ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЩЕТИНІН СЕРГІЙ ВIКТОРОВИЧ

УДК 621.791.753.042.5 (043.3)

РОЗРОБКА ПРОЦЕСУ ОДНОСТОРОННЬОГО ЗВАРЮВАННЯ ТРУБ

З ВИКОРИСТАННЯМ ЕЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

ЗВАРЮВАЛЬНОГО СТРУМУ

Фах: 05.03.06.– Зварювання і споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь 2001 р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрi “Металургiя i технологiя зварювального виробництва” при Приазовському державному технічному університеті Міністерства освіти та науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Чiгарьов В.В. ПДТУ, завідувач кафедрою “Металургiя і технологія зварювального виробництва”

Офіційні опоненти – Провiдна установа – доктор технічних наук, професор Розмишляєв О.Д. дакан зварювального факультету ПДТУ кандидат технічних наук, Зареченський А.В. старший науковий спiвробiтник експериментального виробництва ВАТ “ГСКТI” Національний технічний університет України “Києвський політехнічний інститут”, Кафедра зварювального виробництва

Захист відбудеться 12 квiтня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.12.052.01. при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, ПДТУ, вул.Унiверситетська 7, м. Маріуполь Донецької областi, Україна.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ПДТУ: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий 10 березня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор _________ Маслов В. О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Україна економічно зацікавлена у транспортуванні нафти і газу через свою територію і будівництві трубопроводів. Тому розробка нових способів зварювання труб, які забезпечують зниження енергоємності, матеріалоємності і собівартості трубопроводів, є доцільною. Труба є найбільш простою конструкцією, у якої питома вага зварного шва максимальна і визначає енергоємність і матеріалоємність процесу.

Одним із енерго- і матеріалозберігаючих процесів, є одностороннє зварювання, розроблене в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона. Проте застосування одностороннього зварювання обмежене порушенням формування зворотного валика в результаті пропалів і витікання рідкого металу зі зварювальної ванни.

Актуальнiсть теми. На даний час якісне формування зварних швів при односторонньому зварюванні забезпечується за рахунок утримання рідкого металу зварювальної ванни спеціальними підкладками, флюсами, мідними і флюсомiдними подушками, поперечним магнітним полем.

Більш надійним і ефективним є поліпшення формування швів при односторонньому зварюванні за рахунок зменшення тиску дуги і спрямованих униз електромагнітних сил, під дією яких рідкий метал витікає зі зварювальної ванної. Головна роль тиску дуги й електромагнітних сил у рухові рідкого металу підтверджується залежністю від щільності струму і тим, що швидкість руху металу пропорційна квадрату сили струму. Даних про можливість регулювання формування швів при односторонньому зварюванні за рахунок електромагнітного поля зварювального струму і тиску дуги недостатньо.

У зв'язку з цим розробка нових способів одностороннього зварювання, що забезпечують поліпшення якості зворотного валика, зниження енергоємності і матеріалоємності процесу є актуальним завданням

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на основі госпдоговірної теми №1573 “Розробка устаткування та технології одностороннього зварювання труб, яка забезпечує якiсне формування зварних швів”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є оцінка впливу форми виробу і електроду на електромагнітне поле і тиск зварювальної дуги і розробка способу одностороннього зварювання газо- і нафтопровідних труб для стабілізації рівноваги сил, які діють на рідкий метал ванни, на основі моделювання і досліджень закономірностей розподілу електромагнітного поля зварювального струму і тиску зварювальної дуги, математичного модулювання температурного поля, досліджень впливу швидкості зварювання i погонної енергії на механічні властивості зварних з'єднань i формування зварних швів при зварюванні труб.

Об'єкт дослідження – процеси і сили, які діють на рідкий метал зварювальної ванни і визначають формування швів при односторонньому зварюванні труб на флюсовій подушці.

Предмет досліджень – електромагнітне і температурне поля, вплив форми виробу і електроду на електромагнітне поле, вплив форми електроду на температурне поле, процеси розповсюдження тепла і тиску зварювальної дуги, способи регулювання електромагнітного поля зварювального струму, вплив швидкості зварювання і погонної енергії на механічні властивості і формування швів.

Основними методами досліджень у представленій роботі були: фізичне і математичне моделювання, натурні експерименти в промислових умовах зварювання газо- і нафтопровідних труб. Для визначення механiчних властивостей використовувались сучаснi методи дослiджень. Оцінка ступеню забрудненостi металу зварних з'єднань неметалiчними включеннями проводилась лiнійним методом на оптичному мiкроскопi. Визначення хімічного складу неметалiчних включень проводилось методами рентгеноструктурного аналiзу i лазерного мiкроспектроаналiзу. Розрахунки за математичними моделями виконувались на персональних ЕОМ за спецiально розробленими програмами. Результати розрахункiв порівнювались з експериментальними даними, отриманими при моделюванні процесу і в реальних умовах зварювання труб.

Наукова новизна отриманих результатів. З використанням фізичної моделі встановлено закономірності розподілу електромагнітного поля зварювального струму в зазорі стику і вплив форми виробу на індукцію. У зазорі стику пластин індукція на середині товщини металу дорівнює нулю, при наближенні до поверхні індукція зростає і змінює напрямок на протилежний при переході від верхньої до нижньої поверхні. У зазорі стику труби індукція різко зростає, напрямок її постійний, максимальне значення досягається на середині товщини металу.

