Распределение индукции продольного магнитного поля при сварке тавровых соединений из ферромагнитных сталей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. № 14

УДК 621.791.927.5

Размышляев А.Д.1, Дели А.А.2, Каревский Р.П.3

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКЦИИ ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ СВАРКЕ ТАВРОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Экспериментальным путем исследовано распределение индукции магнитного поля в зоне сварки тавровых соединений из ферромагнитных сталей. Показано, что при воздействии управляющего продольного магнитного поля снижение продольной компоненты индукции в зоне сопряжения пластин таврового соединения связано с шунтированием поля в этой зоне. Полученные данные позволяют наметить методы улучшения качества формирования швов тавровых соединений.

Применение управляющего продольного магнитного поля (ПРМП) при дуговой сварке под флюсом позволяет измельчить структуру металла шва, снизить склонность к образованию в шве горячих трещин, улучшить качество формирования шва [1].

Оптимальной конструкцией устройства ввода магнитного поля (УВМП) в зону сварки (дуги и сварочной ванны) является соленоид с ферромагнитным сердечником [1]. Однако, в работе [1] исследования о влиянии ПРМП на технологические характеристики процесса дуговой сварки выполнены применительно к изделиям из немагнитных сталей и сплавов, при этом электрод также не являлся ферромагнетиком. В этих условиях строение магнитного поля в зоне сварки являлось таким, каким его генерировало УВМП.

При сварке сталей и сплавов, являющихся ферромагнетиками, а также в случае, когда электрод (сварочная, наплавочная проволока), являются также ферромагнетиками, магнитное поле в зоне сварки значительно искажается [2]. При сварке тавровых соединений из таких материалов происходит шунтирование магнитного поля ферромагнитными пластинами таврового соединения, ослабляя продольную компоненту индукции ПРМП в корне шва тавра в 2 раза по сравнению со случаем сварки стыковых соединений таких же материалов [3], что затрудняет использование благоприятного влияния ПРМП на формирование швов при сварке тавровых соединений.

В работе [3] установлен факт ослабления индукции ПРМП в зоне сопряжения пластин тавра, но из-за того, что распределение индукции исследовано в малой по размеру зоне у электрода (не более 8-10 мм), причины, обусловившие этот эффект, достоверно не установлены, что не позволяет наметить методы устранения или ослабления действия указанного эффекта.

Целью настоящей работы явилось установление причин снижения продольной компоненты индукции ПРМП в зоне сопряжения пластин тавровых соединений из ферромагнитных сталей для совершенствования конструкции УВМП и повышения эффективности использования ПРМП при дуговой сварке тавровых соединений из ферромагнитных сталей и сплавов.

Распределение индукции ПРМП в зоне сопряжения пластин определяли экспериментальным путем. Система координат, взаимное расположение таврового соединения, электрода и соленоида с ферромагнитным сердечником, генерирующего ПРМП, приведены на рис. 1.

Наружный диаметр ферромагнитного сердечника из магнитомягкой стали составлял с1н = = 50 мм, а диаметр внутреннего отверстия в нем - с1вн = 12 мм. Число витков в однослойной обмотке из медного провода диаметром 2,0 мм составляло \¥=20. По обмотке пропускали переменный ток величиной I = 42 А частотой Г = 50 Гц. Через отверстие в сердечнике вдоль оси Ъ располагали электродную проволоку СВ-08ГА диаметром с1э = 5 мм (ферромагнетик). Остальные размеры (рис. 1) составляли: Н = 40 мм, Ь = 40 мм, А = 5 мм.

1 ГТГТУ, д-р техн. наук, профессор

2 ГТГТУ, аспирант

3 ГТГТУ, аспирант

X(r)

Рис. 1 - Схема выполнения таврового соединения с применением ПРМП: 1 - сердечник; 2 - электрод; 3 - витки катушки: 4 - изделие (тавр)

Измерения индукции в исследуемых точках выполняли миллитесламетром типа Ф-4356 с датчиком Холла с измерительной базой 4x4 мм. Тавр размещали в позиции для сварки «в лодочку». Измеряли компоненты индукции Вг и Вх вдоль электрода 2 (вдоль оси 02), а вдоль поверхности пластин тавра 4 (размер а) - компоненты индукции Ву и Вп (см. рис. 1). С целью установления различий в распределении компонент индукции В2 и Вх в пространстве между соленоидом и стыком пластин тавра (т. 0) выполняли их измерения в сечениях Ъ = 2 мм, 2 = 20 мм, Ъ = 38 мм в направлении оси X (г).

