CC BY
46
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. № 16
УДК 621.791.927.5
Размышляев А.Д.1, Дели A.A.2, Миронова М.В.3, Бахтин A.A.4
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОДНОГО И ОСНОВНОГО МЕТАЛЛОВ
Методом вольтметра и амперметра получены кривые намагничивания для сварочных проволок СВ-08А, СВ-08Г2С и СВ-ЗОХГСА и листов из сталей Ст.З и Ст.09Г2С. Показано, что при комнатных температурах в этих материалах магнитное насыщение не достигается при напряженности магнитного поля порядка 20000 А/м. При нагреве до уровня 400-500 °С в материалах достигается магнитное насыщение, и величина индукции насыщения при увеличении температур свыше указанных уменьшается. Эти данные позволят учесть влияние нагрева вылета электрода и изделия на величину индукции продольного магнитного поля в зоне сварочной дуги при наплавке.
Использование продольного магнитного поля (ПРМП) при электродуговой наплавке под флюсом позволяет уменьшить долю участия основного металла в наплавленном, повысить производительность процесса наплавки, улучшить формирование и измельчить структуру металла валика [1,2].
Сложность и недостаточная изученность физических процессов, протекающих в сварочной дуге и жидком металле ванны при воздействии ПРМП, сдерживают применение этого способа наплавки в производственных условиях.
Изученное расчетным методом в работах [3, 4] распределение индукции в зоне сварочной дуги применительно к процессу наплавки с воздействием ПРМП получено при допущенных постоянных значениях индукции (В) и магнитной проницаемости (¡и), не зависящих от напряженности поля (П). В то же время при наплавке в ПРМП используется целая система ферромагнитных тел: сердечник соленоида, электродная (сварочная, наплавочная) проволока и изделие (основной металл). Такие магнитные характеристики указанных тел, как В(П) и /;(//) зависят от химического состава сплавов на основе железа, микроструктуры и размеров зерна и они не являются линейными. В литературе данные о зависимости В(П) для сварочных проволок отсутствуют, а для основного (листового) металла весьма немногочисленны [5] и нет данных о влиянии температуры на указанные характеристики.
Как показали расчеты, выполненные по методике работы [3], величина продольной компоненты индукции Bz у поверхности изделия под электродом, генерируемой соленоидом с ферромагнитным сердечником, существенно зависит (изменяется в несколько раз) от принятых в расчетах значений магнитной проницаемости (¡и = const) для электрода и (в меньшей степени) для основного металла. Для оценки расчетными методами реального распределения магнитного поля в области сварочной дуги и металла ванны необходимо знать магнитные свойства материалов, участвующих в формировании шва, а также конструктивных элементов сварочного оборудования и технологической оснастки, расположенных в области сварочной дуги и ванны, с учетом температуры их нагрева.
Целью настоящей работы явилось изучение магнитных свойств наплавочных (сварочных) проволок и основного металла с учетом их нагрева применительно к процессу дуговой наплавки в ПРМП для повышения достоверности получаемых расчетных данных о строении магнитного поля в зоне сварочной дуги и жидкого металла ванны.
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, профессор
2 ГТГТУ, аспирант
3 ГТГТУ, аспирант
4 ГТГТУ, инженер, ст. преподаватель
Как и в работе [6] кривые индукции В(Н) получали с помощью метода вольтметра и амперметра (рис. 1). На исследуемый образец, имевший форму тора, наматывали намагничивающую обмотку с числом витков IVI и измерительную обмотку с числом витков Ж2. Измеряли значения тока холостого хода /о амперметром РА1, напряжение Щ - вольтметром РУ1, а напряжение £Л - вольтметром РУ2. В первичной цепи ваттметром Р\\ измеряли мощность активных потерь Р. Для регулирования тока в намагничивающей обмотке использовали регулятор напряжения РН (лабораторный автотрансформатор).
220 В
Рис. 1 - Схема измерения: 1 - регулятор напряжения; 2 - исследуемый образец; РУ1, РА1 - вольтметр и амперметр в первичной цепи; Р\У - ваттметр; РУ2 - вольтметр во вторичной цепи
Расчет магнитной индукции в образце произведен по формуле [6]:
В... =-—-,Тл,
(1)
где /- частота сети, Гц (/ = 50 Гц); Л' - сечение образца, уГ.
