Оборудование и технологические особенности сварки электрической дугой, управляемой магнитным полем

Воздействие магнитного поля па электрическую дугу известно еще с прошлого столетия. Исследованию влияния на дугу магнитного поля посвящено большое число работ. Эти исследования позволили решить ряд практических задач в различных областях техники.

Впервые дуга, вращающаяся между угольными электродами, была использована в печах для плавки металлов, а дуга с вращающимся пятном на цилиндрическом медном катоде в мощьых выпрямителях с газовым дутьем. Сравнительно недавно электрическая дуга, управляемая магнитным полем, была использована для сварки изделий. Автоматическую приварку труб к плоскости выполняли конической дугой, анодное пятно которой перемещалось по сплавляемому торцу трубы, а катодное сосредоточивалось на неилавяшемся электроде.

Неподвижность одного из активных пятен вращающейся дуги существенно ограничивала ее практическое применение для сварки различных видов соединений. Способ сварки электрической дугой с вращающимися в магнитном поле анодным и катодным активными пятнами был предложен Н. Я. Кочановским, Е. С. Федером и С. М. Катлером, разработан и впервые внедрен во Всесоюзном научно-исследовательском институте электросварочного оборудования (ВНИИЗСО).

Основные схемы процесса. Дугу, оба активных пятна которой вращаются, можно возбуждать между свариваемыми частями изделия либо между изделиями и вспомогательным электродом.

Рассмотрим оба случая на примере сварки труб встык. В первом случае (рис. 7.1) две трубы 1 и Г, подлежащие сварке, и обмотки электромагнитов 2 и 2 располагаются соосно. Обмотки создают магнитные потоки, направленные навстречу друг другу. В результате в зазоре между деталями магнитное поле имеет радиальную составляя.

Дугу возбуждают между торцами деталей. Одна из свариваемых деталей является анодом, вторая катодом. При взаимодействии тока дуги / и радиальной составляющей магнитного поля Вг создается усилие F, приводящее дугу во вращение. Эта сила, направление которой перпендикулярно направлению тока в дуге и направлению магнитного ноля, заставляет дугу перемещаться по поверхности торцов со скоростью, достигающей нескольких десятков метров в секунду. При многократном обходе дуги по торцу трубы разогрев происходит по всему периметру. При наблюдении вращающаяся дуга представляется сплошным кольцом из светящейся плазмы.

При достижении на торцах сварочной температуры производится сдавливание (осадка) аналогично тому, как это делается при контактной сварке. Способ сварки дугой, вращающейся в магнитном поле, с последующей механической осадкой получил название дугоконтактного.

Во втором случае (рис. 7.2) подлежащие сварке трубы 1 и 1 медное кольцо 2 и обмотка электромагнита 3 располагаются концентрично. Кольцо охлаждается водой, протекающей по каналу 4. Электрическая дуга возбуждается между внутренней поверхностью кольца и кромками свариваемых труб. Ток дуги имеет радиальное направление. Магнитное поле в зазоре между трубами и кольцом направлено аксиально. Взаимодействие радиального тока дуги с аксиальной составляющей поля создает усилие, под воздействием которого дуга приходит во вращение и равномерно разогревает кромки труб.

Сварное соединение может быть получено либо за счет оплавления кромок по отбор-товке, либо, как и в предыдущем случае, с помощью сдавливания (осадки).

Наибольшее распространение получила дугоконтактная сварка. Для этого • способа подробно разработана технология и выпускается оборудование. Второй способ сварки пока нашел применение в установках для сварки труб с трубными досками.

Особенности процесса возбуждения и горения вращающейся дуги.

Силы, действующие на дугу. При движении в магнитном поле дута оказывается под влиянием различных сил, действующих на столб дуги и его активные пятна. Эти силы можно разделить на движущую силу и силы сопротивления. Движущая сила возникает благодаря взаимодействию тока дуги с радиальной составляющей магнитного поля.

Дугу можно рассматривать приближенно как проводник с током. На проводник с током, помещенный в магнитном поле, действует сила F, определяемая законом Ампера:

где ВТ радиальная магнитная индукция в зазоре; / ток дуги; / длина дуги; а коэффициент пропорциональности.

При аксиальной дуге и радиальном магнитном поле сила F в каждый момент времени направлена по касательной к окружности трубы и стремится перемещать дугу по торцам труб.

К силам сопротивления относятся сила аэродинамического сопротивления Fiy сила трения увлекаемых дугой газов F2 о стенки зазора, представляющего собой узкую щель, и сила F3, противодействующая перемещению активных пятен дуги.

Сила аэродинамического сопротивления зависит от скорости перемещения дуги и напряженности магнитного поля. Сила трения потока газов зависит от скорости перемещения дуги, а также от величины и геометрии зазора. Сила, противодействующая перемещению активных пятен дуги, зависит от материала электродов, их формы, состояния и температуры их поверхностей.

