CC BY
20
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. № 18
УДК 621.791.927.5
Размышляев А.Д.1, Миронова М.В.2, Дели A.A.3
СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ СТОЛБА ДУГИ И КАПЛИ НА ТОРЦЕ ЭЛЕКТРОДА ПРИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКЕ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Методом зондов установлено направление вращения дуги применительно к процессу дуговой сварки вольфрамовым электродом в аргоне и наплавки плавящимся электродом открытой дугой в постоянном продольном магнитном поле, а также направление вращения капли на торце электрода из ферромагнитного материала. Установлена взаимосвязь между скоростью вращения дуги и капли на торце электрода с величиной сварочного тока и индукцией магнитного поля.
В работах [1-3] показано, что при дуговой наплавке под флюсом с воздействием продольного магнитного поля (ПРМП) имеют место следующие положительные эффекты: значительно повышается коэффициент расплавления электродной проволоки ар, уменьшаются глубина и площадь проплавления металла и доля участия основного металла в наплавленном.
При воздействии на дугу постоянного ПРМП она вращается относительно продольной оси, однако, представление о направлении этого вращения по представлениям исследователей противоречиво. По данным работ [1, 4, 5] при сварке неплавящимся электродом в ПРМП вращение дуги направлено в сторону движения положительных ионов. В работах [6, 7] для дуги, горящей на кольцевом аноде, убедительно показано, что вращение дуги в ПРМП может быть обусловлено только движением электронов и направлено в сторону движения электронов. Для варианта сварки, когда используется плоский анод, этот вопрос не исследован. Как установлено в работе [8] при сварке вольфрамовым электродом в аргоне с воздействием постоянного ПРМП по оси дуги образуется разрежение. Полагают, что этот эффект обусловлен вращением дуги. Однако, направление и скорость вращения дуги в ПРМП не исследованы. Нет таких данных для дуговой сварки плавящимся электродом. Точные сведения по этому вопросу необходимы для понимания процессов, происходящих в дуге при воздействии ПРМП, для объяснения факта снижения давления дуги на ее оси и связанного с этим снижения эффективности проплавления основного металла при наплавке.
Повышение ар проволоки при сварке в ПРМП в работах [1, 2] объясняют улучшением условий теплопередачи через каплю за счет уменьшения толщины капли в направлении оси электрода при ее вращении под действием электромагнитных сил от взаимодействия радиальной составляющей тока в капле с осевой составляющей индукции ПРМП. Однако, в работе [3] было высказано предположение, подкрепленное детальным изучением строения магнитного поля в зоне капли на торце электрода из ферромагнитного материала, что капля вращается в противоположную сторону, относительно направления вращения, которое капля должна иметь по соображениям, высказанным в работах [1, 2]. Не известна также скорость вращения металла в капле при воздействии ПРМП. Такие данные позволят уточнить физические процессы, лежащие в основе наблюдаемых явлений, и управлять этими процессами.
В настоящей работе поставлена задача экспериментального определения направления и скорости вращения сварочной дуги и капли на торце электрода при воздействии постоянного ПРМП для повышения эффективности процесса дуговой наплавки под флюсом.
Для определения направления и скорости вращения столба дуги при сварке неплавящимся электродом в аргоне с воздействием постоянного ПРМП использовали метод зондов. Зондом (датчиком скоростного напора плазмы столба дуги) являлась вольфрамовая
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ПГТУ, инженер
3ПГТУ, инженер
проволочка диаметром 1,0 мм (рис. 1). Этот зонд (7) крепили к упругой струне (5) диаметром 0,25 мм. либо 0,4 мм. Струна с натягом крепилась к опорам (6). Усилие, действующее на зонд, определяли по закручиванию струны. К струне крепили легкое зеркальце (8). При воздействии напора плазмы дуги на зонд (4) струна закручивалась и луч, направленный от лазерной указки
(7), отражаясь от зеркальца (5), попадал на экран (9). Расстояние между зеркальцем (8) и экраном (9) для усиления чувствительности системы составляло примерно 2,5 м.