Максимальное (амплитудное) значение напряженности намагничивающего поля в замкнутой магнитной цепи
■\f2-W •/
,а/м,
(2)
где
где
10 - действующее значение намагничивающего тока, А; 1ср -средняя длина магнитной цепи, м.
Амплитудная проницаемость (/и ) в переменном магнитном поле вычислена по формуле
В
/-' =-(3)
Л«0 Нт
¡л0 - магнитная постоянная; ¡л0 = 4л;-10"7 Гн/м.
Как показано в работах [5, 6], магнитные характеристики Вт(Н„,) и и (Нт). получаемые по приведенной методике, практически совпадают с кривыми, получаемыми при первоначальном намагничивании образца. Погрешность полученной по такой методике индукции обычно не превышает 10 % [6]. Однако, в приведенном исследовании для уменьшения погрешности учитывали потери в образце на гистерезис и токи Фуко. При этом измеряли сопротивление первичной обмотки Я]. Тогда мощность, затрачиваемая на нагрев обмотки составляет 1/гКа мощность, теряемая в исследуемом образце, составляет АР = Р- РуК].
При вычислении значений Нт по формуле (2) использованы значения реактивной составляющей тока 1ор, которые определены по формуле
1оР = лД
г2 - Т2
1 0 1 0 а
(4)
Величина (активная составляющая тока) определена из выражения
АР
*0а
и,
(5)
Исследования выполнены для проволок: СВ-08А диаметром 2 мм, СВ-08Г2С диаметром 2 мм и СВ-30ХГСА диаметром 5 мм, которые широко применяют для сварки и наплавки. Из указанных проволок изготавливали тороиды путем многослойной навивки. При этом внутренний диаметр тороидов составлял с1(:и = 50 мм, а наружный диаметр с!п = 100 мм. Высота (толщина) пакета составляла приблизительно 20 мм. Сечение пакета проволок (тороида) составляло 8 = 2 см2. Длина средней линии тороида определена по формуле:
/ = к
ср
б/ +6/
Изготовлены также торонды (с указанными размерами) из пластин сталей СтЗсп и 09Г2С на токарном станке. Обмотки Ж; и Ш3 выполнены медным изолированным проводом диаметром 0,3-0,5 мм, число витков составило 1¥} = 150...350; IV2 = 75.
Предварительными исследованиями установлено, что при учете потерь на нагрев тороида токами Фуко и гистерезис, значения В„, повышаются не более, чем на 5 %.
Приведенные на рис. 2 данные показывают, что до значений Нт = 5000 А/м величина В„, максимальна для проволоки СВ-08А, а минимальна - для проволоки СВ-30ХГСА. Значения В„, для проволоки СВ-08Г2С являются промежуточными между указанными выше. При напряженности поля Нт > 5000 А/м значения Вт максимальны для проволоки СВ-30ХГСА. Эти зависимости находятся в соответствии с имеющимися представлениями о влиянии легирующих элементов на магнитные характеристики материалов [7].
Образцы из листовой стали имеют
2,0
т
Ш
Я-
1,2
ё? 0.8
к
К
0,4
0
3
4
более низкие значения индукции (кривые 4 и 5 на рис. 2), чем для исследованных проволок. Это связано с тем, что в стали после прокатки значительно деформирована ее кристаллическая решетка [7].
При приблизительно одинаковом химсоставе проволоки СВ-08Г2С и пластины из стали 09Г2С последняя, вследствие указанных причин, имеет более низкие значения индукции Вт (при равных значениях Нт). Характерно также то, что в образцах (даже при значительном поле Нт = 20000 А/м) не достигнуто состояние магнитного насыщения.
Поскольку в реальном процессе наплавки вылет электрода нагревается до значительных температур (до 600-700 °С) [8], для проволок диаметром 3...5 мм и обычных значениях вылетов и токов сварки), исследовали зависимости В„,(Нт) для указанных материалов в диапазоне температур Т = 20...700 °С. При этом на исследуемые образцы (тороиды) размещали обмотки из нихромовой проволоки диаметром 0,7 и 1,0 мм. Выбор нихрома был связан с тем, что он обладает самым низким температурным коэффициентом удельного сопротивления, и в этом случае можно не учитывать поправку, связанную с изменением сопротивления КI намагничивающей обмотки \¥ I (и потерь при изменении температуры. Между тороидом и намагничивающей обмоткой, а также между этой обмоткой и измерительной обмоткой (И/%) размещали (плотно навивали) слой изоляции из асбестового шнура диаметром 2,5 мм. Число обмоток при этом составляло: IV] = 44, Ж, = 31.
