Использование магнитных полей при дуговой наплавке Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип. № 10

УДК 621.791.927.5

Размышляев А.Д.1, Маевский В.Р.2, Иванов В.П.3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКЕ

Показано, что для эффективного управления геометрическими размерами зоны проплавлений основного металла при дуговой наплавке под флюсом изделий из ферромагнитных сталей целесообразно использовать не поперечные, а продольные магнитные поля частотой 5... 50 Гц, либо постоянное продольное поле. Приведены данные по эффективности использования продольных магнитных полей при наплавке деталей, имеющих форму тел вращения.

Использование внешних (управляющих) магнитных полей при электродуговой наплавке проволокой под флюсом позволяет повысить эффективность процесса за счет увеличения ширины валика и уменьшения размеров зоны проплавлення основного металла [1].

При наплавке изделие обычно изготовлено из сталей, которые являются ферромагнитными материалами (например, малоуглеродистая сталь). Возможность использования поперечных магнитных полей (ПОМП) при наплавке таких сталей многими исследователями ставилась под сомнение в связи со значительным ослаблением тангенциальной компоненты индукции поля у поверхности изделия - ферромагнетика. Литературные данные об эффективности использования для этих целей продольных магнитных полей (ПРМП) весьма противоречивы. Это сдерживало применение магнитных полей при наплавке указанных сталей и потребовало выполнения исследований, результаты которых приведены ниже.

Для процесса наплавки под флюсом в ПОМП весьма важными являются данные о величине поперечного (поперек оси валика) отклонения столба дуги у поверхности изделия (активного пятна дуги на изделии) под действием магнитного поля. Определить их расчетным путем даже при воздействии постоянного (по знаку) ПОМП не удается, поскольку при наплавке под флюсом на пространственную устойчивость дуги оказывает влияние шлако-газовая полость, в которой горит дуга, плазменные потоки в столбе дуги и другие факторы, которые учесть сложно. Поэтому поперечные отклонения дуги у изделия при воздействии ПОМП определяли экспериментально.

Было изготовлено устройство в виде П-образного электромагнита, на полюсы которого укладывали наплавляемые пластины из немагнитной стали 1Х18Н10Т толщиной 15...20 мм, и осуществляли наплавку проволокой Св-06Х18Н9Т диаметром 4 мм под флюсом АН-26 постоянным током обратной . полярности. Конструкция электромагнита обеспечивала равномерное распределение поперечной (вдоль оси наплавки) компоненты индукции Вх ПОМП в центральной части между полюсами, а нормальная компонента индукции не превышала 5... 10 % значений компоненты Вч,

Экспериментально установлено, что при воздействии постоянного ПОМП установившаяся максимальная величина отклонения оси валика (активного пятна дуги на изделии) пропорциональна величине Вх (рис.1). В качестве примера на рис.1 приведены расчетные данные (кривая 1), выполненные с использованием подхода, сформулированного в работе [2] в предположении, что пространственное положение столба дуги в ПОМП определяется в результате взаимодействия магнитного поля от тока в вылете электрода с внешним магнитным полем. Фактически дуга существует без обрывов при более значительной величине индукции Вх, чем по расчетным данным. В отличие от расчетных данных, в

1 ГЕГТУ, д-р техн. наук, профессор

2 ОАО «Азов», канд. техн. наук

3 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент

экспериментах наблюдали увеличение отклонения оси дуги у поверхности изделия (оси валика) при увеличении тока наплавки. Все это свидетельствует, как уже указывалось, о более сложном механизме влияния ПОМП на смещение пятна дуги на изделии при наплавке под флюсом, чем это принято в расчетной схеме.

S S

G

>»

ч

я

в ;

4»

S

м m

4J

Я

0

1 h

О

Компонента индукции Вх, мТл

Рис. 1 - Зависимость величины смещений пятна дуги на изделии от величины индукции В* поперечного магнитного поля: 1- расчетные данные (d, = 5 мм, 1„ = 800 А); 2, 3, 4 -экспериментальные данные:

2 - d, = 5 мм, 1Н = 800 А; 3 - d, = 5 мм, 1„ = 500 А; 4 - dj = 4 мм, 1„ = 500 А.

При знакопеременном магнитном поле частотой f = 0.5 Гц и такой же величине

индукции, как и при наплавке с воздействием постоянного магнитного поля, ось валика смещается в соответствии с изменениями индукции поля, но смещения оси валика в 2 - 3 раза меньше, чем при действии постоянного поля. При частоте f = 1 Гц и такой же индукции Вх ПОМП смещения оси валика в два раза меньше, а при частоте f > 2 Гц - практически отсутствуют. Эти данные позволяют установить, что ось валика смещается только тогда, когда под действием ПОМП смещается в сторону (поперек направления наплавки) вся система: дуга - шлако-газовая полость. Шлако-газовая полость, в которой горит дуга при наплавке под флюсом, оказывает существенное влияние на поведение дуги при воздействии ПОМП.

