CC BY
26
Рыбачук А.М.1, Гу Ц.2, Крысько Н.В.3 ©
1 2 3
Канд.техн.наук, доцент, аспирант, ассистент.
Кафедра «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э. Баумана
ДЕФОРМАЦИЯ ДУГИ В КВАДРУПОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Аннотация
В статье выполнено исследование физических характеристик дуги, горящей в квадрупольном магнитном поле, с целью дальнейшего совершенствования этого способа для управления качеством сварного шва при дуговых способах сварки.
Ключевые слова: Дуговая сварка, деформация дуги, квадрупольное магнитное поле. Keywords: arc welding, deformation of arc, quadruple magnetic field.
Дуговая сварка находит наиболее широкое использование в сварочных технологиях. Качественное формирование шва всегда являлась одной из основных проблем при автоматической дуговой сварке. Для управления качеством металла сварного шва при сварке и пайке с использованием дуги перспективно использование магнитных полей, взаимодействующих с дугой или с жидким металлом сварочной ванны [1,9; 2,11; 3,134]. Использование магнитных полей позволяет бесконтактно и оперативно управлять качеством сварочных процессов. Поэтому постоянно проводятся исследования возможностей эффективного использования магнитных полей при дуговой сварке и наплавке [4,36; 5,54; 6,3; 7,56].
При дуговой сварке широко применяются внешние магнитные поля, взаимодействующие со сварочным током в жидком металле сварочной ванны, для управления качеством металла и формы шва. В результате использования внешних магнитных полей различного направления можно изменять положение, форму, характер горения дуги, изменять металлургические и геометрические параметры сварного шва и много другое.
Наиболее простым способом регулирования массовых сил в сварочной ванне является создание массовых электромагнитных сил в жидком металле путем введения в сварочную ванну поперечного магнитного поля [1,9]. Через жидкий металл сварочной ванны проходит растекающийся по свариваемому изделию сварочный ток. При вводе в сварочную ванну поперечного магнитного поля, пронизывающего жидкий металл, взаимодействие сварочного тока с магнитным полем создает в жидком металле массовые электромагнитные силы, направленные вверх или вниз в зависимости от взаимного направления магнитного поля и сварочного тока (рис.1).
Электромагнитная сила, действующая на элементарный объем,
_ /эм=7хв= РдЭМ , _
где j - вектор плотности тока в данном элементарном объеме; В - вектор индукции магнитного поля в данном элементарном объеме; ^м - напряженность поля массовых электромагнитных сил; р - плотность жидкого металла.
Созданием в сварочной ванне массовых электромагнитных сил, направленных противоположно силам тяжести, можно компенсировать или превышать их. Такой способ создания электромагнитных сил в жидком металле позволяет располагать устройство, создающее магнитное поле с любой стороны изделия, в том числе и со стороны дуги. Итак, данный способ дает возможность управлять формой шва и при сварке изделий, не имеющих доступа к обратной стороне шва.
© Рыбачук А.М., Гу Ц., Крысько Н.В., 2015 г.
Рис. 1. Схема удержания сварочной ванны поперечным магнитным полем
Для сохранения устойчивого горения дуги перед дугой вводится такое же магнитное поле устройством, состоящим из двух электромагнитов, расположенных над свариваемым изделием (рис.2).
Рис. 2. Схема устройства для ввода в свариваемое изделие поперечных магнитных полей [1,9].
При наложении поперечных магнитных полей неизбежно возникают продольные относительно шва (боковые) магнитные поля. В результате получается комбинация четырех магнитных полей, в центре которых вдоль вертикальной оси, индукция магнитного поля
равна нулю. Каждое из окружающих магнитных полей (рис.3) воздействует на дугу, и она деформируется [8,63].
На рис. 3 показаны силы F, действующие на дугу при сварке на прямой полярности при наложении магнитного поля с целью создания электромагнитных сил в сварочной ванне, направленных вверх. В этом случае на дугу вдоль оси шва действуют растягивающие, а поперек шва - сжимающие силы. Дуга из концентрической превращается в эллипсную, растягиваясь вдоль шва. При увеличении индукции магнитных полей силы, действующие на дугу, увеличиваются и она растягивается сильнее.
При наложении магнитных полей с целью создания массовых электромагнитных сил в сварочной ванне, направленных вверх, дуга остается растянутой вдоль шва как на прямой, так и на обратной полярности (рис 4).
Рис. 4. Деформация дуги при наложении квадрупольного магнитного поля
В работе выполнено исследование влияния квадрупольного магнитного поля на деформацию дуги при сварке швов. В эксперименте дуга горела между вольфрамовым электродом и медной пластиной в среде аргона на прямой полярности. Устройство для ввода в свариваемое изделие поперечных магнитных полей располагалось над поверхностью свариваемых пластин на расстоянии 1 мм до поверхности плюсов магнитной системы. Эксперименты проводили при расстоянии между вольфрамовым электродом и медной пластиной, равным 3 мм. Сварочный ток поддерживали равным 150 А. Напряжение на дуге при увеличении магнитного поля увеличивалось с U = 14В без магнитного поля до U = 14,5В.
