CC BY
9
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2000 г.
Вып.№9
УДК 621.791.753.042
Щетинин C.B.1, Щербина A.B.2, Мельников А.Е.3, Захарова И.В.4
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СВАРОЧНОГО КОНТУРА В ЗАЗОРЕ СТЫКА
Исследовано электромагнитное поле сварочного контура в зазоре стыка. Установлено влияние толщины металла и зазора в стыке на индукцию, электромагнитную силу и электромагнитное давление, определяющие формирование швов при односторонней сварке на флюсовой подушке.
Электромагнитное поле сварочного тока и положение дуги в пространстве определяют магнитогидродинамические явления в сварочной ванне и формирование швов. Несмотря на то, что металл при температуре выше точки Кюри немагнитен, электромагнитное поле действует на жидкий металл, как на проводник с током. Особенно усиливается влияние магнитогидродинамических явлений на формирование швов при односторонней сварке, так как направленные вниз електромагнитные силы приводят к вытеканию жидкого металла из сварочной ванны.
Односторонняя сварка, является одним из энерго- и материалосберегающих процессов. Однако применение односторонней сварки ограничено нарушением формирования обратного валика [1, 2] в результате прожогов и вытекания жидкого металла из сварочной ванны.
Большинство существующих способов односторонней сварки основано на удержании жидкого металла от протекания за счет регулирования направленных вверх сил, действующих на жидкий металл ванны [3, 4].
Эффективным способом удержания жидкого металла от протекания является уменьшение давления дуги и направленных вниз электромагнитных сил, которые можно регулировать путем изменения формы электрода и электромагнитного поля сварочного тока. Однако электромагнитное поле сварочного тока исследовано недостаточно [5].
для исследования электромагнитного поля сварочного тока, протекающего по изделию, разработана методика [6, 7], которая заключается в следующем. К изделию подводятся токоведущие кабели. В зазоре стыка располагается зонд тесламетра. По пластинам пропускается сварочный ток, и производятся измерения индукции электромагнитного поля в зазоре стыка на верхней и нижней поверхностях и на расстоянии от изделия.
Наиболее значительное влияние на формирование сварных швов при односторонней сварке оказывают толщина металла и зазор в стыке. Поэтому проведены исследования влияния толщины металла и зазора в стыке на электромагнитное поле сварочного контура.
Исследования индукции электромагнитного поля сварочного контура производили при пропускании постоянного тока величиной 4800 А по пластинам размером (4x40x300)-10'3 м, (10x40x300) • 10'3 м и (16x40x300) • 10 3 м согласно разработанной методике.
В результате проведенных исследований установлено, что с увеличением толщины металла с 4-Ю'3 м до 16-10'3 м индукция электромагнитного поля, которая максимальна на поверхности, возрастает с 0,035 до 0,15 Т (рис. 1, а).
Увеличение индукции электромагнитного поля с ростом толщины, по всей вероятности, является следствием увеличения ферромагнитной массы и усиления поля под действием ферромагнетика.
1111 ТУ, аспирант
2 1 11 ТУ, аспирант
3 ПГТУ, аспирант
4 ПГТУ, аспирантка
Ен О
) 1
<
.И""
К
Л
м " §
1
2 •--»
ч
•Ч -по
г г"
V
¿1 3
И
■а--ч
\ С 1
V
\ \ J ...........
я С
к
я
ц ¿5
Ч
Л 1
V
ч
V" ч
V1
V
\ й/
Точка измерения, 10"3 м Точка измерения, I О"3 м Точка измерения, 10"3 м
а) б) в)
Рис. 1 - Зависимость индукции (а), электромагнитной силы (б) и электромагнитного давления (в) от толщины металла; Пластины:
1- (16x40x300) • ИГ3 м; 2 - (10x40x300) ■ 10 3м; 3 - (4x40x300) • 10'3 м.
Независимо от толщины металла при протекании тока по пластинам индукция на середине толщины металла равна нулю, и направление электромагнитного поля изменяется на противоположное при переходе от верхней к нижней поверхности.
В соответствии с индукцией при увеличении толщины металла возрастает с 50 Ндо 216 Н электромагнитная сила (рис. 1, б):
Р = 1В1, Н
Направленная вниз электромагнитная сила максимальна на верхней и нижней поверхностях пластин, поэтому оказывает значительное влияние на формирование обратного валика при односторонней сварке.
Индукция определяет давление, действующее на жидкий металл 181:
Рэм=~ ,Па, 2 ¡и
где В - индукция электромагнитного поля, Т;
- магнитная проницаемость среды, 4л-10~7 Гн/м.
С увеличением толщины металла электромагнитное давление возрастает в квадратичной зависимости от индукции с 0,49 кПа до 9 кПа (рис. 1, в). Увеличение электромагнитного давления на жидкий металл приводит к нарушению формирования швов при односторонней сварке.
При протекании тока по трубе изменяется распределение электромагнитного поля, возрастает индукция и максимальное значение достигается на середине толщины металла трубы (рис. 2, а). При протекании тока по трубе диаметром 60-Ю'3 м с толщиной стенки 10'2 м индукция увеличилась с 0,1 Т при протекании тока по пластинам до 0,35 Т. При этом электромагнитная сила увеличилась с 144 Н до 504 Н и электромагнитное давление с 4 кПа до 49 кПа.
Как установлено, при протекании тока по трубе максимальное значение индукции электромагнитного поля не зависит от толщины металла. В то же время индукция, электромагнитная сила и электромагнитное давление на поверхностях возрастают (рис. 2, б), что соответствует данным, полученным при протекании тока по пластинам. Сравнение распределения электромагнитного поля при протекании тока по трубе свидетельствует, что с увеличением толщины стенки возрастает магнитный поток, который можно оценить по площади, ограниченной кривой распределения индукции.
