2.7.3. Внешнее магнитное поле и дуга

Внешнее магнитное поле по отношению к оси столба дуги мо­жет быть продольным либо поперечным. Все промежуточные слу­чаи могут быть сведены к этим двум.

Продольное внешнее магнитное поле. Направление продоль­ного внешнего магнитного поля совпадает с направлением элек­трического поля, поэтому на дрейфовое движение заряженных частиц магнитное поле влиять не будет. Однако электроны и ионы обладают еще скоростью хаотического теплового движения и ско­ростью амбиполярной диффузии.

Магнитное поле с магнитной индукцией В¯ искривляет траек­торию заряженной частицы и заставляет ее двигаться с угловой скоростью так называемой циклотронной, или ларморовской, час­тотой, равной, например для электрона:

(2.96)

по спирали с ларморовским радиусом г (см. (2.89), (2.90)).

Для электрона ω = 1,7 • 10¹¹ с^-1 при В = 1 Тл. Он вращается по часовой стрелке, если смотреть по направлению поля, и его ско­рость образует с вектором В¯ правовинтовую систему. Положи­тельный ион массой m_i вращается в обратном направлении с час­тотой, выражаемой формулой (2.96), в которой нужно m_е заме­нить на m_i.

При движении по окружности путь l частиц между двумя со­ударениями в среднем такой же, как и при отсутствии магнитного поля. Но длина свободного пробега Λ измеряется по прямой, т. е. по хорде, стягивающей дугу окружности радиусом r. Значит, про­бег Λ уменьшается, что равносильно увеличению давления газа Δр. Отношение Δр/р пропорционально квадрату магнитной индук­ции поля В² , но для обычных сварочных режимов оно невелико.

В обычных сварочных дугах при атмосферном давлении наи­большее влияние продольное внешнее магнитное поле оказывает на скорости диффузии ионов и электронов, которые направлены по радиусу от центра дуги к периферии, туда, где меньше их тем­пература и концентрация (рис. 2.39, а). В связи с тем, что скорости диффузии электронов и ионов в квазинейтральном столбе дуги равны (v_e ≈ v_i), а масса электрона m_е значительно меньше массы иона m_i, импульсы, передаваемые нейтральным частицам от ио­нов, будут в тысячи раз больше, чем от электронов. Поэтому плаз­ма столба дуги придет во вращательное движение, соответствую­щее движению ионов в магнитном поле. Столб дуги будет вра­щаться против часовой стрелки, если смотреть по направлению поля В.

Угловая скорость вращения столба дуги будет максимальной в тех его участках, где наибольшие скорости диффузии. Действие электрического поля, которым пренебрегаем в рассуждениях, при­водит к появлению осевой составляющей вектора скорости, и за­ряженные частицы начинают двигаться по спирали.

Продольное магнитное поле получают с помощью соленоида (рис. 2.39, б) и используют для придания дуге большей жесткости и устойчивости. Воздействие продольного внешнего магнитного поля несколько повышает температуру в центре столба дуги в свя­зи с тем, что появляется магнитное давление, которое, как указано в разд. 2.7.1, уравновешивается термическим давлени­емр_Т = пкТ.

Поперечное внешнее магнитное поле. При воздействии по­перечного внешнего магнитного поля целесообразно рассматри­вать дугу как проводник с током. При наложении поперечного внешнего маг­нитного поля на собственное магнит­ное поле дуги в сварочном контуре может произойти отклонение дуги в ту или другую сторону (рис. 2.40). В той части сварочного контура, где силовые линии B¯_соб и B¯_поп совпадают, создает­ся избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля. Воздействуя поперечным внешним магнитным полем на дугу и сварочную ванну расплав­ленного металла при сварке под флюсом, можно, например, изме­нить формирование сварного шва (рис. 2.41).

На металл сварочной ванны действуют объемные силы F, пропорциональные согласно уравнению (2.88) векторному произведению плотности тока j и индукции магнитного поля В. Под действием этих сил металл стремится «подтечь» под дугу (рис. 2.41, б), чему также способст­вует отклонение дуги, и глубина проплавления уменьшается. Из­менив направление внешнего магнитного поле на противополож­ное, можно увеличить глубину проплавления.

Если использовать переменное поперечное внешнее магнитное поле, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой изменения напряженности внеш­него поля. Этот технологический прием получил название «ме­телка» и применяется, например, при сварке труб в трубную доску.