Джерела нагрівання та

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Ve Vi – швидкість дрейфу часток в електричному полі.

Як видно з рисунка і на електрони і на іони, не дивлячись на різницю в заряді і в напрямку дрейфу, діє сила, направлена до центра дуги. Ця сила стискає дугу в поперечній площині.

Явище стискання провідника під дією електричного струму в ньо-

му називається пінч-ефект (від англійського «to pinch» – стискати). Але якщо є стискаюча сила – може бути визначений і сам тиск.

Для визначення тиску пінч-ефекту скористаємося каналовою моделлю дуги К.К. Хрєнова. Відповідно до каналової моделі, дуга являє собою провідник, зовнішнім радіусом R , по якому протікає струм постійної по перетину густини. Нехай густина цього струму відома і приймається постій-

Виділимо в такій моделі дуги (див. рис.), в її поперечному перетині на відстані r від центра, деяке елементарне кільце товщиною dr , а в ньому - елементарну дугу dq .

Тоді, очевидно, що через елементарну площинку довжини кільця протікає елементарний

З теоретичних основ електротехніки відомо, що напруженість магнітного поля електричного струму, який протікає по

провіднику, по різному визначається всередині і зовні провідника:

Відповідно до наведених вище суджень про магнітну силу, яка діє на

141

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

провідник зі струмом (F = mHIl), на виділений елемент буде діяти елемен-

тарна радіальна сила (стискаюча): dF = m × H × dI × l ,

де: l – довжина виділеного елементу – вздовж дуги.

Тиск на виділений елемент визначимо, як частку від ділення сили на

площу: P = F ; сила нам уже відома ( dF ), а площа елемента, який сприй-

S

має тиск, є добуток довжини кільця ( r dθ ) на висоту виділеного елемента вздовж дуги (по довжині дуги) l ;

в останній вираз підставимо виведені раніше значення елементарного струмуdI та напруженості магнітного поля всередині провідника H В ;

Як це не покажеться дивним з точки зору формальної логіки, але найменший тиск, викликаний дією власного магнітного поля має місце на зовнішній оболонці провідника, де r = R . Тоді вираз в дужках стає рівний нулю. І, відповідно, магнітний тиск: Pmin = 0

2

А найбільший – в центрі провідника, при r = 0 : Pmax = m pI× R2

Розподіл електромагнітного тиску по перетину дуги має параболічну форму (див. рис.):

142

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Таки чином, виявляється, що внаслідок взаємодії носіїв електричного струму з магнітним полем цього струму в провіднику виникає тиск пропорційний величині струму і зворотно пропорційний радіусу,

або діаметру провідника. Цей факт не грає суттєвої ролі в твердих провідниках, бо сила електромагнітного тиску надто мала для того, щоб спричинити в них якісь зміни. Але для випадку рідких та газоподібних провідників, які мають місце при зварюванні, а ще при значних величинах зварювального струму (сотні, або тисячі ампер), сили електромагнітного тиску пінч-ефекту здатні істотно впливати на форми і розміри таких провідників, іноді перешкоджаючи, або навіть перериваючи нормальну течію процесу.

Відповідно до закону Паскаля, тиск передається в усі сторони однаково. Для нас це означає, що тиск діє і поперек дуги (радіально) і вздовж дуги (по осі стовпа). Ця осьова сила тиску електромагнітного пінч-ефекту теж може бути знайдена:

Якщо розглядати виділений кільцевий елемент дуги (див. рис. вище), то його площа може бути визначена, як 2pr × dr , тоді при тиску P , на нього діє елементарна сила df : df = P × 2pr × dr , тоді осьова сила визначиться через інтеграл по площі перетину дуги:

R R R

f = ∫df = ∫P × 2pr × dr = 2p∫P × r × dr

0 0 0

Підставимо сюди раніше отриману залежність для тиску:

А також використаємо раніше доведене твердження, що тиск магнітних сил максимальний ( Pmax ) по центру провідника (при r = 0 ):

143

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Pmax = m I 2

pR2

При цих умовах одержимо для осьової сили пінч-ефекту ( f ) наступ-

осьова електромагнітна сила пінч-ефекту не залежить від абсо-

лютних розмірів провідника, але пропорційна квадрату сили струму.

При дуговому зварюванні, крім наведеного, завжди присутня ще й різниця радіусів, або діаметрів провідників, які спільно приймають участь в проходженні зварювального струму. Наприклад, переходи від електрода до краплі металу на його торці і далі через дугу, зварювальну ванну до основного металу, супроводжуються значними перепадами розмірів провідників струму.

