Исследование влияния продольных магнитных полей на сварку и наплавку

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

сварка наплавка магнитное поле

Электрический ток, проходя по проводнику, создает магнитное поле. Магнитное поле обладает энергией, называемой энергией магнитного поля, которая проявляет себя различным образом, например, в действии одного проводника с током на другой проводник с током, находящимся в магнитном поле первого. Интенсивность магнитного поля характеризуется величиной магнитной индукции.

Магнитная индукция поля зависит от тока, размеров и формы проводника с током и свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, является магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость черных металлов в 1000 раз больше магнитной проницаемости воздуха.

Магнитное поле изображают магнитными линиями (линиями магнитной индукции). Они проводятся так, чтобы направление касательной в каждой точке линии совпадало с направлением поля.

Магнитные линии можно использовать не только для указания направления поля, но и для характеристики его интенсивности. Для этого условно на квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к направлению поля, проводят число линий, равное или пропорциональное величине магнитной индукции в данном месте поля.

Направление магнитного поля связано с направлением тока. Эта связь устанавливается правилом буравчика: если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения рукоятки укажет направление магнитных линий.

1. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ПРИ СВАРКЕ, МАГНИТНОЕ ДУТЬЕ

Электрическая сварочная дуга может отклоняться от своего нормального положения при действии магнитных полей, неравномерно и несимметрично расположенных вокруг дуги и в свариваемом изделии (рис. 1). Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называется магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и становится заметным при сварочных токах более 300 А.

Рис. 1. Отклонение дуги постоянного тока под действием магнитного поля

Сварочная дуга - это своего рода проводник с током, имеющий свое магнитное поле. Сварочный ток, проходя по электроду и свариваемому металлу, создает также свое магнитное поле. Пока магнитные поля, окружающие дугу, симметричны по отношение к дуге, отсутствует электромагнитная сила и нет воздействия на дугу. Дуга при этом горит по кратчайшему расстоянию к поверхности свариваемого металла.

Несимметричное магнитное поле, окружающее дугу, вызывает отклонение дуги в сторону меньшей плотности магнитного поля, причем чем длиннее дуга, тем сильнее отклонение. Короткая дуга менее подвержена воздействию магнитного дутья [1].

Магнитное поле от сварочной дуги, возникающее в свариваемом металле, перемещается вместе с электродом и постоянно меняется, поскольку магнитное поле в основном металле распространяется не концентрически, по кратчайшему расстоянию, а по пути наименьшего сопротивления, обусловленного магнитной проницаемостью. Поэтому в начале и в конце сварного шва интенсивность магнитного поля между краем заготовки и электродом значительно выше.

Асимметрия магнитного поля вызывает магнитное дутье, которое отклоняет дугу вперед в начале сварного шва и назад - в конце сварного шва. В некоторых случаях отклонение дуги может происходить под некоторым углом в бок, как вправо, так и влево. Следует также учитывать, что в начале сварного шва магнитное поле проходит по наплавленному металлу, а с другой стороны электрода должно преодолеть воздушный зазор в корне шва, который имеет малую магнитную проницаемость. Поэтому магнитное дутье наиболее сильно проявляется в начале шва. Изменение полярности или направления сварки при сварке на постоянном токе не оказывают заметного влияния на магнитное дутье.

При сварке на переменном токе магнитное дутье существенно снижается, но, тем не менее, не устраняется полностью. Уменьшение магнитного дутья происходит в связи с тем, что переменный ток создает переменное магнитное поле в основном металле, что, в свою очередь, приводит к появлению вихревых токов. Магнитное поле вихревых токов, которое всегда направленное в противоположную сторону, стремится нейтрализовать магнитное поле дуги и магнитное поле, создаваемое проходящим в основном металле током, тем самым уменьшая отклонение дуги.

Магнитное дутье чаще всего возникает при сварке покрытыми электродами и при полуавтоматической и автоматической сварке магнитных материалов, таких как сталь, чугун, никель, но может проявляться и при сварке немагнитных материалов. Отклонение дуги от оси вызывает затруднения при сварке, увеличивает разбрызгивание электродного металла и ухудшает качество сварного шва.

Место подключения обратного провода имеет второстепенное значение, но может оказать воздействие на общую величину магнитного дутья. Наилучшие результаты дает подсоединение обратного провода к началу сварного шва. Иногда, для достижения наилучших результатов, обратный провод подсоединяют в конце сварного шва. Оптимальный вариант - подсоединение к обоим концам шва.

Для уменьшения магнитного дутья можно:

· изменять направление магнитного потока, проходящего через сварное соединение, установив в начале и конце шва выводные планки, или применить обратноступенчатую сварку, или выполнять прерывистый шов;

· создать внешнее магнитное поле, оборачивая заготовку сварочным кабелем, подводящим ток к электрододержателю;

· при сварке покрытыми электродами произвести позиционирование электрода;

· уменьшить сварочный ток;

· оборачивать заготовку обратным проводом так, чтобы создаваемое им магнитное поле компенсировало действие магнитного поля, вызывающего отклонение дуги;

· производить сварку на переменном токе, но это может потребовать изменения технологии сварки и замены электродов.

