CC BY
13
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. № 15
ЗВАРЮВАЛЬНЕ ВИРОБНИЦТВО
УДК 621.791.753.042
Чигарев В.В.1, Щетинин C.B.2, Будыка A.B.3, Кондратенко АЛ.4,Щербина Д.О.5
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ СВАРОЧНОГО ТОКА ПРИ ОДНОСТОРОННЕЙ
СВАРКЕ ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Установлены закономерности воздействия зазора в стыке пластин на электромагнитное поле сварочного тока. Оптимальный зазор, установленный экспериментально, обеспечивает максимальное значение поля и качественное формирование швов при односторонней сварке на флюсовой подушке.
Интенсификация развития производства сварных конструкций приводит к необходимости повышения производительности и улучшения качества сварных соединений. Наиболее эффективным способом повышения производительности, снижения энерго- и материалоемкости процесса является односторонняя сварка, применение которой ограничено нарушением формирования обратного валика [1,2] в результате прожогов и вытекания жидкого металла из сварочной ванны. Качественное формирование сварных швов при односторонней сварке обеспечивается за счет удержания жидкого металла ванны флюсами, медными и медно-флюсовыми подушками, подкладками, поперечным магнитным полем [1,2,3].
Наибольшее распространение односторонняя сварка получила в Японии, где развитие односторонней сварки является приоритетным направлением в XXI веке [4].
Большой вклад в разработку способов односторонней сварки за счет удержания жидкого металла сварочной ванны поперечным магнитным полем внесли А.И.Акулов и А.М.Рыбачук[3]. Наиболее эффективным является удержание жидкого металла от вытекания из сварочной ванны за счет направленных вверх электромагнитных сил. Однако данных о возможности регулирования формирования швов при односторонней сварке за счет собственного электромагнитного поля сварочного тока недостаточно [5-7].
Разработка новых способов односторонней сварки, обеспечивающих улучшение качества обратного валика на флюсовой подушке, снижение энергоемкости и материалоемкости процесса является важной народно-хозяйственной проблемой.
Задачей исследований является изучение природы, способов регулирования и использования электромагнитного поля сварочного тока для обеспечения качественного формирования швов при односторонней сварке на флюсовой подушке.
При односторонней сварке на флюсовой подушке, применение которой ограничено неравномерным формированием обратного валика [1], на металл сварочной ванны действуют направленные вниз силы давления дуги Рд, электромагнитная сила Рэм, сила гидродинамического давления жидкого металла Рр и направленные вверх силы поверхностного натяжения Рпн и давления подушки РФП.
Давление дуги, которое является результатом пинч-эффекта, т.е. сжатия плазмы собственным магнитным полем [5], и действующие на жидкий металл электромагнитные силы определяют формирование швов при сварке.
На формирование сварных швов при односторонней сварке значительно влияет зазор в стыке, поэтому установлены закономерности воздействия величины зазора на распределение
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, канд. техн. наук
3 ПГТУ, аспирант
4 ПГТУ, аспирант
5 ПГТУ, аспирант
индукции электромагнитного поля сварочного тока.
Исследования электромагнитного поля производили на модели путем пропускания тока 4800А по пластинам (8x40x300)- 10°м с зазором, величина которого изменялась в пределах от нуля до ширины сварочной ванны 20-10°м. В качестве источника питания использовали сварочный выпрямитель ВМГ-5000.
Как установлено (рис. 1, 2, 3), на индукцию, электромагнитную силу и электромагнитное давление значительно влияет величина зазора в стыке. При уменьшении зазора в стыке пластин от 20-10"3 м до нуля максимальное значение индукции поперечного электромагнитного поля на оси стыка при постоянном токе возросло с 0,018 Т до 0,063 Т, что является результатом снижения магнитного сопротивления и увеличения магнитного потока.