Приближенные аналитические зависимости сил сопротивления от параметров, определяющих перемещение дуги при сварке дугой, управляемой магнитным полем, были получены Ю. Г. Гагеном, В. Д. Тараном [9] и И. А. Шмелевой [46].

Ю. Г. Гаген и В. Д. Таран нашли выражение для сил сопротивления перемещению дуги при ее вращении в поле остаточного магнетизма в условиях, близких к условиям разгона дуги в начальной стадии процесса разогрева (температура торцов около 200 СС, скорость перемещения дуги менее 15 м/с):

где Вг радиальная магнитная индукция, Тл; / длина дуги, мм; v скорость перемещения дуги, м/мин.

И. А. Шмелевой получена зависимость сил сопротивления перемещению дуги в стадии установившегося процесса (температура торцов 1100 °С, скорость перемещения дуги 6080 м/с):

где р плотность воздуха, равная 0,001213 г/см3; / длина дуги, см; v скорость перемещения дуги, м/мин.

Однако эти зависимости не охватывают всего процесса разогрева в целом. Приведенные выше формулы выявляют связь основных параметров, определяющих движение дуги на отдельных стадиях процесса.

Рассмотрев характер сил, действующих на дугу в магнитном поле, можно сделать вывод, что сила сопротивления может быть выражена зависимостью

J температура торцов; п показатель степени, различный для каждой стадии процесса.

Особенности перемещения дуги в процессе нагрева. Для дуги, вращающейся между кромками изделия, характерно наличие трех стадий горения в процессе всего периода разогрева торцов (рис. 7.3). Одной из существенных особенностей каждой из этих стадий является характер изменения скорости движения дуги и ее электрических параметров. 1 стадия зажигание и вращение дуги с нарастающей скоростью. II стадия установившееся вращение дуги с постоянной максимальной скоростью. III стадия вращение дуги с переменной скоростью. На первой стадии дуга возбуждается и начинает вращаться с нарастающей скоростью. Приложенная к дуге движущая сила превышает направленные ей навстречу силы сопротивления:

В начале этого периода Ft и F2 невелики, поскольку мала скорость движения дуги. Наибольшей из сил сопротивления является сила F3 в связи с неблагоприятными условиями для перемещения пятен на торцах. В течение периода сила F3 существенно уменьшается (торцы труб нагреваются, неровности оплавляются, газы дугового промежутка ионизируются). Основными силами сопротивления становятся силы аэродинамического сопротивления и трения. Ускорение дуги в начальный период определяется разностью между движущей силой F и силами сопротивления Fx + F% + F3. Дуга после возбуждения вытесняется к внутренней поверхности торца трубы благодаря тому, что в зазоре существует значительный градиент магнитного поля. По мере нагрева торцов градиент магнитного поля снижается и дуга входит в зазор. В конце периода скорость движения дуги достигает максимального значения. Время установления максимальной скорости, т. е. длительность первого периода, зависит от индукции в зазоре, сварочного тока, толщины стенки, величины зазора и др. Нарастание скорости может произойти практически мгновенно.

Вторая стадия характеризуется движением дуги с постоянной максимальной скоростью. Длительность ее определяется временем, необходимым для появления на торцах пленки жидкого металла. На этой стадии движущая сила уравновешивается силами сопротивления:

На этом этапе снижается индукция в зазоре. Зто приводит к уменьшению движущей силы. Однако скорость перемещения дуги остается практически постоянной, так как одновременно уменьшается сила треиия Fn. На второй стадии, когда процесс становится установившимся, наблюдаются незначительные пульсации тока и напряжения.

Третья стадия характеризуется движением дуги с переменной скоростью. Эта стадия наблюдается при нагреве торцов выше температуры плавления. Практически вся поверхность торцов свариваемых изделий покрыта пленкой жидкого металла. Движущая сила на этой стадии меньше сил сопротивления:

Сила F продолжает падать, так как в связи с уменьшением зазора снижается индукция в нем. Силы аэродинамического сопротивления и трения потока увлекаемых газов также уменьшаются. Сила сопротивления перемещению активных пятен дуги изменяется нерегулярно, что связано с образованием перемычек жидкого металла, выбрасываемого в виде искр. Нерегулярный характер изменения силы F9 приводит к колебаниям скорости перемещения дуги.

Деление процесса горения дуги на три стадии чисто условное. Переход от одной стадии к другой происходит плавно, без скачков.

