Расчет устройства ввода продольного магнитного поля для процессов дуговой сварки и наплавки

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

Вип№11

2001р.

УДК 621.791.927.5

Размышляев А.Д.,1 Маевский В.Р.,2 Сидоренко С.М.3

РАСЧЕТ УСТРОЙСТВА ВВОДА ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ДУГОВОЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ

На основе метода вторичных источников разработан способ расчета стационарных магнитных полей для устройств, генерирующих управляющие продольные магнитные поля применительно к процессам дуговой сварки и наплавки. Представлены основные уравнения и способы их решения для устройств, содержащих цилиндрическую катушку с током, ферромагнитные сердечник с отверстием, электродную проволоку и изделие-пластину. Приведены расчетные данные, позволяющие выбрать оптимальные размеры устройства.

Установление оптимальных параметров конструкции каждого типа устройства ввода магнитного поля (УВМП) при дуговой сварке и наплавке, и сравнительный анализ известных, либо предлагаемых типов конструкций УВМП выполняли расчетным путем. Критерием оптимальности размеров, либо типа устройства являлось получение максимальных значений соответствующих компонент индукции продольного (ПРМП), поперечного (ПОМП) магнитного поля в зоне дуги, либо в жидком металле сварочной ванны при минимальных затратах материалов (электроэнергии) для создания этого управляющего магнитного поля. В настоящее время нет работ, посвященных этому вопросу. Не ясен, например, вопрос о размерах соленоида (высоте и его диаметре), обеспечивающего максимум нормальной компоненты индукции ПРМП в зоне дуги (при наличии ферромагнитных сердечника и электродной проволоки, проходящей через отверстие в нем).

Расчет компонент индукции магнитного поля, генерируемого соленоидом при отсутствии внутри него ферромагнитных масс, может быть выполнен аналитическим путем [1]. Для осесимметричной системы, генерирующей ПРМП с целью управления процессами дуговой сварки и наплавки, состоящей из соленоида с цилиндрическим ферромагнитным сердечником и сварочной проволоки, проходящей через отверстие в сердечнике, при наличии изделия в виде плоской пластины из ферромагнитного материала, компоненты индукции магнитного поля определены численно [2]. В этом случае с использованием векторного потенциала решалась двухмерная задача [2], и метод имеет ограничения, поскольку применим только к системам с цилиндрической симметрией.

Ниже приведена для такой же симметричной системы, создающей ПРМП, разработанная нами на основе метода вторичных источников [3] методика, позволяющая рассчитывать как двухмерные, так и трехмерные магнитные поля, генерируемые несимметричными электротехническими устройствами. Эту методику в дальнейшем мы планируем применить для расчета несимметричных систем УВМП.

Схема применявшегося устройства, генерировавшего УВМП, приведена на рис.1, а, а схема к расчету индукции - на рис. 1, б.

Задача решалась методом вторичных источников. Сформулирована задача расчета магнитного поля в магнитной системе, состоящей из катушки со стальным магнитопроводом и ферромагнитного электрода, проходящего по оси системы. Первичным источником магнитного

1ПГТУ, д-р. техн. наук, профессор

2ОАО "Азовмаш", канд. техн. наук

3ПГТУ, аспирант

поля является стационарный ток с плотностью ] , протекающий в объеме катушки Ук, охватывающей стальной магнитопровод с объемом Уф] , ограниченный поверхностью . Вторичные источники в этом поле - фиктивные магнитные заряды с объемной р„1 и поверхностной ст„| плотностями для стального магнитопровода и с поверхностной см2 плотностью для ферромагнитного электрода. Относительную магнитную проницаемость стального магнитопровода и '1 принимали зависящей от координат и напряженности магнитного поля в точке, а магнитную проницаемость внутри ферромагнитного провода ц '2 задавали постоянной. Напряженность эквивалентного магнитного поля , выраженная через плотности всех источников, имеет вид [3]:

Н(0 =

1

¡РАМуУ-Ц^Мы +

4К1Ай V.

