CC BY
24
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2007 р. Вип. № 17
УДК 621.791.753.042
Чигарев В.В.1, Щетинина В.И.2, Щетинин C.B.3, Кондратенко А.Л.4, Кириллов Ю.В.5
ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ СВАРОЧНОГО ТОКА НА СТАБИЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА И ФОРМИРОВАНИЕ ШВОВ
Установлены закономерности воздействия зазора на продольное магнитное поле сварочного тока и механизм воздействия продольного поля на образование подрезов. Разработан способ односторонней высокоскоростной сварки, обеспечивающий стабильность процесса и качественное формирование швов.
Интенсификация объемов производства котлов железнодорожных цистерн и контейнер-цистерн приводит к необходимости разработки новых способов электродуговой сварки, повышающих производительность процесса и качество сварных соединений.
Наиболее эффективным способом повышения производительности, снижения материалоемкости и энергоемкости процесса сварки является односторонняя высокоскоростная сварка, применение которой ограничено нарушением стабильности и качества сварных соединений в результате образования дефектов, основными из которых являются подрезы.
Образование подрезов объясняют повышением давления сварочной дуги и нарушением равновесия жидкого металла в сварочной ванне [1-4], магнитогидродинамическими явлениями [5,6], перегревом металла [7], увеличением скорости охлаждения [8] и поверхностного натяжения металла [9], отклонением дуги [10] и движением жидкого металла в ванне [11].Однако физическая природа и модель образования подрезов полностью не установлены [1-11].
Разработка способов односторонней высокоскоростной сварки, обеспечивающих качественное формирование сварных швов и повышение ударной вязкости сварных соединений, является важной проблемой.
Задачей исследований является изучение физической природы образования подрезов, закономерностей воздействия на продольное магнитное поле, способов регулирования и использования магнитного поля сварочного тока для обеспечения стабильности процесса и качественного формирования швов при односторонней высокоскоростной сварке.
Односторонняя сварка составным электродом производится на токах более 2000А, поэтому при сварке создается сильное магнитное поле, которое определяет давление дуги и формирование швов. Поле тока, протекающего по электроду и дуге, в результате пинч - эффекта создает давление дуги. Поле тока, протекающего по изделию, определяет положение дуги в пространстве, магнитогидродинамические явления в сварочной ванне и формирование швов. Для обеспечения качественного формирования швов при односторонней высокоскоростной сварке необходимо установить механизм регулирования и использовать магнитное поле сварочного тока.
Магнитное поле сварочного тока, протекающего по изделию, имеет поперечную и продольную составляющую. Поперечное поле сварочного тока определяет положение дуги в пространстве и приводит к магнитному дутью. Продольное магнитное поле сварочного тока воздействует на горизонтальную составляющую тока, протекающего по жидкому металлу, и определяет движение жидкого металла из кратерной в хвостовую часть, к кромкам ванны, магнитогидродинамические явления и формирование швов.
Исследование магнитного поля сварочного тока производилось путем моделирования процесса сварки (рис.1) при пропускании постоянного тока величиной 2100 А по пластинам и измерения индукции продольного поля на поверхности пластин тесламетром ЭМ 4305.
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ГТГТУ, канд. техн. наук
4 ГТГТУ, аспирант
5 ГТГТУ, аспирант
На формирование сварных швов значительно влияет величина зазора в стыке, поэтому исследовали зависимость распределения индукции продольного магнитного поля сварочного тока от зазора между пластинами, который в кратере сварочной ванны изменяется от 0 до 20 -10° м.
В результате проведенных исследований установлено, что расположение пластин значительно влияет на распределение продольного магнитного поля сварочного тока. Независимо от расположения при протекании тока по пластинам индукция продольного магнитного поля максимальна на внешней кромке пластин. Это является результатом изменения направления магнитного поля от поперечного к продольному согласно зависимости:
В = Впоп + ВПР0Д, (1)
где В поп - поперечная составляющая магнитного поля;
Впрод- продольная составляющая магнитного поля.
Силовые линии магнитного поля, стремясь пройти через обладающий большой магнитной проницаемостью ферромагнетик, концентрируются на кромках, что приводит к резкому увеличению индукции. При удалении от внешней кромки пластин продольное магнитное поле уменьшается, так как индукция обратно пропорциональна расстоянию от проводника.