При возбуждении дуги, например, на трубах диаметром 529. мм при сравнительно небольших значениях индукции в зазоре и сварочного тока первый оборот дуга проходит очень медленно за 46 с. Следующие обороты дуга проходит несколько быстрее, но скорость ее не превышает 1012 м/с, а затем начинает вращаться с нарастающей скоростью. Поэтому некоторые авторы [46] характеризуют процесс горения дуги не тремя, а четырьмя стадиями, дополнительно выделяя стадию зажигания и разгона дуги.

При сварке вращающейся дугой с использованием вспомогательного электрода процесс горения дуги состоит из следующих периодов: 1 зажигание и разгон дуги; II установившееся вращение дуги с максимальной скоростью; III вращение дуги с замедлением.

Процесс сварки труб из малоуглеродистой стали (см. рис. 7.2) Г. Б. Сердюк [41 ] объясняет следующим образом.

В начальной стадии труба из малоуглеродистой стали ослабляет управляющее магнитное поле в 1,52 раза; кроме того, на этом этапе дуговой промежуток минимален.

По мере прогрева трубы ее магнитное состояние непосредственно возле зоны перемещения дуги изменяется магнитное поле в дуговом промежутке усиливается и тем самым обеспечивает значительную скорость движения дуги; при этом по мере выплавления металла увеличиваются дуговой промежуток и длина дуги.

На третьей стадии замедление вращения дуги следует объяснить не ослаблением магнитного поля (хотя это и не исключено), а образованием наплывов металла, неравномерность которых создает на пути движения дуги зазоры малой длины. В этих зазорах и происходит задержка дуги.

Исследуя процесс при сварке труб с трубными досками, В. С. Мечев и Д. А. Дудко отмечают, что в течение некоторого времени после возбуждения и разгона дуги, пока металл не плавится, дуга вращается равномерно 128]. По мере нагрева электрода и изделия скорость движения дуги несколько уменьшается. После начала оплавления металла перемещение дуги становится неравномерным.

Скорость движения дуги. Основными параметрами, влияющими на скорость движения дуги, являются радиальная индукция магнитного поля в зазоре и сварочный ток.

На рис. 7.4 и 7.5 приведены кривые изменения максимальной скорости движения дуги в зависимости от радиальной индукции магнитного поля в зазоре и сварочного тока, снятые при сварке труб диаметром 60 мм. Основным параметром, определяющим скорость перемещения дуги, является радиальная индукция в зазоре. При равных значениях радиальной индукции в зазоре увеличение сварочного тока мало влияет на скорость перемещения дуги. Скорость перемещения дуги растет нелинейно с увеличением радиальной индукции в зазоре и сварочного тока. Главной причиной нелинейного харак-

тера этих зависимостей является возрастание аэродинамического сопротивления с ростом скорости перемещения Дуги.

При постоянных зазоре между трубами, сварочном токе и радиальной индукции в зазоре скорость дуги тем выше, чем меньше толщина стенки. Такая зависимость объясняется тем, что с уменьшением толщины стенки увеличивается удельная мощность источника нагрева, возрастают температура электродных поверхностей и подвижность дуги [9].

Колебания зазора в диапазоне, допускаемом условиями зажигания и устойчивого горения дуги, мало отражаются на характере изменения ее скорости.

Устойчивость горения дуги. Для получения сварочного соединения необходимы надежное возбуждение и устойчивое горение дуги в течение всего периода нагрева до сварочной температуры. Возбуждение дуги облегчается с увеличением напряжения холостого хода источника питания. Минимально допустимое напряжение составляет 50 В.

Измерения вольт-амперных характеристик перемещающихся в магнитном поле дуг проводили многие исследователи. Установлено, что характеристики дуги являются падающими. В связи с этим источник питания должен обладать падающей внешней характеристикой, крутизна которой превышает крутизну вольт-амперной характеристики дуги. Источник питания должен обеспечивать высокую скорость нарастания сварочного тока.

Устойчивость горения дуги зависит от радиальной индукции магнитного поля в зазоре и сварочного тока. Каждому значению сварочного тока соответствует определенное минимальное значение радиальной индукции в зазоре, обеспечивающее движение дуги с нарастающей скоростью в начальный период ее вращения. При значении радиальной индукции, меньшем этого значения, в начальный период наблюдается блуждание дуги по торцам, и она гаснет. С увеличением сварочного тока устойчивость дуги повышается. При слишком сильных полях устойчивость дуги нарушается и ее выбрасывает из зазора.

Кроме того, известно, что на дугу оказывает воздействие продольная составляющая индукции магнитного поля, которая деформирует столб дуги. При значительной деформации дуги источник тока не в состоянии обеспечить требуемое для устойчивого ее горения напряжение и дуга гаснет. Это особенно часто наблюдается в начальный период вращения дуги. Поэтому продольная составляющая должна быть по возможности небольшой. Для обеспечения устойчивого перемещения дуги необходимо также, чтобы встречные магнитные поля были симметричными в пространстве зазора.