1 83
Магнитный поток определяется как интеграл вектора магнитной индукции по некоторой поверхности:
В Ьм Рэм
Э00
¡_ 250
п
Ь
»200
50
600
300
0 Г)
.в
/ \
^Рэы
1 1 1« и
ы •--- , са
15 7,5 о -7,5 Ь
Точка измерения, 10 м
6 0 -6 Ь
Точка измерения, 10 3 м
а) б)
Рис. 2 - Электромагнитное поле сварочного тока в трубе с толщиной стенки 10 • 10'3 м (а), с толщиной стенки 3 • 10*3 м
Магнитный поток зависит от поверхности 8, с увеличением которой магнитный поток возрастает. Увеличение магнитного потока с ростом толщины стенки трубы является результатом увеличения ферромагнитной массы и количества магнитных моментов.
Как установлено (рис. За, б,в), на индукцию, электромагнитную силу и электромагнитное давление значительное влияние оказывает величина зазора в стыке. При уменьшении зазора в
Н .V»)
£ 15С 1
¡1*1
й
/ 1
1
/
ц 4
К
)
____£ У
Я
400
Е '•"'
X
I 24«
(Т) 164
/ 1
> """
/ 3
4
4) 2$
и К
Точка измерения, 10* м
I |
1
А 4
И-3 ш 4.-Я
Точка измерения, 10'3 м
Точка измерения, 10"5м В)
а) б)
Рис. 3 - Зависимость индукции (а), электромагнитной силы (б) и электромагнитного давления (в) от зазора в стыке: 1 - 2103 м; 2 - З103 м; 3 - 4-103 м; 4 - 5-Ю3 м.
стыке трубы с 5-Ю'3 м до 2-Ю'3 м максимальное значение индукции поперечного электромагнитного поля при постоянном токе возросло от 0,15 Т до 0,35 Т. Это является следствием уменьшения магнитного сопротивления, вследствие чего магнитный поток и индукция возрастают.
Пропорционально индукции с уменьшением зазора в стыке возрастают электромагнитная сила с 216 H до 504 H (рис. 3, б) и электромагнитное давление с 9 кПа до 49 кПа (рис. 3, в).
Электромагнитное давление по величине значительно превосходит гидростатическое давление жидкого металла, поэтому для улучшения формирования обратного валика при односторонней сварке целесообразно регулировать и использовать электромагнитное поле сварочного контура.
Выводы
1. Электромагнитное поле сварочного контура оказывает значительное влияние на формирование обратного валика при односторонней сварке на флюсовой подушке.
2. Установлено, что при увеличении толщины пластин возрастает индукция, направленные
вниз электромагнитная сила и электромагнитное давление, под действием которого жидкий металл вытекает из сварочной ванны, что приводит к нарушению формирования швов при односторонней сварке.
3. Увеличение толщины металла при протекании тока по трубе приводит к росту магнитного
потока при неизменном максимальном значении индукции. В то же время величина индукции и электромагнитного давления на поверхности металла возрастает.
4. При уменьшении зазора в стыке индукция, электромагнитная сила и электромагнитное давления возрастают.
5. Для улучшения формирования швов при односторонней сварке целесообразно регулировать и использовать электромагнитное поле сварочного контура.
Перечень ссылок
1. Тераи К, АрикаваМ. Современное состояние односторонней автоматической сварки. - Л.: Судостроение, 1984. - 198с.
2. Веселков В. Д. Односторонняя сварка стыковых соединений стальных конусных конструкций. - Л.: Судостроение, 1974. - 135 с.
3. Mizoguchi S., Sigioka I., Kasugai M. One-side submerged arc welding process with double layers
flux backing //Yawata welding electrode C., Ltd IIW. Doc. XII - 391 - 67,- 1967. - April.
4. Pat. 3351734 U.S., МКИ В 23 К 9/00. Electric arc working for welding one-side of two pieces of
steel plates.
5. Файнберг Jl.K К оценке электромагнитных сил, действующих на дуги при много дуговой сварке // Автоматическая сварка. - 1999. - № 8. - С.25-29.
6. Щетинин C.B. и др. Влияние форм изделия на электромагнитное поле сварочного контура
// Вестник Приазов.гос.техн. ун-та: Сб.научлр. - Мариуполь. 1998. - Вып.6 - С.40-46.
7. Щетинина В.И., Чигарее В.В., Щетинин C.B. Электромагнитное поле сварочного контура //
Вестник Академии инженерных наук Украины. - 1999. - № 4. - С.94-101.
8. Зильберман Г.И. Электричество и магнетизм,- М.: Машиностроение, 1970,- 347 с.
Щетинин Сергей Викторович. Аспирант 111 ТУ. Окончил Мариупольский металлургический институт в 1986 г. Основные направления научных исследований - теоретические основы односторонней сварки и исследование электромагнитного поля сварочного контура. Щербина Андрей Владимирович. Аспирант ПГТУ. Окончил Приазовский государственный технический университет в 1999 г. Основные направления научных исследований - изучение электромагнитного поля сварочного контура.
Мельников Андрей Евгеньевич. Аспирант ПГТУ. Окончил Приазовский государственный технический университет в 1999 г. Основные направления научных исследований - изучение электромагнитного поля сварочного контура.
Захарова Ирина Вячеславовна. Аспирант ПГТУ. Окончила Приазовский государственный технический университет в 1997 г. Основные направления научных исследований -исследование процесса двухдуговой сварки.
