Сжатая дуга косвенного действия

Возбуждается между W катодом и соплом – анодом (рис. 3.11б). Под действием струи аргона, вытекающей из сопла, часть плазмы сопла выносится за его пределы. Энергия этой плазмы используется для нагрева и плавления обрабатываемых изделий. Как правило, она невелика и используется чаще всего для сварки, резки или пайки тонких изделий из металлов, пластмасс; применяется в медицине.

Рис. 3.11. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок прямого (а) и косвенного (б) действия:

1 – вольфрамовый или медный электрод-катод; 2 – канал сопла; 3 – охлаждение;

4 – сжатая дуговая плазма; 5 – столб дуги (струи); E – источник тока; U – изделие

0.17.17. Магнитное поле сварочного контура

Электрод, дуга, изделие вместе с подводящими ток проводами образуют сварочный контур.

Взаимодействие собственно магнитного поля тока дуги и магнитных полей близлежащих участков контура может вызвать отклонение дуги (рис. 3.12).

Общее правило:если близлежащие к дуге участки контура не расположены на одной прямой, то в месте отклонения от прямой происходит увеличение напряжённости магнитного поля и дуга отклоняется (вытесняется) в противоположную сторону.

Отклонение электрической дуги из-за нарушения симметрии магнитного поля называется магнитным дутьем. Дутьё ограничивает сварку постоянным током на форсированных ритмах. Сила, действующая на дугу:

F = B ∙ I ∙ l_д ≈ (3.17)

Рис. 3.12. Влияние токоподвода на отклонение дуги (магнитное дутье). Точками и крестиками обозначены магнитные силовые линии

С изменением токоподвода к изделию меняется направление магнитного дутья. Лишь при полной симметрии, что возможно лишь при скользящем контакте токопровода, магнитное дутье исключается.

Если вблизи дуги присутствует масса вещества, имеющего высокую магнитную проницаемость (стальные детали сварочного приспособления, детали), то большая часть магнитного потока проходит через вещество и напряженность магнитного поля вблизи этого вещества уменьшается, что приводит к отклонению дуги в сторону этого вещества.

Действие магнитного дутья значительно ослабляется при сварке на переменном токе (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Векторная диаграмма воздействия магнитного поля дуги

переменного тока

Ток дуги I_д создает с углом отставания φ поток Ф, который индуцирует ЭДС вихревых токов Е_в. Эта ЭДС порождает отстающий на угол φ_в вихревой ток в металле изделия. Результирующий ток I_р меньше I_д, и, соответственно, результирующий магнитный поток, действующий на дугу, значительно меньше потока, создаваемого постоянным током.

0.17.18. Влияние на дугу внешнего магнитного поля

С целью увеличения технологических возможностей сварочной дуги применяют продольное или поперечное внешнее магнитное поле.

Продольное магнитное поле, совпадающее с электрическим, не оказывает влияния на дрейфовую скорость зарядоносителей. Но ионы и электроны обладают тепловой скоростью и скоростью амбиполярной диффузии и подвергаются действию этого поля, что в сочетании с действием вектора Е вдоль оси дуги, приводит к винтовому движению заряженных частиц от столкновения к столкновению. Поскольку m_i << m_e, то импульсы, передаваемые ионами нейтральным атомам, будут в тысячи раз больше импульсов от электронов и плазма столба дуги придет во вращение в том же направлении, в котором вращаются ионы. Если смотреть по направлению вектора индукции магнитного поля, то вращение будет происходить против часовой стрелки.

J = j_e + j_i – диффузионный ток e^- и Ze⁺ от центра к периферии, где концентрация и температура меньше (рис. 3.14а).

Рис. 3.14. Действие продольного магнитного поля на дугу (а); устройство направляющего соленоида (б)

При увеличении напряженности возможно образование полого конуса, а на аноде кольцевого слоя расплавленного металла.

Вращение столба дуги: 1) создает гироскопический эффект, стабилизируя дугу; 2) повышает напряжение дуги, т.к. увеличивается обмен энергией между окружающей средой и плазмой дуги.

Поперечное магнитное поле отклоняет дугу по правилу левой руки: F = B ∙ I ∙ l.

Рис. 3.15. а) Поперечное магнитное поле Ф_поп и дуга Ф_соб. б) Управление сварочной дугой поперечным магнитным полем

Отклонение дуги поперечным магнитным полем используют при:

а) управлении тепловложением в сварочную ванну и процессами кристаллизации, уменьшении химической неоднородности Ме шва;

б) построении всевозможных систем автоматического управления;

в) сварке кольцевых стыков труб.

0.18. Тепловые процессы при сварке и наплавке

0.18.1. Расчетные схемы нагреваемого тела

Точный учет формы нагреваемого тела ведет к существенному усложнению аналитического решения дифуравнений теплопроводности. Поэтому идут на упрощение формы нагреваемого тела, сводя их к простейшим:

1. Полубесконечное тело – ограничено плоскостью Z = 0. Остальные граничные поверхности находятся на бесконечно далеком расстоянии, т.е. не влияют на процесс распространения тепла (рис. 3.16б).

