CC BY
17
В1 СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УШВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. №13
УДК 621.791.753.042
Чигарев В.В.1, Щетинин СВ.2, Мельников А.Е.3, Голубков СП.4, БудыкаА.В.5
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ СВАРОЧНОГО ТОКА
Подтверждена электромагнитная природа межатомных сил связей, которые лежат в основе процесса сварки. Установлены закономерности воздействия на электромагнитное поле сварочного тока за счет расположения и ширины пластин, что можно использовать при изготовлении двухслойной стали.
Электромагнитное поле сварочного контура создается током, протекающим по электроду, дуге и изделию. Электромагнитное поле тока, протекающего по дуге, приводит к пинч-эффекту и давлению дуги на жидкий металл сварочной ванны [1,2]. Электромагнитное поле тока, протекающего по изделию, приводит к отклонению дуги и магнитному дутью, которое нарушает стабильность процесса сварки и формирование сварных швов.
Электромагнитное поле применяется для удержания горячей плазмы, в ускорителях заряженных частиц, в обычной и квантовой электронике, энергетике, физике твердого тела, химии, биологии и т.д.[3]. Электромагнитное поле, возникающее при протекании тока по проводнику, изучено на очень высоком научном уровне P.M. Уайтом [3], Д. Маттисом [4], В.Гильбертом [5], Дж. Максвеллом [6]. Однако электромагнитное поле сварочного тока исследовано недостаточно [7, 8, 9].
Проблема предотвращения магнитного дутья и улучшения качества сварных соединений является важной народно-хозяйственной задачей.
Целью данной работы является изучение природы и способов регулирования электромагнитного поля сварочного тока.
Электромагнитное поле лежит в основе процесса сварки, так как природа межатомных сил связей, обеспечивающих получение сварных соединений, является электромагнитной [10]. Электромагнитные силы межатомного взаимодействия являются результатом движения электронов вокруг ядра (рис.1). При движении электронов создаются токи. Токи одинакового направления вследствие возникновения между ними электромагнитных полей противоположного направления и взаимного уничтожения притягиваются, так как они перемещаются в сторону меньшего магнитного поля, равного нулю.
Рис. 1 - Схема электромагнитного взаимодействия проводников с током одинакового направления и межатомных сил связей токов электронов одинакового направления
1 ПГТУ, д-р техн.наук, проф.
2 ПГТУ, кавд. техн. наук, доц.
3 ПГТУ, аспирант
4 ПГТУ, аспирант
5 ПГТУ, аспирант
P.M. Уайт [3], занимающийся квантовой теорией магнетизма, использовал метод исследований, основанный на изучении отклика магнитных систем на внешние магнитные поля. Если известна восприимчивость системы, зависящая от длины волны, можно в принципе понять все магнитные свойства системы. Это как приложение теории отклика к магнитным системам, что было использовано для исследования электромагнитного поля при моделировании процесса.
Для исследования электромагнитного поля сварочного тока, протекающего по изделию, разработана методика, которая заключается в следующем. К изделию подводятся токоведущие кабели. По пластинам пропускается ток, и производится измерение индукции электромагнитного поля в зазоре стыка по всей толщине и на расстоянии от металла (рис.2).
Рис.2 -Схема измерения индукции электромагнитного поля при расположении пластин в контакте боковыми поверхностями
В результате проведенных исследований установлено, что при протекании тока независимо от расположения пластин электромагнитная индукция на середине толщины металла равна нулю (рис.3). При приближении к поверхности пластины индукция возрастает и достигает максимального значения на поверхности. При удалении от поверхности пластины индукция электромагнитного поля снижается. В соответствии с направлением силовых линий (рис. 2) при переходе от середины к нижней поверхности пластин направление индукции изменяется на противоположное.
При протекании тока по пластинам размером 8x40x300 мм максимальное значение индукции в зазоре стыка пластин на поверхности равно 0,08 Т (рис.За). При контакте пластин боковыми поверхностями (рис.2) максимальное значение индукции возрастает до 0,ЗТ (рис. 36). При постоянном значении величины тока и ферромагнитной массы это является следствием концентрации электромагнитного поля. В начале было сделано предположение, что при контакте пластин боковыми поверхностями индукция возрастает вследствие увеличения расстоянии от оси проводника. Индукция электромагнитного поля внутри проводника с током определяется по формуле [111:
П Ш Т
4яг
где fio - магнитная проницаемость вакуума, |д0=4я-10"7 Гн/м; (i - относительная магнитная проницаемость среды; 1 - величина тока, А;
h - расстояние от оси внутри проводника с током h < г, м; г - расстояние от оси за пределами проводника с током, м.
Поэтому с увеличением расстояния от оси проводника при контакте пластин боковыми поверхностями индукция возрастает. Пропорционально индукции при контакте пластин боковыми поверхностями возрастает с 106 Н до 414 Н электромагнитная сила и в квадратичной зависимости 12,13,14] электромагнитное давление с 2,56 кПа до 36 кПа. Контакт пластин боковыми поверхностями увеличивает электромагнитное поле аналогично замкнутому контуру трубы, когда силовые замыкаются в ферромагнитном теле трубы, контур которой совпадает с силовыми линиями. Однако при пропускании тока по пластинам 8x80x300 мм, контактирующим боковыми поверхностями, максимальное значение индукции уменьшилось по сравнению с пластинами 8x40x300 мм до 0,2Т (рис.4), что обусловлено увеличением ширины пластин и уменьшением плотности тока.