Сопоставление распределений индукции Вх и В, вдоль оси ОТ (рис. 2) у поверхности электрода при наличии ферромагнитного из-

70

60

£

0Q

<0*

§

f 3

I

CD

I

f< 50

делия в виде пластины толщиной 15 мм из стали 09Г2С (кривые 1, 2) и в виде тавра из этого же материала (кривые 3, 4) показывает, что для таврового соединения компонента индукции Вх (горизонтальная) значительно больше, а компонента Bz (вертикальная) - меньше, чем при использовании пластины. Это свидетельствует о том, что, несмотря на возможное шунтирование магнитного поля в зоне, где расстояние от пластин тавра до ферромагнитного сердечника соленоида минимально, компонента индукции Вх не уменьшается по сравнению со случаем, когда под электродом находилась пластина. В пользу этого предположения свидетельствует также то, что ход кривых линий 1, 3 аналогичен.

Исследовали распределение компонент индукции у поверхности электрода вдоль оси 0Z

(рис. 3) для четырех вариантов тавровых соединений:

1. Из ферромагнитного материала (сталь 09Г2С с высотой полок 150 мм);

2. Из ферромагнитного материала (сталь 09Г2С с высотой полок

35 мм);

3. Комбинированный тавр, когда нижняя часть полок тавра на длине 35 мм изготавливалась из немагнитного материала, а верхняя (дополняющая до размера 150 мм) -из ферромагнитного материала (сталь 09Г2С);

4. Из немагнитного материала с высотой полок 150 мм.

Сравнение измеренных индукций для первого варианта тавра (кривые 1, 5) со вторым вариантом (кривые 2, 6) показывает, что при малой величине полок тавра (35 мм) компонента индукции Вх в

40

30

20

10

01

\

« \ \

/ / \ \ х

л. \ 1 > \ V3 1 \ ч \

N V-2 • N > к < \ К \

/ . / \ 1 « 1 < ч ч к. к Ч

1 1 кгг: И к

о

10

30

35 40

15 20 25 Координата Д мм Рис. 2 - Распределение компонент индукции Вх и В2 у поверхности электрода вдоль оси 02: 1,3- Вх; 2. 4 - В,,: 1, 2 - пластина; 3,4- тавр

(S

GQ

CQ 3 3

I

I

I

CD I

0

1 £

80

70

60

50

40

30

20

10

0

i \

V2 \

\ \ V ^ \\

%

< л \

\ , 4 V

I 3 X "-О к

5- 05 ч с /

2 и Г----1

0

10

25

30

35

Рис. 3

15 20 Координата 2 мм Распределение компонент индукции Вх и В2 у поверхности электрода вдоль оси 0Z:

1, 2, 3, 4 - Вх; 5, 6, 7, 8 - В2; 1, 5 - обычный тавр; 2, 6 - ми-ни-тавр; 3,7 - комбинированный тавр; 4, 8 - тавр из немагнитного материала

50

£

40

Щ

са*

з з

I

5

I

Ф I

I

30

20

10

О

1у \

2

О

25

5 10 15 20

Координата X (г), мм Рис. 4 - Распределение компонент индукции В2 и Вх у поверхности плоской ферромагнитной пластины: 1 - В7; 2 - Вч

зоне Z<10 мм не меньше, чем для тавра с большим размером полок тавра (150 мм). Это свидетельствует в пользу ранее высказанного положения, что значение Вх в этой зоне мало зависит от имеющего место шунтирования магнитного поля в зоне, где соленоид максимально близок к ферромагнитным пластинам тавра. Компонента индукции Вх для «комбинированного» тавра (кривая 3) и тавра из немагнитного материала (кривая 4) значительно меньше, чем для тавра из ферромагнитного материала (кривая 1), что также свидетельствует в пользу вы [невысказанного предположения. Значения компоненты индукции Bz незначительны (кривые 5,6,7,8).