в)
г)
Рис. 5. Формы дуги с разных сторон при различных токах в обмотках питания электромагнитов: а) 1=0 А, б)1=0,5 А, в)1=0,75 А, г)1=1 А.
На рис. 5 показаны формы дуги во взаимно перпендикулярных направлениях (слева -вид сбоку, справа - вид спереди). Видно, что деформация дуги увеличивается с повышением
значения тока в обмотках питания электромагнитов. Сварочная дуга растягивается вдоль направления сварки. Дуга из осесимметричной конусной превращается в эллипсную.
На рис.6 показана модель основания дуги. По фото дуги (рис. 5) измеряли размеры дуги (величины а и b) при различных токах в обмотках питания электромагнитов.
Рис. 6. Модель основания дуги
На рис. 7 показано влияние тока в обмотках питания электромагнитов на размеры полуосей эллипса дуги. При увеличении тока в обмотках питания электромагнитов большая полуось эллипса дуги почти не изменяется, но малая полуось эллипса дуги уменьшается. При увеличении тока в обмотках питания электромагнитов большая полуось дуги факела увеличивается.
Рис. 7. Влияние тока в обмотках электромагнитов га размеры полуосей дуги
Из экспериментов видно, что при наложении магнитного поля форма дуги превращается из круга в эллипс. При этом основание дуги в направлении поперёк сварки уменьшается, а в направлении вдоль сварки остаётся практически постоянной (рис. 7). Поэтому площадь основания дуги уменьшается, что приводит к увеличению удельной мощности дуги и увеличению глубины проплавления. Ширина шва при этом уменьшается.
Несмотря на то, что основание дуги в продольном направлении остаётся практически неизменным при увеличении магнитного поля, растяжение дуги сильно увеличивается. Сжатый поток плазмы растянутой дуги оказывает механическое воздействие на хвостовую часть сварочной ванны, что приводит к образованию подрезов на скоростях сварки меньших, чем при сварке дугой без магнитного поля. Растяжение факела дуги вызывает увеличение потерь тепла в окружающую среду, что приводит к уменьшению использования тепловой мощности дуги.
Изменение формы дуги с осесимметричной конусной при сварке без магнитных полей на растянутую вдоль шва при сварке с магнитным полем большой величины приводит к ухудшению защиты сварного шва и околошовной зоны. Получение швов с качественной поверхностью при сварке с формирующей магнитной системой требует дополнительной подачи защитного газа в горелку и применения дополнительных защитных приспособлений.
Выводы
1. При наложении квадрупольного магнитного поля дуга из осесимметричной конусной превращается в эллипсную.
2. С увеличением магнитного поля размер основания дуги в направлении растяжения остаётся практически неизменным, а в поперечном направлении уменьшается, что приводит к уменьшению площади основания дуги и увеличению удельной тепловой мощности дуги.
3. Растяжение факела дуги с ростом магнитного поля увеличивается, что при значительных магнитных полях может приводить к ухудшению защиты и качества наружной поверхности шва.
Литература
1. Акулов А.И., Рыбачук А.М. Удержание жидкого металла сварочной ванны поперечным магнитным полем // Сварочное производство. - 1972. - №2. - С. 9-10.
2. Акулов А.И., Рыбачук А.М., Чернышов Г.Г. Особенности формирования шва при сварке в поперечном магнитном поле.// Сварочное производство. - 1979. - № 7. - С. 11-14.
3. Кубарев В.Ф., Рыбачук А.М., Акулов А.И., Чернышов Г.Г. Магнитогидродинамическое торможение расплава в сварочной ванне // Известия вузов. Машиностроение. - 1984. - №9. - С. -134-136.
4. Крысько Н.В., Рыбачук А.М. Область, чувствительная к внешним магнитным полям при сварке в СО2 // Сварка и диагностика. - 2013. - №5. - С. 36-40.
5. Крысько Н.В., Рыбачук А.М. Особенности области, чувствительной к внешним магнитным полям при сварке в аргоне и смесях // Сварка и диагностика. - 2014. - №5. - С. - 54-56.
6. Завьялов В. Е., Звороно Я. П., Петраков А. Б. Использование продольного магнитного поля при наплавке под флюсом // Сварочное производство. - 1990. - № 2. - С. 3-6.
7. Рыжов Р.М. Влияние импульсных электромагнитных воздействий на процессы формирования и кристаллизации швов // Автоматическая сварка. - 2007. - № 2. - С. 56-58.
8. Чернышов Г.Г., Рыбачук А.М. Параметры технологических процессов сварки и качество сварных соединений: Учебное пособие // М.: Изд-во МГТУ. - 1991. - 72 с.