Теоретично обгрунтоване збільшення індукції в зазорі стику і магнітного дуття при зварюванні труб. Воно є наслідком концентрації силових ліній магнітного поля в феромагнітному тілі труби, яка володіє великою магнітною проникністю, тому що контур її збігається з напрямком силових ліній поля.

Встановлено механізм і розроблені способи регулювання електромагнітного поля зварювального струму. При протіканні усередині труби струму, напрямок якого збігається зі струмом, що тече по трубі, електромагнітне поле збільшується. При протіканні усередині труби струму протилежного напрямку створюється електромагнітне поле протилежного напрямку і електромагнітні сили і тиск, які утримують рідкий метал від витікання зі зварювальної ванни, спрямовані вверх.

Показано, що найбільш ефективно покращувати формування зворотного валика при односторонньому зварюванні шляхом зменшення тиску дуги і спрямованих униз електромагнітних сил за рахунок змішаного електрода. Розроблено рівняння процесу поширення тепла й індукції електромагнітного поля при зварюванні змішаним електродом. Встановлено, що при зварюванні змішаним електродом значно знижується максимальне значення тиску дуги і спрямованих униз електромагнітних сил, що забезпечує якісне формування швів при односторонньому зварюванні.

Практичне значення отриманих результатiв. Розроблено спосіб одностороннього зварювання, при якому створюються спрямовані вверх електромагнітні сили, що забезпечують утримання рідкого металу від витікання зі зварювальної ванни. Дано рекомендації з регулювання електромагнітного поля зварювального струму і запобігання магнітного дуття.

Розроблено спосіб одностороннього зварювання змішаним електродом труб із використанням електромагнітного поля зварювального струму, що забезпечує якісне формування зворотного валика на флюсовій подушці.

Визначено оптимальні параметри режиму одностороннього зварювання змішаним електродом, що забезпечують якісне формування зворотного валика і підвищення ударної в'язкості зварних з'єднань за рахунок подрібнення структури при зварюванні з підвищеною швидкістю.

Розроблений спосіб одностороннього зварювання змішаним електродом на флюсовій подушці забезпечує зниження енергоємності і матеріалоємності процесу в 1,3 – 1,5 рази і підвищення продуктивності в 2 рази. Спосіб одностороннього зварювання змішаним електродом впроваджений у виробництво труб.

Особистий внесок здобувача. Автором на основі аналізу існуючих методів вивчення розроблена методика дослідження розподілу індукції електромагнітного поля в зазорі стику. Автором досліджено вплив форми виробу на електромагнітне поле зварювального струму, встановлені основні закономірності і розроблені способи регулювання електромагнітного поля. Автором теоретично обгрунтовано збільшення електромагнітного поля і магнітного дуття при зварюванні труб, які значно зростають внаслідок концентрації силових ліній поля в феромагнітному тілі труби, яка володіє великою магнітною проникністю, контур якої збігається з напрямком силових ліній поля. Автором встановлено, що найбільш ефективно покращувати формування зворотного валика шляхом зменшення тиску дуги і спрямованих вниз електромагнітних сил за рахунок форми електрода. Автором розроблений спосіб одностороннього зварювання і отримані рівняння процесу поширення тепла й індукції електромагнітного поля при зварюванні змішаним електродом. Розроблений автором спосіб одностороннього зварювання змішаним електродом впроваджений при виготовленні труб на ВАТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча” при особистій участі автора. Автором підтверджено поліпшення якості формування зворотного валика на флюсовій подушці, підвищення ударної в'язкості зварних з'єднань, зниження енергоємності і матеріалоємності процесу.

Апробація результатiв дисератцii.Матеріали дисертаційної роботи доповідались на III регіональній науково-технічній конференції, на міжнародній науково-методичній конференції (Маріуполь, 1996 рік), на науково-технічній конференції (Маріуполь, 1999 рік), на VII регіональній науково-технічній конференції (Маріуполь, 2000 рік), на науковому семінарі кафедр “Металургія і технологія зварювального виробництва” і “Устаткування і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету (Маріуполь, 2001 рік).

Публiкацii. За результатами виконаних досліджень опубліковано 4 статтi у наукових часописах, 2 тези доповідей, отримано 1 патент.

Структура дисертацii. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 230 найменувань, 1 додатка і містить 202 сторінки машинописного тексту, 49 малюнків, 5 таблиць.

1.АНАЛIЗ ПРОЦЕСIВ, ЩО ВИЗНАЧАЮТЬ ФОРМУВАННЯ ШВIВ

I IСНУЮЧИХ СПОСОБIВ ОДНОСТОРОННЬОГО ЗВАРЮВАННЯ

Одностороннє зварювання труб виконується на флюсомідній подушці, що характеризується неякісним формуванням зворотного валика, великою енергоємністю і матеріалоємністю процесу.

Формування зварних швів при односторонньому зварюванні в значній мірі визначається тиском дуги i електромагнітними силами, що діють на рідкий метал зварювальної ванни. З урахуванням того, що тиск дуги - результат пінч-ефекту, тобто стискування під дією власного електромагнітного поля, формування швів визначається магнітогідродинамічними явищами у зварювальній ванні. Магнітогідродинамічні явища в значній мірі вивчені Б.Є. Патоном і С.Л. Мандельбергом для багатодугових процесів, при дослідженні яких встановлено вплив електромагнітного поля зварювального контуру на формування швів при зварюванні труб.