Рис. 1-Зависимость индукции электромагнитного поля от зазора: 1-без зазора; 2-2-10_3м; 3-7-КГм: 4-20-1 (Гм
15 10 5 о -5 -10 Ь
Точка измерения, 10 "Зм
Рис.2-Зависимость электромагнитной силы от зазора:
1-без зазора; 2-2-КГм: 3-7-! (Г м: 4-20-1 (Гм
5 о -5 -ю Точка измерения, 10 м
Сравнение распределения электромагнитного поля при протекании тока по пластинам свидетельствует, что независимо от зазора индукция на средине толщины металла равна нулю и возрастает при приближении к поверхности пластин. Максимальное значение индукции достигается на поверхности пластин. При переходе от верхней к нижней поверхности направление вектора индукции электромагнитного поля изменяется на противоположное. С уменьшением зазора возрастает магнитный поток, который можно оценить по площади, ограниченной кривой распределения индукции и определяется как интеграл вектора магнитной индукции по некоторой поверхности [8], с увеличением которой магнитный поток возрастает. Увеличение магнитного потока является результатом уменьшения магнитного сопротивления в виде воздушной прослойки, которая характеризуется низкой магнитной проницаемостью.
С уменьшением зазора изменяется распределение индукции электромагнитного поля. При зазоре 20-10° м максимальное значение индукции достигается за пределами поверхности пластин на расстоянии 20-10°м. При зазоре 7-10°м максимальное значение индукции достигается на расстоянии 5-10° м от поверхности пластин. При зазоре 2-10° м и без зазора в стыке максимальное значение индукции достигается на поверхности пластин, что является следствием концентрации силовых линий в обладающем большой магнитной проницаемостью ферромагнетике.
Однако максимальное значение индукции при протекании тока по пластинам без зазора меньше, чем при зазоре 2-10°м. Это нельзя объяснить увеличением магнитного сопротивления,
так как в отсутствии зазора магнитное сопротивление минимально. Поэтому увеличение индукции электромагнитного поля сварочного тока при зазоре 2-10° м, по всей вероятности является следствием выпучивания силовых линий.
При удалении от поверхности без зазора и при зазоре 2-10"3 м электромагнитное поле сварочного тока, протекающего по пластинам, уменьшается, так как индукция прямо пропорциональна величине тока и обратно пропорциональна расстоянию от проводника.
Пропорционально индукции с уменьшением зазора в стыке возрастают электромагнитная сила с 20 Н до 91Н (рис.2) и в квадратичной зависимости [9] электромагнитное давление с 0,078 кПа до 1,588 кПа (рис.3).Соответственно уменьшаются направленные вниз электромагнитная сила и электромагнитное давление на жидкий металл ванны. Однако при увеличении зазора в стыке трудно удержать жидкий металл от вытекания из сварочной ванны вследствие погружения дуги в основной металл и повышения давления сварочной дуги. Кроме того, в результате снижения электромагнитного поля уменьшается отклонение дуги и скорость движения жидкого металла, повышается гидродинамическое давление. Поэтому при увеличении зазора в стыке формирование обратного валика при односторонней сварке на флюсовой подушке нарушается.
Рэм
1,2
0,4
-0,4
-0,8
-1,2
-1,6 15
1
2
3
4
\
Из полученных экспериментальных данных следует, что для повышения эффективности использования электромагнитного поля сварочного тока необходимо производить одностороннюю сварку при зазоре 2-10°м.
На дугу в процессе сварки действует собственное электромагнитное поле и электромагнитное поле тока, протекающего по изделию. Электромагнитное поле дуги приводит к пинч-эффекту, под действием которого активное пятно сжимается до обрыва и вновь возбуждается на другом месте. Благодаря пинч-эффекту и сжатию катодного пятна, размер которого согласно данным И.Г.Кесаева 10~б м, увеличивается плотность тока до 10м А/м2 [10] и усиливается автоэлектронная эмиссия электронов с поверхности катода. Минимальный размер катодного пятна подтверждается кратером сварочной ванны при наплавке на токоподвод составным электродом.
Под действием электромагнитного давления частички металла электрода в области активного пятна сжимаются, возникает направленная вниз электромагнитная сила, и происходит перенос электродного металла. При большой плотности тока, характерной для сварки под флюсом, наиболее вероятен перенос электродного металла в парах [11], что подтверждает наличие сильного электромагнитного поля в области активного пятна.
