ва» В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский, В. А. Винокуров и др.; Под ред. В. В. Фролова. – М.: Высш. шк,, 1988. 559 с.: ил.
Воздействие магнитных полей на сварочную дугу
Прохождение электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию (при использовании ферромагнитных металлов), создает магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока.
Газовый столб электрической дуги является гибким проводником электрического тока, поэтому он подвержен действию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре.
В нормальных условиях газовый столб дуги расположен симметрично оси электрода. Под действием электромагнитных сил происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлениях, что по внешним признакам подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. Это явление называют магнитным дутьем.
Магнитное дутье проявляется преимущественно при сварке дугой постоянного тока. Заметное отклонение дуги наблюдается при токе 300 – 400 А и выше. Под воздействием дутья капли электродного металла разбрызгиваются в стороны, ухудшается качество швов, снижается производительность, т.к. сварку приходится выполнять короткими участками.
Уменьшение магнитного дутья достигается изменением места присоединения к изделию провода сварочного тока и размещением дополнительных ферромагнитных масс.
Присоединение сварочного провода в непосредственной близости к дуге резко снижает ее отклонение.
В качестве дополнительных ферромагнитных масс используют массивные стальные плиты, которые размещают в начале и в конце свариваемого соединения или вблизи дуги со стороны компенсирующего ее отклонения.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что называется электрической дугой?
2. Назовите условия возникновения дугового разряда.
3. Что называется термоэлектронной эмиссией?
4. Охарактеризуйте режим дуги переменного тока.
5. Назовите температуру катодной области, анодной области и температуру столба дуги.
6. Назовите и охарактеризуйте основные тепловые характеристики сварочной дуги.
7. Охарактеризуйте процессы плавления и переноса металла при дуговой сварке.
8. Какое явление называется магнитным дутьем? Чем достигается уменьшение магнитного дутья?
Литература:
Л1 стр. 12 – 24 (§4 – §7)
Д/з Особенности сжатой дуги.
Распространение тепла при дуговой сварке Л1 §5.
Дата добавления: 2015-09-29 ; просмотров: 944 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