Замкнутий контур труби значно збільшує електромагнітне поле, що підтверджується посиленням магнітного дуття. Проте даних про розмір і розподіл індукції електромагнітного поля немає.

Вплив магнітогідродинамічних явищ на формування швів особливо посилюється при односторонньому зварюванні. Незважаючи на те, що рідкий метал немагнітний, електромагнітне поле діє на нього як на провідник із струмом з силою, спрямованою вниз. Для утримання рідкого металу зварювальної ванни розроблений спосіб зварювання, при якому використовуються спрямовані нагору електромагнітні сили, утворювані зовнішнім поперечним електромагнітним полем. При односторонньому зварюванні труб для поліпшення формування зворотного валика найбільш доцільно утримувати рідкий метал спрямованими вверх електромагнітними силами власного електромагнітного поля.

Однією з головних причин руйнації зварювальної ванни при односторонньому зварюванні враховують високий тиск у центрі дуги. Тому для поліпшення формування зворотного валика необхідно зменшувати тиск дуги на осі стику за рахунок форми електрода.

Існуючі способи одностороннього зварювання засновані на утриманні рідкого металу ванни механічними силами за рахунок використання мідних, флюсомідних, спеціальних підкладок і самозатвердіваючого флюсу.

Найбільш ефективно покращувати формування зворотного валика при односторонньому зварюванні шляхом регулювання електромагнітного поля зварювального струму і зменшення тиску дуги за рахунок зміни форми електрода.

2. ДОСЛIДЖЕННЯ ВПЛИВУ ФОРМИ ВИРОБУ

НА ЕЛЕКТРОМАГНIТНЕ ПОЛЕ

ЗВАРЮВАЛЬНОГО СТРУМУ

Для дослідження впливу форми виробу на електромагнітне поле струму, що протікає по виробу, розроблена методика, яка полягає в такому. До виробу підводяться струмоведучі кабелі. У зазорі стику розташовується зонд Теслаамперметра. По пластинах пропускається зварювальний струм, і проводяться виміри індукції електромагнітного поля в зазорі стику на верхній і нижній поверхні і на відстані від поверхні виробу (рис. 1). Теслаамперметром Ф4355/1, розмір щупа котрого 1х5х80 мм, можна виміряти індукцію в зазорі стику. Зонд для виміру електромагнітної індукції встановлюється в зазорі стику таким чином, щоб силові лінії електромагнітного поля входили в датчик Холла. При зміні напрямку електромагнітного поля зонд повертається на 180°°.

Для адекватостi моделi реальним умовам зварювання електромагнітну індукцію вимірювали при пропусканні по виробу постійного зварювального струму 4800А. У якості джерела живлення використовували зварювальний випрямляч ВМГ-5000.

А Б

Рис. 1. Схема виміру розподілу індукції електромагнітного поля зварювального струму, що протікає по пластинах (а) і трубі (б).

Адекватнiсть моделi реальним умовам зварюванняя пiдтверджена при вимiрi iндукцii електромагнiтного поля зварювального струму в процесi зварювання труб.

У результаті проведених досліджень встановлено, що при протіканні струму по пластинах електромагнітна індукція на середині товщини металу дорівнює нулю. При наближенні до поверхні пластини індукція зростає і досягає максимального значення на поверхні (рис. 2).

При віддаленні від поверхні пластини індукція електромагнітного поля зварювального струму спочатку рiзко, а потiм повiльно знижується.

Точка виміру, 10-3 м Рис. 2. Залежність індукції електромагнітного поля від форми виробу 1 – труба (10хЖЖ60х300)10-3 м; 2 - пластини (10х40х300) 10-3м Відповідно до напрямку силових ліній електромагнітного поля (рис. ) при переході від верхньої до нижньої поверхні пластин напрямок індукції змінюється на протилежний. Розподіл і значення електромагнітної індукції в зазорі стику залежать від форми виробу. При протіканні струму по трубі різко зростає максимальне значення індукції. При цьому напрямок індукції не змінюється, а максимальне значення досягається на середині товщини металу труби. Зміна характеру розподілу і величини індукції є результатом того, що силові лінії електромагнітного поля концентруються в замкнутому феромагнітному тілі труби, контур якої збігається із силовими лініями електромагнітного поля. Значення індукції дорівнює нулю в центрі труби і має протилежний напрямок в області нижньої стінки (рис. 1, б).

Пропорційно індукції форма виробу впливає на максимальну електромагнітну силу, яка при протіканні струму по трубі значно зростає. Тому при зварюванні труб посилюється магнітне дуття.

3. ДОСЛIДЖЕННЯ I РОЗРОБКА СПОСОБIВ

РЕГУЛЮВАННЯ ЭЛЕКТРОМАГНIТНОГО ПОЛЯ

ЗВАРЮВАЛЬНОГО СТУМУ

На формування зварних швів при односторонньому зварюванні найбільше впливають товщина металу і зазор у стику. Тому проведені дослідження впливу товщини металу і зазору в стику на електромагнітне поле зварювального контуру.

