CC BY
15
ВЕСТЩ1К
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГ О ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000 г. I Вып.№9
УДК 621.791.753.042
Щетинин C.B.1, Чапни Н.И.2
КОНЦЕНТРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СВАРОЧНОГО КОНТУРА
Установлены основные закономерности регулирования электромагнитного поля сварочного контура. Концентрация электромагнитного поля обеспечивается при расположении внутри трубы токоведущего кабеля и магнитопровода с токоведу-щим кабелем под стыком.
При сварке в значительной степени изучено и используется электромагнитное поле сварочного контура в многодуговом процессе, магнитогидродинамические явления которого дополняются электромагнитным взаимодействием дуг, характер которого зависит от рода и сдвига фаз сварочных токов, фазировки электродов, направления, а также плотности тока в изделии [1,2].
При однодуговой сварке электромагнитное поле сварочного контура изучено и используется недостаточно. В основном, при однодуговой сварке применяются специальные магнитные поля, под действием которых дуга отклоняется вдоль оси шва в направлении, определяемом направлением магнитного поля [3], что используется для улучшения формирования швов при односторонней сварке и обеспечения стабильности процесса двухдуговой сварки за счет компенсации электромагнитного взаимодействия дуг [4]. Для повышения стабильности процесса и регулирования глубины проплавления применяется продольное электромагнитное поле, которое приводит дугу во вращение [5]. Однако использование посторонних магнитных полей ограничено сложностью жесткой фиксации индуктора относительно электрода и обеспечения постоянного зазора между полюсами магнита и изделием.
Влияние собственного магнитного поля значительно усиливается при сварке внутренних и внешних швов трубы [6,7], так как оно концентрируется в замкнутом ферромагнитном теле трубы. Учитывая, что проявление магнитогидродинамических явлений при сварке труб возрастает и формирование обратного валика в значительной степени определяется давлением дуги и электромагнитными силами, необходимо изучить и разработать способы регулирования и использования собственного электромагнитного поля сварочного контура для улучшения формирования швов при односторонней сварке на флюсовой подушке.
Исследования электромагнитного поля сварочного тока, протекающего по изделию, производили по специально разработанной методике путем измерения индукции в зазоре стыка, на верхней и нижней поверхностях и на расстоянии от изделия.
В результате проведенных исследований установлено, что индукция, электромагнитная сила и электромагнитное давление значительно усиливаются при расположении внутри токоведущего кабеля, направление тока в котором совпадает с направлением тока в трубе (рис. 1).
При пропускании внутри трубы тока одинакового направления с током, протекающим по трубе, максимальное значение индукции электромагнитного поля смещается с середины к нижней поверхности и возрастает с 0,35 Т до 0,55 Т (рис.2). Это является результатом принципа суперпозиции электромагнитного поля, согласно которому магнитное поле, создаваемое несколькими токами, равно векторной сумме магнитных полей, создаваемых каждым током в отдельности:
в = Ц+в2,т,
где В1 - индукция электромагнитного поля, создаваемая током, протекающим по трубе;
В- - индукция электромагнитного поля, создаваемая током, протекающим внутри трубы.
1 ПГТУ, аспирант.
2 ПГТУ, аспирант.
В работе принимали участие
студенты Гаркуша А.Н., Голубков С.П., Борисов В.Н.
а) б)
Рис.1 - Схема измерения индукции электромагнитного поля с токоведущим кабелем внутри трубы: а - направление тока внутри трубы совпадает с направлением тока в трубе; б - направление тока внутри трубы противоположно направлению тока в трубе.
а) б)
Рис. 2 - Электромагнитное поле с токоведущим кабелем внутри трубы с одинаковым направлением (а) и противоположным направлением (б) тока внутри трубы.
Пропорционально индукции при протекании внутри трубы тока, направление которого совпадает с током в трубе, электромагнитная сила возрастает с 504 Н до 792 Н и электромагнитное давление - с 49 кПа до 121 кПа.
При протекании внутри трубы тока, направление которого противоположно направлению тока в трубе (рис. 16), направление индукции электромагнитного поля изменяется на противоположное (рис. 3). При этом максимальное значение индукции равно 0,375 Т. Изменение направления индукции на противоположное свидетельствует о том, что электромагнитное поле определяется током, протекающим внутри трубы, так как токи внутри трубы создают поле, силовые линии которого замыкаются в ферромагнитном теле трубы.
При этом создается направленная вверх электромагнитная сила величиной 540 Н и электромагнитное давление 56 кПа, которое может удерживать жидкий металл от вытекания из сварочной ванны при односторонней сварке. Максимальное значение индукции, электромагнитной силы и электромагнитного давления расположено на нижней поверхности стенки трубы, что обеспечивает качественное формирование обратного валика.
Установленные закономерности регулирования электромагнитного поля могут быть использованы при сварке пластин. При протекании тока по пластинам с токоведущим кабелем, по которому протекает ток одинакового направления с током в пластинах, индукция не изменяет направление по толщине металла. Максимальное значение индукции достигается на середине толщины металла. На нижней поверхности пластин индукция резко падает, так как направление индукции токов под стыком и в пластинах противоположны.