Тарировку системы (определение соотношения между усилием на зонд и отклонением луча на экране) осуществляли по методике, приведенной в работе [9]. При этом воздействовали на зонд потоком аргона из прямоугольный щели. Как при тарировке, так и в дальнейшем при обработке экспериментальных данных использовали известное соотношение:
2
4
F = C-S>
p-v-
Рис. 1 - Схема устройства для измерения усилия на зонд: 1- электрод; 2 - дуга; 3 -изделие; 4 - зонд; 5 - струна; б - опоры; 7 - лазерная указка; 8 - зеркальце; 9 -экран; 10 - демпфирующее устройство
где F - сила, действующая на зонд, Н\ S3 - площадь лобового сопротивления
зонда, лг; р - плотность аргона, кг/м3; V- скорость потока аргона, м/с. При этом также была определена величина коэффициента лобового сопротивления зонда Сх. которая не изменялась в диапазоне скоростей потока аргона 7.. .20 м/с и составляла Сх = 0,35.
Выполняли эксперименты по сварке в аргоне вольфрамовым электродом марки ВЛ диаметром 4,0 мм на прямой полярности. Угол заточки вольфрамового электрода составлял 90 (без притупления). Основным металлом служила медная пластина (не охлаждаемая водой) толщиной 6 мм.
Расстояние от торца электрода до изделия -пластины составляло 4 мм. Перед сваркой устанавливали торец зонда на расстоянии 1,5 мм от оси вольфрамового электрода (и дуги) по схеме рис. 2. Установлено, что при увеличении индукции (В:) постоянного ПРМП тангенциальная (азимутальная) скорость потока плазмы в дуге (V9) возрастает, а угловая скорость вращения дуги составляет порядка 900 - 1000 об/с (рис. 3, кривые 2 и 3). Эти данные получены при учете, что, как и при тарировке, в плазме дуги газ находится при температуре Т0 = 300 К. Если учесть, что плотность газов обратно пропорциональна температуре, и приняв температуру сварочной дуги (в среднем) Тд = 12000 К. то приведенные на рис. 3 данные
-7'/; / ■/;, = л/12000/300 « 6 раз. Тогда
. Z
/
j
| / hi \ 4
J
1/ - . 1
Рис. 2 - Схема установки зонда при измерении усилия на зонд: 1 - электрод,
2 - изделие - пластина;
3 - дуга: 4 - зонд
следует увеличить в
скорость потока плазмы при ее вращении составит порядка 100 м/с, что сопоставимо с известными данными о скорости потоков плазмы в осевом направлении (без воздействия ПРМП) [9].
Для уточнения этого вопроса выполняли эксперименты по определению скорости осевого потока (напора) плазмы столба дуги (газодинамической составляющей давления дуги) без воздействия ПРМП с помощью указанного устройства (рис. 1). Вольфрамовый электрод при этом устанавливали по схеме рис. 2. При /cs = 200 А оказалось, что среднее значение осевой скорости потока плазмы дуги составило 28 м/с (при '!'„ = 300 К). Эти данные подтверждают вывод о том, что тангенциальная (азимутальная) скорость вращения плазмы дуги в ПРМП сопоставима с осевой составляющей скорости потока плазмы столба дуги. Направление вращения столба дуги при воздействии ПРМП всегда
соответствовало направлению вектора силы от векторного произведения осевой составляющей индукции (В:) ПРМП с радиальной составляющей тока в дуге (направление определено по правилу левой руки). Установлено, что вращение столба дуги обусловлено движением в ней электронов.
С помощью устройства по рис. 1 удалось определить направление вращения дуги при наплавке проволокой СВ-08А диаметром 3 мм открытой дугой на пластину из стали 09Г2С с воздействием постоянного ПРМП, поскольку при воздействии ПРМП имел место перенос металла весьма мелкими каплями. При режиме наплавки (обратная полярность): 1св = 400...420 А, Ud = 38 В, Vce = 75 м/ч внешняя составляющая дуги была 4...5 мм, а глубина кратера - 2,5 мм. Вольфрамовый зонд диаметром 1,0 мм располагали по схеме рис. 2.