В результатi досліджень, проведених при пропусканні постійного струму величиною 4800 А по пластинах розміром (4ґґ40ґґ300)ЧЧ10-3 м, (10ґґ40ґґ300)ЧЧ10-3 м і (16ґґ40ґґ300)ЧЧ10-3 м відповідно до розробленої методики, установлено, що зі збільшенням товщини металу з 4ЧЧ10-3 м до 16ЧЧ10-3 м індукція електромагнітного поля, яка максимальна на поверхні, зростає з 0,035 до 0,15 Т (рис. 3а). Незалежно від товщини металу при протіканні струму по пластинах індукція на середині товщини металу дорівнює нулю і змінює напрямок на протилежний при переході від верхньої до нижньої поверхні.

Відповідно до індукції при збільшенні товщини металу зростає з 50 Н до 216 Н електромагнітна сила: . Спрямована вниз електромагнітна сила максимальна на верхній і нижній поверхнях пластин, тому значно впливає на формування зворотного валика при односторонньому зварюванні.

Індукція визначає тиск, що діє на рідкий метал:, Па. Із збільшенням товщини металу електромагнітний тиск зростає в квадратичній залежності від індукції з 0,49 кПа до 9 кПа (рис. 3, б). Збільшення електромагнітного тиску на рідкий метал призводить до порушення формування швів при односторонньому зварюванні.

Точка виміру, 10-3 м А Точка виміру, 10-3 м Б

Рис. 3 Залежність індукції (а) і електромагнітного тиску (б) від товщини металу; Пластини:

1- (16х40х300)ЧЧ10-3 м; 2 - (10х40х300)ЧЧ10-3 м; 3 - (4х40х300)ЧЧ10-3 м.

При протіканні струму по трубі змінюється розподіл електромагнітного поля, зростає індукція і максимальне значення досягається на середині товщини металу труби. При протіканні струму по трубі діаметром 60ЧЧ10-3 м із товщиною стінки 10-2 м індукція збільшилася з 0,1 Т при протіканні струму по пластинах до 0,35 Т. При цьому електромагнітна сила збільшилася з 144 Н до 504 Н и електромагнітний тиск із 4 кПа до 49 кПа.

Як встановлено, при протіканні струму по трубі максимальне значення індукції електромагнітного поля не залежить від товщини металу. У той же час індукція, електромагнітна сила й електромагнітний тиск на поверхнях зростають, що відповідає даним, отриманим при протіканні струму по пластинах. Порівняння розподілу електромагнітного поля при протіканні струму по трубі свідчить, що зі збільшенням товщини стінки зростає магнітний потік, який можна оцінити за площею, обмеженою кривою розподілу індукції. Збільшення магнітного потоку з ростом товщини стінки труби є результатом збільшення феромагнітної маси і кількості магнітних моментів.

Як установлено, на індукцію, електромагнітну силу й електромагнітний тиск значно впливає розмір зазору в стику. При зменшенні зазору в стику труби з 5ЧЧ10-3 м до 2ЧЧ10-3 м максимальне значення індукції поперечного електромагнітного поля при постійному струмі зросло від 0,15 Т до 0,35 Т. Це є наслідком зменшення магнітного опору, внаслідок чого магнітний потік і індукція зростають. Пропорційно індукції зі зменшенням зазору в стику зростають електромагнітна сила з 216 Н до 504 Н і електромагнітний тиск із 9 кПа до 49 кПа.

Електромагнітний тиск за розміром значно перевершує гідродiнамiчний тиск рідкого металу, тому для поліпшення формування зворотного валика при односторонньому зварюванні доцільно регулювати і використовувати електромагнітне поле зварювального контуру.

У результаті проведених досліджень установлено, що індукція, електромагнітна сила й електромагнітний тиск значно посилюються при розташуванні всередині струмоведучого кабелю, напрямок струму в якому збігається з напрямком струму в трубі. При пропусканні всередині труби струму однакового напрямку з струмом, що протікає по трубі, максимальне значення індукції електромагнітного поля зміщається із середини до нижньої поверхні і зростає з 0,35 Т до 0,55 Т (рис. 4а). Це є результатом принципу суперпозиції поля.

а б

Рис. 4. Електромагнітне поле зі струмоведучим кабелем всередині труби з однаковим (а) і протилежним напрямком (б) струму всередині труби.

Пропорційно індукції при протіканні всередині труби струму, напрямок якого збігається з струмом у трубі, електромагнітна сила зростає з 504 Н до 792 Н і електромагнітний тиск – із 49 кПа до 121 кПа.

При протіканні всередині труби струму, напрямок якого протилежний напрямку струму в трубі (рис. 4б), напрямок індукції електромагнітного поля змінюється на протилежний. При цьому максимальне значення індукції дорівнює 0,375 Т. Зміна напрямку індукції на протилежний свідчить про те, що електромагнітне поле визначається струмом, який протікає всередині труби, тому що електрони, що рухаються усередині труби, створюють поле, силові лінії якого замикаються у феромагнітному тілі труби.

При цьому створюються спрямована вверх електромагнітна сила величиною 540 Н, і електромагнітний тиск 56 кПа, що може утримувати рідкий метал від витікання зі зварювальної ванни при односторонньому зварюванні. Максимальне значення індукції, електромагнітної сили й електромагнітного тиску знаходяться на нижній поверхні стінки труби, що забезпечує якісне формування зворотного валика.

