CC BY
13
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. № 16
ЗВАРУВАЛЬНЕ ВИРОБНИЦТВО
УДК 621.791.753.042
Чигарев В.В.1, Щетинина В.И.2, Щетинин C.B.3, Кондратенко А.Л.4, Щербина Д.О.5
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СВАРОЧНОГО ТОКА ПРИ ОДНОСТОРОННЕЙ СВАРКЕ
БАЛОК КОРОБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ
Установлены закономерности распределения и величины магнитного поля сварочного тока при односторонней сварке балок коробчатого сечения. Разработан способ односторонней высокоскоростной сварки балок коробчатого сечения, обеспечивающий качественное формирование швов на флюсовой подушке.
Балки коробчатого сечения, состоящие из двух швеллеров, являются основным несущим элементом контейнер-цистерны, транспортного средства, которое находит широкое применение.
При односторонней сварке качество формирования швов определяется стабильностью процесса, которая снижается при магнитном дутье. Замкнутый контур балок коробчатого сечения усиливает магнитное дутье, вследствие чего нарушается стабильность процесса и формирование швов. Поэтому для обеспечения качественного формирования швов при односторонней высокоскоростной сварке необходимо уменьшать магнитное дутье и стабилизовать процесс.
Наиболее полно магнитное поле сварочного тока исследовано при сварке труб [1 - 7]. Особенно усиливается магнитное дутье при сварке в начале и конце трубы, когда магнитные силовые линии, стремясь замкнуться через обладающий большой магнитной проницаемостью металл, концентрируются соответственно сзади и впереди дуги. При этом на дугу действует дополнительная электромагнитная сила, направленная к середине стыка [4, 8, 9]. Усиление магнитного дутья при сварке труб общеизвестно, однако магнитное поле при сварке балок коробчатого сечения с двумя стыками, которые позволяют исследовать распределение индукции по всему сечению балки, изучено недостаточно.
Разработка энерго- и материалосберегающих способов односторонней высокоскоростной сварки балок коробчатого сечения, обеспечивающих повышение скорости и улучшение качества формирования сварных швов, является важной проблемой.
Задачей исследований является изучение способов регулирования и использования магнитного поля сварочного тока для обеспечения качественного формирования швов при односторонней высокоскоростной сварке балок коробчатого сечения.
Исследование магнитного поля в балках коробчатого сечения производилось путем моделирования процесса сварки (рис.1) при пропускании постоянного тока величиной 4800А по швеллерам №6. Измерение индукции магнитного поля в балках коробчатого сечения производилось тесламетром Ф 4355, размеры зонда которого позволяют измерить индукцию в зазоре двух стыков и установить закономерности распределения магнитного поля по всему сечению балки (рис.2, 3). Зонд вводили в паз, и измеряли индукцию в зазоре одного стыка, затем внутри швеллеров, в зазоре другого стыка, на верхней и нижней поверхностях балки.
Как установлено (рис.2), индукция в стыке резко возрастает с 0,06Т в пластинах (рис.4, 5) до 0,ЗЗТ в стыке балки коробчатого сечения с одинаковой толщиной стенки 6-10~3м. Полученное значение индукции магнитного поля почти полностью совпадает с индукцией в трубе 0,35Т, что является следствием концентрации силовых линий магнитного поля в ферромагнитном теле
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ГТГТУ, канд. техн. наук
4 ГТГТУ, аспирант
5 ГТГТУ, аспирант
0,6 ■■ 1,26-■
-0,6 ■■ -1,26 - ■
Рис.1 -Моделирование процесса сварки балок коробчатого сечения (а) и при расположении швеллеров под острым углом (б)
44 22 0 -22 Ь
Расстояние от оси, 10" м
Рис.2 - Магнитное поле в балке коробчатого сечения
-0,8 -1,68 -0,8 ____
44 22 0 -22 Ь
Расстояние от оси. Ю-1 м
Рис.3 - Магнитное поле в балке при расположении швеллеров под острым углом
замкнутого коробчатого сечения, обладающего большой магнитной проницаемостью. Незначительное снижение индукции является следствием наличия второго стыка и дополнительного магнитного сопротивления.