Установлено, что с увеличением индукции ПРМП усилие, оказываемое вращающейся дугой на зонд, увеличивалось нелинейно (рис. 3, кривая 4). Это усилие значительно больше, чем при сварке вольфрамовым электродом в аргоне (рис. 3, кривая 1). В этом случае не вычисляли скорость вращения дуги, поскольку в создании усилия на зонд участвовали, безусловно, мелкие капли и пары электродного металла. Было установлено, что это усилие на зонд приблизительно в 2 раза больше усилия осевого (вдоль оси Z) напора плазмы (рис. 3, кривая 5). Таким образом, тангенциальная скорость плазмы в этом случае сопоставима с осевой скоростью потока, который обуславливает газодинамическое давление дуги (на основной металл). Направление вращение дуги при воздействии ПРМП в этом случае находит объяснения, если оно обусловлено взаимодействием вектора радиальной компоненты индукции В,-, величина которой по данным работы [7] сопоставима с величиной осевой компоненты В:, с осевой составляющей тока в дуге js. Вращение плазмы столба дуги в этом случае также обусловлено движением электронов под действием ПРМП.
Направление вращения и скорость вращения капли под действием постоянного ПРМП определяли путем моделирования. Каплю моделировали припоем марки ПОС - 40, имевшем температуру плавления 220 С. Измерения осуществляли на модели по схеме рис. 4. К массивной пластине из стали 09Г2С толщиной 20 мм (1) была прикреплена пластина из асбоцемента толщиной 4 мм (2), в которой помещался круглый штырь (i) из латуни диаметром 5 мм. Пруток из припоя (4) диаметром 4 мм проходил через мундштук сварочного автомата АДС-1002 (не показан). К мундштуку автомата крепили соленоид с ферросердечником (б), который генерировал ПРМП. Расстояние от нижнего среза соленоида до пластины (1) составляло Н = 40 мм. Поскольку на участке вылета Н пруток припоя - немагнитный материал, то этот пруток помещали в трубку из ферромагнитного материала (5, рис. 4, а). Такая трубка, как показано в работе [7], создает в зоне модельной капли значительную радиальную
Рис. 3 - Влияние индукции постоянного ПРМП на усилие напора плазмы дуги на зонд (1, 4, 5), скорость вращения V9 (2) и угловую скорость вращения аэ^ (3) дуги: 1се = 200
А, 4 = 4 мм, Vce = 72 м/ч; 4,5 - СПЭ СВ-08А диаметром 3,0 мм: /„ = 400...420 А, U0= 38 В, Vce = 75 м/ч;
Рис. 4 - Схемы для измерений скорости вращения модельной капли: 1 - изделия - пластина; 2 - асбоцемент; 3 - штырь (латунь); 4 - пруток припоя; 5 - трубка: 6 - соленоид; 7 - капля; 8 - зонд
компоненту индукции (до 50 % относительно продольной составляющей). Всю конструкцию устанавливали на электропечь (не показано) и осуществляли нагрев до температуры плавления припоя. Каплю «выращивали», подавая вниз пруток (4) до оплавления торца прутка и образования капли (7) высотой 2...2,5 мм. Затем в каплю вставляли зонд (5) из медной (залуженной) проволоки диаметром 0,5 мм на контролируемую глубину (порядка 1,5 мм), после чего включали постоянный ток через систему: пруток (4) - капля (7) - штырь (3). а также постоянный ток в обмотке соленоида для создания ПРМП в зоне капли. Уровень индукции ПРМП В: и В,- контролировали тесламетром типа ЭМ-435 с датчиком Холла, имевшем измерительную базу 1x1 мм.
Установлено, если электрод изготовлен из ферромагнитного материала (в модели -пруток припоя с ферромагнитной трубкой), то направление вращения капли соответствует данным работы [3], т.е. капля вращается под действием силы, образованной взаимодействием радиальной компоненты индукции Вг с осевой компонентой тока в капле Капля (немагнитная) на торце электрода из ферромагнитного материала вращается в ту же сторону, что и сварочная дуга. Капля вращается в этом направлении, если ее размер в осевом направлении меньше, чем диаметр электрода. При увеличении индукции В: ПРМП и не изменяющемся токе через каплю, скорость вращения металла в ней возрастает (рис. 5, а). При увеличении тока через каплю, но неизменной величине индукции В:, скорость вращения металла также возрастает (рис. 5,6).