Для того, чтобы воздействовать ПОМП на дугу при наплавке на ферромагнитные изделия, изготовлено устройство в виде П-образного электромагнита, которое устанавливали в зоне дуги над изделием и транспортировали при наплавке вместе со сварочным автоматом.

Данные о влиянии ПОМП частотой f = 50 Гц на размеры поперечного сечения валика при дуговой наплавке проволокой СВ - 08А под флюсом АН - 348А на сталь ВМСтЗсп (ферромагнетик) приведены на рис.2. При линейном увеличении индукции В„ увеличение ширины валика происходит в одинаковой степени при наплавке изделий из немагнитных и ферромагнитных сталей. При одной и той же величине намагничивающей силы устройства увеличение ширины валика при наплавке на немагнитную сталь в 4...5 раз больше, чем при наплавке на ферромагнитную сталь, что связано с ослабляющим действием ферромагнетика на тангенциальную (поперечную) компоненту индукции В„ ПОМП. Поскольку при частоте f = 50 Гц ПОМП в жидком металле ванны направленных потоков (под действием электромагнитной силы Лоренца) не возникает, то эффект расширения валика и уменьшения глубины проплавлення основного металла (Н„р) получен в результате взаимодействия тока в дуге с ПОМП. При наплавке с воздействием ПОМП максимально возможное увеличение ширины валика составляет 40 %, уменьшение глубины и площади проплавлення - 20 %.

Лимитирующим фактором является то, что при значениях индукции Вх > 20 мТл происходят обрывы дуги, нарушается стабильность процесса наплавки.

Для изучения особенностей процесса дуговой наплавки под флюсом при воздействии продольного магнитного поля (ПРМП) изготовлено устройство, содержащее катушку из медного провода и ферромагнитный сердечник с плоским срезом. Это устройство крепили к мундштуку сварочного автомата, сварочная проволока проходила через отверстие внутри сердечника.

S S

Ю

«

Ьй

5

ч «

в

я Я

X

6

s

2 0

s s

а s

И

Я X v

ч

¡0 «

4

В

©

а Б я В

5

Ю ^

£

- 5

- 4.5

5.5

3.5

S S

Я

¡в в

в

«

и «

H о

W

M

•В

M

1 4

1 6

1 8

2 0

Компонента индукции В„ мТл

Рис.2 - Влияние индукции В„ поперечного магнитного поля на размеры наплавленного валика: f = 50 Гц, d, = 5 мм, 1н = 750-7180 А, ид = 34-36 В, VH = 8.33 мм/с; (пунктирные линии - размеры валика без магнитного поля). 1- В; 2 - Нпр; 3 - Нус.

Выполняли наплавку на пластины из стали ВМСтЗсп проволокой СВ - 08А диаметром 4 и 5 мм под флюсом АН - 348А на обратной полярности при воздействии ПРМП и без воздействия магнитного поля.

Постоянное и знакопеременное частотой f = 50 Гц ПРМП влияют практически в одинаковой степени на геометрические размеры валика (рис. 3). При воздействии постоянного ПРМП ось валика смещается. Установлено, что ось валика смещается в ту сторону (поперечно относительно направления наплавки), куда движется жидкий металл в хвостовой части ванны. Пятно Дуги смещается в этом же направлении, поскольку располагается на расплавленном металле.

Если изменять направление ПРМП с определенной периодичностью, то, как установлено измерениями при моделировании ванны сплавом Вуда, в хвостовой части ванны индуцируется поперечная компонента скорости потока на длине, составляющей '/з-.Лг длины ванны.

При частоте f > 5 Гц из-за значительной инерционности массивной жидкой ванны

поперечная скорость потока в ванне не индуцируется. Следовательно, при частоте ПРМП свыше 5 Гц влияние потоков жидкого металла ванны на ее размеры можно не учитывать. Изменения размеров валика при воздействии ПРМП частотой свыше 5 Гц связаны с перестройкой сварочной дуги (ее формы, давления на изделие).