При значительном расстоянии между пластинами и отсутствии магнитного взаимодействия с приближением к середине ширины пластин индукция продольного поля снижается и становится равной нулю на середине пластин. При переходе к внутренней кромке пластины индукция продольного поля изменяет направление на противоположное.
При протекании тока по пластинам, расположенным с зазором 20-10°м (рис 1 а), магнитные поля токов, протекающих по пластинам, взаимодействуют друг с другом, о чем свидетельствует смещение точки нулевого значения индукции со средины пластин на 0,01 м в сторону второй пластины. Кроме того, вследствие взаимодействия магнитных полей значение индукции продольного поля на нижней поверхности пластины уменьшилось с 0,051Т на верхней поверхности до -0,015Т, что является результатом взаимного уничтожения полей противоположного направления.
При переходе через середину зазора направление индукции опять изменяется на противоположное, и значение индукции становится максимальным на кромке второй пластины, равным 0,015Т. Продольное магнитное поле на поверхности второй пластины изменяется аналогично первой пластине. При приближении к середине ширины пластины индукция снижается и становится равной нулю на расстоянии 0,02м от оси зазора. При дальнейшем приближении к внешней кромке изменяется на противоположное направление и становится максимальной индукция на кромке пластины.
Пропорционально индукции изменяется электромагнитная сила, максимальное значение которой на внешней кромке равно 1,1 Н, а на внутренней кромке - 0,32 Н. В квадратичной зависимости от индукции изменяется электромагнитное давление, которое равно 1040 Па на внешней кромке и 90 Па на внутренней кромке.
При протекании тока по пластинам, расположенным с зазором 7-10°м, нулевое значение индукции продольного магнитного поля смещается в сторону зазора и располагается на расстоянии 0,014 м от оси зазора (рис.1 б). Максимальное значение индукции, равное 0,051 Т, достигается на внешней кромке пластин. При переходе через нуль индукция изменяет направление на противоположное и достигает максимальное значение 0,006 Т на внутренней кромке. Вследствие уменьшения зазора возрастает электромагнитное взаимодействие пластин, поля противоположных направлений взаимно ун ичтожа ются. поэтому с уменьшением зазора значение индукции на внутренних кромках снижается до 0,006 Т.
Пропорционально индукции электромагнитная сила уменьшается с максимального значения 1,1 Н на внешней кромке до 0,13 Н на внутренних кромках. В квадратичной зависимости от индукции снижается с уменьшением зазора максимальное значение магнитного давления с 1040 Па на внешней кромке до 17 Па на внутренней кромке пластины.
Особенно изменяется распределение продольного магнитного поля при протекании тока по пластинам с зазором 2-10°м, когда на поверхности одной пластины индукция не изменяет направление и резко возрастает на внутренней кромке (рис.1 в). При этом нулевое значение индукции приближено к внутренней кромке. Максимальные значения индукции магнитного поля сварочного тока на внутренней и внешней кромках равны 0,051Т. Резкое повышение индукции на внутренних кромках пластин является результатом распора силовых линий магнитного поля.
30 0 -30
Расстояние от осп стыка, Ю м
30 0 -30
Расстояние от оси стыка, 10 "Зм
Рис. 1 - Зависимость продольного магнитного поля сварочного тока от зазора между пластинами: а
20 мм; 6-7 мм; в - 2 мм; г - без зазора
150
150
-50
ё -50
m
-100
-100
100 ■■
П- 50 m
100
I -50
а 0,9
-100
-100
30 0 -30
Расстояние от оси стыка, 10"3: б
30 0 -30
Расстояние от оси стыка, 1 о: м а
Зазор 2-10°м, характерный для сварки составным электродом, определяет магнитное поле на передней кромке кратера ванны. Под действием продольного магнитного поля дуга приходит во вращение, повышается стабильность процесса, жидкий металл, по которому протекает сварочный ток, движется в переднюю часть кратера и к боковым кромкам ванны, что обеспечивает формирование швов без подрезов при высокоскоростной сварке.
Пропорционально индукции становится равным на внешней и внутренней кромках электромагнитная сила 1,1 Н и магнитное давление 1040 Па.
При протекании тока по пластинам без зазора общая закономерность распределения продольного магнитного поля остается, а индукция на внутренних кромках возрастает менее значительно до 0,021 Т (рис.1 г). Пропорционально индукции на внутренней кромке до 0,44 Н возрастает электромагнитная сила и до 176 Па повышается магнитное давление.
