Особенности строения управляющего продольного магнитного поля при дуговой наплавке

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. № 15

УДК 621.791.927.5

Размышляев А.Д.1, Дели А.А.2, Миронова М.В.3

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКЕ

Расчетным и экспериментальным путем исследовано распределение индукции магнитного поля в зоне сварочной ванны применительно к процессу дуговой наплавки с воздействием управляющего продольного магнитного поля. Показано, что при наличии электродной проволоки из ферромагнитного материала у поверхности ферромагнитного основного металла под электродом радиальная компонента индукции поля сопоставима по величине с продольной компонентой индукции.

Воздействие продольного магнитного поля (ПРМП) при дуговой наплавке электродной проволокой под флюсом позволяет получить ряд положительных эффектов: изменить размеры валика в поперечном сечении, снизить долю участия основного металла в наплавленном, улучшить формирование и измельчить структуру металла валика [1,2].

Однако, недостаточная изученность строения магнитного поля в зоне сварочной дуги и жидкого металла ванны сдерживает применение этого способа наплавки в производственных условиях.

В работах [1-3] применительно к процессам дуговой сварки и наплавки в ПРМП предполагали, что движение плазмы дуги при воздействии ПРМП происходит вследствие взаимодействия радиальной компоненты тока в дуге с продольной компонентой ПРМП. Это положение, высказанное в работе [1], и его придерживаются все исследователи, в том числе и авторы работ [2, 3], требует, на наш взгляд, уточнения.

В настоящее время не исследовано влияние на строение магнитного поля такого фактора, как наличие в основном металле (ферромагнетике) углубления (лунки), представляющего область из неферромагнитного жидкого металла сварочной ванны.

Целью настоящей работы явилось исследование особенностей строения ПРМП в зоне сварочной дуги, когда электрод и изделие (пластина) выполнены из ферромагнитных материалов, при наличии углубления (лунки) в изделии для повышения эффективности использования ПРМП при дуговой наплавке.

Распределение индукции ПРМП изучали, в основном, расчетным путем с использованием методики, изложенной в работе [4]. Эта методика расчета стационарных и нестационарных магнитных полей применима для систем с цилиндрической симметрией, включающей ферромагнитные и неферромагнитные составные части, обеспечивает хорошее совпадение расчетных данных с экспериментальными [5]. Предварительными расчетами установлено, что хорошее совпадение расчетных данных с экспериментальными обеспечивается при величине магнитной проницаемости ферромагнитных составных частей системы ц = 750. Это значение ц в дальнейшем использовали во всех расчетах. Некоторые из приведенных ниже расчетных данных проверяли экспериментальным путем с использованием миллитесламетра типа ЭМ-4305 с датчиком Холла с измерительной базой 1x1 мм.

Использовали два варианта устройств, создающих ПРМП.

Первое из этих устройств (рис. 1, а) представляло собой соленоид с ферромагнитным сердечником (из магнитомягкого материала) с наружным диаметром dH = 52 мм и внутренним отверстием диаметром dBH = 12 мм. В отверстии сердечника вдоль оси Z располагали электродную проволоку СВ-08ГА диаметром 5 мм (ферромагнетик). Высота сердечника (и катушки-

1 ГТГТУ, д-р техн. наук, профессор

2 ГТГТУ, аспирант

3 ГТГТУ, аспирант

обмотки) составляла Н=50 мм, расстояние от нижней части соленоида до ферромагнитной пластины (изделия) из стали ВМСтЗсп толщиной 20 мм составляло Ь = 40 мм.

/

<к)

20,

(

а) б) в)

Рис. 1 - Схемы к исследованию строения ПРМП в зоне под торцем электрода:

а, б - соответственно для 1-го и 2-го вариантов конструкций, генерирующих ПРМП; в - форма и размеры лунки в пластине-изделии; 1 - сварочная проволока; 2 - обмотка;

3 - изделие-пластина; 4 - ферромагнитный сердечник

Второй вариант устройства (рис. 1, б) представлял собой катушку без ферромагнитного сердечника. Эта катушка из медного провода диаметром 2,0 мм имела внутренний диаметр с1вн = 6 мм, высоту Н = 10 мм, расстояние Ь = 40 мм. Внутри катушки вдоль оси Ъ располагали проволоку СВ-08ГА 05 мм.

Как в первом, так и во втором варианте устройств количество ампер-витков составляло 400, по обмоткам (катушкам) пропускали постоянный ток.

Исследования с использованием этих устройств, генерировавших ПРМП, выполнены для плоской пластины (рис. 1, а, б) и для лунки (рис. 1, в). Большая часть исследований выполнена для случая, когда расстояние от торца электродной проволоки до поверхности пластины (рис. 1, а, б), либо до дна лунки (рис. 1, в) составляло Д = 5 мм. Часть исследований выполнена для случая, когда Д = 10 мм. Следует отметить, что величина параметра Д приблизительно соответствует сумме длины дуги и толщины жидкой прослойки под дугой в реальном процессе наплавки.