Вище зазначалося, що всередині провідника діє тиск пінч-ефекту зво-

ротно пропорційний квадрату його радіуса ( R2 ). Якщо провідник має змінний по довжині радіус (діаметр), то по його осі в різних перетинах, залежно від величини цього радіусу створюється різний за величиною тиск. Це викликає появу різниці осьових сил пінч-ефекту, рівнодіюча якої ( f )

спрямована від меншого перетину до більшого (див. рис.) і визначається так:

Df = f × ln S2

S1

Головне узагальнення з розгляду дій електромагнітних сил в дузі це те, що величина сили пінч-ефекту і напрямок дії її результуючої не за-

лежать від напрямку струму, але визначається тільки його абсолют-

144

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ною величиною, та розмірами і конфігурацією провідника.

Радіальна сила пінч-ефекту стискає провідник в поперечному перетині, але врівноважується термічним тиском хаотичного руху часток плазми.

Осьова сила пінч-ефекту, якщо вона є – неврівноважена, вона викли-

кає появу потоків плазми − дуття, яке може підсмоктувати зайве повітря в реакційну зону зварювання, або рух інших матеріальних об’єктів вздовж осі провідника, особливо у випадку різких перепадів діаметрів різних його частин. Розрахунки показують, що при струмі в дузі порядку IЗВ ≈ 200 А,

осьова сила пінч-ефекту може досягати значення приблизно f ≈ 0,0003 кГ,

що відповідає масі краплі металу діаметром ≈ 4мм і, звичайно, істотно впливає на процеси масопереносу в зварювальній дузі.

Взаємодія магнітних полів дуги та зварювального

контуру

Магнітне дуття

Явище, яке прийнято називати терміном «магнітне дуття», виникає у випадку створення струмоведучими частинами зварюваних деталей магнітного контуру. При цьому дуга витискується назовні такого контуру. Як зазначалося вище, у випадку дії зовнішнього електромагнітного поля на провідник, величина електромагнітного тиску на нього визначається із за-

2

лежності: Pел.−м = H× p

8

Відповідно, якщо провідник газовий, то газ переміщується з області де

145

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

тиск Pел.−м більший в область, де тиск Pел.−м менший, а тиск Pел.−м більший там, де силові лінії власного магнітного поля дуги і магнітного поля зовнішнього контуру складаються {випадок 2 − зліва, випадок 3 − справа, (випадок 1: симетричний)}. При невдалому розташуванні місця підведення струму відносно області горіння дуги, коли вплив магнітного поля зварювального струму на дугу значний, дуговий процес втрачає стабільність і може навіть перериватися.

Вплив феромагнітних мас на дугу

Переважна більшість металевих зварних конструкцій виготовляється з так званих «чорних» металів (всі низьковуглецеві, вуглецеві та низьколеговані сталі), які відносяться до класу феромагнетиків. Феромагнетик, намагнічуючись, поглинає магнітне поле (його магніт-

на проникність може сягати величин μ = 10000…100000). Для магнітного поля дуги це еквівалентно зменшенню напруженості магнітного поля в сторону феромагнітної маси. Але, чим менша напруженість магнітного поля, тим менший електромагнітний тиск на газовий провідник дуги. Відповідно, це означає зменшення величини електромагнітного тиску Pел.−м в

сторону феромагнітної маси, що приводить до зміщення дуги в той же бік. Таким чином виходить, що феромагнітна маса притягує дугу до себе, не даючи змоги рівномірно нагрівати і проплавляти зварювані кромки, або, наприклад, притягує дугу в сторону наплавленого шва, або, при зварюванні труб, дугу може «здувати» по контуру.

Вплив на дугу зовнішнього магнітного поля

Поздовжнє магнітне поле Поздовжнє магнітне поле може створити, наприклад, соленоїд (див.

146

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

рис.), який живиться електрикою від стороннього джерела ( Eе.−м.) і центр якого співпадає з електродом. В цьому випадку напрямки зовнішнього магнітного поля і магнітного поля дуги співпадають. Це посилює ефект спірального закручування часток в плазмі стовпа дуги.

Нерівномірний розподіл температури по перетину стовпа дуги приводить до термодифузії часток – вони рухаються від центру до країв. Чим ближче до краю – тим швидкість дифузії часток більша, відповідно більша

іпоперечна сила закручування, а, значить, і кутова швидкість руху часток. Тобто: чим далі від центру дуги перемістилась частка, тим сильніше закручується вона магнітним полем в своєму спіральному русі. Таким чином, поздовжнє магнітне поле стискає дугу, збільшує її температуру і сконцентрованість як джерела тепла.

Поперечне магнітне поле При дії зовнішнього поперечного магнітного поля на дугу, силові лінії

магнітного поля дуги з одного боку від неї складаються з силовими лініями зовнішнього поля, а з другого боку – віднімаються. Асиметрія напруженості магнітного поля викликає відповідну різницю електромагнітного тиску

івідхиляє дугу в сторону меншої напруженості поля. Застосовуючи змінне зовнішнє магнітне поле можна заставити дугу коливатись в такт з ним із сторони в сторону. Таке явище іноді використовують для управління по-

147

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ложенням дуги в просторі, або для коливань дуги вздовж, або поперек напрямку зварного шва, або для обертання дуги по деякому контуру, що приводить до керованого перемішування рідкого металу зварювальної ванни.

