рис.1. Характер распределения магнитных силовых линий вокруг сварочной дуги.

Электрическая дуга — это мощный источник тепла и света. Тепловая мощность дуги определяется уравнением

q₀=0,24·I_св·U_д

где   I_св — ток сварки, А;

U_д— напряжение дуги, в.

Электрическая дуга используется в процессе сварки для расплавления металлов, что является непременным условием получения межмолекулярной и межатомной связи в сварном соединении.

Столб сварочной дуги можно рассматривать как гибкий проводник электрического тока, вокруг которого образуется магнитное поле. Направление этого поля можно определить по правилу «буравчика» (рис.1).

Электрическая дуга при воздействии собственного магнитного поля будет отклоняться в ту или иную сторону в зависимости от места подключения к изделию токоподвода. Такое воздействие поля называется магнитным дутьем (рис.2).

При расположении токопровода, как показано на рис.1, электрическая дуга окружена симметричным магнитным полем, воздействие его на столб сварочной дуги также будет симметричным и отклонения дуги не происходит.

При подключении токоподвода, как показано на рис.2, электрическая дуга подвергается действию несимметричного магнитного поля, так как со стороны подвода тока оно обладает наибольшей магнитной индукцией. В этом случае столб дуги отклоняется в сторону, противоположную месту подвода тока, т. е. в сторону наименьшей напряженности  магнитного  поля.

Рис.2. Влияние положения токопровода на отклонение электрической дуги
а - ток к изделию подведен слева от дуги; б - ток к изделию подведен справа от дуги.

Отклонение электрической дуги, кроме того, может происходить как результат взаимодействия магнитного поля дуги с посторонним магнитным полем. Магнитные силовые линии дуги представляют собой окружности, замыкающиеся вокруг центра столба дуги. Если на сварочную дугу воздействовать посторонним магнитным полем, направление которого перпендикулярно прохождению сварочного тока, то в результате взаимодействия магнитного поля столба дуги с посторонним магнитным полем на электрическую дугу будет действовать электромагнитная сила F.Направление этой силы можно определить по правилу левой руки (рис.3).

рис.3. Отклонение дуги в зависимости от направления тока или расположения подковообразного магнита.

На электрическую дугу также оказывает влияние продольное магнитное поле соленоида, которое имеет направление, параллельное оси столба дуги и электрическому полю.

Столб сварочной дуги содержит небольшое количество отрицательных ионов, поэтому рассмотрим влияние продольного магнитного поля только на электроны и положительные ионы, преимущественно заполняющие столб сварочной дуги.

Концентрации заряженных частиц по сечению столба электрической дуги будет неодинакова. В центральной части дуги образуется наибольшее количество ионов и электронов и наименьшее на периферийных участках из-за того, что температура центральной части дуги выше температуры периферийных участков. Поэтому основная часть электронов и положительных ионов движется вследствие диффузии от центра столба дуги к периферии по радиусу. Скорость их движения, несмотря на различие в массах, будет одинакова из-за связи между ними, осуществляемой электрическим полем. Эти частицы движутся перпендикулярно магнитному полю соленоида и, следовательно, оказываются под действием и магнитного и электрического полей.

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 Ви 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.4).

рис.4. 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.5. 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.5).

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.

В случае сварки на переменном токе магнитное дутье будет значительно меньше или совсем незаметно. Это происходит по той причине, что изменяющийся по величине и направлению магнитный поток электрической дуги, пронизывающий ферромассу, наводит в ней вихревые токи, создающие собственное магнитное поле, направленное против магнитного поля сварочного тока.

Результирующая магнитодвижущая сила от сложения этих сил меньше магнитного потока при постоянном токе.