С уменьшением толщины металла рост индукции в замкнутом контуре усиливается. При толщине стенки трубы 10-10"3 м индукция увеличилась в 3 раз по сравнению с пластинами. При толщине 6-10° м индукция в замкнутом контуре коробчатого сечения увеличилась более чем в 6 раз вследствие концентрации силовых линий магнитного поля сварочного тока.
Максимальное значение индукции располагается на середине толщины стенки балки и резко снижается при удалении от внешней и внутренней поверхности. Внутри балки коробчатого сечения индукция магнитного поля уже на расстоянии 10-10° м от внутренней поверхности равна 0,015 Т и нулю на оси балки. Во втором стыке балки коробчатого сечения закономерность распределения индукции сохраняется, но направление магнитного поля изменяется на противоположное.
Индукция определяет электромагнитные силы, которые приводят к магнитному дутью, нарушению стабильности процесса и формирования швов. Действующая на дугу и жидкий металл сварочной ванны электромагнитная сила [10]:
Рис.4 - Схема измерения индукции магнитного
45
30
9,0
Щ -3,0' о
-6,0
-9,0
-12,0
поля б пластинах
Рэм
3,0
-3,0
-4,0
в
____Рэм
--
! ~ ~
10 5 0 -5
Точка измерения, мм
Рис.5 - Магнитное поле в пластинах
•ч-з
(6x40x300)* 10 м
^ЭМ -1ВЬ,Н, где I - сварочный ток, А;
В - индукция магнитного поля, Т;
длина дуги и тока, протекающего
по жидкому металлу ванны, м.
Максимальное значение действующей на дугу и жидкий металл ванны электромагнитной силы возрастает с 0,075 Н в пластинах до 0,4 Н в балке коробчатого сечения, что усиливает магнитное дутье. В квадратичной зависимости от индукции изменяется электромагнитное давление [11]: >''2 - Па,
2 ц
где В - индукция магнитного поля, Т;
¡л - магнитная проницаемость воздуха,
471-10"7 Гн/м. Максимальное значение электромагнитного давления возрастает с 1,4 кПа в пластинах до 43,35 кПа в балке коробчатого сечения. Установленное значительное увеличение магнитного поля в балке коробчатого сечения возможно использовать для улучшения формирования обратного валика при односторонней сварке на флюсовой подушке.
При постоянном значении величины тока магнитное поле значительно возрастает при расположении швеллеров балки коробчатого сечения под острым углом (рис. 16). Как установлено (рис.З), при расположении швеллеров под острым углом индукция магнитного поля сварочного тока в месте контакта швеллеров возрастает более чем в
2 раза с 0,33 Т до 0,69 Т. Это является следствием концентрации силовых линий магнитного поля в области контакта швеллеров (рис. 16), так как силовые линии стремятся пройти по пути наименьшего магнитного сопротивления в области ферромагнетика.
В соответствии с индукцией при расположении швеллеров под острым углом возрастает с 0,4 Н до 0,83 Н электромагнитная сила и в квадратичной зависимости электромагнитное давление с 43,35 кПа до 189,5 кПа.
Установленную закономерность увеличения магнитного поля при расположении кромок под острым углом целесообразно использовать для разработки новых способов сварки с использованием магнитного поля сварочного тока.
Для предотвращения магнитного дутья разработан способ электродуговой сварки с двухсторонним токоподводом, при котором регулируется действующая на дугу и жидкий металл ванны электромагнитная сила за счет пропускания сварочного тока впереди и позади дуги [12].
Односторонняя высокоскоростная сварка балок коробчатого сечения производится под стандартным стекловидным флюсом ОСЦ-45М или АН-348АМ мелкой грануляции, который используется и во флюсовой подушке, что обеспечивает равномерное давление флюсовой подушки и качественное формирование обратного валика.
