CC BY
13
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. №13
УДК 621.791.753.042
Щетинина В.И.1, Щетинин C.B.2 ,Чапни Н.И.3, Щербина A.B.4
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ОДНОСТОРОННЕЙ СВАРКИ ШТРИПСОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТРУБ МАЛОГО ДИАМЕТРА
Установлена электромагнитная природа нарушения формирования швов в начале и конце шва вследствие отклонения дуги в сторону ферромагнитной массы. Разработан способ регулирования электромагнитного поля сварочного тока за счет расположения в начале и конце шва ферромагнитных планок.
Потребность в трубах постоянно возрастает, что приводит к необходимости повышать производительность процесса сварки, которая при изготовлении труб малого диаметра в значительной степени зависит от сварки штрипсов, обеспечивающей непрерывность процесса производства. Несмотря на толщину металла 3 мм, сварка штрипсов производится в среде углекислого газа с низкой скоростью 20 м/ч, что обусловлено усиленным теплоотводом в медную плиту. С целью экономии меди сварка штрипсов производится на глубину менее 30% , и кромки не свариваются. Для повышения стабильности процесс сварки штрипсов полностью автоматизирован. В качестве источника питания используется инверторный выпрямитель. Сварка в среде углекислого газа производится омедненной проволокой. Однако процесс сварки и качество швов нестабильны. Кроме того, в начале и конце шва образуются незаполненные жидким металлом выемки, поэтому при сварке труб в месте стыковки продольного и поперечного швов образуются течи, и труба с поперечным швом бракуется.
Для качественного формирования стыковых швов сварка производится с выводными планками, обеспечивающими вывод начала и конца шва за пределы изделия. Однако при сварке штрипсов шириной от 60 до 400 мм, когда процесс полностью автоматизирован, установка и удаление выводных планок значительно увеличивает цикл сварки. С учетом того, что сварка штрипсов определяет непрерывность процесса высокочастотной сварки труб малого диаметра, использование выводных планок ограничено.
Считается, что выводные планки используются для вывода начала шва, так как в начале шва процесс распространения тепла не установившийся, и глубина проплавления меньше, чем при установившемся процессе. Конец шва выводится за пределы изделия, так как в кратере образуются трещины.
По нашему мнению, при сварке штрипсов выемки в начале и конце шва образуются в результате воздействия на дугу электромагнитного поля сварочного контура. Влияние электромагнитного поля сварочного тока на формирование сварных швов изучено Б.Е.Патоном, С.Л. Мандельбергом и др.[1,2,3,4,5]. Однако данных об электромагнитной природе нарушения формирования в начале и конце шва нет.
Решаемая проблема улучшения формирования в начале и конце шва является важной народно-хозяйственной задачей, решению которой посвящена данная работа.
Целью данной работы является исследование путей регулирования электромагнитного сварочного тока в начале и конце шва.
Исследования электромагнитного поля сварочного тока производили с помощью железного порошка, который располагали на ватмане. При возбуждении дуги и протекании сварочного тока по пластинам железный порошок ориентировался вдоль силовых линий
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
3 ПГТУ, аспирант
4 ПГТУ, аспирант
электромагнитного поля. В процессе и после сварки расположение железного порошка фиксировалось с помощью фотосъемки
Как установлено, при возбуждении дуги на кромке штрипса, когда силовые линии стремятся пройти по обладающей большой магнитной проницаемостью ферромагнитной массе, поле сзади дуги концентрируется и становится больше, чем впереди дуги (рис.1). Дуга всегда отклоняется в сторону меньшей индукции электромагнитного поля. Поэтому дуга отклоняется вперед, в сторону ферромагнитной массы, глубина проплавления уменьшается или образуется выемка. В конце шва при приближении к кромке силовые линии концентрируются впереди дуги, и индукция электромагнитного поля меньше сзади дуги. Поэтому дуга отклоняется назад в сторону ферромагнитной массы до обрыва, и жидкий металл отбрасывается с кромок штрипса. В результате отклонения дуги в начале и конце шва образуются незаполненные жидким металлом выемки, что приводит к образованию течей.