1

Ф1

'мю

4^0

Ф1

'мю

Рис. 1 - Схема соленоида, генерирующего ПРМП, применительно к процессу сварки и наплавки (а) и схема к расчету индукции при наличии ферромагнитных сердечника (М1), проволоки (М2) и пластины (б): 1 - сердечник (Ре); 2 - электродная проволока (Ре); 3 - витки катушки (медь); 4 - изделие(Ре).

Плотности вторичных источников определялись по соотношениям

р лАб)=~Щщо)^^в к); Мд

° лл(0 = 2 /л0 Я ц1 (н(0, п1е ) ;

а м2(О) = 2ц0Лм2(щО),п2в},

Л «1 -

- 1 , - 1

Я м2 —-

/<; + 1

Мз

где П[п , 20 " соответственно единичные нормали к поверхности стального магнитопровода и ферромагнитного электрода.

Так как суммарный магнитный заряд равен нулю, то распределение плотностей магнитных зарядов рМ1 сМ1 и см2 должно удовлетворять условиям

1 Рм^м! + <мх =°;

Уф 1 $ф\

1°м2<М2=0-

2

Подставив выражение для напряженности (1) в соотношения (2 - 4), получили систему трех интегральных уравнений

"ф 1

М1е

4я//(0/}

М1е

4я/7(

* °мг

М2е * е

о

ф 2

~ ¿"О I

[ХЛО^УдК

щ

2л г,

- $ ам2(М2) ХМ

м\<2 гм22 п12

2;г г,

М1е

2 яг,

3 -

М22

41(0

2л

.[КЛ0,Глге]п

16

К,

#1

2лт,

М1е

ГМ12 п22

271 гм12

'глАе]п2е

2лгд

мге

2л-

'л^е

Систему интегральных уравнений (8) с учетом условий (6 - 7) решали методом блочной итерации [3]. Нелинейные свойства стального магнитопровода учитывали по кривой |а, '1 = ц '1 ( |Н| ) для данного сорта стали. Сварочную пластину моделировали как неферромагнитный материал, а также - как ферромагнитный с постоянной магнитной проницаемостью. Учет ферромагнитных свойств пластины производился методом зеркального отражения [1].

При расчетах варьировали параметры: высоту катушки соленоида, внешний и внутренний диаметры ферромагнитного сердечника, диаметр электродной проволоки, величину зазора между торцем электродной проволоки и поверхностью пластины - изделия, магнитную проницаемость ферромагнетиков, входящих в состав УВМП. Ток в катушке составлял 42А, а число витков - \¥=20.

Установлено, что расчетные значения нормальной и тангенциальной компоненты индукции магнитного поля в любой точке пространства вне ферромагнитного сердечника хорошо совпадают с экспериментальными данными. Значения нормальной компоненты индукции у поверхности изделия увеличиваются с ростом магнитной проницаемости до 100, а при дальнейшем ее росте остаются неизменными. Расчетным путем установлено (экспериментально подтвердить это затруднительно), что учет протекающего по электродной проволоке сварочного (наплавочного) тока незначительно влияет на величину нормальной компоненты индукции у ферромагнитного изделия и при расчетах этот ток можно не учитывать.

При увеличении наружного диаметра сердечника (с1н) отрицательный радиальный градиент компоненты индукции Вг незначительно возрастает. Под электродом у поверхности пла-

стины-изделия Въ увеличивается линейно с ростом с1н (линия 3 на рис.2) Также линейно при увеличении с1н увеличивается Р>2 при отсутствии ферромагнитных масс (линия 1 на рис.2), а при наличии ферромагнитной пластины-изделия увеличивается практически в два раза (ср. линии 1 и 2 на рис.2). Наличие ферромагнитных сердечника, электродной проволоки и изделия увеличивает индукцию приблизительно в 6 раз, что подтверждает полученные нами раннее результаты [4,5].