Встановлені закономірності регулювання електромагнітного поля можуть бути використані при зварюванні пластин. При протіканні струму по пластинах із струмоведучим кабелем, по якому протікає струм однакового напрямку з струмом у пластинах, індукція не змінює напрямок по товщині металу. Максимальне значення індукції досягається на середині товщини металу. На нижній поверхні пластин індукція різко падає, тому що напрямок індукції струмів під стиком і в пластинах протилежні. Відповідно до індукції при розташуванні під стиком струмоведучого кабелю електромагнітна сила й електромагнітний тиск максимальні на середині товщини пластини.

Електромагнітне поле в пластинах більш значно зростає при розташуванні під пластинами феромагнітної напівтруби. При цьому індукція в зазорі стику пластин розподіляється як у трубі. Максимальне значення індукції, що знаходиться на нижній поверхні, перевищує максимальне значення індукції в трубі. Це, цілком ймовірно, є результатом наближення пластини до нижньої стінки труби.

При розташуванні під пластинами напівтруби зі струмоведучим кабелем і струмом однакового напрямку з напрямком струму в пластинах індукція зростає. Це відповідає даним, отриманим при протіканні струму по трубі зі струмоведучим кабелем всередині труби, і є результатом принципу суперпозиції. При розташуванні в напівтрубі струмоведучого кабелю електромагнітна сила й електромагнітний тиск зростають.

При розташуванні під пластинами магнiтопроводу перерізом (31ґґ80ґґ95ґґ67)ЧЧ10-3 м індукція електромагнітного поля збільшилася з 0,44 Т до 0,55 Т у порівнянні з розташованою під пластинами напівтрубою, незважаючи на меншу довжину магнiтопроводу. Це обумовлено високою магнітною проникністю трансформаторного заліза. У результаті підвищення індукції збільшилася електромагнітна сила до 795 Н і електромагнітний тиск до 121,9 кПа. Особливо різко зросла індукція електромагнітного поля до 1,38 Т при розміщенні в магнiтопроводi струмоведучого кабелю. Збільшення індукції більш ніж у 2 рази і розміщення максимального значення на нижній поверхні пластин свідчить про головну роль струму, що протікає в магнітопроводі. Це обумовлено концентрацією всіх силових ліній поля у магнітопроводі і пластинах. В результаті при розташуванні під пластинами магнітопроводу електромагнітна сила підвищилася до 1987 Н і електромагнітний тиск зріс до 761,76 кПа. Отримані значення свідчать про доцільність використання електромагнітного поля при зварюванні.

Електромагнітне поле концентрується при зменшенні ширини пластин внаслідок чого індукція зростає. З аналізу залежності електромагнітного поля від ширини пластини випливає, що для посилення індукції необхідно використовувати магнітопровод із вузьким пазом. Це дозволить зменшити ширину пластин, у яких розташовуються силові лінії і сконцентрувати електромагнітне поле.

На основі встановлених закономірностей регулювання електромагнітного поля розроблений спосіб одностороннього зварювання труб із струмоведучим кабелем, у якому протікає струм протилежного напрямку струмові, що протікає по трубі (рис. 5).

Рис. 5. Спосіб одностороннього зварювання труб 1 - змішаний електрод; 2 – труба, що зварюється; 3 - феромагнітна труба всередині; 4 - струмоведучий кабель; 5 - пневмошланг; 6 - флюсова подушка.

При цьому створюються спрямовані вверх електромагнітні сили, що забезпечують утримання рідкого металу від витікання зі зварювальної ванни і якісне формування зворотного валика на флюсовій подушці.

4. ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ФОРМИ ЕЛЕКТРОДУ

НА ТЕМПЕРАТУРНЕ, ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЯ

I ТИСК ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ДУГИ

При односторонньому зварюванні дуга занурюється в основний метал, посилюється тепловідвід і охолодження активних плям і стовпа дуги, розміри яких зменшуються. В результаті тепловклад в основний метал концентрується і зменшується кількість теплоти, яка виділяється в області бокових країв ванни. Це призводить до зміни електромагнітного опору, розтікання струму в області активної плями, електромагнітного поля зварювального струму, збільшення тиску дуги і порушення формування швів при односторонньому зварюванні.

Для поліпшення формування швів при односторонньому зварюванні за рахунок регулювання електромагнітного поля і тиску дуги розроблений спосіб одностороннього зварювання змішаним електродом, який складається з двох зміщених з осі дротів і U-подібної стрічки, яка охоплює їх, прямолінійні ділянки якої розташовуються перед дротами за напрямком зварювання. При цьому електроди з дроту розташовуються симетрично на відстані 0,5-0,6 діаметра дроту від кромок, що стикуються. Це забезпечує збільшення і розконцентрацію тепловкладу в області бічних країв ванни. В результаті електричний опір зростає, зменшується розмір струму, що протікає через рідкий метал ванни, і спрямована вниз електромагнітна сила.

Крім того, зміщення із зазору і розташування дротових електродів над основним металом значно зменшує тиск дуги в області зазору, тому що максимальний тиск збігається з віссю електрода і відповідно до закону Гауса різко падає при віддаленні від нього. Внаслідок зменшення спрямованих вниз електромагнітних сил і тиску дуги при зварюванні змішаним електродом забезпечується якісне формування швів.

