CC BY
29
Черных А.В.
Кандидат технических наук, доцент
ПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ В МАГНИТНОМ
ПОЛЕ
Аннотация
Одним из важных технологических факторов сварки является плавление и перенос электродного металла через дугу. Показать проблемы при плавлении электрода, а также идеи и методы, используемые для их решения, направленные на разработку эффективной технологии являлось целью исследований.
Определены основные характеристики, влияющие на скорость расплавления электрода. Показано, что использование внешних магнитных полей, способствует повышению эффективности расплавления электрода при неизменной электрической мощности. Установлены форма и размеры электродных капель в магнитном поле. Рассмотрен вопрос о противоустойчивости формы капли. Исследованы химический состав и механические свойства сварных соединений.
На основе проведенных исследований, была разработана технология сварки мостовых металлоконструкций в магнитном поле.
Ключевые слова: дуговая сварка, магнитное поле, плавление электрода, капля, свойства сварных соединений.
Key words: arc welding, magnetic field, electrode melting, drop, welded joints properties.
Изучению влияния внешних электромагнитных полей на кинетику плавления и каплеперенос электродного металла через электрическую сварочную дугу посвящен ряд публикаций [1-3] и др.
В работе рассмотрен механизм воздействия внешнего магнитного поля на кинетику плавления электрода, т.к. от особенностей плавления и переноса жидкого металла через электрическую дугу зависят энтальпия, температура, металлургические реакции, производительность сварки и т.п.
Математическая модель, описывающая зависимость между средней
1
скоростью Vcp плавления электрода и основными характеристиками
каплепереноса: частотой отрыва n и толщиной отрывающейся капли d представлена в работах [2,4] и определяется уравнением (1).
Vcp =JiSv (1)
Для подтверждения полученной зависимости выполняли скоростную киносъемку расплавления электрода [2,4]. Результаты экспериментальных исследований VЭ и расчета VР, по выражению (1), представлены в табл.1 и на рис.1. С увеличением частоты и размеров переносимых капель скорость плавления электрода растет табл. 1.
Таблица 1
Толщина капли (d), частота отрыва (n) и сравнительные скорости
расплавления электрода (экспериментальные и расчетные, соответственно)
d, мм n, Гц VЭ ,м/ч V Р ,м/ч
1,95 11 99 109
0,78 29 107 115
0,59 43 125 129
0,48 58 135 141
Это объясняется тем, что жидкий металл является теплоизолирующей прослойкой, препятствующей передаче тепла от дуги к твердому металлу электрода. Т. к. известно [5], что теплопроводность расплавленного металла скачкообразно падает на 30-40% по сравнению с теплопроводностью такого же металла, находящегося в твердой фазе.
I I I
I I I
Рис. 1 Кинетика роста и отрыва капли на торце электрода (кадры киносъемки): верхний ряд - при обычной сварке; нижний - при сварке в
магнитном поле. 2
2
В магнитном поле капля на торце электрода под действием электромагнитных сил начинает вращаться [2,3,6]. Для определения её формы запишем уравнения Эйлера в виде проекций массовых сил на
2 2 Z
координатные оси Охуz: X = w x; Y = w y; Z = -g —,
где w- угловая скорость вращения капли; X,Y,Z проекции массовых сил на оси координат; х, у, z - текущие координаты рассматриваемой точки в объеме капли.
Давление сил, действующих на элементарный объем:
dP = (Xdx + Ydy + Zdz )p, где p - плотность жидкого металла электрода.
После интегрирования уравнений Эйлера общее решение примет вид
P =1 (w2x2 + w2y2 -gz2)p + C (2)
2 R
Последнее выражение представляет собой уравнение эллипсоида вращения [2] рис.2. Выполнив несложные преобразования [2] окончательно получим
d = 3
Spot,
IB
3
(3)
где о - коэффициент поверхностного натяжения; гЭ - радиус электрода; I - сварочный ток; В - величина магнитной индукции.
Рис.2 Схема капли на торце электрода в продольном магнитном поле
3
По соотношению (3) был выполнен расчет толщины капли, в магнитном поле находящейся на электроде (табл. 2).
Тепловые потери в жидкой капле находили по уравнению теплопередачи [7] (задача Стефана). Температура в капле на границе фазового перехода от твердого металла к расплавленному равна Тпл = 1812 К. На поверхности (фазовый переход жидкость - дуга) равна температуре кипения Ткип = 3013 К. Примем, что по оси OZ температура распределяется по линейному закону [8]. Тогда справедливо выражение:
T(z) = Тю
(Т - Т )
\ кип пл /
l
■z
(4),
где l - средняя длина пути, по которому распространяется теплота от дуги через жидкую каплю к твердому металлу электрода. Отсюда:
Таблица 2
Зависимость d и аР от индукции магнитного поля
Индукция магнитного поля на уровне капли, В мТл Толщина капли, S мм Коэффициент расплавления, аР г/А ч
расчетная экспери- ментальная расчетный экспери- ментальный
25 1,8 1,9 8,9 12,0
55 1,3 1,4 12,0 13,4
110 1,1 1,1 13,3 14,4
140 1,0 1,0 13,9 14,8
Примечание. I = 225 А; s = 1,2 Н/м; гЭ = 1 мм.