В2, мТл

6 4 2 О

20

с г 3

2 / 1  л

30

40

с1н, мм

Рис. 2 - Зависимость индукции Ву под электродом от наружного диаметра сердечника с!,, (Н=40мм, Ь=40мм): 1 - без ферромагнитных масс; 2-е ферромагнитным изделием; 3-е ферромагнитными сердечником, проволокой и изделием.

Рис. 3 - Радиальное распределение индукции В2 при различной высоте Н катушки соленоида: 1, 2, 3, - соответственно для значений Н=20; 40; 80мм (Ь=40мм); 4 - Н=40мм, И=20мм.

а) б)

Рис. 4 - Радиальное распределение индукции Ву при различных диаметрах электродной проволоки (Н=40мм, Ь=40мм, с1вн=12мм, <1н=30мм, Д=5мм): а - изделие из немагнитного материала; б - изделие из магнитного материала; 1 - без электродной проволоки; 2, 3, 4, 5, 6 - при наличии электродных проволок соответственно диаметрами 2, 3, 4, 5, 6 мм.

Уменьшение высоты катушки Н существенно увеличивает индукцию Вг у поверхности пластины (рис. 3), а "выступ" ферромагнитного сердечника за пределы катушки на 20мм несколько уменьшает значения В/ (кривая 4 на рис.3), что связано с рассеиванием магнитных силовых линий через боковую поверхность этого "выступа".

При увеличении диаметра электродной проволоки индукция Вх увеличивается под электродом у изделия как из немагнитного материала (рис.4, а), так и магнитного (рис.4, б), однако, в последнем случае Вх больше приблизительно в два раза, что соответствует экспериментальным данным работ [4,5].

При увеличении диаметра внутреннего отверстия (с1вн) в сердечнике в пределах 5-25мм (с1н=40мм) Вх у поверхности ферромагнитной пластины уменьшается незначительно, и эти изменения можно не учитывать. При увеличении зазора А между торцем электрода и изделием Вх уменьшается практически линейно, поэтому процессы сварки и наплавки необходимо выполнять при малых напряжениях на дуге, поскольку "транспортировка" магнитного поля к дуге в этом случае будет более эффективной.

Полученные данные позволяют дать следующее рекомендации по конструкции исследованного УВМП: торец ферромагнитного сердечника должен совпадать со срезом катушки с током; наружный диаметр сердечника (и катушки) следует увеличивать, а высоту катушки уменьшать ( в разумных пределах); для наплавки целесообразно использовать максимально большой диаметр электрода) с1н.

Вывод

Разработанная на основе метода вторичных источников методика расчета стационарных магнитных полей для систем с цилиндрической симметрией, включающей ферромагнитные части, позволяет получить достоверные результаты и может применятся для оптимизации размеров конструкции устройства ввода продольного магнитного поля при дуговой сварке и наплавке.

Перечень ссылок

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. - М.: Высшая школа, 1986,- 263с.

2. Размышляев АД. Влияние магнитного поля на размеры зоны проплавления при наплавке под флюсом // Автоматическая сварка.- 1996,- №8,- С.25-27, 30.

3. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике. - М.: Энергия, 1975,- 296с.

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

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

Размышляев Александр Денисович. Д-р техн. наук, проф. кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", окончил Ждановский металлургический институт в 1964 г. Основные направления научных исследований - разработка научных основ и средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке.

Маевский Владимир Рудольфович Канд. техн. наук, инж. ОАО "Азовмаш", окончил Мариупольский металлургический институт в 1986 г. Основные направления научных исследований - разработка научных основ и средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке.

Сидоренко Сергей Михайлович. Аспирант кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", окончил Приазовский государственный технический университет в 1999г. Основные направления научных исследований - разработка средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке.

Статья поступила 15.01.2001.