2. Бесконечная пластина – это тело, ограниченное плоскостями Z = 0 и Z = , и неограниченное в направлениях x , y. Предполагают, что температура по толщине листа не меняется (рис. 3.16в).

3. Плоский слой – схему применяют в том случае, когда нельзя пренебречь изменением температуры по толщине, но в то же время, толщина тела не настолько велика, чтобы можно было пренебречь влиянием плоскости Z = и считать тело полубесконечным (рис. 3.16д).

4. Бесконечный или полубесконечный стержень – считается, что температура равномерно распределена в пределах каждого поперечного сечения стержня и изменяется только по его длине (рис. 3.16е).

Рис. 3.16. Расчетные схемы тел

0.18.2. Законы теплопередачи

Передача тепла осуществляется тремя способами:

1) теплопроводностью;

2) конвекцией;

3) радиацией (испускание лучей).

1) Процесс теплопроводности определяется по закону Фурье (удельный тепловой поток пропорционален градиенту температур с обратным знаком):

q= , (3.18)

где λ – коэффициент теплопроводности, .

Тепловой поток dФ = q · dF, где dF – элемент площади.

Количество тепла dQ = q · dF · dt =

2) Конвективный теплообмен возникает вследствие различной плотности нагретых и не нагретых масс жидкости или газа (естественная конвекция) или вследствие принудительной подачи жидкости или газа на поверхность твердого тела (вынужденная конвекция).

Правило Ньютона (удельный тепловой поток с единицы поверхности Вт/см²⁾:

q_s = Вт/см², (3.19)

где T_s – температура поверхности твердого тела;

– коэффициент конвективного теплообмена.

зависит от:

а) теплофизических свойств охлаждающей жидкости или газа;

б) вектора скорости потока охлаждающей жидкости или газа;

в) физических свойств поверхности твердого тела;

г) формы и положения в пространстве поверхности твердого тела;

д) разности температур .

3) Теплообмен за счет радиации (излучения).

Тепловое излучение нагретого тела есть электромагнитное излучение и определяется законом Стефана-Больцмана (удельный тепловой поток):

q_r = Вт/см², (3.20)

где степень черноты тела (0···1), для сварки = (0,6 - 0,9);

с₀ = 5,76·10^-8 константа.

В реальных условиях нагретое тело (свариваемое изделие) окружено другими телами (сварочное приспособление, манипулятор и др.) и между ними происходит лучистый теплообмен, тогда

q_r = , (3.21)

где Т₁ – температура окружающих тел, К.

0.18.3. Классификация сварочных источников тепла

Мгновенно действующие источники тепла – абстрактные понятия, которые используются для обеспечения решений ДУ.

1. Мгновенный точечный источник тепла. В точку, которую принимают за начало координат мгновенно в момент времени t=0 вводится тепло Q. В последующие моменты времени температурное поле имеет вид.

T(x, y, z, t) = (3.22)

где R² = x²+y²+z² – расстояние от рассматриваемой точки до начала координат.

Уравнение является решением ДУ теплопроводности бесконечного тела (рис. 3.16а).

2. Мгновенный линейный источник тепла есть комбинация равных мгновенных точечных источников тепла, действующих одновременно и расположенных по линии.

Рис. 3.17. Схема линейного источника тепла

Температурное поле в бесконечной пластине имеет вид:

T(x, y, t) = (3.23)

где r² = x² + y² – расстояние от рассматриваемой точки до оси OZ;

b = – температуроотдача, с^-1.

3. Мгновенный плоский источник тепла представляет собой комбинацию равных мгновенных точечных источников тепла, действующих одновременно и расположенных в одной плоскости (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Схема плоского источника тепла

Температурное поле в бесконечном стержне имеет вид:

T(x, t) = (3.24)

где F – площадь сечения стержня, см²;

b = – температуроотдача, с^-1; р – периметр сечения.

4. Мгновенный объёмный источник теплаесть комбинация равных мгновенных точечных источников тепла, распределенных по какому-либо закону (например стержень с током).

5. Непрерывно действующий источник тепла есть совокупность мгновенно действующих источников тепла, распределенных во времени.

0.18.4. Движущиеся сосредоточенные источники тепла постоянной мощности

Чтобы найти температурные поля T(x, y, z, t) от движущегося непрерывно действующего источника тепла используют принцип суперпозиции (наложения):

1) весь период действия источника тепла разбивают на бесконечно малые промежутки времени dt;

2) действие источника тепла в течение времени dt представляют как действие мгновенного источника тепла.

3) суммируют процессы распространения тепла от действующих друг за другом в разных местах тела мгновенных источников тепла, получая тем самым уравнение температурного поля при непрерывном действии подвижного источника.

0.18.5. Распределение температуры на поверхности полубесконечного тела от движущегося источника тепла