Индукция электромагнитного поля при сварке

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. №12

УДК 621.791.753.042

Чигарев В.В.1, Щетинин C.B.2, Чапни Н.И.3, Щербина A.B.4 ИНДУКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ СВАРКЕ

Разработан способ односторонней сварки и получено уравнение индукции электромагнитного поля сварочного тока при сварке составным электродом, которое подтверждает зависимость индукции от скорости сварки и электромагнитную природу образования подрезов.

Сварка с повышенной скоростью обеспечивает снижение погонной энергии, уменьшение тепловложения, увеличение скорости кристаллизации сварочной ванны и улучшение формирования обратного валика при односторонней сварке. Однако увеличение скорости автоматической сварки ограничено нарушением формирования швов в результате образования подрезов.

На природу образования подрезов нет единого мнения. Образование подрезов объясняют перегревом жидкого металла сварочной ванны[1], увеличением скорости охлаждения жидкого металла[2,3,4], поверхностного натяжения в момент затвердевания жидкого металла[5,6], давления сварочной дуги[7,8,9] и изменением характера распределения потоков жидкого металла в сварочной ванне, что влияет на формирование швов [10].

Потоки жидкого металла в сварочной ванне и давление дуги, по нашему мнению, определяются электромагнитным полем сварочного тока. Магнитогидродинамические явления и дуга в значительной степени определяют формирование сварных швов и влияние скорости сварки на образование подрезов, по-видимому, необходимо рассматривать как результат изменения растекания тока и электромагнитного поля сварочного контура.

Поэтому, по нашему мнению, наиболее вероятна электромагнитная природа образования подрезов, которая заключается в следующем. Ток в сварочной ванне от активного пятна растекается по жидкому металлу. В области боковых кромок ванны на сварочный ток и жидкий металл действует поле тока, протекающего по дуге. Под действием этого поля на жидкий металл ванны в области боковых кромок воздействует направленная вниз электромагнитная сила.

Согласно электромагнитной теории образования подрезов при повышении скорости сварки усиливается охлаждение активных пятен, концентрируется и уменьшается тепловложение в боковые кромки ванны, электрическое сопротивление которых уменьшается. В результате возрастает величина тока, протекающего через боковые кромки ванны, индукция электромагнитного поля и электромагнитное давление, под действием которого жидкий металл стекает с кромок ванны, что приводит к образованию подрезов.

Для подтверждения электромагнитной теории образования подрезов получено уравнение индукции электромагнитного поля сварочного тока.

Электромагнитное поле сварочного контура создается током дуги и током, протекающим по основному металлу. Ток дуги, равный сварочному току, растекается в области активного пятна обратно пропорционально электрическому сопротивлению жидкого и основного металла, прилегающего к сварочной ванне. В результате значительных магнито-гидродинамических потоков температуру жидкого металла в области активного пятна и его сопротивление можно считать одинаковым. Температура основного металла, прилегающего к сварочной ванне, и его сопротивление зависят от режима.

1 ПГТУ, д-р.техн.наук

2 ПГТУ, канд.техн.наук

ПГТУ, аспирант

4 ПГТУ, аспирант

Индукция электромагнитного поля проводника с током определяется по формуле[11]:

В = ц-]—,

271 г

где ¡1 - магнитная проницаемость; I - величина тока;

г - расстояние от проводника с током.

Согласно закону полного тока, индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами, равна алгебраической сумме индукций. Так как направление индукции магнитного поля, создаваемого током дуги, совпадает с направлением поля тока, протекающего по сварочной ванне и изделию, результирующая индукция является суммой индукций:

V 1 71

271 г

д

2л г,

м

где р - магнитная проницаемость среды; (10 - магнитная постоянная 471-10"' Гн/м;

I - величина сварочного тока, протекающего через электрод, А;

II - величина тока, протекающего через боковые кромки сварочной ванны. А; Гд - расстояние от дуги до точки измерения, м;

Гм - расстояние от основного металла до точки измерения, м. Величина тока, протекающего через боковые кромки ванны, прямо пропорциональна падению напряжения в зоне сплавления и обратно пропорциональна сопротивлению металла в зоне сплавления:

I

1 ~ Я

Электрическое сопротивление металла в зоне сплавления зависит от температуры, которая изменяется в зависимости от координат X и У. Для определения сопротивления металла в зоне сплавления разобьем участок на элементарные участки ёх и ёу (рис.1). Тогда сопротивление участка в зоне сплавления равно:

Г

у Ьу Х1

Л, ^

2

1

х2 1

)1

ХКг

Рис.1-Схема расчета индукции электромагнитного поля сварочного тока

где и - проводимость участка с!у; Ьх - проводимость участка ёх. Сопротивление участка ёх равно:

/? - п - п йу Кг -Р, с -Ру ^ , -

о ах

где р—удельное сопротивление свариваемого металла при температуре 293°К;

1; -длина элементарного участка, равная

¿у;

8; - сечение участка, равное произведению толщины металла и длины элементарного участка ёх;

Рт - удельное сопротивление свариваемого металла при температуре, равное:

Рт =Ро(1 + <хТ),

где а - температурный коэффициент сопротивления, К"1.