На основании теоретических предпосылок электромагнитной природы нарушения формирования и проведенных исследований разработан способ сварки стыковых швов, при котором в начале и конце шва располагаются ферромагнитные планки, выполненные из электротехнической стали с пазом (рис.2). В результате силовые линии электромагнитного поля сварочного тока замыкаются в обладающей большой магнитной проницаемостью электротехнической стали[6,7,8,9]. В пазе электромагнитное поле уменьшается, и дуга отклоняется в сторону меньшей индукции поля к кромкам, что обеспечивает заполнение кромок и качественное формирование швов.
Направление сварки
Направление сварки
Рис. 1 - Концентрация силовых линий электромагнитного поля при сварке в начале (а) и конце шва(б)
Рис.2 - Рассредоточение электромагнитного поля под действием ферромагнитных планок при сварке в начале (а) и конце шва (б):
1 - свариваемые пластины;
2 - ферромагнитные планки
Перед сваркой ферромагнитные планки поджимаются к кромкам штрипсов без постановки прихваток, что значительно сокращает цикл сварки и позволяет снизить расход металла на изготовление выводных планок. В процессе сварки под действием электромагнитного поля сварочного тока ферромагнитные планки притягиваются к свариваемым пластинам, в результате чего магнитное сопротивление уменьшается, и увеличивается количество силовых линий поля, проходящих по планкам. Это значительно усиливает эффект использования ферромагнитных планок и улучшает формирование в начале и конце шва.
При односторонней электродуговой сварке на жидкий металл действуют направленные вниз силы давления дуги, электромагнитные силы и силы гидродинамического давления жидкого металла, под действием которых жидкий металл вытекает из сварочной ванны. Для удержания жидкого металла от вытекания из сварочной ванны используются медные подкладки, самотвердеющие и двухслойные флюсы. Сварка на флюсовой подушке ограничена неравномерным формированием обратного валика.
Для обеспечения качественного формирования сварных швов разработан технологический процесс односторонней сварки штрипсов в среде углекислого газа на флюсовой подушке. В качестве флюсовой подушки используется стандартный стекловидный флюс АН-348АМ или ОСЦ-45М мелкой грануляции, который является более предпочтительным. Равномерное по высоте обратное формирование обеспечивается за счет сварки штрипсов с повышенной скоростью 70 м/ч.
Применение сварки с повышенной скоростью ограничено нарушением формирования швов в результате образования подрезов. При односторонней сварке на медной подкладке вследствие большой теплопроводности меди усиливается отвод тепла, уменьшается температура и электрическое сопротивление в области боковых кромок ванны, возрастает величина тока и направленная вниз электромагнитная сила, под действием которой жидкий металл стекает с кромок ванны, что приводит к образованию подрезов и уменьшению скорости автоматической сварки. Применение сварки в среде углекислого газа на флюсовой подушке вследствие низкой теплопроводности флюса позволило уменьшить отвод тепла, изменить растекание сварочного тока в области активного пятна, электромагнитное поле сварочного контура и магнитогидродинамические явления при сварке. В результате уменьшились направленные вниз электромагнитные силы, что позволило обеспечить формирование швов без подрезов и повысить скорость автоматической сварки.
Повышение скорости сварки обеспечивает увеличение скорости движения жидкого металла в сварочной ванне и уменьшение гидродинамического давления, увеличение скорости кристаллизации жидкого металла и уменьшение времени пребывания ванны в жидком состоянии. Кроме того, при сварке с повышенной скоростью уменьшается толщина жидкой прослойки под дугой. В результате при односторонней сварке с повышенной скоростью обеспечивается качественное формирование обратного валика на флюсовой подушке, измельчение структуры и повышение ударной вязкости сварных соединений.
При односторонней сварке в среде углекислого газа на флюсовой подушке с использованием стандартных кремнемарганцовистых флюсов дуга расплавляет флюс, компоненты которого воздействует на энергетику дуги. Под действием кремния повышается сумма приэлектродных падений напряжений и градиент потенциала в дуге. Сварка с повышенной скоростью производится при высоких токах, что усиливает саморегулирование и повышает стабильность процесса сварки. Кроме того, односторонняя сварка производится на низком напряжении, что усиливает процесс саморегулирования режима, повышает жесткость дуги, снижает магнитное дутье и разбрызгивание электродного металла. Это дополнительно обеспечивает формирование равномерного по высоте обратного валика при односторонней сварке на флюсовой подушке.