Изучали строение ПРМП с целью сопоставления в случае наличия ферромагнитной проволоки целесообразности использования ферромагнитного сердечника (устройство 1) в сравнении с вариантом, когда этот сердечник отсутствует (устройство 2).

Сопоставление данных (рис. 2 и рис. 3) показывает, что при наличии электродной проволоки из ферромагнитного материала и ферромагнитной плоской пластины ферромагнитный сердечник значительного диаметра (с1н = 52 мм) не приводит к увеличению компоненты индукции В, в области за образующей электрода (г > 2,5 мм). При отсутствии ферромагнитной проволоки (линии 5, 6 на рис. 2, б) индукция Ву практически равномерно распределена вдоль радиуса (линии 5, 6 на рис. 2, б) при весьма незначительной величине Вг. Таким образом, наличие ферромагнитной проволоки увеличивает (существенно) индукцию В,, и Вг вокруг электрода и под торцем электрода. Наличие компактной катушки (без ферромагнитного сердечника), охватывающей ферромагнитный электрод (по рис. 1, б), приводит к некоторому увеличению значений компонент индукции В7 и Вг (рис. 2 и рис. 3). Установленные особенности сохранялись и при наличии лунки в ферромагнитной пластине-изделии (по рис. 1, в).

В дальнейшем более детально изучали строение магнитного поля с использованием устройства 2 по рис. 1, б.

-0,070

-0,060

н i

m s s

я «

ä к s

CS H

к о К

о к

5!

о «

0,050

0,040

-0,030

0,020

0,010

0,000 0,000

\

,2 N С-

Jl

0,070

0,060

н

N 0,050

m

S

S гг 0,040

и

>->

К 0,030

cd

к 0,020

к

о

12 0,010

0,000

/1

J

2

1

•

3

\4 L« •

0,005 0,010 0,015 0,020 Расстояние г, м

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 Расстояние г, м

а) б)

Рис. 2 - Радиальное распределение компонент индукции Вг (а) и В2 (б) для конструкции устройства 1: 1, 2, 3, 4 - соответственно для сечений Ъ = 0, 5, 10, 15 мм; 5, 6 - В2 соответственно для сечения Ъ = 0; 15 мм при отсутствии ферромагнитной проволоки; точки - экспериментальные данные для Ъ = О

Распределение компонент В2 и Вг в сечениях через 1 мм вдоль оси Ъ при расположении устройства 2 над плоской пластиной приведено на

рис. 4. Эти данные показывают, что при наличии электродной проволоки из ферромагнитного материала имеет место резкое увеличение компонент индукции Вг и В2 под электродом. Магнитное поле сосредоточено в области г < 10 мм (в зазоре между электродом и пластиной - А).

В области вне ферромагнитной проволоки (в воздухе, когда г > 2,5 мм) выше торца электрода преобладает радиальная компонента индукции Вг, которая увеличивается по мере приближения к торцу электрода, а в области воздушного зазора А уменьшается по мере приближения к поверхности пластины (рис. 4, а). При этом компонента В2 в этой области пространства

изменяется иначе: В2 уменьшается по мере приближения (вдоль поверхности электрода) к поверхности пластины (до Ъ = А), оставаясь малой по величине, а при дальнейшем приближении к поверхности пластины (при Ъ < А) значительно (скачком) увеличивается, уменьшаясь при дальнейшем приближении к пластине.

Аналогичный характер распределения индукции ПРМП (рис. 5) имеет место и в случае размещения этого устройства и над пластиной с лункой по рис. 1, в, а также для случая, когда А = 10 мм (для плоской пластины и пластины с лункой). При А = 10 мм (длинная сварочная дуга) величина компонент индукции В2 меньше, чем при А = 5 мм, как для плоской пластины, так и для пластины с лункой (рис. 1, в).

-0,080

r -0,070 н

m -0,060

S

| -0,050 bfi

ъ

и -0,040 s

§ -0,030

<а

g -0,020 S

£ -0,010

0,000

к

\ 3 ¡^4

2 /

J-

0,080

£ 0,070 Н '

m 0,060

S

я 0,050 w '

Ё?

и 0,040 s

н 0,030

(D

о 0,020 в

о

0,010 0,000

Л

У

2 /

ч

V

3

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 Расстояние г, м

а)

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 Расстояние г, м

б)

Рис. 3 - Радиальное распределение компонент индукции Вг (а) и В2 (б) для конструкции устройства 2: 1, 2, 3, 4 - соответственно для сечений Ъ = 0, 5, 10, 15 мм; точки - экспериментальные данные для Z = 0

-0,080 -0,070

^ -0,060 рр

к -0,050

я

и

-0,040

Я

к

н -0,030 к

о

о -0,020

5!