После соответствующей подстановки выражений (6) и (5) в выражение (4), получим электрическое сопротивление основного металла в зоне сплавления:

РоФ

М-

А',

с1х

+ аТ

Температура основного металла в зоне сплавления при сварке составным электродом определяется по выражению[12]:

ь

<71

Т(х,у,г) = -

Г(.у+и)3 Л Ь

+ е

23л1лЛсу¥\ ~х+2

д2

2.яАЬ

Д ( У{х,Щ) Г'(.у,+Дд) ^

2

Ъ

2 V

Я,

Л,

сйс.

После соответствующей подстановки выражений (8), (7), и (4) в выражение (2), получим уравнение для определения индукции магнитного поля в зоне сплавления при сварке составным электродом:

В=

2 71 '

дШ

йу

ГдР°

Х2

Л

с!х

1+а

X,

( У(у-п У

91

У(у+п V Л

4а -л.-+

+ е

4а

Ь ( У(х, +Д, ) Г(.у, + Д,) ^

25 иХсуГ — х +

12 2пХЬ

2а

2а

Л,

Л,

Из анализа выражения (9) следует, что с увеличением скорости сварки и толщины свариваемого металла индукция электромагнитного поля в зоне сплавления возрастает.

Расчет индукции магнитного поля в зоне сплавления производили на персональном компьютере. Расчетные значения хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при измерении магнитной индукции в реальных условиях сварки[13] и моделировании процесса, поэтому выражение (9) в достаточной степени отражает зависимость магнитной индукции от режима сварки, толщины металла и подтверждает электромагнитную теорию образования подрезов.

Выводы

1. Получено уравнение электромагнитного поля сварочного тока, которое устанавливает зависимость индукции от скорости сварки, падения напряжения в зоне сплавления и толщины свариваемого металла.

2. Показано, что при повышении скорости сварки индукция электромагнитного поля в зоне сплавления возрастает, в результате чего увеличивается электромагнитная сила и электромагнитное давление на жидкий металл ванны в зоне сплавления, под действием которого жидкий металл стекает с кромок ванны, что приводит к образованию подрезов.

3. Полученное уравнение подтверждает электромагнитную природу образования подрезов при сварке с повышенной скоростью.

Перечень ссылок

1. Рыкалин H.H. Расчет тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1951. - 296 с.

2. Wealleans J. W., Adams P. Undercutting and weld bead turbulence in TIG-welding // Welding and metal Fabrication. - June. - 1969. - P. 225-257.

3. Автоматическая сварка под флюсом/ Под ред. Е.О. Патона. - М.К.: Машгиз, 1948.-344 с.

4. Savage W.E., Lundin C.D., Aronson А.Н. Weld metal solidification mechanics// Weld. j. - 1965,-44, №4.

5. Ando К., Nishikawa J. Studies on and cathode energy of Tig. arc // International Institute of Welding. Doc., 212-158-67, 1968.

6. Ishizaki K., Kalibe Y. Теория поверхностного натяжения при дуговой сварке. Проплавляющее действие дуги.// Есецу гаккайси. J/ Japn Weld Soc. -1966.- 35, №2. -P.89-98.

7. Патон Б.Е., Манделъберг С.Л., Сидоренко Б.Г. Некоторые особенности формирования швов при сварке с повышенной скоростью // Автоматическая сварка. - 1971. - № 8. - С. 1-6

8. Ерохин A.A., Букарое В.А., Ищенко Ю.С. Влияние угла заточки вольфрамового электрода на образование подрезов и газовых полостей при сварке // Сварочное производство. - 1972. -№5.-С. 20-21.

9. Потехин В. П. Роль давления сварочной дуги в образовании подрезов // Сварочное производство. - 1986. - № 6. - С. 12-13.

10. Гулаков C.B., Носовский Б.И. Влияние переноса тепла потоком жидкого металла на форму сварочной ванны // Сварочное производство. - 1982. - № 10. - С. 2-3.

11. Зилъберман Г.Е. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1970. - 383с.

12. Расчет процесса распространения тепла при сварке смешанным электродом / Чигарев В.В., Щетинин C.B., Чапни H.H., Щербина А.В.II Bíchhk Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiynonb, 2001.-Вин. 11.-С. 175-177.

13. Роль электромагнитного поля сварочного контура в формировании швов / Щетинина В.И., Щетинин C.B., Мельников А.Е., Голубков С.П. II Bíchhk Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiynonb, 2001. - Вип. 11. - С. 178-181.

Чигарев Валерий Васильевич. Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой M и ТСП (ПГТУ), окончил Мариупольский металлургический институт в 1969 г. Основные направления научных исследований - прикладные и теоретические проблемы создания электродных материалов для дуговой наплавки с улучшенным комплексом служебных свойств, технологических процессов их изготовления.

Щетинин Сергей Викторович. Канд. техн. наук, ст. науч. сотр. кафедры M и ТСП ПГТУ, окончил Ждановский металлургический институт в 1986 году. Основные направления научных исследований - теоретические основы односторонней сварки и электромагнитного поля сварочного тока

Чапни Николай Игнатиевич. Аспирант ПГТУ, окончил ПГТУ в 1998 году. Основные направления научных исследований - закономерности регулирования электромагнитного поля сварочного тока.

Щербина Андрей Владимирович. Аспирант ПГТУ, окончил ПГТУ в 1999 году. Основные направления научных исследований - закономерности регулирования электромагнитного поля сварочного тока.

Статья поступила 06.12.2001