CC BY
15
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
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ИЗДЕЛИИ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ КОНУСНОЙ
ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ДУГОЙ
Аннотация
Предложена методика расчёта распределения плотности тока в пластине при дуговой сварке на примере односторонней сварки с полным проплавлением пластины источником тепла с нормально-круговым распределением теплового потока и электрического тока.
Ключевые слова: Дуговая сварка, распределение температуры, распределение плотности тока.
Keywords: arc welding, temperature distribution, current density distribution.
При дуговой сварке широко применяются внешние магнитные поля, взаимодействующие со сварочным током в жидком металле сварочной ванны, для управления качеством металла и формы шва. Использование магнитных полей позволяет бесконтактно и оперативно управлять качеством сварочных процессов [1-4]. Для эффективного использования этих методов необходимо уметь рассчитывать электрическое поле в сварочной ванне и изделии.
При дуговой сварке происходит деформация температурного поля при движении дуги [5,6]. В результате происходит деформация электрического поля в изделии [7,8]. Эта деформация связана с зависимостью удельной электропроводности металлов и сплавов от температуры, которая снижается с увеличением её, а при температуре плавления уменьшается скачком [9].
В работе [10] выведено уравнение
, _ К 3 q цИKTUд ’
где j - плотность тока; q - удельный тепловой поток; КЭ
(1)
коэффициент сосредоточенности
тока, КТ - коэффициент сосредоточенности теплового потока дуги, Т)И - эффективный КПД дуги, Uд - напряжение на дуге.
Оно показывает, что векторы плотности тока и теплового потока совпадают по направлению в каждой точке, линии тока совпадают с линиями теплового потока при определённых граничных условиях. Это выражение справедливо при аналогичных граничных условиях для электрического и температурного полей в случае, если не применяется ориентированный токоподвод к свариваемому изделию, расположенный вблизи сварочной ванны [8]. В этой работе поверхность контакта дуги с жидким металлом была принята эквипотенциальной и одновременно изотермической с температурой, равной температуре кипения жидкого металла, при пренебрежении влиянием теплоотвода через наружные поверхности свариваемого изделия.
Целью данной работы является анализ распределения плотности сварочного тока по рассчитанному распределению температур в пластине.
По полученному выражению (1) можно рассчитывать плотность сварочного тока в изделии по известному температурному полю при указанных граничных условиях.
© Рыбачук А.М., Гу Ц., Крысько Н.В., 2015 г.
Для расчёта температурного поля использовали выражение для температурного поля предельного состояния от линейного источника постоянной мощности, движущегося прямолинейно с постоянной скоростью, в бесконечной пластине [5]:
'Г
I v- Ь
1' I —Г + -
VI 4чх~ и
(2)
где: Т - температура, К; у = ^х2 4- у2 _ длина радиус-вектора рассматриваемой точки в
подвижной системе координат, см; - эффективная тепловая мощность дуги, Вт; Л -коэффициент теплопроводности, Вт/(см град); S - толщина пластины, см; V - скорость
2
сварки, см/с; а - коэффициент температуропроводности, см /с; (и ) - функция Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка; £ = — - коэффициент
ср&
2
температуроотдачи, 1/с, где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(см град); с - удельная теплоемкость, Дж/(г град); fr -плотность металла, г/см .
Расчёт был выполнен для случая сварки листов из стали Х18Н10Т толщиной 6 = 0.3см дугой, перемещающейся со скоростью v = 15м/ч = 0.417см/с. Напряжение дуги
1)д = 105; сварочный ток / = 2ОСИ; эффективный КПД дуги Ун = 0.7- Коэффициент теплопроводности Д = 0.288Вт/(сМ' град); плотность стали р = 7.8 г/см2; коэффициент температуропроводности я = Q.06 см2 /с; коэффициент температуроотдачи = П-
Коэффициент сосредоточенности теплового потока дуги и коэффициент сосредоточенности тока приняты равными.
В результате расчёта получили распределение температуры в изделии из стали Х18Н10Т при дуговой сварке (рис. 1). На рис. 2 показаны изотермы на поверхности пластины.