Установлено, что при частоте f = 50 Гц ПРМП приращение ширины валика пропорционально увеличению индукции Вг магнитного поля. При увеличении диаметра электродной проволоки это приращение значительно возрастает, что связано с меньшим шунтированием (ослаблением) магнитного поля ферромагнитным изделием менее углубленной дугой, горящей на проволоке большего диаметра. При наплавке проволокой диаметром 5 мм с

использованием ПРМП ширина валика возрастает в 1,5 раза при индукции Вг = 20 мТл, а глубина и площадь зоны проплавлення уменьшаются в 2 раза по сравнению с наплавкой без ПРМП. При увеличении Bz свыше 20 мТл влияние поля на указанные размеры возрастает. Принципиально возможно увеличение ширины валика в 2 раза с уменьшением площади проплавлення при этом - в 3 раза. Ограничение по величине Bz связано с образованием пор в наплавляемом валике из-за того, что дуга в ПРМП вращается относительно ее продольной оси и в ней создается вакуум [2]. При использовании проволоки СВ - 08А предельным значением по этому условию является Bz = 50 - 55 мТл, а проволоки СВ - 08Г2С - Bz = 70 мТл. Таким образом, с повышением степени легирования проволоки предельные значения индукции Вг ПРМП могут быть повышены. Этот вопрос требует детального изучения.

«»IwlMlO

а)

6)

Рис.3 - Зависимость размеров наплавленных валиков от частоты продольного магнитного поля (Вг = 20 Мтл): а - = 5 мм, 1к = 750-780 А, ид = 34-36 В, V,, = 8.33 мм/с; б - й, = 4 мм, 1н = 550-570 А, ид = 34-35 В, V,, = 1.23 см/с (1-без поля; 2,4 -переменное магнитное поле частотой 4 Гц и 50 Гц, соответственно; 3 -

постоянное магнитное поле).

Как и в работе [3], при наплавке с использованием ПРМП наблюдали увеличение коэффициента расплавления электрода на 25..30 %.

Таким образом, для повышения производительности процесса и эффективного управления геометрическими размерами валиков при наплавке под флюсом изделий из ферромагнитных сталей целесообразно применять не ПОМП, а ПРМП частотой ^ = 5... 50 Гц, либо постоянное продольное магнитное поле.

Постоянное ПРМП было использовано при восстановлении дуговой наплавкой под флюсом геометрических размеров изношенных деталей, имеющих форму тел вращения При этом повышена производительность процесса наплавочных работ на 30 %, глубина и площадь зоны проплавлення основного металла уменьшены в 2 раза, в 2 раза уменьшена глубина впадин между смежными валиками (наплавка по винтовой схеме), за счет чего в 2 раза уменьшены трудозатраты на механическую обработку наплавленной поверхности.

Следует отметить необходимость выполнения дальнейших исследований по уточнению механизма взаимодействия ПРМП со сварочной дугой и жидким металлом сварочной ванны, по разработке оптимальных конструкций устройств ввода ПРМП в зону дуги с целью широкого внедрения этого способа наплавки в производство.

Выводы

1. Для эффективного управления геометрическими размерами валика и повышения производительности процесса дуговой наплавки под флюсом изделий из ферромагнитных сталей целесообразно применять не ПОМП, а ПРМП частотой Г = 5... 50 Гц.

2. Необходимо выполнение исследований по уточнению механизма взаимодействия ПРМП со сварочной дугой под флюсом и жидким металлом сварочной ванны, разработке оптимальных конструкций устройств ввода ПРМП в зону дуги с целью широкого внедрения в производство способа наплавки с использованием управляющих ПРМП.

Перечень ссылок

1. Размышляев А.Д. Управление геометрическими размерами шва при дуговой сварке и наплавке воздействием магнитных полей // Сварочное производство.-] 994.-№9.-С.28-31.

2. Леваков B.C., Любавский КВ. Влияние продольного магнитного поля на электрическую дугу с неплавящимся вольфрамовым катодом // Сварочное производство -1965.-№10.-С.9-12.

3. Болдырев A.M., Биржев В.А., Черных A.B. Повышение производительности расплавления электродной проволоки при сварке в продольном магнитном поле // Сварочное производство.-1989.-№4. -С. 18-19.

Размышляев Александр Денисович. Д-р техн. наук, проф. каф. "Оборудование и технология сварочного производства", окончил Ждановский металлургический институт в 1964 г. Основные направления научных исследований - разработка научных основ и средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке. Маевский Владимир Рудольфович. Канд. техн. наук, инж. ОАО "Азов", окончил Ждановский металлургический институт в 1986 г. Основные направления научных исследований -разработка научных основ и средств управления формированием сварных швов при дуговой сварке и наплавке деталей прокатного и металлургического оборудования, создание программного обеспечения в области сварки и наплавки.

Иванов Виталий Петрович. Канд. техн. наук, доцент кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", старший научный сотрудник ОНИ Л наплавки, окончил Ждановский металлургический институт в 1986 г. Основные направления научных исследований -разработка материалов и технологии для наплавки деталей прокатного и металлургического оборудования, создание программного обеспечения в области сварки и наплавки.