« -0,010

0,000 0.

\ 6 /

\

ш Л 9

/ У г \ \о

л ^2

ООО 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 Расстояние г, м

а)

0,080 0,070

0,050

н„ 0,060 N

РР К

к я

I 0,040 к

Й 0,030

к о к

5!

о «

0,020 0,010 0,000

/

^^ 5

4 /

3

__/2 "

1 \

'С

^То

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 Расстояние г, м

б)

Рис. 4 - Радиальио-иослойное распределение компонент индукции Вг (а) и В2 (б) для конструкции устройства 2 и плоской пластины: 1 - 10 - соответственно для сечений Ъ = 0,5..9,5 мм с шагом 1 мм

-0,080

п -0,070 н

РР к к

я «

Е? к к

св

н к о к о к 5!

о «

-0,060 -0,050 -0,040 -0,030 -0,020 -0,010 0,000

V 6

дь

ж - 8

} / /з

Ж

0,080 0,070

н

N 0,060 рр

к 0,050

я «

^ 0,040 к ' к

2 0,030

к

о

о 0,020 к

5!

£ 0,010 0,000

/

V5

74

3

---

1

8^910

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 Расстояние г, м

а)

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 Расстояние г, м б)

Рис. 5 - Радиально-послойное распределение компоненты индукции Вг (а) и В2 (б) для конструкции устройства 2 и пластины с лункой: 1-10 - соответственно для сечений Ъ = 0,5..9,5 мм с шагом 1 мм

Наиболее важной в технологическом плане (применительно к процессу наплавки) является величина продольной компоненты индукции В2 под электродом. Как показало изучение, по мере приближения к поверхности пластины (либо к дну лунки в пластине) величина В2 нелинейно уменьшается (рис. 6). Наличие лунки в ферромагнитной пластине снижает величину В2 у торца электрода от значений 63 мТл до 55 мТл, и, если у поверхности пластины В2 = 34 мТ л, то у дна лунки В2 = 21 мТл, то есть, уменьшается более значительно. Все это связано с известным шунтированием магнитного поля

ферромагнитным изделием.

Таким образом, при наличии электродной проволоки из ферромагнитных материалов для достижения максимальных значений продольной компоненты индукции В2 ПРМП в области сварочной дуги (под электродом) использование ферромагнитного сердечника нельзя признать целесообразным. В этом случае более эффективно проявляет себя катушка без ферромагнитно-

го сердечника, охватывающая ферромагнитный электрод. Оптимальным при этом представляется наличие минимального зазора между поверхностью электродной проволоки и внутренним диаметром катушки. В то же время, при отсутствии ферромагнитной проволоки (либо проволока - из немагнитного материала) такая катушка без ферромагнитного сердечника неэффективна, поскольку создает весьма слабое магнитное поле в исследованной области.

Таким образом, при наличии ферромагнитной проволоки под ее торцем величина радиальной компоненты индукции ПРМП сопоставима с величиной продольной компоненты. Необходим дальнейший анализ роли этого фактора в балансе электромагнитных сил, обуславливающих движение плазмы дуги при воздействии ПРМП.

Расстояние Ъ, мм

Рис. 6 - Распределение компоненты индукции Вг вдоль оси Ъ. 1, 2 - А = 5 мм; 3, 4 - А = 10 мм; 1,3- плоская пластина; 2, 4 - пластина с лункой; точки - экспериментальные данные для плоской пластины при А = 5 мм

Выводы

1. При использовании для наплавки электродной проволоки из ферромагнитного материала применение ферромагнитного сердечника в соленоидах, генерирующих ПРМП, нецелесообразно. В этом случае с целью воздействия на сварочную дугу возможно применение катушки с током, охватывающей электродную проволоку.

2. При наличии в ферромагнитной пластине лунки индукция магнитного поля в ней ослаблена, но характер ее распределения значительно не изменяется.

3. Наличие в зоне под торцем ферромагнитной проволоки радиальной компоненты индукции ПРМП, соизмеримой с продольной, требует пересмотра представлений о роли электромагнитных сил, обуславливающих движение плазмы дуги под действием внешнего ПРМП.

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 АД. Магнитное управление формированием швов при дуговой сварке / АД. Размышляев. - Мариуполь: ПГТУ, 2000. - 245 с.

3. Размышляев АД. 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.

4. Лазаренко М.А. Расчет на ЭВМ управляющих магнитных полей для процессов сварки и наплавки / М.А. Лазаренко, АД. Размышляев, Е.А. Чичкарев II Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып. 8. - С. 147-150.

5. Лазаренко М.А. Структура управляющих магнитных полей для процессов сварки и наплавки при использовании устройств с цилиндрической симметрией / М.А. Лазаренко, АД. Размышляев II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту. 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2000. - Вип. 9. - С. 160-163.

Статья поступила 01.03.2005