Рис.1. Распределение температуры на поверхности пластины
Рис.2. Изотермы на поверхности пластины
),
Выражение (2) может быть записано более компактно:
/ И*Л „ -^еХР{-—)К О
V i£I/
т = тн +
■ тг Л<5
I V-
где р2 — |-^7 -+- а г — ./V + у9
~ а
-^1 а ;
По выражению (3) можно рассчитывать градиент температуры:
т дт ~.дт qaf'dT = I---I-; — ,
J дх J dv
дт
djf
Si,
4тгЛ(5
(-n)(^W + 2^K»W)
дТ
д
Г <!пР"У ( vx\ f >
- =--------------------J At(^J,
7 2ЛГ-Х6 2а/ 1
(3)
(4)
(5)
(6)
где К1 ( U) - функция Бесселя от мнимого аргумента второго рода первого порядка. Подставив (5) и (6) в выражении (3), получим градиент температуры:
gradT = q exp S 4pd P
Используя уравнения gradT = Чн
q
4к8
exp
( vx ^ 1
V 2а у
т= = —ср / А
( vx ^ (_ i V
V 2а J
—k„ r)-222 k, Р)]+j - 22 k, (r)
a r I V r
-K„(P2)+ 22к, p )|+j K, (P2)
a
2 УРг
(7)
(8)
Подставив значение q в выражение (1), найдем
- RJ
j = —Э— exp 4pRTS
V
vx
2a
— K0 (Рг) + 22 к, (Рг )| + j Щ2 к, (Рг)
a
2УР2
1
Величина плотности тока на поверхности пластины равна:
j(x, У)= КЭ
vx
4pKTd6XPl_ 2а Л
4K0 (Г2 ) + KО (Г2 K, (Г2 )+ гK,2 (г )
аг
(9)
а
г
Используя выражение (9), получим распределение плотности тока в изделии из стали Х18Н10Т при дуговой сварке (рис.3). На рис. 4 показаны изолинии плотности тока на поверхности пластины.
Рис.3. Распределение плотности тока на поверхности пластины
Рис.4. Изолинии плотности тока на поверхности пластины
Изолинии плотности тока сгущены перед дугой, что свидетельствует о том, что большая часть сварочного тока уходит через передний фронт сварочной ванны в более холодный металл по пути наименьшего электрического сопротивления.
По этим данным были построены графики изменения плотности тока вдоль линии сварки (рис 5).
Рис 5. Распределение плотности тока вдоль линии сварки
Положительные значения координаты соответствуют значениям плотности тока перед дугой, а отрицательные значения - сзади дуги. Плотность сварочного тока перед дугой больше, чем сзади дуги.
Эти результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными по измерению растекания сварочного тока, выполненными Райчуком Ю.И. [7].
Выводы
1. Используя данную методику, можно рассчитывать распределение плотности тока в сварочной ванне.
2. Большая часть сварочного тока уходит через передний фронт сварочной ванны.
Литература
1. Рыжов Р. М. Влияние импульсных электромагнитных воздействий на процессы формирования и кристаллизации швов // Автоматическая сварка. - 2007. - № 2. - С. 56-58.
2. Завьялов В. Е., Звороно Я. П., Петраков А. Б. Использование продольного магнитного поля при наплавке под флюсом // Сварочное производство. - 1990. - № 2. - С. 3-6.
3. Акулов А.И., Рыбачук А.М. Удержание жидкого металла сварочной ванны поперечным магнитным полем // Сварочное производство. - 1972. - № 2. - С. 9-10.
4. 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.
5. Коновалов А.В., Куркин А.С., Макаров Э.Л., Неровный В.М., Якушин Б.Ф. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / под. ред. В.М. Неровного. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 752 с.
6. Куркин А. С., Королев С. А., Пономарев П. А. Обоснование исключения послесварочной термической обработки кольцевых стыков магистральных газопроводов с толщиной стенки свыше 30 мм из стали к65 // Наука и образование. - 2013. - №5. - С. 10-13.
7. Райчук Ю.И. Распределение тока по пластине при дуговой сварке // Автоматическая сварка. -1967. - №4. - С. 19-22.
8. Рыбачук А.М., Чернышов Г.Г. Распределение сварочного тока в изделии и ванне при дуговой сварке // Сварка и Диагностика. - 2011. - №6. С. 16-20.
9. Рыбачук А.М., Чернышов Г.Г. Математическое моделирование физических процессов в дуге и сварочной ванне //Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.74с.
10. Рыбачук А.М., Гу Ц. Распределение сварочного тока в изделии и ванне при дуговой сварке // Наука и образование. - 2015. - №6. - С. 22-30.