Электромагнитное поле сварочного тока, протекающего по изделию, приводит к перемещению дуги по торцу электрода и сварочной ванне, что определяет стабильность процесса и формирование швов.
Установленное изменение направления электромагнитного поля сварочного тока свидетельствует, что при односторонней сварке пластин, когда дуга погружается в основной металл, на нее действуют поля противоположных направлений.
При сварке от токоподвода дуга под действием электромагнитного поля сварочного тока при расположении выше средины толщины металла перемещается к верхней поверхности пластин, а при расположении ниже средины - к нижней поверхности пластин. При сварке на
ю
ю
Точка измерения, 10" м
Рис.З-Зависимость электромагнитного давления от зазора: 1-без зазора; 2-2-1 (Гм: 3-7-10_3м; 4-20-10_3м
токоподвод дуга под действием электромагнитного поля сварочного тока при расположении выше средины толщины металла перемещается вниз, а при расположении ниже средины -перемещается вверх.
Движение активного пятна под действием электромагнитного поля сварочного тока по торцу электрода и сварочной ванне в продольном и поперечном направлениях обеспечивает расплавление электрода различной формы, погружение дуги и расплавление основного металла на всю толщину при односторонней сварке.
Установленная закономерность распределения поперечного электромагнитного поля позволяет регулировать магнитогидродинамические явления в сварочной ванне и формирование швов при односторонней сварке.
Дальнейшие исследования в данном направлении являются перспективными, так как позволяют разработать новые способы односторонней сварки.
Выводы
1. Установлена закономерность воздействия величины зазора на распределение индукции, электромагнитной силы и электромагнитного давления в зазоре стыка, состоящая в том, что с уменьшением зазора электромагнитное поле усиливается, и максимальное значение индукции располагается на поверхности пластин.
2. Независимо от величины зазора на средине толщины свариваемого металла индукция электромагнитного поля сварочного тока, протекающего по пластинам, равна нулю и возрастает при приближении к поверхности. При переходе от верхней поверхности пластин к нижней индукция изменяет направление на противоположное.
3. При односторонней сварке пластин на дугу на верхней и нижней поверхности действуют электромагнитные поля противоположных направлений.
4. Установленный оптимальный зазор в стыке 2 мм обеспечивает максимальное электромагнитное поле сварочного тока впереди дуги и качественное формирование швов при односторонней сварке на флюсовой подушке.
Перечень ссылок
1. Тераи К. Современное состояние односторонней автоматической сварки /К.Тераи, М.Арикаеа. - Л.: Судостроение, 1974. - 135 с.
2. Веселков В. Д. Односторонняя сварка стыковых соединений стальных корпусных конструкций /В.Д. Веселков. - Л.: Судостроение, - 1984. - 198 с.
3. Акулов А.И. Удержание жидкого металла сварочной ванны поперечным магнитным полем /А.И. Акулов A.M. Рыбачук II Сварочное производство. - 1972. - № 2,- С. 3-4.
4. Вернадский В.Н. Япония определяет приоритеты в сварке на XXI век /В.Н.Вернадский II Автоматическая сварка. - 2002. - №3. - С.46.
5. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением / A.A. Ерохин. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.
6. Манделъберг С.Л.. Влияние магнитного поля сварочного контура на форму швов, свариваемых внутри трубы / С.Л. Манделъберг, В.Е. Лопата II Автоматическая сварка. -1962. №3. С. 1-6
7. Устранение влияния ферромагнитных масс при сварке внутренних швов /В.М.Иваненко, Н.М. Будник и др. II Автоматическая сварка. - 1966. - № 9. -С.50-51.
8. Ахиезер A.M. Общая физика. Электрические и магнитные явления IA.M. Ахиезер. -Киев: Наукова думка, 1981. - 470 с.
9. Абрамович Г.Н.Теория турбулентных струй /Г.Н. Абрамович. - М.: Физматгиз, 1960. - 715с.
10. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги /И.Г.Кесаев. - М.: Наука, 1968. - 244 с.
11. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга/Г.И.Лесков. - М.: Машиностроение, 1970. -335с.
Статья поступила 10.03.2005
