CC BY
17
УДК 621.791.753.042.5.001/043.3/
Щетинина В. И., Щетинин С. В., Ряднина С. Г., Чапни Н. И., Мельников А. Е., Щербина А. В.
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ИЗДЕЛИЯ ИА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ СВАРОЧНОГО КОНТУРА
Электромагнитное поле сварочного контура создается током, протекающим по электроду, дуге и изделию. Электромагнитное поле тока, протекающего по дуге, приводит к пинч-эффекгу и давлению дуги на жидкий металл сварочной ванны [1, 2]. Электромагнитное поле тока, протекающего по изделию, приводит к отклонению дуга и вызывает магнитное дутье.
Магнитное дутье значительно усиливается при сварке труб [3, 4, 5, 6]. Считают [4], что в результате нагрева металла на всю толщину выше точки Кюри в зоне сварки магнитный поток не шунтируется основным металлом. При этом дуга оказывается под воздействием поперечного электромагнитного поля и отклоняется вдоль продольной оси трубы. Однако электромагнитное поле сварочного контура при сварке прямошовных труб исследовано недостаточно [7,8].
Для исследования влияния формы изделия на электромагнитное поле тока, протекающего по изделию, разработана методика, которая заключается в следующем. К изделию подводятся токоведущие кабели. В зазоре стыка располагается зонд. По пластинам пропускается сварочный ток, и производятся измерения индукции электромагнитного поля в зазоре стыка на нижней и верхней поверхности и на расстоянии от поверхности изделия (рис. 1). Зонд для измерения электромагнитной индукции устанавливается в зазоре стыка таким образом, чтобы силовые линии электромагнитного поля входили в датчик Холла. При изменении направления электромагнитного поля зонд поворачивается на 180°.
Рис. 1 - Схема измерения и силовые линии электромагнитного поля сварочного тока, протекающего по пластине.
Измерения электромагнитной индукции производили при пропускании по изделию постоянного сварочного тока 4400А. В качестве источника питания использовали выпрямитель сварочный ВМГ-5000.
Магнитная проницаемость жидкого металла близка к магнитной проницаемости воздуха, поэтому по значениям электромагнитной индукции в точках измерения можно определить магнитное поле сварочного тока в ванне. Величина элекгромагнтного поля определяется индукцией, которая прямопропорциональна величине тока и обратнопропорциональна расстоянию от проводника [9]:
где ц - магнитная проницаемость воздуха, ц=4я • Ю-7 Гн/м.
Эта формула, выведенная для проводника с током круглого сечения, не отражает
216 1
зависимости индукции от формы проводника.
В результате проведенных исследований установлено, что при протекании тока по пластинам электромагнитная индукция на середине толщины металла равна нулю. При приближении к поверхности пластины индукция возрастает и достигает максимального
400 ? 320
со
ж
ж а а
р^
ч
X
я
В! св
а н
X X
и
240
160
80
-80
ч2
>
в= - N / И
в= ■ЧтсТ
К. г»*
15
■15
10 5 0 -5 -10 Точка измерения И, мм
Рис. 2 - Влияние формы изделия на индукцию электромагнитного, поля: 1- пластины 10x40x200 мм; 2 - труба диаметром 60x10x200 мм; 3 - расчетное значение; величина тока 4400А, зазор в стыке 2 мм
При удалении от поверхности пластины индукция электромагнитного поля снижается. В соответствии с направлением силовых линий электромагнитного поля (рис. 1) при переходе от середины к нижней поверхности пластин направление индукции изменяется на противоположное.
На распределение и величину электромагнитной индукции в зазоре стыка значительное влияние оказывает форма изделия. При протекании тока по трубе резко возрастает максимальное значение индукции. При этом направление индукции не изменяется, а максимальное значение достигается на нижней поверхности или середине толщины металла трубы. Изменение характера распределения и величины индукции является результатом того, что силовые линии электромагнитного поля концентрируются в замкнутом ферромагнитном теле трубы, контур которой совпадает с силовыми линиями электромагнитного поля. Значение индукции равно нулю в центре трубы и имеет противоположное направление в области нижней стенки (рис. 3).
Рис. 3 - Схема измерения и распределения индукции электромагнитного поля при протекании тока по трубе.
Пропорционально индукции форма изделия влияет на максимальную электромагнитную силу, которая при протекании тока по трубе значительно возрастает:
Р = т1,Н,
где I - величина тока, А;
В - индукция электромагнитного поля, Тл;
1 - длина проводника, м.
Поэтому при сварке труб усиливается магнитное дутье.
При сварке прямошовных труб от токоподвода электромагнитная сила отклоняет дугу вперед так, что периодически длина ее увеличивается до естественного обрыва и вновь возбуждается при закорачивании электрода на изделие. При этом режим становится нестабильным, формирование швов нарушается. При сварке на токоподвод дуга отклоняется назад, погружается в основной металл и стабилизируется, но шов формируется с подрезами. Электромагнитное поле усиливается при протекании тока по располагающейся внутри трубы штанге, которая используется как токоподводяций элемент (рис. 4а, б, г, д). Независимо от направления тока, протекающего по трубе! результирующее электромагнитное поле определяется направлением тока, протекающего по штанге. Это обусловлено тем, что ток, протекающий по штанге, создает в зазоре трубы электромагнитное поле, значительно превосходящее по величине поле тока, протекающего по трубе. Так при сварке по схеме (рис. 4а, б) электромагнитная сила, отклоняя дугу вперед, делает ее поверхностной настолько, что ее невозможно закрыть флюсом. Глубина проплавлення при этом уменьшается и становится неравномерной.
