CC BY
16
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. № 14
УДК 621.791.753.042
Чепурной А.Д.1, Щетинина В.И.2, Щетинин C.B.3,Михайлов А.Е.4 ,Будыка A.B.5
ОДНОСТОРОННЯЯ СВАРКА ТРУБ ДЛЯ ГАЗО- И НЕФТЕПРОВОДНЫХ
МАГИСТРАЛЕЙ
Установлены закономерности воздействия толщины металла на электромагнитное поле сварочного тока. Разработан способ односторонней сварки труб, обеспечивающий качественное формирование обратного валика на флюсовой подушке за счет создания направленной вверх электромагнитной силы.
Интенсификация развития трубопроводов для газо- и нефтепроводных магистралей приводит к необходимости повышения производительности и улучшения качества сварных соединений. Наиболее эффективным способом повышения производительности, снижения энерго- и материалоемкости процесса является односторонняя сварка. Однако применение односторонней сварки 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 сварочной ванны специальными подкладками одноразового использования, флюсами, медными и медно-флюсовыми подушками, поперечным магнитным полем[1,2,3].
Использование специальных подкладок ограничено трудностью изготовления и крепления подкладок. При односторонней сварке на медной и флюсомедной подкладке возможны смещения подкладок и протеки жидкого металла, которые трудно удалять внутри трубы. Кроме того, это приводит к приварке медных планок к трубе и увеличению расхода меди. При сварке на флюсомедной подкладке обратный валик из-за малого количества флюса недостаточно раскислен, формируется бугристым, без плавного перехода к основному металлу. Использование внешних магнитных полей ограничено трудностью обеспечения постоянного расстояния между магнитопроводом и изделием. Поэтому наиболее целесообразно использовать собственное электромагнитное поле сварочного тока и производить одностороннюю сварку труб на флюсовой подушке, применение которой ограничено неравномерным формированием обратного валика при сварке проволочным электродом[1].
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[4-6].
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.
Индукция определяет величину электромагнитной силы и давления на жидкий металл сварочной ванны. Действие электромагнитного поля на жидкий металл сварочной ванны обусловлено протеканием тока по ванне и воздействием поля на металл как на проводник с током. Ток от активного пятна растекается по жидкому металлу ванны, который движется
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ГТГТУ, канд. техн. наук, доц.
4 ГСКТИ, главный сварщик
5 ГТГТУ, аспирант
под действием электромагнитного поля и определяет формирование швов.
Одним из основных факторов, определяющих формирование швов, является толщина металла, поэтому проведены исследования влияния толщины на электромагнитное поле сварочного контура. Исследования электромагнитного поля сварочного тока производили на модели путем пропускания тока по пластинам и трубе. Для адекватности модели реальным условиям сварки и компенсации отсутствия дуги величина тока, протекающего по изделию, повышена с 2100А для сварки составным электродом до 4800А. В качестве источника питания использовали сварочный выпрямитель ВМГ-5000. Экспериментальные данные индукции электромагнитного поля, полученные при сварке в производственных условиях труб для газо- и нефтепроводных магистралей диаметром 426-10 м с толщиной стенки 8-10°м, хорошо согласуются с данными, полученными при моделировании. Это подтверждает адекватность модели реальным условиям сварки труб.
В результате проведенных исследований установлено, что с увеличением толщины пластин шириной 0,04 м и длиной 0,3м с 4-10° м до 16-10° м индукция электромагнитного поля возрастает с 0,035 до 0,15 Т. Это является следствием увеличения ферромагнитной массы и усиления поля под действием ферромагнетика. Независимо от толщины металла при протекании тока по пластинам индукция максимальна на поверхности, на середине толщины металла равна нулю и изменяет направление на противоположное при переходе от верхней к нижней поверхности. В соответствии с индукцией направленная вниз электромагнитная сила максимальна на поверхности пластин, что приводит к образованию подрезов.
При протекании тока по трубе изменяется распределение электромагнитного поля, возрастает индукция и максимальное значение достигается на середине толщины металла трубы (рис. 1). При протекании тока по трубе диаметром 60-10° м с толщиной стенки 10~2 м резко возрастает максимальное значение индукции с 0,1Т при протекании тока по пластинам до 0,35Т. Направление вектора индукции не изменяется, а максимальное значение достигается на середине толщины трубы. Изменение характера распределения и величины индукции является результатом того, что силовые линии электромагнитного поля концентрируются в замкнутом ферромагнитном теле трубы, контур которой совпадает с силовыми линиями электромагнитного поля. Значение индукции равно нулю в центре трубы и имеет
600 ■ 90 СО в
/В
■5500' т я ■§400' О 3 в |зоо- I75 о" К К и ■§60 га ч о О ■ §45 к
\
^Рэм
о Й200. н П Й о л ■В 30 о к Г)
1 1( к
■ 100' 0 . 15 0] \\
У ¿¡У
6 0 -б. Точка измерения, 10 м
а
15
7,5
0
-7,5
з
Точка измерения, 10 м б
Рис. 1-электромагнитное поле сварочного тока в трубе диаметром 60-10°м толщиной 3-10°м(а) и 10-10°м(б): величина тока 4800А, зазор в стыке 2-10°м
противоположное направление в области нижней стенки. В соответствии с индукцисй| 8,9 |при протекании тока по трубе возрастает с 144 Н до 504 Н электромагнитная сила (рис.1). Индукция определяет электромагнитное давление, действующее на жидкий металл [10]. Поэтому при сварке труб в квадратичной зависимости от индукции возрастает электромагнитное давление с 4 кПа до 49 кПа, усиливается магнитное дутье и влияние электромагнитного поля сварочного тока на формирование швов.
