CC BY
21
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип. № 17
УДК 621.791.753.042
Щетинин C.B.1
ОДНОСТОРОННЯЯ ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ СВАРКА ТРУБ ДЛЯ ГАЗО- И НЕФТЕПРОВОДНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ
Установлены закономерности воздействия скорости сварки и магнитного поля сварочного тока на движение дуги в сварочной ванне и формирование швов. Разработан способ односторонней высокоскоростной сварки труб, обеспечивающий стабильность процесса и качественное формирование швов.
Основной проблемой сварки труб для газо- и нефтепроводных магистралей является магнитное дутье [1 - 3]. Замкнутый контур трубы усиливает магнитное дутье, вследствие чего нарушается стабильность процесса и формирование швов.
Для устранения вредного влияния магнитного дутья создают дополнительное магнитное поле противоположного направления [4-7]. При сварке одним электродом магнитное поле, обратное по знаку полю дуги, создается специальным устройством [4]. При двухдуговой сварке магнитное дутье устраняется за счет осуществления сварки одним электродом на прямой, а другим на обратной полярности [5]. Возникающие вокруг электродов магнитные поля взаимно компенсируются. Но более перспективным является регулирование и использование магнитного поля сварочного контура для улучшения стабильности процесса и качества швов.
Это изучено и используется в многодуговом процессе, магнитогидродинамические явления которого дополняются магнитным взаимодействием дуг, характер которого зависит от рода и сдвига фаз сварочных токов, фазировки электродов, направления и плотности тока в изделии [8,9].
Сварка прямошовных труб для газо- нефтепроводных магистралей производится на медной подкладке или флюсовой подушке, расположенной в штанге внутри трубы. Массивная ферромагнитная штанга одновременно с функцией несущей конструкции выполняет роль токоведущего элемента, по которому протекает сварочный ток, и значительно усиливает магнитное дутье. Однако при однодуговой сварке механизм магнитного дутья изучен недостаточно.
Разработка энерго- и материалосберегающих способов односторонней высокоскоростной сварки, обеспечивающих повышение стабильности процесса и улучшение качества формирования сварных швов, является важной проблемой.
Задачей исследований является изучение механизма движения дуги, способов регулирования и использования магнитного поля сварочного тока для обеспечения стабильности процесса и качества формирования швов при односторонней высокоскоростной сварке труб.
Изучение механизма движения дуги производили с помощью киносъемки со скоростью 1500 кадров в секунду процесса сварки в аргоне составным электродом [10].
Как установлено при киносъемке процесса сварки составным электродом, активное пятно движется по торцу электрода в продольном и поперечном направлениях. Активное пятно не существует одновременно на всей развитой поверхности составного электрода. Дуга при горении в области проволочного электрода оплавляет прилегающие участки ленты.
Магнитное дутье является следствием концентрации силовых линий магнитного поля в обладающем большой магнитной проницаемостью ферромагнитном теле трубы и наклона дуги, что подтверждается кинограммой процесса сварки составным электродом не погруженной дуги (рис.1). Под действием электромагнитной силы дуга отклоняется назад вплоть до обрыва. Для объяснения этого явления к дуге применяют модель гибкого проводника с током [11, 12]. Электромагнитная сила, действующая на столб дуги, пропорциональна величине тока /, индукции магнитного поля В и длине 1д дуги F = 1хВх1д [11]. С учетом зависимости индукции поля от тока / и расстояния
г g _ ^ I электромагнитная сила пропорциональна квадрату 2 m
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
Рис. 1 - Кинограмма наклона дуги назад вплоть до обрыва под действием электромагнитной силы сварочного тока при высокоскоростной сварке составным электродом в аргоне. Интервал между кадрами 6-Ю4 с, I = 2300 - 2400 А, 11= 23 - 24 В. Направление сварки - слева направо
сварочного тока:
Г
2т- ^
Поэтому при увеличении сварочного тока усиливается влияние магнитного поля на магнитное дутье и формирование швов [7]. Под действием электромагнитной силы дуга отклоняется в сторону магнитного поля меньшей напряженности до естественного обрыва так, что дугу невозможно закрыть флюсом. При этом напряжение на дуге возрастает, а ток уменьшается. Электрод подается,
закорачивает на изделие, и вновь возбуждается дуга. При закорачивании на изделие ток возрастает, а напряжение уменьшается. Процесс периодически повторяется. В результате изменения режима нарушается формирование швов. Швы становятся неравномерными по ширине и глубине проплавления.
Из кинограммы (рис.1) следует, что разрывная длина дуги при сварке составным электродом в аргоне 0,03м, что подтверждает низкий градиент потенциала столба дуги и соответствует данным Г.И Лескова [11].
Как установлено по кинограмме, при обрыве дуги, когда исчезает столб и анодное пятно, катодное пятно существует, что свидетельствует о главной роли катода и автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии в дуге согласно данным И.Г. Кесаева [13].
Для предотвращения магнитного дутья разработан способ односторонней высокоскоростной сварки труб [14] (рис.2), при котором внутри трубы вокруг штанги располагается токоведущий кабель и пропускается сварочный ток, который создает продольное магнитное поле.