Кремний и марганец из расплавленного дугой шлака переходят в ванну и раскисляют жидкий металл, что обеспечивает получение плотных сварных швов.
Однако следует отметить, что штрипсы с цеха холодного проката поступают на сварку в смазке, которую трудно удалить с поверхности стыкуемых кромок. Поэтому, как установлено, при сварке под флюсом штрипсов швы формируются со свищами. При сварке в среде углекислого газа склонность к образованию пор резко снижается вследствие того, что углекислый газ разлагается на окись углерода и кислород, который связывает водород в соединение ОН и предотвращает образование пор. Снижение склонности к образованию пор при сварке в среде углекислого газа является дополнительным преимуществом процесса, на который ранее не обращали внимание.
Таким образом, разработан способ сварки стыковых швов с регулированием электромагнитного поля сварочного тока в начале и конце шва и технологический процесс односторонней сварки штрипсов труб малого диаметра на флюсовой подушке с повышенной
скоростью, который обеспечивает качественное формирование швов и увеличивает выход годного труб.
Дальнейшие исследования в данном направлении являются перспективными, так как позволяют регулировать электромагнитное поле сварочного тока и использовать электромагнитные силы и электромагнитное давление для улучшения формирования сварных швов и создания новых способов сварки.
Выводы
1. Установлена электромагнитная природа нарушения формирования в начале и конце стыковых швов вследствие отклонения дуги и жидкого металла в сторону ферромагнитной массы.
2. Односторонняя сварка с повышенной скоростью обеспечивает увеличение скорости движения жидкого металла в сварочной ванне и уменьшение гидродинамического давления, увеличение скорости кристаллизации жидкого металла и уменьшение времени пребывания ванны в жидком состоянии. В результате при сварке с повышенной скоростью обеспечивается качественное формирование обратного валика при односторонней сварке на флюсовой подушке, измельчение структуры и повышение ударной вязкости сварных соединений.
3. Установлено, что при сварке в среде углекислого газа снижается склонность к образованию водородных пор, так как водород связывается в соединение ОН, что обеспечивает повышение плотности сварных соединений по сравнению со сваркой под флюсом.
4. Разработан способ регулирования электромагнитного поля в начале и конце шва за счет ферромагнитных планок, на которых замыкаются силовые линии поля, что обеспечивает отклонение дуги и жидкого металла в сторону кромок штрипсов и отсутствие дефектов в начале и конце шва.
Перечень ссылок
1. Патон Б.Е. Сварка под флюсом при изготовлении труб большого диаметра /Б.Е. Патон, С.Л. Манделъберг II Автоматическая сварка. - 1968. - № 3. - С.41-46.
2. 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.
3. Устранение влияния ферромагнитных масс при сварке внутренних швов / В.М.Иваненко, П. М. Будник, Р. М. Гуфан, В. Т. Кошкарев II Автоматическая сварка. -1966,- №9. -С.50-51.
4. Манделъберг С.Л. Влияние расположения токоподвода на формирование швов при односторонней сварке /С.Л. Манделъберг, В.Е. Лопата, Б.Г. Сидоренко //Автоматическая сварка. - 1976. - № 8. - С. 11-15.
5. Гаген Ю.Г. Сварка магнитоуправляемой дугой / Ю.Г. Гаген, В.Д. Таран. - М.: Машиностроение, 1970. - 157с.
6. Штрауф Е.А. Электричество и магнетизм / Е.А. Штрауф. - M.-JL: Изд-во технико-теор. лит., 1950,- 588с.
7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле /Л.А. Бессонов. - М.: Гардарики, 2001. - 316с.
8. Зилъберман Г.Е. Электричество и магнетизм /Г.Е. Зшъберман. - М.: Наука, 1970. - 384с.
9. Абрамович Г.П. Прикладная газовая динамика/Г.П. Абрамович. - М.: Наука, 1969. - 824с.
Статья поступила 14.01. 2003