На основании установленных закономерностей распределения продольного магнитного поля разработан способ односторонней высокоскоростной сварки с малым зазором, который позволяет регулировать магнитогидродинамические явления в сварочной ванне и формирование швов.
Считается, что ток, протекающий по пластинам, создает только поперечное магнитное поле, поэтому с учетом того, что продольное поле создает направленные к кромкам электромагнитные силы и предотвращает образование подрезов, установленные закономерности представляют научный и практический интерес для улучшения формирования швов при односторонней высокоскоростной сварке, которая обеспечивает повышение ударной вязкости соединений.
Установленные закономерности регулирования магнитного поля могут быть использованы при сварке труб для газо- и нефтепроводных магистралей.
Дальнейшие исследования в данном направлении являются перспективными, так как позволят разработать новые способы односторонней высокоскоростной сварки.
Выводы
1. Установлена закономерность воздействия зазора между пластинами на продольное магнитное поле сварочного тока. При значительном зазоре отсутствует взаимодействие магнитных полей пластин. Максимальное значение индукции продольного поля достигается на кромках пластин. При переходе от внешней к внутренней кромке индукция изменяет направление на противоположное, нулевое значение индукции располагается на середине ширины пластин.
2. При сближении пластин вследствие магнитного взаимодействия нулевое значение индукции продольного поля смещается в сторону стыка и совпадает с осью без зазора. Индукция на внутренней кромке в результате взаимного уничтожения уменьшается.
3. Продольное магнитное поле сварочного тока двух пластин при сварке превращается в поле одной пластины, что свидетельствует об электромагнитной природе межатомных сил связей.
4. Под действием продольного магнитного поля сварочного тока возникают направленные к кромкам ванны электромагнитная сила и магнитное давление, которые обеспечивают движение жидкого металла к кромкам ванны и формирование швов без подрезов.
5. Разработанный способ односторонней высокоскоростной сварки с малым зазором обеспечивает увеличение направленных к кромкам электромагнитных сил и качественное формирование швов.
Перечень ссылок
1. Патон Б.Е. Некоторые особенности формирования швов при сварке с повышенной скоростью / Б. Е. Патон, С.Л. Манделъберг //Автоматическая сварка. - 1971. - №8. - С. 1-6
2. Лебедев В.К.. Силовое воздействие сварочной дуги / В.К. Лебедев, И.В. Пентегов II Автоматическая сварка. - 1981. - №1. - С. 7 - 14.
3. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением ¡A.A. Ерохин- М.: Машиностроение, 1973. - 448с
4. Потехин В.П. Роль давления сварочной дуги в образовании подрезов / В.П. Потехин II Сварочное производство. - 1986. - №8. - С. 38 - 39.
5. Патон Б.Е. Магнитогидродинамические явления при электрической сварке и их использо-вание / Б.Е. Патон, В.К. Лебедев II Новые проблемы сварочной техники,- Киев: 1964. - 78с.
6. Лебедев В. К. Магнитогидродинамические явления при дуговой сварке / В. К. Лебедев II Техническая электромагнитная гидродинамика. - М.: Металлургия, 1965. - С. 32-38.
7. Рыкалин H.H. Тепловые основы сварки /H.H. Рыкалин. - М-Л.: Изд-во АН СССР, 1947. - 271 с.
8. Wealleans J.W. Undercutting and weld bead turbulence in TIG-welding I J. W. Wealleans, P.Adams II Welding and metal Fabrication. - June. - 1969. - P.225 - 257.
9. Ishizaki К. Теория поверхностного натяжения при дуговой сварке. Проплавляющее действие дуги / K.Ishizaki., Y.Kalibe II Есецу гаккайси. J. Japan Weld Soc.- 1966. - V.35, № 2. - P. 89 - 98.
10.10. Тиходеев Г.М. Энергетические свойства электрической сварочной дуги / Г.М. Тиходеев. - М - Л.:
Изд-во АН СССР, 1961. - 254с. 11.Гулаков C.B. Влияние переноса тепла потоком жидкого металла на форму сварочной ванны / C.B. Гулаков, Б.И. Носовский II Сварочное производство. - 1982,- №10,- С.2-3.
Рецензент: А.Д. Размышляев Статья поступила 15.03.2007
д-р техн. наук, проф., ПГТУ