а -
з
___________ХККЧл*!^--— ______________
г
Рис. 4 - Схема токоподвода к прямошовным трубам: 1 - комбинированный электрод; 2- прямошовная труба; 3 - штанга; 4 - флюсовая подушка; 5 - точка токоподвода
Для обеспечения стабильного процесса и качественного формирования обратного валика при односторонней сварке на флюсовой подушке разработан способ сварки с
двухсторонним токоподводом (рис. 5), при котором электромагнитное поле регулируется за счет изменения величины тока, протекающего впереди и сзади дуги [10]. Перераспределение тока по трубе производится путем изменения электрического сопротивления кабелей за счет регулирования его сечения или длины.
№
Т
2Г
*а
Рис. 5 - Схема двухстороннего токоподвода к прямошовной трубе с распределением тока в начало и конец трубы: 1 - труба; 2 - электрод; 3 - штанга; 4, 5 - точки токоподвода; 6,7- токоведущие сварочные кабели различного сечения; 8 - источник питания.
В результате проведенных исследований влияния распределения тока по трубе на стабильность процесса и формирование швов установлено, что оптимальным является соотношение токов впереди и сзади дуги 1,7-1,8, при котором электромагнитное поле сварочного контура обеспечивает стабильность процесса, равномерное и качественное формирование внешнего и обратного валика (рис. 6).
Соотношение токов ь
а
дь
о ё
Г». 25
ют
о О
л
л №
РР
Я
I
О 110
и
о &
се
I6 В
В
20
т
219
ее"
<а @18
17
в
X У
)\
| -Л- 7
1 2 Соотношение токов
Ь
Рис. 6 - Влияние распределения сварочного тока по трубе на стабильность процесса (а) и качество сварных щвов (б): скорость сварки 2,МО 2 м/с; толщина стенки трубы 8103 м.
Исследования влияния распределения тока, протекающего в начало и конек трубы, на величину индукции электромагнитного поля впереди и сзади дуги показали, что она пропорциональна току вдали от дуги. По мере приближения дуги индукция впереди возрастает, а по мере удаления индукция сзади дуги уменьшается (рис. 7). Измерения индукции производили при сварке труб диаметром 426 мм с толщиной стенки 8 мм. Индукция электромагнитного поля дуги на минимально исследуемом расстоянии 0,25 м равна:
2100 _
В = 4л-10'
,-7
=84-10 Тл
471-0,25
Поэтому установленное изменение индукции, по всей вероятности, является следствием различного расположения линий тока относительно стыка.
В
^ 0,25
,0,20
0,15
0,10
0,05
\
\
1 . /1
.2
0,2 0,4 0,6 0,8 Б Расстояние от дуги, м
Рис. 7 - Зависимость индукции магнитного поля от расположения дуги: 1 - индукция магнитного поля сзади дуги; 2 - индукция магнитного поля впереди дуги.
Электромагнитное поле сзади дуги уменьшается при образовании сварного шва и его охлаждении за счет увеличения количества силовых линий, проходящих по металлу шва. Измерения индукции сзади дуги производили в начале трубы, поэтому высокие значения являются подтверждением асимметричности поля в области, удаленной от середины стыка. Магнитные силовые линии стремятся замкнуться через металл трубы, обладающий значительно большей магнитной проницаемостью, чем воздух.
Выводы
1. Форма изделия оказывает значительное влияние на величину и распределение индукции электромагнитного поля тока, протекающего по изделию. В зазоре стыка пластин индукция на середине толщины металла равна Нулю, при приближении к поверхности индукция возрастает и изменяет направление на противоположное при переходе от нижней к верхней поверхности. В зазоре стыка трубы индукция резко возрастает, максимальное значение достигается на середине и нижней поверхности толщины металла.
2. Электромагнитное поле и магнитное дутье при сварке труб значительно возрастает вследствие концентрации силовых линий магнитного поля в обладающем большой магнитной проницаемостью ферромагнитном теле трубы, так как контур трубы совпадает с контуром силовых линий поля.
3. Разработан способ регулирования электромагнитного поля и установлено оптимальное соотношение токов, протекающих впереди и сзади дуги, которое обеспечивает стабильность процесса и качественное формирование обратного валика при од носторонней сварке комбинированным электродом на флюсовой подушке.
Перечень ссыпок
1. Финкельбург В. и Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. - М.: Изд-во
иностр. лит., 1961. - 369 с.
2. Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга. - М.: Машиностроение, 1970. - 334 с.
3. Патон Б Е., Манделъберг С. Л. Сварка под флюсом при изготовлении труб большого
диаметра//Автоматическая сварка. -1968. - № 3. - С. 41*46.
4. Манделъберг С. Л., Лопата В, Е. Влияние магнитного поля сварочного контура на
форму швов, сваренных внутри трубы//Автоматическая сварка. -1962. - № 3. - С. 1-6.
5. Гаген Ю. Г., Таран В. Д. Сварка магнигтоуправляемой дугой. - М.: Машиностроение,
1970.-157 с.
6. Устранение влияния ферромагнитных масс при сварке внутренних швов/ В. М. Иваненко, Н. М. Будник, Р. М. Гуфан, В. Т. Кошкарев // Автоматическая сварка. - 1966. -№9.-С. 50-51.
7. Guill А. Е. The magnetic movement of short arc / With reference to arc welding problems // Brit.
Wdd J.-1966.-13,№6.-P. 8-11.
8. Jenings С. H. and White A. B. Magnetic arc blow // The welding journal. -1941. - 20, № 10. -
P.ll-13.
9. Зильберман Г. E. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1970. - 383 с.
10. А. с. 1524981 СССР, МКИ В 23 К 9/00. Способ злекгродуговой сварки /В. И. Щетинина, А. И. Акулов.