Разработанный процесс односторонней высокоскоростной сварки балок коробчатого сечения с двухсторонним токоподводом под стекловидным флюсом мелкой грануляции
повышает стабильность и качество формирования швов, снижает материалоемкость и энергоемкость процесса.
Установленные закономерности регулирования магнитного поля могут быть использованы при сварке котлов железнодорожных цистерн.
Дальнейшие исследования в данном направлении являются перспективными, так как позволяют разработать новые способы односторонней высокоскоростной сварки.
Выводы
1. Установлена закономерность воздействия формы изделия на магнитное поле сварочного тока. При сварке балок коробчатого сечения индукция магнитного поля возрастает более чем в 3 раза по сравнению со сваркой пластин вследствие концентрации силовых линий в замкнутом ферромагнитном теле.
2. Форма изделия влияет на распределение индукции магнитного поля. При сварке пластин максимальные значения индукции располагаются на поверхностях и противоположно направлены. На середине толщины металла индукция равна нулю, поэтому отклонение дуги и магнитное дутье минимально. При сварке балок коробчатого сечения максимальное значение индукции располагается на середине толщины стенки балки, что усиливает отклонение дуги под действием электромагнитной силы и магнитное дутье.
3. Магнитное поле сварочного тока возрастает при расположении кромок под острым углом вследствие концентрации силовых линий в месте контакта ферромагнитных швеллеров, обладающих большой магнитной проницаемостью.
4. Регулирование действующей на дугу и жидкий металл сварочной ванны электромагнитной силы обеспечивает стабильность процесса и качественное формирование швов на флюсовой подушке при односторонней высокоскоростной сварке балок коробчатого сечения.
Перечень ссылок
Патон Б.Е. Сварка под флюсом при изготовлении труб большого диаметра /Б.Е. Патон,
С.Л.Манделъберг. // Автоматическая сварка. - 1968. - № 3. - С.41-46. Патон Б.Е. Магнитогидродинамические явления при электрической сварке и их исполь-зование
/Б.Е. Патон, В.К. Лебедев //Новые проблемы сварочной техники. Киев, 1964. - 78с. Лебедев В.К. Магнитогидродинамические явления при дуговой сварке // Техническая
электромагнитная гидродинамика /В.К Лебедев. - М.: Металлургия, 1965. - С.32-38. Гаген Ю.Г. Сварка магнитоуправляемой дугой / Ю.Г. Гаген, В.Д. Таран. - М.: Машиностроение, 1970,- 157с.
Манделъберг С.Л. Влияние магнитного поля сварочного контура на форму швов, свариваемых внутри трубы / С.Л. Манделъберг, В.Е. Лопата. // Автоматическая сварка. - 1962. - № 3 - С. 1-6.
Манделъберг С.Л. Магнитное управление дугой при сварке под флюсом /С.Л. Мандельберг //
Автоматическая сварка. - 1962. - № 9. - С. 3-12. Манделъберг С.Л. Магнитное взаимодействие дуг при двухдуговой трехфазной сварке /
С.Л.Манделъберг // Автоматическая сварка. - 1966 - № 4. - С. 30-36. Guill А.Е. The magnetic movement of short arc. With reference to arc welding problems / A.E.Guill //
Brit. Weld, j.-1966. - 13, №6.-P. 8-11. Jenings С.П. Magnetic arc Blow / С.П. Jenings. and A.B. White // The Welding Journal. - 1941. - Vol. 20, № 10. - P. 11-13.
Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга Г.И. Лесков. - М.: Машиностроение, 1970. -335с. Абрамович Г.И. Теория турбулентных струй /Г.И. Абрамович. - М.: Физматгиз, 1960. - 715с. Ас.1524981 СССР МКИ В23К 31/06, 9/18 Способ дуговой сварки/ЯЯ. Щетинина, А.И.Акулов
Статья поступила 10.03.2006