Для визначення оптимальної форми електрода, що забезпечує ефективний тепловклад в бічні крайки зварювальної ванни, зроблений розрахунок ізотерм плавлення. Змішаний електрод представлений як складне джерело теплоти, що складається з двох лінійних і двох поверхневих джерел кінцевої ширини. На базі теорії М.М. Рикаліна методом накладання в рухомій системі координат, вісь ОХ якої розміщена на осі шва, а вісь ОУ на середині прямолінійних дільниць стрічки, отримано рівняння процесу поширення тепла при зварюванні змішаним електродом:

(1)

де q1 – потужність джерел тепла на дротових електродах;

q2 – потужність джерел тепла на прямолінійних дільницях стрічки;

dd – товщина пластини;

ll – коефіцієнт теплопровідности;

cgg – об'ємна теплоємнiсть,

a – коефіцієнт температуропровiдностi;

V – швидкiсть зварювання;

b – довжина прямолiнiйних дільниць стрічки;

k – кордината прямолiнiйних дiльниць стрiчки;

n – кордината дротових електродiв;

– сферичнi радіуси - вектори елемента dxi вiдрiзкiв b, розташованих справа i злiва осi ОХ, iнтегрування розповсюджено по вiдрiзку b;

– абсциса елемента dxi вiдрiзкiв b.

Достовірність отриманого рівняння підтверджена хорошою збіжністю ширини ізотерми плавлення 21,5ЧЧ10-3 м з шириною шва 21ЧЧ10-3 м. З рівняння випливає, що при зварюванні змішаним електродом внаслідок зміщення дротів і прямолінійних дільниць стрічки з осі збільшується тепловклад в області бічних країв ванни. Тому при зварюваннi змiшаним електродом iзотерми плавлення розширюються i змiщуються вперед.

У результаті розрахунку ізотерм плавлення й експериментальних даних про вплив форми електрода на формування швів встановлена оптимальна форма змішаного електрода, що забезпечує якісне формування швів при односторонньому зварюванні на флюсовій подушці без розбирання країв металу товщин

(6-12)ЧЧ10-3 м. Цілком ймовірно, що це є результатом впливу форми електрода на електромагнітне поле зварювального струму, магнітогідродинамічні явища в зварювальній ванні і тиск зварювальної дуги.

Тепловклад визначає температуру, електричний опір, розтікання струму й електромагнітне поле зварювального струму, яке при зварюванні створюється струмом, що протікає по дузі, i струмом, який протікає по металу. Напрями силових ліній поля струму, що протікає по дузі, і струму, який притікає по металу, співпадають. Тому згідно принципу суперпозиції індукція електромагнітного поля є сумою індукцій струмів, які протікають по дузі і основному металу:

Т, (2)

де mm – магнітна проникність середовища;

mm0 – магнітна постійна 4ppЧЧ10-7 Гн/м;

I – величина зварювального струму, А;

ВШ – ширина шва, м;

Н – товщина зварюваного металу, м;

r – віддаль від основного металу, м.

З аналізу отриманого рівняння випливає, що зі збільшенням товщини металу індукція електромагнітного поля зварювального струму зростає, а із збільшенням ширини шва зменшується, що цілком узгоджується з експериментальними даними виміру індукції, отриманими при моделюванні процесу зварювання.

Електромагнітне поле зварювального струму визначає пінч-ефект і тиск зварювальної дуги, зменшення якого є ефективним способом поліпшення формування швів при односторонньому зварюванні. При зварюванні змішаним електродом внаслідок зміщення дротових електродів з осі стику на крайки основного металу максимальний тиск дуги розміщується над основним металом. В результаті розміщення дуги, що горить на дротовому електроді, на основному металі поліпшуються умови існування активної плями і збільшується площа, по якій переміщається активна пляма. Розмір активної плями зростає також внаслідок безпосереднього контакту дротів з прямолінійними дільницями стрічки, тому що дуга, що горить на прямолінійних дільницях стрічки, підігріває і розплавляє основний метал перед дугою, що горить на дротових електродах. Одночасне зміщення максимального тиску з осі стику і збільшення розміру активної плями забезпечує зниження максимального тиску дуги при зварюванні змішаним електродом у порівнянні зі зварюванням дротовим електродом з 42 кПа до 12 кПа. Це забезпечує якісне формування зворотного валика при односторонньому зварюванні на флюсовій подушці незалежно від розміру зазору в стику.

5. РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНОГО

ПРОЦЕСУ ОДНОСТОРОННЬОГО

ЗВАРЮВАННЯ ПРЯМОШОВНИХ ТРУБ

Форма електрода є основним параметром технологічного процесу зварювання, тому що дуга, переміщуючись по торці електрода, концентрується при зварюванні дротом і розконцентровується при зварюванні стрічкою, у залежності від розташування якої вона рухається уздовж повздовжньої осі або поперек зварювальної ванни. Переміщення дуги визначає тепловклад у ванну і при постійному режимі зварювання швидкість підігрівання й охолодження рідкого металу й навколошовної зони. Це призводить до зміни умов кристалізації ванни, дифузійних процесів, структурних і фазових перетворень і, отже, якості зварних з'єднань. Проте вплив форми електрода на структуру і властивості зварних з'єднань досліджено недостатньо.

Як установлено, при зварюванні змішаним електродом з малою погонною енергією внаслідок здрібнювання структури і зменшення розміру зони відпуску підвищується ударна в'язніть і межа тривкості зварних з'єднань. Із зменшенням погонної енергії при збільшенні швидкості зварювання зварювальні напруги знижуються. Одночасне підвищення межі міцності і зниження зварювальних напруг забезпечує при зварюванні з підвищеною швидкістю збільшення тріщиностійкості.

