CC BY
11
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000 г. Вып.№9
УДК 621.791.927.5
Лазаренко М.А.1, Размышляев А.Д.2
СТРУКТУРА УПРАВЛЯЮЩИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ И НАПЛАВКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УСТВОЙСТВ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ
СИММЕТРИЕЙ
Представлены результаты расчета стационарных и нестационарных магнитных полей для систем, включающих проводящие и ферромагнитные элементы. Проанализировано влияние конструктивных параметров устройств ввода магнитного поля на достигаемые величины магнитной индукции и структуру поля.
Внешние магнитные поля широко используются при сварке и наплавке для управления формированием шва. При их использовании можно повысить критические скорости одно- и многодуговой сварки до таких значений, когда швы получаются без подрезов и других дефектов формирования, хорошо удерживается жидкий металл ванны при сварке изделий со швами, расположенными на наклонных или цилиндрических поверхностях [1]. Несмотря на определенные трудности при разработке достаточно компактных устройств для получения внешних магнитных полей [2], их использование позволяет существенно изменять условия формирования швов, предупреждать провисание жидкой части ванны и повышать производительность сварки.
Для управления процессами формирования сварных швов при сварке и наплавке электродной проволокой под флюсом целесообразно использование продольных магнитных полей [2,3]. Однако остается во многом неясным вопрос о целесообразной величине индукции магнитного поля, Частоте и форме импульсов питающего тока и т.п. Значительное влияние на процессы формирования шва оказывает и радиальный градиент продольной составляющей индукции [3]. При наличии ее значительного отрицательного радиального градиента обеспечивается увеличение ширины и уменьшение глубины проплавления основного металла. При ее положительном радиальном градиенте управляющего магнитного поля наблюдается уменьшение ширины и увеличение глубины зоны проплавления основного металла. Таким образом, вопрос о структуре управляющего магнитного поля в зависимости от конструктивных параметров устройств его ввода представляет как научный, так и практический интерес.
Наиболее широко при сварке с электромагнитным перемешиванием применяются много-витковые малослойные соленоиды, обмотка которых выполнена из медного провода диаметром 0,8... 1,2 мм на полом ферромагнитном сердечнике [2, 4]. Однако выводы [2] о характере изменения магнитного поля в зазоре между соленоидом и свариваемым изделием в зависимости от расстояния, о влиянии материала сердечника на величину индукции и т.п. носят чисто эмпирический характер.
Углубленное исследование влияния конструктивных параметров устройств для создания управляющего магнитного поля на величину и распределение его индукции возможно на основе применения математического моделирования.
При использовании для создания продольных управляющих магнитных полей цилиндрического соленоида система «соленоид - сварочный электрод - опорные устройства» обычно также обладает цилиндрической симмстрис^. Магнитное поле в такой системе имеет лишь одну составляющую векторного потенциала "'направленную так же, как и вектор плотности тока в катушке, и называется плоскомеридианным. Разработанная ранее [5] методика расчета на ЭВМ стационарных и нестационарных магнитных полей для систем с цилиндрической симметрией позволяет анализировать пространственное распределение векторного потенциала, а
1 ПГТУ, аспирант
2 ПГТУ, д-р. техн. наук, проф.
также продольной и радиальной составляющих индукции магнитного поля в зависимости от конструкции устройства, создающего управляющее поле.
Исследование влияния параметров катущки и свариваемого изделия на распределение управляющего магнитного поля проведено на примере конструкции (см. рис. 1), состоящей из катушки на цилиндрическом стальном пустотелом сердечнике, размещенной над плоской стальной пластиной (свариваемым изделием), и сравнительных конструкций, отличающихся отсутствием пластины или сердечника. '
Рис. 1 - Схема конструкции для создания управляющего магнитного поля в процессах сварки и наплавки. Обозначения на рисунке: 1 - обмотка (20 витков провода диаметром
2 мм); 2 - стальной пустотелый сердечник;
3 - стальная пластина. Параметры конструкции:
Б = 30 мм; с1 = 6...24 мм; Н = 40 мм; Ь = 5.. .20 мм; 5=25 мм.
Расчеты в соответствии с методикой [5] проводились на неравномерной разностной сетке 50x50, шаг которой выбирался таким образом, чтобы граница раздела существенно различающихся по свойствам материалов (например, сталь-воздух) проходила по границе соседних ячеек сетки. Сопоставление результатов расчета для случаев возбуждения магнитного поля переменным током различной частоты (0... 50 Гц) показало, что в среднем за период абсолютное значение индукции магнитного поля, вычисленное по формуле:
т
)\В2{г,у,т}ат
Вг{г,у) = ----О)
где Т - период возбуждающего тока, практически не отличается от значений В7 (у, г)для возбуждения магнитного поля постоянным током. Расчеты проводились как для постоянной относительной магнитной проницаемости сердечника и пластины, так и с использованием нелинейной зависимости /и = /л{В) , где
В{у,г)=4В1М + В1{у,г), (2)
а Вг {у, г), Вп {у, г) - продольная и радиальная составляющие вектора магнитной индукции. Установлено, что относительная магнитная проницаемость сердечника оказывает заметное влияние на значения магнитной индукции лишь при очень низких значениях //(//< 20), а при (л > 100...200 это влияние практически отсутствует.