Для измерения температуры к тороиду конденсаторной сваркой приваривали спай хро-мель-алюмелевой термопары диаметром 0,2 мм. Образцы (тороиды) помещали в муфельную печь. Зависимости Вт(Н„,) получали измерением значений (/¡. 10, и2, Р через каждые 100 °С
На рис. 3 в качестве примера приведены характерные зависимости В„,(Нт), полученные при различных температурах для проволоки СВ-08А.
В области малых значений напряженности поля (//„,) с ростом температуры значения Вт возрастают (до температуры 400 °С). При температуре 400 °С в образце достигается магнитное насыщение. Если температура Т > 400 °С, то с ее ростом уменьшается значение индукции насыщения. С ростом температуры уменьшались значения Н„„ при которых достигается
0 4 8 12 16 20-10" Напряженность магнитного поля 111Н. А/м
Рис. 2 - Кривые намагничивания для исследованных материалов: 1 - СВ-08А; 2 - СВ-08Г2С; 3 - СВ-30ХГСА; 4 - Ст.09Г2С: 5 - Ст. 3
pa
s us
Pt
1,2 1,0
0,8 0,6 0,4
0,2 0
3s
4' 5 X V*
/ /г/ 6 ..../.........
/
/
500 1000 1500 2000
Напряженность магнитного поля Hm, А/м
Рис. 3 - Кривые намагничивания для СВ-08А при температурах: 1 - 200 °С; 2 - 300 °С; 3 - 400 °С; 4 - 500 °С; 5 - 600 °С; 6 - 700 °С
магнитное насыщение образца. Магнитные свойства проволоки СВОЗА терялись (точка Кюри) при Т = 730 °С (± 10 °С). Для других образцов точка Кюри составляла 700...750 °С. Измерениями также установлено, что после отжига образцов (нагрев до 750 °С и медленное охлаждение с печью) их магнитные свойства значительно повышались.
Целесообразно проведение дальнейших исследований по влиянию установленных изменений магнитных свойств материалов электродов и основного металла от нагрева их в процессе наплавки на распределение индукции продольного магнитного поля в зоне сварочной дуги и жидкого металла ванны.
Выводы
1. При комнатной температуре кривые намагничивания для сварочных проволок СВ-08А, СВ-08Г2С и СВ-30ХГСА расположены значительно выше, чем кривые для образцов из листовых сталей СтЗсп и 09Г2С. Магнитное насыщение этих материалов не достигается при напряженности магнитного поля порядка 20000 А/м.
2. При температурах порядка 400-500 °С в исследованных материалах достигается магнитное насыщение, и при увеличении температуры свыше указанной индукция магнитного поля, соответствующая наступлению насыщения, уменьшается.
Перечень ссылок
1. Сварка с электромагнитным перемешиванием / В.П. Черныш, В.Д. Кузнецов, А.Н. Брискман и др. - Киев: Техника, 1983. - 127 с.
2. Размышляев А.Д. Магнитное управление формированием швов при дуговой сварке. / А.Д. Размышляев. - Мариуполь: ПГТУ, 2000. - 245 с.
3. Лазаренко М.А. Расчет на ЭВМ управляющих магнитных полей для процессов сварки и наплавки / М.А.Лазаренко, А.Д. Размышляев, Е.А.Чичкарев // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та; Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып. 8. - С. 147-150.
4. Размышляев А.Д. Расчет индукции магнитного поля соленоида с ферромагнитным сердечником применительно к дуговой наплавке / АД. Размышляев, В.Р. Маевский, С.М. Сидоренко // Автоматическая сварка. - 2001. - № 8. - С. 22-24.
5. Преображенский A.A. Магнитные материалы и элементы / A.A. Преображенский, Е.Г. Бы-шард. - М.: Высшая школа, 1986. - 352 с.
6. Чечерников В.И. Магнитные измерения / В.И. Чечерников. - М.: Изд. Московского ун-та, 1969.- 387 с.
7. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б.Г. Лившиц, B.C. Кропоткин, Я.Л. Липецкий. - М.: Металлургия, 1980. - 320 с.
8. Патон Б.Е. Процесс плавления электрода при автоматической сварке под флюсом / Б.Е. Патон II Труды по автоматической сварке под флюсом. - Киев: АН УССР. - 1949. - № 4. -С. 22-39.
Статья поступила 05.03.2006