Формування зварних швів у значній мірі визначається режимом зварювання, оптимальне значення якого визначали шляхом постановки багатофакторного експерименту. У якості параметра оптимізації було прийнято коливання висоти зворотного валика, як розмір, що характеризує формування зварних швів при односторонньому зварюванні. У результаті постановки багатофакторного експерименту отримано рівняння регресії другого порядку, що зв'язує параметри режиму зварювання з коливанням висоти зворотного валика:

(3)

З аналізу рівняння регресії випливає, що для поліпшення формування зворотного валика необхідно робити одностороннє зварювання на низькій напрузі (Х1) із малим зазором у стику (Х3). Особливо поліпшується формування зворотного валика при підвищенні швидкості зварювання (Х2) внаслідок зменшення спрямованих вниз електромагнітних сил і тиску дуги, збільшення швидкості руху і кристалізації рідкого металу, зниження гідродiнамiчного тиску і часу перебування ванни в рідкому стані. Зварювання змішаним електродом провадиться під склоподібним флюсом, при високих значеннях струму, низькій напрузі, високій швидкості і малому вильоті. Це посилює саморегулювання дуги, що автоматично спрацьовує на зміну зазору в стику і прихватки. Зварювання провадиться на стандартних однодугових автоматах із приставкою для подачі і профілювання змішаного електрода.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове рішення наукового завдання розробки процесу одностороннього зварювання труб, який забезпечує підвищення якостi формування зварних швiв за рахунок використання електромагнiтного поля зварювального струму шляхом зменшення спрямованих униз сил електромагнiтного тиску i тиску дуги, пiд дією яких рiдкий метал витiкає iз зварювальної ванни.

2. На основі досліджень встановлені основні закономірності розподілу електромагнітного поля зварювального струму в зазорі стику і вплив форми виробу на індукцію, які полягають у такому. У зазорі стику пластин індукція на середині товщини металу дорівнює нулю, при наближенні до поверхні індукція зростає і змінює напрямок на протилежний при переході від верхньої до нижньої поверхні. У зазорі стику труби індукція зростає з 0,1Т при протіканні струму по пластинах до 0,35Т, напрямок її постійний, максимальне значення досягається на середині товщини металу. На осі труби індукція дорівнює нулю i змінює напрямок на протилежний на нижній стінці труби.

3. На основі моделювання процесу теоретично обгрунтовано збільшення індукції електромагнітного поля зварювального струму і магнітного дуття при зварюванні труб, що є наслідком концентрації силових ліній магнітного поля в феромагнітному тілі труби, яка має велику магнітну проникність, тому що контур труби співпадає з контуром силових ліній поля.

4. Встановлено основні закономірності регулювання електромагнітного поля зварювального струму, згідно з яким особливо збільшується електромагнітне поле при протіканні всередині труби струму, напрямок якого збігається з напрямком струму, що тече по трубі. Концентрація силових ліній електромагнітного поля у феромагнітному тілі труби, яка володіє великою магнітною проникністю, підвищує індукцію, електромагнітну силу й електромагнітний тиск.

5. Показано, що струм, який тече всередині труби, визначає електромагнітне поле зварювального контуру. При протіканні всередині труби струму, напрямок якого протилежний напрямку струму в трубі, створюється електромагнітне поле протилежного напрямку і виникають спрямовані вверх електромагнітні сили й електромагнітний тиск, для збільшення яких необхідно розміщувати під стиком магнітопровод.

6. На основі встановленого механізму регулювання електромагнітного поля зварювального струму розроблено спосіб одностороннього зварювання прямошовних труб із струмоведучим кабелем усередині, напрямок струму в якому протилежний напрямку струму, що протікає по трубі. Це створює спрямовані вверх електромагнітні сили, які утримують рідкий метал від витікання зі зварювальної ванни.

7. Показано, що встановлені закономірності можуть бути використані при зварюванні полотнищ, для збільшення електромагнітного поля при зварюванні яких під стиком розташовується магнiтопровод із струмоведучим кабелем, по якому протікає струм однакового напрямку з струмом у полотнищу. При цьому силові лінії концентруються у магнiтопроводi, внаслідок чого індукція електромагнітного поля зварювального струму зростає до 1,38Т.

8. На основі встановлених закономірностей регулювання електромагнітного поля зварювального струму розроблений спосіб одностороннього зварювання змішаним електродом, що складається з двох зміщених з осі дротів і U-подібної стрічки, прямолінійні ділянки якої розташовуються перед дротами за напрямком зварювання. Згідно принципу мінімуму Штеенбека дуга переміщується по торцю електроду у повздовжньому і поперечному напрямках.

9. На основі принципу накладення шляхом представлення джерела тепла, як сукупності чотирьох джерел – двох лінійних і двох поверхневих джерел кінцевої ширини, отримано рівняння процесу поширення тепла й індукції електромагнітного поля зварювального струму при зварюванні змішаним електродом. Розрахунково-експериментальним шляхом встановлена достовірність отриманого рівняння і оптимальна форма змішаного електроду. Показано, що при зварюванні змішаним електродом внаслідок зміщення дротів до бічних країв ванни збільшується тепловклад і зменшується індукція електромагнітного поля.