В соответствии с индукцией при расположении под стыком токоведущего кабеля электромагнитная сила и электромагнитное давление максимальны на середине толщины пластины. Электромагнитное давление составляет 9 кПа.
Электромагнитное поле в пластинах белее значительно возрастает при расположении под пластинами ферромагнитной полутрубы. При этом индукция в зазоре стыка пластин распределяется как в трубе. Максимальное значение индукции, располагающееся на нижней поверхности, превышает максимальное значение индукции в трубе. Это, по всей вероятности, является следствием приближения пластины к нижней стенке трубы.
При расположении под пластинами полутрубы с токоведущим кабелем и током одинакового направления с направлением тока в пластинах индукция возрастает. Это соответствует данным, полученным при протекании тока по трубе с токоведущим кабелем внутри трубы, и является результатом принципа суперпозиции. При расположении в полутрубе токоведущего кабеля электромагнитная сила и электромагнитное давление возрастают.
При расположении под пластинами трансформаторного железа сечением (31 х80х95х67)-10'3 м (рис. За) индукция электромагнитного поля увеличилась (рис. 4а) по сравнению с расположенным под пластинами полутрубой, несмотря на меньшую длину трансформаторного железа. Это обусловлено высокой магнитной проницаемостью трансформаторного железа. В результате повышения индукции увеличилась электромагнитная сила до 795 Н и электромаг нитное давление до 121,9 кПа.
а) б)
Рис. 3 - Схема измерения индукции электромагнитного поля в пластинах с магнитнопроводом (а) и токоведущим кабелем в магнигопроводе (б)
а) б)
Рис. 4 - Электромагнитное поле сварочного контура в пластинах с магнитопроводом (а) и токоведущим кабелем в магнигопроводе (б).
Особенно резко возросла индукция электромагнитною поля до 1,38 Т (рис. 46) при расположении в трансформаторном железе токоведущего кабеля (рис.36). Увеличение индукции более чем в 2 раза и расположение максимального значения индукции на нижней поверхности пластин свидетельствуют о главной роли тока, Протекающего в магнитопроводе. Это обусловлено концентрацией всех силовых линий поля тока в магнитопроводе и пластинах. В результате при расположении под пластинами магнитопровода электромагнитная сила повысилась до 1987 Н, и электромагнитное давление возросло до 761,76 кПа. Полученные значения свидетельствуют о целесообразности использования электромагнитного поля при сварке.
Выводы
1. Установлено, что электромагнитное поле сварочного контура увеличивается при протекании внутри трубы тока, направление которого совпадает с направлением тока, текущего по трубе. Концентрация силовых линий электромагнитного поля в ферромагнитном теле трубы, обладающем большой магнитной проницаемостью, повышает индукцию, электромагнитную силу и электромагнитное давление.
2. При протекании внутри трубы тока, направление которого противоположно направлению тока в трубе, создается электромагнитное поле противоположного направления и возникают направленные вверх электромагнитные силы и электромагнитное давление, которые могут быть использованы для удержания жидкого металла от вытекания из сварочной ванны при односторонней сварке.
3. Для увеличения направленных вверх электромагнитных сил целесообразно располагать под
стыком магнитопровод из трансформаторного железа с токоведущим кабелем и пазом минимальной ширины, что обеспечивает концентрацию и эффективное использование электромагнитного поля для улучшения формирования швов при односторонней сварке.
Перечень ссылок
1. Файнберг Л.И. К оценке электромагнитных сил, действующих на дуги при многодуговой сварке //Автоматическая сварка. - 1999. - № 8. - С.25 -29.
2. Манделъберг С.Л. Магнитное взаимодействие дуг при трехфазной сварке // Автоматическая
сварка. - 1996. - № 4. - С. 30.36,
3. Манделъберг С.Л. Магнитное управление дугой при сварке под флюсом // Автоматическая
сварка. - 1962. - № 9. - С. 3-12.
4. Быховский Д. П. Электромагнитное взаимодействие между дугами при двухдуговой сварке // Сварочное производство. - 1977. - № 3. - С. 2-12.
5. Формирование сварных швов в продольном магнитном поле при арго но дуговой сварке / В.Н. Селяненков, В.А. Блинков, Ю.В. Казаков, В.И. Баженов П Сварочное производство -
1975. -№ 2. -С. 5-7.
6. Манделъберг С.Л.^Лопата В.Е. Влияние магнитного поля сварочного контура на формиро-
вание швов, свариваемых внутри трубы//Автоматическая сварка-1962.-№ 3-С. 1-6.
7. Патон Б.Е., Манделъберг С.Л. Сварка под флюсом при изготовлении труб большого диа-
метра//Автоматическая сварка. - 1968. - № 3. - С. 41 -46.
Щетинин Сергей Викторович. Аспирант кафедры «Металлургия и технология сварочного производства», окончил Мариупольский металлургический институт в 1986 году. Основные направления научных исследований - теоретические основы односторонней сварки и исследование электромагнитного поля сварочного контура.
Чапни Николай Игнатьевич. Аспирант кафедры «Металлургия и технология сварочного производства», окончил Приазовский государственный технический университет в 1998 году. Основные направления научных исследований - теоретические основы исследования электромагнитного поля сварочного контура.