s
4х - 42 = 4 (T(z) - Тпл )dz + QmS, (5)
0
где 41 =hUI и 42 =pr^VcpT - соответственно плотности входящего и выходящего из капли тепловых потоков, (Вт с/ м2); с - удельная теплоемкость (Дж/кг К); Qnn - скрытая теплота плавления (Дж/кг). После интегрирования (5) с учетом (4) получим выражение для определения 4
4
коэффициента расплавления электродного металла аР (г/А ч).
a
р
nui - cS(TKi
, 2 8d + r,2 -S
dAT
QnS
(6),
где п - КПД источника для питания электрической сварочной дуги; U -
a I
напряжение дуги (35 В); V
жргэ
скорость плавления электрода; AT -
средняя температура капель [8].
Результаты расчета аР представлены в табл. 2. Продольное магнитное поле позволяет увеличить коэффициент расплавления электродного металла (за счет уменьшения 8) (6) в среднем на 40% по сравнению с обычной сваркой без увеличения общей тепловой мощности дуги.
Противоустойчивость - движение, где наличие устойчивости является нежелательным [9]. Исследуем противоустойчивость заряженной капли идеально проводящей жидкости, имеющей форму осесимметричного эллипсоида вращения a=b>c. (рис.2).
Обозначим обобщенную координату, отсчитываемую от положения равновесия, через q.
1
■2
Кинетическая энергия капли при вращательном движении T = — Jzq
[10]; потенциальная энергия силы тяжести в однородном поле П = -Cq [11], где С - постоянный коэффициент.
Положительность коэффициента С следует из того, что процесс формирования и отрыва капли от электрода носит линейный периодический характер с сигналами треугольной формы [1,2]. Размеры капли растут, начиная от некоторой положительной величины до некоторого предельного значения.
Силой вязкого трения пренебрегаем при температурах значительно
5
выше температуры плавления металла [2].
Уравнение Лагранжа возмущенного движения в случае потенциальных сил (за невозмущенное принимаем состояние покоя q = 0, q = 0) имеет вид
d_ ЭГ _ЭГ __ЭП dt dq dq dq
Учитывая выражения для Т и П, получим:
Jzq _ С.
Положим q _ х1, q _ x2 тогда x2 _ xl.
Уравнение возмущенного движения: JzXl _ С . (7)
В качестве функции Ляпунова возьмем полную механическую энергию
1 2
[12]: Е = Т+П или E _— Jzq2 + Cq.
Тогда: Из (7) Х1
1 2
E _— J х, + Cx,, E _ J х,Х, + СХ0
2 z 1 2 ? z 11 2
СС —. Следовательно, E _ J х, —
J z 1 J,
+ Сх1 _ 2Сх1.
Так как t > t0 х1 > 0, то E > 0. Таким образом, эллипсоидная форма капли не является устойчивой.
Неустойчивость жидкой капли в магнитном поле возникает при вытягивании усеченного шара в эллипсоид вращения. Форма поверхности капли в магнитном поле в момент отрыва с электрода показана на рис. 1 (последний кадр внизу справа).
Исследовали скорость расплавления электрода диаметрами 2-5 мм при автоматической сварке под флюсом в диапазоне токов 200-1000 А. Скорость расплавления оценивали коэффициентом расплавления (аР).
Выполняли наплавку на пластины размерами 12х200х500 мм из стали 10ХСНД, применяемой в мостостроении.
6
Внешнее продольное магнитное поле генерировали с помощью электромагнита, закрепленного на сварочной головке соосно с электродом. Индукцию магнитного поля изменяли в интервале 0-100 мТл.
В магнитном поле увеличивается скорость расплавления электродной проволоки и, следовательно, аР табл.2. При увеличении индукции до 40 мТл на уровне свариваемого металла наблюдается практически линейный рост аР. Дальнейшее увеличение индукции не влияет на коэффициент расплавления [2].
Физико-металлургические процессы, протекающие в капле, должны обеспечить металл шва такого химического состава, при котором были бы получены необходимые его свойства, определяемые условиями эксплуатации. При сварке происходит сложная физико-химическая обработка электродного и свариваемого металла, завершающаяся в жидком металле шва.
Исследовали химический состав сварных швов. Содержания легирующих элементов Cr, Mn, Ni, Si, Cu, а также углерода (С) и серы (S)
определяли спектральным методом. Результаты представлены на рис. 3.
%
0,90 0,60
0,40
0,20
О 10 20 30 40 В,мТл
Рис. 3 Содержание легирующих элементов в металле шва в зависимости от индукции магнитного поля [2].
В магнитном поле с увеличением индукции содержание легирующих элементов C, Cr, Ni, Cu в металле шва растет. Это связано с тем, что, во-первых, с повышением скорости плавления электрода уменьшаются перегрев капли и их выгорание; во-вторых, центробежные силы способствуют
7
дроблению электродных капель, в результате увеличиваются время и площадь контакта жидких металла и флюса; в-третьих, с выравниванием температур осевых и периферийных зон расплава в капле и в свариваемом металле из-за их вращения [2,3]; в-четвертых, вращение жидкого металла образует вихревые потоки, которые обладают свойством понижать температуру среды, в которой они возникли [3]. Содержание S практически не изменяется рис. 3.