8x40x300 мм до 0.2Т (рис.4), что обусловлено увеличением ширины пластин и уменьшением плотности тока.
II Г1м Р >м
I
= I*
■45
7(1
■ 7и
-1п5
5 5
14
__н
___1 п<
___р-ш
-16(1
I >\1
450
= !5<:
а 11
Е-
^ I м и
240 > -45(1'
11)М
I
= О
н
____. 1 ')М
__1>>м
г* V-*-1
\ Р
-20 .--1
7 0-7 40 20 О
Точка измерения . И) м Точка ииморомия. 10 м
а б
Рис.3 - 11онеречное электромагнитное поле в зазоре стыка пластин 8x40x300 мм (а) и при контакте пластин боковыми поверхностями (б)
-100
-200
очка измерении.
Рис.4 - Поперечное электромагнитное поле при контакте пластин 8x80x300 мм боковыми поверхностями
Установленное влияние расположения и ширины пластин на электромагнитное поле сварочного тока свидетельствуют о возможности регулирования поля за счет концентрации. При контакте пластин боковыми поверхностями фактически уменьшается ширина пластин с 40 до 8 мм.
Согласно принципу суперпозиции поле является суммой полей, создаваемых элементарными токами, расположение которых влияет на индукцию. При контакте пластин боковыми поверхностями уменьшается расстояние между элементарными токами, вследствие чего увеличивается индукция электромагнитного поля.
Рассмотренные схемы расположения пластин характеризуют процесс сварки встык и изготовления двухслойной стали. Полученные данные целесообразно использовать для усиления электромагнитного поля сварочного тока.
Дальнейшие исследования электромагнитного поля сварочного тока являются
перспективными, так как направлены на разработку новых способов сварки, восстановления и
упрочнения деталей металлургического оборудования, предотвращения фреттинг-коррозии и
изготовления двухслойной стали.
Выводы
1. Подтверждена электромагнитная природа межатомных сил связей, которые лежат в основе процесса сварки, что свидетельствует о целесообразности использования электромагнитных сил и электромагнитного давления для получения прочных сварных соединений.
2. Установлено влияние расположения пластин на индукцию электромагнитного поля сварочного тока. При контакте пластин боковыми поверхностями возрастает индукция электромагнитного поля, электромагнитная сила и в квадратичной зависимости электро-магнитное давление, что обусловлено концентрацией силовых линий.
3. С увеличением ширины пластин индукция электромагнитного поля при одинаковом значении тока снижается вследствие уменьшения плотности и рассредоточения силовых линий.
4. Полученные данные целесообразно использовать при сварке пластин встык, восстановлении и упрочнении деталей металлургического оборудования и изготовлении двухслойной стали с использованием электромагнитного поля сварочного тока.
Перечень ссылок
1. Финкелъбург В. Электрические дуги и термическая плазма / В. Финкелъбург. и Г. Меккер. - М.: Изд-во иностр. лит., 1961. - 369 с.
2. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга / Г.И. Лесков. - М.: Машиностроение, 1970.-334с.
3. Уайт P.M. Квантовая теория магнетизма /P.M. Уайт. - М.: Мир, 1972. - 306с.
4. МаттисД. Теория магнетизма 1Д. Маттис. - М.: Мир, 1967. - 400с.
5. Гильберт В. О магните, магнитных полях и о большом магните - Земле / В. Гильберт. - М.: Изд-во АН СССР, 1956. - 375с.
6. Максвелл Дж. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля I Дж. Максвелл - М.: Изд-во АН СССР, 1954.-238 с.
7. Патон Б.Е. Сварка под флюсом при изготовлении труб большого диаметра / />'. Г. Патон, С.Л.Манделъберг //Автоматическая сварка,- 1968.-№ 3,- С.41-46.
8. Манделъберг С.Л., Лопата В.Е. Влияние магнитного поля сварочного контура на форму швов, свариваемых внутри трубы / С.Л. Манделъберг, В.Е. Лопата II Автоматическая сварка. - 1962,— № 3. - С. 1-6.
9. /аген Ю.Г., Таран В.Д. Сварка магнитоуправляемой дугой / Ю.Г. Гаген, В.Д. Таран. - М.: Машиностроение, 1970,- 157с.
10. Теоретические основы сварки / под ред. В.В. Фролова. - М.: Высшая школа, 1970. - 592с.
11. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля / В.А. Говорков- М.: Энергия, 1968,- 486с.
12. Зильберман Т.Е. Электричество и магнетизм 1Г.Е. Зильберман. - М.: Наука, 1970,- 384с.
13. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле / ЛА.Бессонов. -М.: Гардарики, 2001. - 316с.
14. Абрамович Т.П. Прикладная газовая динамика/ Г. II. Абрамович. - М.: Наука, 1969.- 824с.
Статья поступила 14.01.2003
