Анодная область
С
Анод
je
IV III II I
Столб дуги
i+→
← e–
Зона I – пограничная со столбом;
Зона II – переходная;
Зона III – ускоряющая;
Зона IV – ионизационная.
Эти зоны отличаются поведением ионов и электронов. В зоне I напряженность электрического поля начинает возрастать от низкого значения, равного градиенту потенциала в столбе дуги b. Здесь начинается переход от дрейфового движения электронов в плазме столба дуги к направленному под действием электрического поля.
В зонах II и III электроны ускоряются электрическим полем и в конце ускоряющей зоны III приобретают энергию, достаточную для ионизации.
В зоне IV происходит образование ионов и электронов. Образовавшиеся за счет соударений и действия поля ионы движутся к столбу дуги. В зоне III ионы движутся без столкновений, а в зоне II – испытывают столкновения с нейтральными атомами. Упорядоченное движение ионов переходит в тепловое движение, соответствующее температуре плазмы.
Считается, что анод не эмитирует положительных ионов. Вблизи анода оказывается избыток отрицательных зарядов и возникает анодное падение напряжения. Если анод способен эмитировать положительные ионы (угольный анод с присадкой щелочных металлов), то величина анодного падения уменьшается.
Схема трех источников
Рассмотрим дугу как совокупность самостоятельно действующих источников теплоты в столбе дуги и катодной и анодной областях.
Общая электрическая мощность, затрачиваемая источником питания на поддержание дуги, представляется как сумма трех источников
IUд = IUк + IUа + IUс = Wk +Wa + Wc.
На катоде мощность Wk расходуется на нагрев катода и эмиссию электронов, приобретающих кинетическую энергию Wэ.
Тепловая мощность, выделяемая на катоде
Рк = Wk – Wэ.
На аноде электроны бомбардируют анод и отдают кинетическую энергию, приобретенную на катоде
Ра = Wa + Wэ.
Рк и Ра расходуются на нагрев соответственно катода и анода, причем анод нагревается всегда интенсивней. Это учитывается при выборе схемы подключения источника питания.
Прямая полярность (катод – электрод, анод – изделие) применяется при сварке неплавящимся электродом, когда стремятся к минимальному разогреву электрода для уменьшения его эрозии.
Обратная полярность (катод – изделие, анод – электрод) применяется при сварке плавящимся электродом, когда стремятся к достижению максимальной производительности расплавления электродного материала.
В столбе дуги мощность в основном расходуется в виде безвозвратных потерь на излучение теплопроводность и конвекцию.
Магнитное поле дуги . Пинч-эффект
Всякое перемещение заряженных частиц вызывает появление магнитных полей, которые воздействуют на частицу силой Лоренца, определяемый векторным произведением
,
где q – заряд частицы с учетом знака;
с – скорость света;
–
вектор напряженности
магнитного поля;
–
вектор скорости
частица.
Направление силы Лоренца определяется по правилу Ампера (левой руки)
Рассмотрим схему электромагнитных полей в плазме столба дуги. Силовые линии напряженности магнитного поля концентрически охватывают столб дуги. Вектор в данной точке касается к силовой линии, а его направление определяется по правилу буравчика (правой резьбы).
Из рисунка следует, что независимо от рода частицы сила Лоренца всегда направлена к центру столба, вызывая его сжатие – пинч-эффект.
Vi
F
F
H
H
I
Ve
Электромагнитное давление пропорционально квадрату тока дуги
рм ~ I2.
Действие пинч-эффекта уравновешивается термическим давлением плазмы, пропорциональным абсолютной температуре.
Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье
Столб дуги представляет собой эластичный проводник тока, способный перемещаться под действием сил магнитного давления, пропорционального напряженности магнитного поля. Рассмотрим распределение магнитных полей сварочного контура проводник тока - электрод - столб дуги - изделие - проводник тока. Семейство силовых линий напряженности магнитного поля проводника тока представляет собой концентрические окружности. Направление вектора Н определяется по правилу буравчика.
I
I
I
Схема магнитного дутья
Из чертежа следует, что внутри сварочного контура ( слева от электрода) наблюдается ,концентрация магнитных силовых линий . Столб дуги будет отклоняться в сторону меньшего магнитного давления (меньшей напряженности магнитного поля ), т.е. вправо . Явление отклонения столба дуги под действием магнитного поля сварочного контура называется магнитным дутьем. Магнитное дутье вызывает блуждание пятна дуги на изделии при сварке постоянным током и ухудшает качество формирования сварного соединения. Для подавления магнитного дутья применяются симметричный токоподвод, максимальное приближение места токоподвода к зоне сварки и сварка на переменном токе.
Частным случаем магнитного дутья является явление притяжения столба дуги к ферромагнитной массе. Вследствие высокой магнитной проницаемости плотность силовых линий напряженности магнитного поля в ферромагнитной массе уменьшается, магнитное давление падает и столб дуги притягивается.
Рассмотрим взаимодействие двух дуг постоянного тока (рис.2).
а) б)
_
_ +
_
I1
I2
I1
I2
а) – дуги одной полярности, б) – разнополярные дуги
Схема взаимодействия двух дуг постоянного тока
Из чертежа следует, что между однополярными дугами имеет место вычитание, а между разнополярными — сложение магнитных полей. Дуги отклоняются в сторону меньшего магнитного давления, т.е. однополярные дуги притягиваются, а разнополярные – отталкиваются.
При наложении внешних магнитных полей появляется возможность управлять движением столба дуги, что широко используется в сварочном производстве. В качестве примера рассмотрим схему взаимодействия магнитных полей подковообразного магнита и сварочной дуги
+
_
S
Нд
Нм
N
Схема магнитных полей дуги и постоянного магнита
На виде сверху силовые линии Нм постоянного магнита направлены от северного полюса к южному. Силовые линии дуги представляют собой концентрические окружности . Направление вектора Нд определяется по правилу буравчика.
Из рис. 3 следует, что слева от электрода Н=Нм + Нд , а справа – Н=Нм - Нд . Справа от электрода находится область пониженного магнитного давления и дуга отклоняется вправо.