Сопоставление распределений индукции в сечениях Z = 2 мм, Z = 20 мм вдоль оси X (г) (в направлении к пластинам тавра) показало, что в сечении Z = 20 мм магнитное поле значительно перестроилось. Если у поверхности ферромагнитной пластины (Z = 2 мм, рис. 4) компонента индукции Bz максимальна под электродом и резко уменьшается к периферии (кривая 1) при незначительном увеличении компоненты Вх, то в сечении Z = 20 мм (рис. 5) как для пластины, так и для тавра Вх максимальна у поверхности электрода, a Bz незначительно увеличивается в направлении X, возрастая в области X = 20...25 мм (что связано с минимальным расстоянием пластин тавра от поверхности соленоида).

Измерения у поверхности ферромагнитных пластин тавра компонент Bz показали, что они незначительно и мало изменяются (в пределах 2... 10 мТл), а компоненты индукции, нормальные к поверхности пластин - Вп максимальны в зоне сопряжения пластин тавра (для значений а < 20 мм). Поскольку компонента Bz мала, то компонента индукции Вх близка по величине к компоненте Вп (несколько меньше, чем Вп). Это соответствует выводам, полученным при анализе данных рисунков 1-3: на распределение индукции ПРМП существенное влияние оказывает шунтирование силовых линий магнитного поля через ферромагнит-

25

£

20

15

10

ный электрод на ферромагнитные пластины в зоне корня шва тавра, где минимально расстояние от электрода до пластин тавра.

В точке 2 = 2 мм под электродом (у корня тавра) значение Bz для приведенных четырех вариантов тавров составляли соответственно (мТл): 21, 29, 25, 26, а для плоской пластины - 45 мТл. Эти данные объясняются влиянием ферромагнитного электрода и ферромагнитных изделий различной формы на строение силовых линий магнитного поля.

В зоне сопряжения пластин таврового соединения целесообразно получение максимальных значений компоненты индукции Вг ПРМП, поскольку при воздействии ГТРМП при дуговой сварке повышается ширина шва [1], что должно обеспечить получение благоприятной вогнутой формы шва в тавровом соединении, производительность процесса сварки (через повышение коэффициента расплавления электрода), стабильность размеров шва в любом поперечном сечении.

Целесообразно проведение дальнейших исследований по установлению взаимосвязи качества формирования швов и служебных характеристик тавровых соединений с величиной индукции ПРМП в зоне сварочной дуги и металла сварочной ванны.

аз

5<

аз

з

I

I

3

I

0) 3:

0

1 §

0

1 \

А \ \

\ \ \ \ \

I \ Л С*

\ V

3^ ^___ Г----- —"*"

0

20

25

5 10 15

Координата X (г), мм Рис. 5 - Распределение компонент индукции Вх и В7 вдоль оси ОХ в сечении 2=20 мм: 1, 2 - Вх; 3, 4 - В2; 1, 3 - пластина; 2, 4 - тавр

Выводы

Продольная компонента индукции ПРМП в зоне сопряжения пластин таврового соединения в 1,5-2 раза меньше, чем при сварке пластин, что связано с шунтированием магнитного поля ферромагнитными пластинами тавра в указанной зоне. Это позволяет наметить пути уменьшения шунтирования магнитного поля и улучшения качества формирования швов тавровых соединений.

Перечень ссылок

1. Сварка с электромагнитным перемешиванием / В.П. Черныш, В.Д. Кузнецов, А.Н. Брнскман и др. - Киев: Техника, 1983. - 127 с.

2. Размышляев АД. Магнитное управление формированием швов при дуговой сварке / А.Д. Размышляев. - Мариуполь: ПГТУ, 2000. - 245 с.

3. Сидоренко С.М. Распределение индукции управляющего продольного магнитного поля при сварке тавровых соединений / С.М. Сидоренко, А.Д. Размышляев, В.Р. Маевскнй II Автоматическая сварка. - 2002. - № 9. - С. 48-50.

Статья поступила 05.03.2004