Рис. 5 - Зависимость скорости вращения металла капли от тока при (а) и индукции постоянного ПРМП (б): а -В: = 18 мТл;б-1се = НИМ: 1 - V,, =/(Д); 2-0),, =/(«-).
Моделированием, выполненным на прутке припоя без трубки из ферромагнитного материала, установлено, что если площадь токоподвода к нижней части капли больше, чем сечение немагнитного электрода (рис. 4, б), то капля вращается в другую сторону. Это вращение капли обусловлено взаимодействием радиальной составляющей тока в капле с осевой составляющей индукции Bz ПРМП, как это и предполагали в работе [6]. Однако, поскольку на торце электрода образуются весьма мелкие капли, то реализуется механизм, указанный в работе [3], и подтвержденный в данной работе.
Целесообразно дальнейшее выполнение исследований по установлению скорости вращения капли с учетом других форм и размеров капель на торце электрода. Такие исследования позволят детальнее изучить механизм влияния ПРМП на вращение капли и в конечном итоге, повысить производительность расплавления электрода.
Выводы
1. Установлено, что при сварке вольфрамовым электродом в аргоне и наплавке открытой дугой плавящимся электродом в постоянном ПРМП направление вращения дуги относительно ее оси обусловлено движением электронов, при этом тангенциальная составляющая скорости вращения дуги пропорциональна величине индукции ПРМП и сопоставима с осевой составляющей скорости потока плазмы в дуге.
2. Показано, что при дуговой наплавке в постоянном ПРМП направление вращения капли обусловлено электромагнитной силой от взаимодействия осевой составляющей тока в капле с радиальной составляющей индукции ПРМП на торце ферромагнитного электрода, скорость вращения капли возрастает при увеличении тока через каплю и индукции ПРМП.
Перечень ссылок
1. Биржев В.А. Теоретические и технологические основы повышения производительности дуговой сварки и наплавки во внешнем аксиальном магнитном поле: Автореферат дисс. докт. техн. наук. - Липецк, 1997. - 37 с.
2. Болдырев A.M.. Особенности плавления электродного металла при сварке во внешнем продольном магнитном поле / A.M. Болдырев, В.А Биржев, A.B. Черных II Сварочное производство. - 1991. - № 5. - С. 28 - 30.
3. Размышляев А. Д. Влияние продольного магнитного поля на производительность расплавления проволоки при электродуговой наплавке под флюсом / А.Д. Размышляев,
A.A. Дели, М.В. Миронова II Автоматическая сварка. - 2007. - № 6. - С. 31 - 35.
4. Тиходеев Г.М. Энергетические свойства электрической сварочной дуги / Г.М. Тиходеев - М. - Л.: Издат. акад. наук СССР, 1961. - 254 с.
5. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга / Г.И. Лесков. - М.: Машиностроение, 1970. -334 с.
6. Гвоздецкий B.C. Перемещение электрической дуги в магнитном поле / B.C. Гвоздецкий,
B.C. Мечев II Автоматическая сварка. - 1963. - № 10. - С. 54 - 62.
7. Гвоздецкий B.C., Мечев B.C. Исследование вращающейся в магнитном поле сварочной дуги постоянного тока (плоская и конусная дуга) / B.C. Гвоздецкий, B.C. Мечев // Автоматическая сварка. - 1963. - № 12. - С. 1 - 6.
8. О формировании сварного шва в продольном магнитном поле при аргонодуговой сварке / В.Н. Селяненков, В.А. Блинков, Ю.В. Казаков и др. II Сварочное производство. - 1975. -№ 11.-С. 5-7.
9. Ленивкин В.А. Определение скоростного напора плазмы сварочной дуги / В.А. Ленивкин, П.И. Петров, Н.Г. Дюргеров И Сварочное производство. - 1984. - № 7. - С. 3 - 4.
Рецензент: А.Н. Серенко канд. техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 20.02.2008
