Исследование влияния продольных магнитных полей на сварку и наплавку

Сила, действующая на электрический  заряд в магнитном поле, всегда перпендикулярна к скорости, а, следовательно, к траектории движения частицы, и оказывает максимальное действие, если движение частицы происходит перпендикулярно магнитным силовым линиям. Величина этой силы зависит от величины заряда е, средней скорости движения зарядов и, магнитной индукции В и угла а между направлением магнитной индукции и направлением скорости движения частицы:   F=e·v·B·sin (a).

Сила F будет наибольшей при значении sin (а) = 1, т. е. при угле а = 90^o, тогда F=e·v·B. Наименьшее значение сила F будет иметь при sin (a) = 0. Она будет равна нулю. Это бывает при движении частиц параллельно магнитному полю,  т. е. когда угол между скоростью движений частицы и направлением магнитного ноля соленоида равен 0^o. В этом случае частицы движутся только под действием электрического поля.

Сила, действующая на частицы  в магнитном поле, имеет направление, перпендикулярное к плоскости, проходящей через направление магнитного поля и скорости заряда (рис.3).

Рис.3 - Схема действия силы на заряженные частицы под действием магнитного поля

Направление действия силы будет зависеть от направления магнитного поля соленоида, но не от рода тока и  его полярности. Отсюда следует, что  частицы столба сварочной дуги под  действием продольного магнитного поля будут вращаться вокруг оси  дуги. Вращение ионов и электронов происходит (в соответствии с различными знаками зарядов) в разные стороны, при этом они увлекают нейтральные  частицы, находящиеся в столбе дуги.

По мере удаления от оси  столба электрической дуги температура  и степень ионизации падают, плотность  ионов уменьшается, но увеличивается  плотность нейтрального газа. В результате этого уменьшается скорость диффузии и число ионов, соударяющихся  с нейтральными молекулами в единицу  времени. Вследствие уменьшения величины и количества соударений скорость вращения газа по мере удаления от оси столба уменьшается. Вращательное движение газа в столбе электрической дуги, создаваемое  продольным магнитным полем, еще  в большей степени уменьшает  скорость диффузии и  стягивает к оси столба  ионизированный горячий газ.

Из этого следует, что  продольное магнитное поле приводит во вращение вокруг своей оси столб  дуги и стягивает его. Концентрации газа по оси столба дуги в известной  мере способствует и центростремительная  сила, возникающая при вращении частиц.

Направление вращения можно  определить, зная направление продольного  магнитного поля. При этом, если смотреть по направлению магнитных силовых  линий, столб будет вращаться  против часовой стрелки и наоборот.

Действие электрического поля на заряженные частицы столба дуги дает осевую силу.

Рис.4 - Схема действия  сил на ион в сварочной дуге при наличии продольного магнитного поля.

В результате взаимодействия всех этих факторов, заряженные частицы столба дуги будут двигаться по спирали (рис.4).

Электродуговая сварка часто  применяется при сварке ферросплавов, наличие которых вблизи дуги вызывает ее отклонение. Это объясняется тем, что магнитные силовые линии  стремятся замкнуться по линии наименьшего  сопротивления, т. е. через ферромагнитную массу. Между сварочной дугой  и ферромагнитной массой появится электромагнитная сила притяжения, которая и отклоняет  дугу в сторону ферромагнитной массы.

                        4 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Сущность и техника  сварки дугой, вращающейся в магнитном  поле. Интересно применение дуги при  перемещении ее специально создаваемым  внешним магнитным полем. На рис.5а показана схема сварки кольцевых стыков труб. Дуга вращается по внутренней поверхности кольцевого медного охлаждаемого водой электрода и по внешней поверхности свариваемых кромок труб. Взаимодействие магнитного поля дуги, создаваемого радиально направленным током и аксиально направленным магнитным полем в зазоре между трубами и электродом, создаваемым внешним электромагнитом, вызывает перемещение дуги. После необходимого разогрева кромок труб происходит их осадка вдоль оси труб. Трубы с толщиной стенки до 1,5 мм собирают без зазора и сваривают без осадки.

Рис. 5 -  Сварка дугой, вращающейся в магнитном поле: а - дуга, горящая между неплавящимся электродом и поверхностью трубы; б - дуга, горящая между кромками свариваемых труб; в - дуга, горящая между вольфрамовым электродом и поверхностью изделия: 1 - трубы; 2 - катушка или катушки электромагнитов; 3 - дуга; 4 - электрод; 5 - трубная доска 

При сварке по схеме, представленной на рис.5б, трубы собирают с определенным зазором. Дуга возбуждается в зазоре между кромками; направление тока дуги совпадает с осью труб. Катушки создают внешние магнитные потоки, направленные встречно, что приводит к созданию в зазоре между трубами радиальной составляющей магнитного поля. Взаимодействие радиальной составляющей с магнитным полем дуги приводит к перемещению дуги по кромкам труб. После их оплавления производят осадку труб вдоль их оси.

Трубы к трубной решетке (рис.5в) также приваривают дугой, перемещаемой под влиянием совместного взаимодействия продольного магнитного поля и магнитного поля дуги. Анодное пятно дуги находится на вольфрамовом электроде. Скорость перемещения дуги по кромке трубы достигает нескольких метров в секунду, и зрительно создается впечатление горения одной конусной дуги.