Такий спосіб впливу на метал, який зварюється прийнято називати електромагнітне перемішування.

Електромагнітне перемішування металу зварювальної ванни дає змогу зменшити його перегрівання дугою, зменшити середню температуру металу зварювальної ванни, а відтак поліпшити його структуру, фізичні та механічні властивості. Особливо це грає важливу роль при зварюванні металів і сплавів, які мають однофазну структуру і особливо схильні до утворення тріщин при укрупненні зерен первинної структури, наприклад, алюмінію, титану, високолегованих аустенітних сталей, ін.

Обертальна дуга

Ефект переміщення дуги в поперечному магнітному полі можна використовувати для обертання її по циліндричній, або конічній поверхні, або навіть по прямокутному профілю.

Обертальна «конусна» дуга застосовується для зварювання кільцевих швів малого діаметра, наприклад для з’єднання труби з плоскою деталлю, як нижче на рисунку (а). Після складання з’єднуваних деталей по осі труби розміщується неплавкий електрод. За допомогою розташованого вздовж осі соленоїда створюється поздовжнє магнітне поле.

Але дуга від електрода до зварюваної крайки горить при цьому із значним відхиленням від вертикальної осі. Отже, для стовпа дуги магнітне поле містить і деяку поперечну складову. Дуга при цьому постійно піддається тиску електромагнітної сили, яка намагається змістити її в сторону і,

148

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

якщо магнітне поле буле достатньої сили, то дуга погасне. Але можна підібрати таку напруженість магнітного поля, що дуга не зможе покинути крайку труби і піддаючись дії електромагнітної сили, почне обертатись по крайці, прогріваючи, розплавляючи її і створюючи, таким чином, зварне з’єднання.

Схеми утворення і застосування обертальної дуги:

Частота обертання n пропорційна силі взаємодії дуги з магнітним полем, тому залежить як від напруженості магнітного поля, створюваного соленоїдом, так і від величини струму в дузі. Практичні реалії такі, що частота обертання дуги може складати величини порядку n ≈1000...10000 об/хв. Зварне з’єднання відбувається за кілька секунд, при цьому дуга встигає зробити сотні, або навіть тисячі обертів по зварюваним крайкам, що з огляду на велику інерційність теплових процесів, означає фізично ніби постійне горіння дуги по всьому контуру у вигляді конусу від електрода до зварюваних крайок.

Іноді застосовують не стержневий, а фігурний неплавкий електрод, який своєю формою відповідає зварюваним крайкам. Необхідний нахил стовпа дуги для можливості взаємодії з магнітним полем соленоїда забезпечується деяким зсувом (при збереженні подібності) електрода відносно крайок виробу. В цьому випадку фігурним мідним, охолоджуваним водою, електродом вдається зварювати деталі довільної форми. Якщо, звичайно, електрод спеціалізований і його форма точно припасована до форми зва-

149

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

рюваних крайок.

Обертальна «біжуча» дуга створюється між торцями двох труб, як на рисунку вище (б), якщо на їх кінці вдягнуті магнітні котушки, ввімкнені зустрічно. Завдяки цьому в зазорі між трубами створюється радіальне магнітне поле ( H р ). Якщо тепер між торцями труб створити дугу, то, в якому

місці вона не виникла і де б не знаходилася, по периметру крайок на неї буде діяти тангенціальна магнітна сила (вздовж крайок). Під дією цією сили дуга починає обертатись («бігати») по зварюваним крайкам. Рух такої «біжучої» дуги спочатку обмежується можливостями руху катодної плями по поверхні холодної крайки, але по мірі прогрівання крайок швидкість руху дуги (Vд) все збільшується, досягаючи досить високих значень (до кількох тисяч метрів за секунду). Знову ж таки, з огляду на високу інерційність теплових процесів, можна вважати, що в цьому випадку дуга горить одночасно по всьому периметру зварюваних крайок, рівномірно прогріваючи їх. Після вимкнення дуги осадка зварюваних виробів для формування зварного шва здійснюється механічним способом.

Розглянуті приклади використання магнітогідродинамічних ефектів у практичних застосуваннях дуги вказують на досить широкі та оригінальні можливості. Але теоретичні засади таких явищ поки що не є достатньо розробленими, з огляду на складності побудови динамічних моделей взаємодії магнітних полів, як у самій дузі, так і зі сторонніми об’єктами.

ПРИНЦИП САМОРЕГУЛЮВАННЯ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ

При зварюванні дуга горить між плавкими електродами. При цьому один з них – основний метал – можна вважати, що є постійний і в процесі горіння дуги не витрачається, другий – електрод (якщо він плавкий) – при горінні дуги постійно витрачається (розплавляється і перетікає в основний метал). При витраті електроду довжина дуги збільшується і вона через де-

150