Продольное (по оси катушки) и поперечное (по радиусу на уровне поверхности пластины) распределение продольной составляющей магнитной индукции представлено на рис.2, и рис.3.
Очевидно существенное влияние наличия как ферромагнитного сердечника, так и ферромагнитного свариваемого изделия на распределение магнитного поля, создаваемого катушкой. Значения индукции в зазоре между катушкой и свариваемым изделием при использовании катушки с сердечником заметно выше, чем без него. Наличие ферромагнитных свойств у свариваемого материала также приводит к концентрации магнитного поля в зазоре (магнитная индукция на поверхности стальной пластины выше, чем на том же расстоянии от катушки при отсутствии пластины).
25,00
£ S
t*f s
EJ
.fe
20,00
15,00
¡Я
3 10,00
5,00
■ Конструкция с сердечником над пластиной ■Конструкция с сердечником, но без пластины
• Конструкция без пластины и сердечника (сравнительная)
0,00
-75 -50 -25 0 25 50 75 100 Расстояние от нижней границы катушки, мм
Рис. 2 - Продольное распределение магнитной индукции в различных конструкциях, создающих управляющее магнитное поле в процессах сварки и
наплавки
Н ¡я
К
3
х £
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 Расстояние от оси системы, мм
• Конструкция с сердечником над стальной пластиной
■ Конструкция с сердечником, но без пластины
• Конструкция без пластины и сердечника (сравнительная)
Рис.3 - Радиальное распределение магнитной индукции в различных конструкциях для создания управляющего магнитного поля в процессах сварки и наплавки
Неравномерность радиального распределения магнитного поля, возникающая вследствие неоднородности сердечника, заметно проявляется лишь на малых расстояниях от него (3-5 мм) и практически незаметна на расстоянии свыше 10-15 мм (т.е. половины диаметра сердечника).
На распределение магнитного поля в области проекции сердечника на свариваемое изделие влияет как диаметр сердечника, так и толщина его стенок. Радиальный градиент индукции магнитного поля на поверхности свариваемого изделия относительно невелик внутри области проекции, но быстро возрастает за пределами этой области, особенно с ростом расстояния до среза катушки. Уменьшение толщины стенок сердечника приводит к снижению максимальной величины магнитной индукции (как на малых расстояниях от него, так и на поверхности пластины).
Выводы
1. На основе использования методов математического моделирования проанализировано влияние конструктивных параметров устройств для создания управляющего магнитного поля в процессах сварки и наплавки на распределение продольной составляющей магнитной индукции.
2. Установлено, что тип ферромагнитного материала сердечника соленоида оказывает влияние на распределение и величину магнитной индукции лишь при низких значениях относительной магнитной проницаемости. При высокой относительной магнитной проницаемости ее конкретная величина несущественна.
3. Показано, что на малых расстояниях от катушки радиальное распределение индукции магнитного поля сильно зависит от толщины стенок и внутреннего диаметра сердечника. Однако на расстояниях, сравнимых с диаметром сердечника, толщина его стенок влияет лишь на достигаемые значения продольной составляющей магнитной индукции, но не на вид кривой радиального распределения.
4. Показано, что средний радиальный градиент продольной составляющей индукции магнитного поля максимален на границе проекции области сердечника на свариваемое изделие.
Перечень ссылок
1. Манделъберг С.Л., Сидоренко Б.Г., Лопата В.Е. Управление дуговой сваркой с помощью бегущего магнитного поля. //Автоматическая сварка. - 1976. - № 19. - С. 1-4.
2. Сварка с электромагнитным перемешиванием / Черныш В.П., Кузнецов В.Д., Брискман А.Н. и др. // Киев: Техшка, 1983. - 127 с.
3. Размышляев АД. Влияние магнитного поля на размеры зоны проплавлення при наплавке под флюсом. //Автоматическая сварка. - 1996. - № 8. - С.25-28.
4. Устройства ввода управляющего магнитного поля при сварке с применением электромагнитного перемешивания жидкого металла ванны НЧерныш В.П., Кузнецов В.Д., Малинкин КВ. и др.// Сварочное пр-во. - 1977. № 11. - С.52-53.
5. Лазаренко М.А., Размышляев АД., Чичкарев Е.А. Расчет на ЭВМ управляющих магнитных полей для процессов сварки и наплавки.// Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб.науч.тр. -Мариуполь, - 1999. -Вып. № 8гС. 147-150.
Лазаренко Максим Александрович. Аспирант кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", окончил Приазовский государственный технический университет в 1996 г. Основные направления научных исследований - разработка средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке.
Размышляев Александр Денисович. Д-р техн. наук, проф. кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", окончил Ждановский металлургический институт в 1964 г. Основные направления научных исследований - разработка научных основ и средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке.