В рассмотренных случаях  перемещения дуги в магнитном  поле ее скорость зависит от величины сварочного тока, напряженности внешнего магнитного поля, металла изделия  и ряда других условий сварки. Используя  бегущее магнитное поле, такое  же, как в статорах электродвигателей переменного тока, можно управлять скоростью вращения дуги [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    5 ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

 Сущность электромагнитной  наплавки заключается в нанесении покрытия из порошка на поверхность заготовки в магнитном поле при пропускании постоянного тока большой силы через зоны контакта частиц порошка между собой и с заготовкой.

Магнитное поле создают в зазоре между заготовкой и полюсным наконечником. Оно выстраивает мостики частиц ферромагнитного порошка между  указанными элементами. На магнитное  поле, в свою очередь, налагают электрическое  поле путем приложения напряжения к  заготовке и полюсному наконечнику. Восстановительное покрытие получается за счет нагрева частиц порошка в  зазоре, их оплавления и закрепления  на восстанавливаемой поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Магнитное дутье - это воздействие  на сварочную дугу магнитным полем  при взаимодействии магнитного поля изделия и магнитного поля электрода, которое приводит к отклонению дуги от оси электрода и от зоны сварки. Это явление присуще сварке при  постоянном токе и становится заметным при сварочном токе более 150 А, а  при повышенном сварочном токе оказывает  большое воздействие и отклоняет  дугу от оси электродов в сторону  более близких к дуге ферромагнитных масс, так как эти массы имеют  меньшее сопротивление для замыкания  магнитного потока (поля), чем воздух.

Это явление создает серьезные  трудности при выполнении шва. Все  проводники, по которым протекает  электрический ток, чувствительны  к магнитным полям, сами проводят магнитные поля. Эта чувствительность относится и к сварочной дуге. Собственное магнитное поле - это  поле, которое возникает при прохождении  электрического тока по собственным  элементам сварочной цепи, в состав которой входят электропровод, электрод, сварочная дуга. На величину магнитного дутья влияют конфигурация и расположение деталей, а также толщина металла  и сила сварочного тока. Если магнитное  дутье отсутствует, значит, сварочная  дуга расположена симметрично и  горит, являясь продолжением электрода, т. е. вдоль его оси.

Дуга отклоняется влево, так  как вокруг нее образуется несимметричное магнитное поле. С правой части  дуга более концентрированна, поэтому  появляется равнодействующая, называемая силой бокового распора. Сила распора  появляется с той стороны, где  происходит сложение магнитных потоков, где больше плотность магнитного поля на конкретном участке при несимметричном подводе тока второго сварочного провода.

Направление отклонения не зависит  от полярности, но зависит от симметричности магнитного поля, неравномерности распределения  тока по изделию, конфигурации изделия, наличия зазоров, сочетания деталей  в сварном узле. Сила, отклоняющая  дугу, прямо пропорциональна квадрату рабочего тока (т. е. чем больше, тем  больше). Магнитное дутье весьма значительно при сварочном токе более 450 А, особенно при питании дуги постоянным током, а при переменном токе оно невелико. В нормальных условиях дуга стремится сохранить направление по оси тока. Это явление практически используется для изменения направления магнитного дутья и для уменьшения вредного его воздействия на процесс сварки, путем наклона электрода в нужную сторону.

Магнитное дутье иногда бывает полезным и нужным, например, при сварке дугой  косвенного действия, когда оно позволяет  осуществлять подвод тепла дуги к  изделию. Без использования явления  магнитного дутья было бы трудно подвести тепло дуги к изделию.

  Частицы столба сварочной  дуги под действием продольного магнитного поля будут вращаться вокруг оси дуги. Вращение ионов и электронов происходит (в соответствии с различными знаками зарядов) в разные стороны, при этом они увлекают нейтральные частицы, находящиеся в столбе дуги.

По мере удаления от оси столба электрической дуги температура  и степень ионизации падают, плотность  ионов уменьшается, но увеличивается  плотность нейтрального газа. В результате этого уменьшается скорость диффузии и число ионов, соударяющихся  с нейтральными молекулами в единицу  времени. Вследствие уменьшения величины и количества соударений скорость вращения газа по мере удаления от оси столба уменьшается. Вращательное движение газа в столбе электрической дуги, создаваемое  продольным магнитным полем, еще в большей степени уменьшает скорость диффузии и стягивает к оси столба  ионизированный горячий газ.

Из этого следует, что продольное магнитное поле приводит во вращение вокруг своей оси столб дуги и стягивает его. Концентрации газа по оси столба дуги в известной мере способствует и центростремительная сила, возникающая при вращении частиц.

 

                                       ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Технология электрической сварки  металлов и сплавов./  Под ред. Патона Б.Е. – М.: Машиностроение, -1974. - 768 с.

2. Электромагнетизм./ Под  ред. Иродова Е.И. – Москва  – 2000. – 345 с.          3.Техническая энциклопедия, том 3./ Под ред. Николаева В.П. –                    М.: Машиностроение – 2010. – 433 с.                                               4.Электрическая сварочная дуга./ Под ред. Лескова Г.И. – Иркутск – 1983. – 276 с.