Созданное продольное магнитное поле сварочного тока устраняет магнитное дутье, повышает стабильность процесса и качество сварных швов при односторонней высокоскоростной сварке на флюсовой подушке. Это является следствием действия продольного магнитного поля на
I - сварочный ток; В - силовые линии магнитного поля
радиальную составляющую тока дуги. Под действием продольного магнитного поля дуга и жидкий металл ванны начинают вращаться, усиливается охлаждение и концентрация дуги. Дуга погружается в основной металл, повышается плотность тока и концентрация тепловложения, стабильность процесса возрастает, усиливается процесс саморегулирования и автоматического регулирования дуги при односторонней высокоскоростной сварке на флюсовой подушке. Поэтому при изменении зазора в стыке вследствие усиления процесса саморегулирования автоматически изменяется режим сварки и обеспечивается равномерное формирование швов независимо от величины зазора в стыке при односторонней сварке на флюсовой подушке.
Продольное поле создается за счет витка кабеля, по которому течет сварочный ток, и значительно усиливается вследствие расположения витка вокруг ферромагнитной штанги, которая характеризуется высокой магнитной проницаемостью.
Созданное за счет витка кабеля, расположенного внутри трубы вокруг штанги, продольное магнитное поле является равномерным по всей длине трубы, что обеспечивает эффективность
воздействия на магнитогидродинамические явления при сварке. Под действием продольного поля изменяются магнитогидродинамические явления, повышается скорость кристаллизации и уменьшается время пребывания металла ванны в жидком состоянии. Это предотвращает вытекание жидкого металла из ванны и обеспечивает качественное формирование швов при односторонней высокоскоростной сварке, снижение материалоемкости и энергоемкости процесса.
Установленные закономерности регулирования магнитного поля сварочного тока и разработанный способ высокоскоростной сварки могут быть использованы при сварке котлов железнодорожных цистерн и контейнер-цистерн.
Дальнейшие исследования в данном направлении являются перспективными, так как позволят разработать новые способы односторонней высокоскоростной сварки.
Выводы
1. Установлен механизм движения дуги под действием электромагнитных сил сварочного тока, которые определяют магнитное дутье и магнитогидродинамические явления в ванне.
2. Магнитное дутье является результатом отклонения дуги под действием поперечного магнитного поля сварочного тока, протекающего по трубе, до обрыва и последующего возбуждения дуги при замыкании электрода на изделие. Это приводит к нарушению стабильности процесса и качества формирования сварных швов.
3. Продольное магнитное поле сварочного тока приводит дугу во вращение, вследствие чего усиливается процесс саморегулирования, повышается жесткость дуги, снижается зависимость от зазора, повышается стабильность и устраняется магнитное дутье при сварке труб.
4. Разработанный способ односторонней высокоскоростной сварки труб с токоведущим витком внутри трубы, при котором создается продольное магнитное поле, обеспечивает стабильность процесса и качественное формирование швов на флюсовой подушке.
Перечень ссылок
1. Патон Б.Е. Сварка под флюсом при изготовлении труб большого диаметра / Б.Е. Патон, С.Л. Манделъберг //Автоматическая сварка. - 1968. - № 3. - С.41-46.
2. Манделъберг С.Л. Влияние магнитного поля сварочного контура на форму швов, свариваемых
внутри трубы / С.Л. МанОельберг .В.Ii. Лопата //Автоматическая сварка. 1962,- № 3 - С. 1-6.
3. Устранение влияния ферромагнитных масс при сварке внутренних швов /В.М.Иваненко, Н. М. Будник, P. M Гуфан, В. Т. Кошкарев //Автоматическая сварка. - 1966. - № 9,- С.50-51.
4. Пат. 52-114544 Япония, МКИ В 23 К 9/00. Дуговая сварка на обратной полярности продольных стыков труб большого диаметра / Ф. Эцуга, К. Танака, Ю. Ватанабе.
5. Пат. 52-114545 Япония, МКИ В 23 К 9/00. Сварка продольных швов при изготовлении сварных труб / Ф. Эцуга, К. Танака, Ю. Ватанабе.
6. Пат. 52-115758 Япония, МКИ В 23 К 9/00. Способ сварки на постоянном токе / Ф. Эцуга, К. Танака, Ю. Ватанабе.
7. Pat. 101836, МКИ В.23 К 9/04. Verfahren und Anordnung zum elektrischen Lichbogenschweissen mitt magnetisch beeinflusshen lichbogen / E. Marguardt, G. Sobisch.
8. Манделъберг С.Л. Магнитное взаимодействие дуг при двухдуговой трехфазной сварке //
Автоматическая сварка. - 1966. - № 4. - С. 30-36.
9. Yoshinori S. High speed welding by the two electroden submerged arc tandem method IS.Yoshinori, S. Masahiko, Y. Nobuyuki // Sumitomo Search. - 1971. - № 5. - P. 8-15.
10. A.c. 1407719 СССР, МКИ В 23 К 9/ 00 Способ дуговой сварки / В.И. Щетинина, В.В. Чигарев, C.B. Щетинин
11. Тиходеев Г.М. Энергетические свойства электрической сварочной дуги / Г.М. Тиходеев. - M.-J1. : Изд-во АН СССР, 1961.-254 с.
12. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга / Г.И. Лесков - М.: Машиностроение, 1970,- 334 с. 13 .Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги / И.Г. Кесаев . - М.: Наука, 1968. - 343с.
13. Пат. 18208 Украина, В 23 К 9/18. Cnoci6 електродугового одностороннього зварювання труб / C.B. Щетинт.
Рецензент: А.Д.Размышляев
д-р техн. наук, проф., ПГТУ Статья поступила 15.03.2007