10. На основі досліджень показано, що електромагнітне поле зварювального струму визначає тиск дуги, зменшення якого забезпечує поліпшення формування зворотного валика при односторонньому зварюванні. При зварюванні змішаним електродом внаслідок зміщення дротових електродів з осі зварювальної ванни і збільшення розміру активної плями тиск дуги зменшується в порівнянні зі зварюванням дротовим електродом з 42 кПа до 12 кПа. Зменшення спрямованих вниз електромагнітного тиску i тиску дуги забезпечує якісне формування швів при односторонньому зварюванні швів змішаним електродом на флюсовій подушці.

11. На основі рівняння регресії встановлено, що зі збільшенням швидкості зварювання формування зворотного валика поліпшується внаслідок зменшення спрямованих вниз електромагнітних сил і тиску дуги, збільшення швидкості руху і кристалізації рідкого металу ванни, зниження гідродинамічного тиску і часу перебування металу в рідкому стані. При зварюванні змішаним електродом з підвищеною швидкістю здрібнюється структура і зменшується кількість неметалевих включень.

12. Показано, що розроблений спосіб зварювання труб змішаним електродом дозволяє забезпечити якісне формування зворотного валика при односторонньому зварюванні на флюсовій подушці, замінити двостороннє зварювання на одностороннє, знизити матеріалоємність і енергоємність процесу в 1,3–1,5 рази і підвищити ударну в'язкість зварних з'єднань в 2–2,5 рази. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження розробленого процесу одностороннього зварювання труб 40,5 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Щетинина В.И., Щетинин С.В. Регулирование электромагнитного поля сварочного контура при сварке труб // Сварочное производство: – 2000. – № 6. – с. 3 – 7.

2. Щетинин С.В., Щербина А.В., Мельников А.Е., Захарова И.В. Закономерности распределения электромагнитного поля сварочного контура в зазоре стыка / Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: сб. науч. тр. – Мариуполь, 2000. – Вып. 9. – С. 182-185.

3. Чигарев В.В., Щетинин С.В. Регулирование давления сварочной дуги / Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: сб. науч. тр. – Мариуполь, 2000. – Вып. 10. – С. 195-198.

4. Щетинин С.В., Чапни Н.Г. Концентрация электромагнитного поля сварочного контура / Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: сб. науч. тр. – Мариуполь, 2000. – Вып. 9. – С. 186-189.

5. Щетинин С.В., Щербина А.В., Мельников А.Е. Зависимость электромагнитного поля сварочного контура от толщины металла / Тезисы докладов VII региональной научно-технической конференции. – Мариуполь, 2000. – С. 101.

6. Щетинин С.В., Чапни Н.Г., Гаркуша А.Н., Голубков С.П., Борисов В.Н. Распределение электромагнитного поля сварочного контура в зазоре стыка / Тезисы докладов VII региональной научно-технической конференции. – Мариуполь, 2000. – С. 108.

7. Пат. 20478 Україна, МКІ В23К 9/00. Спосіб виготовлення двошарової сталі / В.І. Щетиніна, С.В. Щетинін, В.В.Чiгарьов.

АНОТАЦІЯ

Щетинiн С.В. ”Розробка процесу одностороннього зварювання труб з використанням електромагнiтного поля зварювального струму”, рукопис на здобуття вченого ступеня кандидата технiчних наук з спецiальностi 05.03.06 “Зварювання i спорiдненi технологii”. Приазовський державний технiчний унiверситет, Марiуполь, 2001. Розроблена методика та проведене дослiдження розподiлу електромагнiтного поля зварювального струму у зазорi стику. Адекватнiсть моделi реальним умовам пiдтверджена промисловими експериментами. Встановленi закономiрностi та вплив форми виробу на розподiл електромагнiтного поля зварювального струму. Розроблений спосiб та отримано рiвняння процесу поширення тепла при односторонньому зварюванні змішаним електродом. На основi дослiджень встановлено, що при зварюваннi змiшаним електродом внаслiдок збiльшення розмiру активної плями значно зменшується тиск дуги. Встановлено, що зниження електромагнiтного тиску та тиску дуги забезпечує якicне формування швiв при односторонньому зварюваннi змiшаним електродом на флюсовiй подушцi. Розроблений спосiб одностороннього зварювання змiшаним електродом впроваджений у виробництво труб.

Ключовi слова: труба, електромагнiтне поле, магнiтне дуття, iндукцiя, електромагнiтнi сила та тиск, тиск дуги, одностороннє зварювання, змiшаний електрод, формування зварних швiв.

j''''''HHHHHHHHHHHHHFFFFFFFFFFfbbbbHHHHРРРРРРРозззззз

АННОТАЦИЯ

Щетинин С.В. “Разработка процесса односторонней сварки труб с использованием электромагнитного поля сварочного тока”, рукопись на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 “Сварка и родственные технологии”. Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2001г.

Разработана методика, установлены основные закономерности распределения электромагнитного поля в зазоре стыка и влияние формы изделия на индукцию. В зазоре стыка пластин индукция на середине толщины металла равна нулю, при приближении к поверхности индукция возрастает, достигает максимальное значение на поверхности и изменяет направление на противоположное при переходе от верхней к нижней поверхности. При удалении от поверхности индукция в начале резко, а затем медленно уменьшается.

В зазоре стыка трубы индукция возрастает с 0,1Т при пропускании тока по пластинам до 0,35Т, направление ее постоянно, максимальное значение достигается на середине толщины металла. Теоретически обосновано увеличение индукции