Как установлено, при протекании тока по трубе максимальное значение индукции электромагнитного поля не зависит от толщины металла. В то же время индукция, электромагнитная сила и электромагнитное давление на кромках возрастают (рис. 1), что соответствует данным, полученным при протекании тока по пластинам.
Сравнение распределения электромагнитного поля свидетельствует, что с увеличением толщины стенки трубы возрастает магнитный поток (рис.1), который определяется как интеграл вектора магнитной индукции по некоторой поверхности [8]. С увеличением поверхности 8 магнитный поток возрастает вследствие увеличения ферромагнитной массы и количества магнитных моментов.
При односторонней сварке на флюсовой подушке на жидкий 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 флюсовой подушки РФП (рис.2):
РД+РЭМ+РГ=РПН+РфП (1)
Для улучшения формирования обратного валика на флюсовой подушке разработан способ односторонней сварки[10] от токоподвода, при котором внутри трубы располагается токовсдущий кабель с направлением тока в конец трубы (рис. 3) величиной:
/ = (0,5*0,6)/, А, (2)
где 11 - величина тока, протекающего в начало трубы, А.
4 3 5 1 6 2
Рис.2-Схема сил, действующих на жидкий металл ванны при односторонней сварке на флюсовой
Рис.З-Способ односторонней сварки труб: 1-составной электрод; 2-свариваемая труба; 3-ферромагнитная труба внутри; 4-токоведущий кабель; 5-пневмошланг; подушке 6 -флюсовая подушка
Электромагнитное поле тока, протекающего внутри трубы в направлении конца, создает направленные вверх электромагнитные силы, максимум которых располагается на нижней поверхности стенки трубы. поэтому направленные вверх электромагнитные силы и электромагнитное давление эффективно удерживают жидкий металл от вытекания из сварочной ванны. Поле тока, протекающего внутри трубы, значительно больше поля тока, протекающего по трубе, поэтому направленное вверх электромагнитное давление Рэш-больше гидродинамического давления. Соотношение сил, действующих на жидкий металл ванны при использовании электромагнитного поля сварочного контура:
Рд + Рэм +Рг = Рпн + Рфп + Рэмк
Силы Рд,РэмУ'эмК> действующие на жидкий металл сварочной ванны,
постоянно изменяются в соответствии с изменением режима сварки, поэтому направленная вверх электромагнитная сила обеспечивает удержание жидкого металла от вытекания из сварочной ванны и равномерное по высоте качественное формирование обратного валика при односторонней сварке на флюсовой подушке с использованием стандартного стекловидного флюса АН-348АМ или ОСЦ-45М мелкой грануляции.
Дальнейшие исследования электромагнитного поля сварочного тока являются перспективными, так как направлены на разработку новых способов односторонней сварки котлов железнодорожных цистерн из низколегированной и двухслойной стали.
Выводы
1. С увеличением толщины пластин электромагнитное поле сварочного тока, максимальное значение которого располагается на поверхности, вследствие увеличения ферромагнитной массы и количества магнитных моментов возрастает. Независимо от толщины индукция на середине толщины металла равна нулю и изменяет направление на противоположное при переходе от верхней к нижней поверхности.
2. При протекании тока по трубе изменяется закономерность распределения электромагнитного поля. Максимальное значение индукции возрастает в ж раз, располагается на середине стенки и не зависит от толщины металла. При этом вследствие увеличения ферромагнитной массы возрастает магнитный поток. Индукция равна нулю в центре трубы и противоположно направлена в области нижней стенки.
3. Электромагнитное поле сварочного тока больше на нижней поверхности стенки трубы, что является следствием концентрации силовых линий в ферромагнитном металле.
4. Разработан способ сварки с использованием электромагнитного поля сварочного тока, при котором создается направленная вверх электромагнитная сила, обеспечивающая удержание жидкого металла от вытекания из сварочной ванны и качественное формирование обратного валика 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. Особенности формирования шва при сварке в поперечном магнитном поле I Акулов А. И., Рыбачук А. М., Черньшов Г. /'.// Сварочное производство. - 1979. - № 7. - С. 11-14.
4. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением ¡A.A. Ерохин. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.
5. 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
6. Иваненко В.М. Устранение влияния ферромагнитных масс при сварке внутренних швов IB. М. Иваненко, Н.М. Будник и др. II Автоматическая сварка. - 1966. - № 9. -С.50-51.
7. Патон Б.Е. Сварка под флюсом при изготовлении труб большого диаметра / Б.Е. Патон, С.Л. Манделъберг //Автоматическая сварка.- 1968. - № 3,- С.41.-46.7.
8. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля / В.А. Говорков - М.: Энергия, 1968,- 486с.
9. Зилъберман Г.Е. Электричество и магнетизм / Г.Е. Зилъберман. - М.: Наука, 1970,- 384с.
10. Абрамович Г.П. Прикладная газовая динамика/ Г. П. Абрамович. - М.: Наука, 1969,- 824с.
11. Пат.54852 А Украша В 23 К 9/18 Cnoci6 електродугового одностороннього зварювання труб / C.B. ГЦетинт, В.В. Кл1манчук, Е.МШебаниц, В.В. Бтосточний.
Статья поступила 10.03. 2004
