Силовое взаимодействие тока дуги с собственным магнитным полем

Abstract

Проведен детальный теоретический анализ силового взаимодействия сварочного тока с собственным магнитным полем в условиях дуговой сварки неплавящимся электродом. Электромагнитная сила (сила Лоренца) представляется в виде суммы вихревой и потенциальной сил, из которых лишь вихревая составляющая способна возбуждать движение плазмы или расплавленного металла. Под воздействием центростремительной вихревой силы в дуговой плазме и в металле сварочной ванны возникает магнитное давление, градиент которого создает магнитную силу, преимущественно направленную в аксиальном направлении. Величина этой силы тем больше, чем выше плотность тока в прианодной области сварочной дуги (на поверхности сварочной ванны). В зависимости от характера растекания электрического тока в столбе дуги рассматриваются три возможных сценария движения дуговой плазмы: по схеме прямого и обратного конуса, а также в виде двух вихрей, возбуждаемых сжатием токового канала в прикатодной и прианодной областях дуги. Изложенные теоретические положения иллюстрируются численными расчетами распределения магнитного давления и магнитной силы в плазме столба дуги и в металле сварочной ванны. Установлено, что контракция электрического тока на аноде интенсифицирует гидродинамические потоки расплавленного металла, а, следовательно, и конвективный перенос энергии от центральной зоны поверхности сварочной ванны к ее донной части, способствуя повышению проплавляющей способности дуги с тугоплавким катодом.

Проведено детальний теоретичний аналіз силової взаємодії зварювального струму з власним магнітним полем в умовах дугового зварювання неплавким електродом. Електромагнітна сила (сила Лоренца) представляється у вигляді суми вихрової і потенційної сил, з яких лише вихрова складова здатна збуджувати рух плазми або розплавленого металу. Під впливом доцентрової вихрової сили в дуговій плазмі і в металі зварювальної ванни виникає магнітний тиск, градієнт якого створює магнітну силу, переважно спрямовану в аксіальному напрямі. Величина цієї сили тим більше, чим вище щільність струму в прианодній області зварювальної дуги (на поверхні зварювальної ванни). Залежно від характеру розтікання електричного струму в стовпі дуги розглядаються три можливі сценарії руху дугової плазми: за схемою прямого і зворотнього конуса, а також у вигляді двох вихорів, що збуджуються стискуванням струмового каналу в прикатодній і прианодній областях дуги. Викладені теоретичні положення ілюструються чисельними розрахунками розподілу магнітного тиску і магнітної сили в плазмі стовпа дуги і в металі зварювальної ванни. Встановлено, що контракція електричного струму на аноді інтенсифікує гідродинамічні потоки розплавленого металу, а, отже, і конвективне перенесення енергії від центральної зони поверхні зварювальної ванни до її донної частини, сприяючи підвищенню проплавляючої здатності дуги з тугоплавким катодом.

Detailed theoretical analysis of force interaction of welding current with self-magnetic field under the conditions of nonconsumable electrode arc welding was performed. Electromagnetic force (Lorentz force) is presented as a sum of vortex and potential forces, from which only the vortex component is capable of exciting the movement of plasma or molten metal. Centripetal vortex force generates magnetic pressure in arc plasma and weld pool metal. The gradient of this pressure induces magnetic force, oriented predominantly in the axial direction. The magnitude of this force is the greater the higher the current density in near-anode region of welding arc (on weld pool surface). Depending on the nature of electric current spreading in the arc column, three possible scenarios of arc plasma movement are considered: by the schematic of right and inverse cone, as well as in the form of two vortices, excited by current channel compression in near-cathode and near-anode regions of the arc. Presented theoretical postulates are illustrated by numerical calculations of distribution of magnetic pressure and magnetic forces in arc column plasma and in weld pool metal. It is established that electric current contraction on the anode intensifies hydrodynamic flows of molten metal, and, therefore, also convective energy transfer from central zone of weld pool surface to its bottom part, promoting an increase of penetrability of the arc with refractory cathode.