Микроструктура сварных соединений из стали 10ХСНД ферритноперлитная. Кристаллы растут ортогонально к границе между твердой и жидкой фазами. Количественные исследования микроструктуры по зонам сварного соединения, представлены в табл. 3.
Проводили сравнительные испытания механических свойств соединений, сваренных в магнитном поле и по обычной технологии.
Таблица 3
Результаты металлографических исследований сварных соединений
Зоны сварного соединения Номер зерна Характеристика и структура зерна
Сварка без магнитног о поля Сварка в магнитно м поле Сварка без магнитного поля Сварка в магнитно м поле
Металл шва 3 3 Столбчатая мелкодисперсная То же
Участок перегрева 4-5 4-5 Крупнозернистая То же
Участок перекристал- лизации 9-10 9-10 Мелкодисперсная То же
Пределы текучести 8Т и прочности sB, относительное удлинение d10
определяли по стандартной методике табл. 4 [2].
Прочность и пластичность швов, выполненных в магнитном поле, удовлетворяют требованиям отраслевого стандарта [2] табл.4.
8
Таблица 4
Сравнительные механические свойства сварных соединений [2]
Сварка Скорость плавления электрода, м/ч Индукция магнитного поля, мТл Скорость сварки, м/ч (7Т %
МПа
Без магнитного поля 146 26 545 625 24
В магнитном поле 250 50 36 520 660 24
Выводы
Перспективным направлением повышения производительности дуговой сварки плавящимся электродом является увеличение коэффициента расплавления электродного металла за счет более эффективного использования тепловой мощности.
Средняя скорость плавления электрода определяется частотой и размерами переносимых капель.
Капля в магнитном поле не является устойчивой.
При сварке в продольном магнитном поле, увеличивается количество эффективной теплоты поступившей на электрод и повышается скорость расплавления последнего.
Механические свойства сварных швов, выполненных в магнитном поле удовлетворяют требованиям отраслевого стандарта.
Экспериментальные зависимости подтверждают теоретические расчеты и позволяют определять необходимые скорости плавления электрода и сварки в продольном магнитном поле при разработке технологии.
Библиографический список
1. Ерохин, А.А. Основы сварки плавлением /А.А. Ерохин. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.
9
2. Черных, Александр. Электродуговая сварка с повышенной скоростью в магнитном поле. Технология сварки металлов и сплавов [Текст] / Александр Черных. - Saarbruchen: Lambert Academic Publishing, 2013. - 68 с. ISBN № 978-3-659-42964-4.
3. Erdmann-Jesnitzer, F Beobachtungen zur Wirkung von Magnetffedern beim Lichtbogenschweisen / F. Erdmann-Jesnitzer, W. Schroder, J. Schubert // Werkstatt und Betrieb, 94/ Jahrg/ 1961. Helf 8, - s. 506-508.
4. Болдырев, А.М. Влияние основных характеристик каплепереноса на среднюю скорость плавления электрода / А.М. Болдырев, В.А. Биржев,
A. В. Черных // Сварочное производство. 1995. № 1. - С. 6-8.
5. Жданов, Г.С. Физика твердого тела /Г.С. Жданов. - М.: Изд. МГУ, 1962. -
С. 397.
6. Черных, А.В. Определение угловой скорости вращения капли на торце электрода при дуговой сварке в магнитном поле / А.В. Черных,
B. В. Черных // Сварочное производство. 2010. №7. - С.8-10.
7. Мучник, Г.Ф. Методы теории теплообмена. В 3 ч.Ч.1. Теплопроводность. / Г.Ф. Мучник, И.Б. Рубашов. - М.: Высшая школа, 1970. -288 с.
8. Черных, А.В. Расчет температуры электродных капель при дуговой сварке плавящимся электродом с помощью метода конечных элементов /
А.В. Черных, В.В. Черных // Сварочное производство. 2008. № 3. -С. 6-7.
9. Моисеев, Н. О некоторых вопросах теории устойчивости / Н. Моисеев // М.: Труды военной воздушной ордена Ленина академии РККА имени Жуковского. 1939. Выпуск № 45. - 60 с.
10. Бутенин, Н.В. Курс теоретической механики. Т.2 / Н.В. Бутенин, Я.Л. Лунц, Д.Р. Меркин. - М.: Наука, 1985. - 496 с.
11. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика. Т.1. Механика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Физматгиз, 2007. - 224 с.
12. Меркин, Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения / Д.Р. Меркин. -4-е изд. - С-Пб., М., Краснодар: «Лань», 2003. - 304 с.
10
НЕ ДЛЯ ПЕЧАТИ !!!
Уважаемая редакция.
В связи с переходом на работу в другую организацию я не указал в статье место работы в настоящее время.
С наилучшими пожеланиями.
А.В. Черных 15 июня 2015 г.
11