Стабильность горения дуги существенно зависит от величины зазора и его равномерности по периметру. Недопустимые отклонения зазора от номинального могут привести либо к обрыву дуги, либо к короткому замыканию сварочной цепи, а его неравномерность по периметру к неодинаковости механических свойств по периметру изделия. Равномерность разогрева кромок возрастает с увеличением скорости движения дуги.

Форма, размеры и материалы свариваемых изделий. Способ сварки дугой, управляемой магнитным полем, может быть применен для сварки любых изделий с замкнутой линией шва: труб, труб с фланцами, труб с ниппелями, изделий сплошных сечений, изделий некруглого сечения квадратного, прямоугольного, овального, для приварки труб и стержней к плоской поверхности и др. На рис. 7.6 представлены образцы сварных соединений.

Во ВНИИЭСО разработана технология дугоконтакт-ной сварки труб диаметром до 325 мм, с толщиной стенки 9 мм и создано оборудование для сварки труб диаметром до 114 мм, с толщиной стенки до 8 мм С помощью сварки дугой, управляемой магнитным полем, свариваются следующие материалы: малоуглеродистая, низколегированная, жаропрочная, аустенитная стали, медь, латунь, алюминий, бронза и др.

Основные области применения этого способа сварки сварка труб в монтажных условиях непосредственно на объектах строительства, сварка на производственных базах труб в плети, заготовка сварных блоков с последующим соединением их па объектах, сварка в заводских условиях массовых серийных изделий.

Технические преимущества способа и недостатки.

Преимущества:

в отличие от дуговой сварки не требуется перемещения сварочной горелки вдоль шва; перемещение дуги осуществляется магнитным полем;

рабочий орган (сварочная головка) может быть отнесен на значительное расстояние от источника питания благодаря дуговому характеру разогрева, требующего в отличие от контактной сварки сравнительно небольших токов. Это позволяет решить задачу автоматизации процесса сварки в труднодоступных местах и в монтажных условиях;

производительность выше, чем при любом из возможных способов сварки;

потребление электроэнергии составляет 1020 % по сравнению с другими способами сварки;

достигается экономия материалов по сравнению с контактной сваркой и сваркой трением за счет малого изменения длины заготовок при сварке. При дугоконтактной сварке уменьшение длины составляет 0,52,0 мм при толщине стенки 16 мм;

достигается экономия дефицитных сварочных материалов; сварка осуществляется только за счет разогрева самих торцов, их сдавливания после разогрева;

возможно получение сварных соединений трубчатых изделий с почти неискаженным проходным сечением; грат как наружный, так и внутренний относительно невелик, равномерно распределен по периметру изделий и имеет плавные очертания;

сварные соединения характеризуются высоким качеством и стабильностью механических свойств. У деталей, сваренных при постоянном режиме, разброс показателей предела прочности, угла загиба, ударной вязкости не превышает 57 %,

Недостатки:

требуется более высокая точность подготовки торцов свариваемых деталей, чем при контактной сварке;

недостаточно разработаны4 неразрушающие методы контроля качества сварных соединений.

Особенности формирования соединений. Основной особенностью нагрева при сварке дугой, управляемой магнитным полем, является то, что скорость движения дуги значительно превышает скорость плавления металла, т. е. скорость сварки.

Сварное соединение образуется многократным воздействием дуги на кромки изделия. В связи с большой скоростью перемещения дуги за один ее оборот оплавляется очень малый участок изделия. В дальнейшем размеры оплавленного участка увеличиваются до образования жидкой пленки по всему периметру. Практически это происходит только после достижения температуры плавления. Кристаллизация металла шва происходит одновременно по всему периметру.

При дугоконтактнон сварке в процессе нагрева необходимо обеспечить на торцах свариваемых деталей появление жидкой пленки расплавленного металла, достаточной для надежной защиты металла свариваемых изделий от окисления. Кроме того, жидкая пленка не должна закристаллизовываться до закрытия стыка при осадке. Толщина жидкой пленки должна составлять 0,20,3 мм. Дальнейший нагрев, как правило, приводит к нарушению геометрии кромок. Значение давления при осадке должно обеспечивать удаление расплава и окислов из стыка.

Установлено, что при сварке дугой, вращающейся в магнитном иоле, катод и анод нагреваются практически I одинаково 19, 461. Благодаря этому магнитное поле в зазоре сохраняется симметричным и обеспечивается ста- I билыюсть горения дуги в процессе нагрева. Равномерность разогрева анода и катода создает также благоприят- I ные условия для получения качественных соединений.

При сварке вращающейся дугой с использованием I иеплавящегося электрода без приложения давления сварное соединение получается путем свободного формирования шва за счет образования для двух свариваемых изделий ванночки расплавленного металла. I