Особую трудность представляет сварка металла с остаточным намагничиванием, которое возникает, например, при подъеме заготовки электромагнитом. В некоторых случаях намагниченность заготовки может достигать такой величины, что делает сварку практически невозможной. Металл с остаточным намагничиванием перед сваркой необходимо размагнитить. Иногда удается компенсировать намагниченность металла, обматывая заготовку сварочным кабелем.

2. ВЛИЯНИЕ ПОСТОРОННИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ДУГУ

Рассмотрим действие постоянного поперечного магнитного поля, создаваемого посторонним источником на сварочную дугу постоянного тока.

Столб дуги отклонится в сторону вследствие действия на него постороннего магнитного поля. Начальная сила, отклоняющая дугу, пропорциональна произведению сварочного тока на напряженность постороннего поля. Это постороннее поле может создавать, например, постоянный магнит.

Если постороннее поле достаточно сильное, оно может совсем оборвать дугу и потушить ее. При меньшей напряженности поля дуга будет отклоняться до тех пор, пока не наступит равновесие действующих на нее сил. Равновесие наступает вследствие того, что с отклонением дуги от нормального положения сварочный контур деформируется, и действие магнитных силовых линий с обеих сторон дуги уравновешивается.

Влияние продольного магнитного поля. Постоянное продольное магнитное поле можно создать, поместив сварочную дугу в соленоид. В этом случае направление магнитных силовых линий совпадает с направлением электрического поля.

На заряженные частицы, движущиеся в направлении электрического поля, магнитное поле, как совпадающее по направлению с электрическим, не будет оказывать никакого влияния. Для разбора влияния магнитного поля на движение частиц рассмотрим процессы в поперечном сечении дуги. Столб дуги в радиальном направлении весьма неоднороден, потому что температура по сечению столба дуги различная.

Температура центральной части столба дуги выше периферийной. Поэтому степень ионизации в центральной части столба дуги, а следовательно, и количество заряженных частиц больше, чем на периферии. Вследствие различной концентрации заряженных частиц по сечению столба дуги происходит их диффузия с мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией, т. е. от центра столба к периферии [2].

При движении заряженные частицы пересекают магнитные силовые линии поля и как любой проводник с током взаимодействуют с этим полем. Продольное магнитное поле создает силу, перпендикулярную магнитным силовым линиям и направлению движения частицы, под действием которой заряженная частица движется по окружности.

Но кроме продольного магнитного поля, на частицу действует и продольное электрическое поле, под действием которого частица перемещается по вертикали.

Таким образом, совместное действие продольного магнитного и электрического полей заставляет заряженную частицу двигаться по спирали. Учитывая, что масса положительных ионов значительно больше массы электронов, они будут определять направление движения частиц. Возникающая при этом центробежная сила стягивает весь столб дуги к вертикальной оси. Сечение столба дуги уменьшается, дуга становится более жесткой, а нагрев более концентрированным. Технологические показатели дуги повышаются.

3. ПРОДОЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПРИ СВАРКЕ

Отклонение электрической дуги, кроме того, может происходить как результат взаимодействия магнитного поля дуги с посторонним магнитным полем. Магнитные силовые линии дуги представляют собой окружности, замыкающиеся вокруг центра столба дуги. Если на сварочную дугу воздействовать посторонним магнитным полем, направление которого перпендикулярно прохождению сварочного тока, то в результате взаимодействия магнитного поля столба дуги с посторонним магнитным полем на электрическую дугу будет действовать электромагнитная сила F. Направление этой силы можно определить по правилу левой руки (рис.2).

Рис.2. Отклонение дуги в зависимости от направления тока или расположения подковообразного магнита

На электрическую дугу также оказывает влияние продольное магнитное поле соленоида, которое имеет направление, параллельное оси столба дуги и электрическому полю.

Столб сварочной дуги содержит небольшое количество отрицательных ионов, поэтому рассмотрим влияние продольного магнитного поля только на электроны и положительные ионы, преимущественно заполняющие столб сварочной дуги.

Концентрации заряженных частиц по сечению столба электрической дуги будет неодинакова. В центральной части дуги образуется наибольшее количество ионов и электронов и наименьшее на периферийных участках из-за того, что температура центральной части дуги выше температуры периферийных участков. Поэтому основная часть электронов и положительных ионов движется вследствие диффузии от центра столба дуги к периферии по радиусу. Скорость их движения, несмотря на различие в массах, будет одинакова из-за связи между ними, осуществляемой электрическим полем. Эти частицы движутся перпендикулярно магнитному полю соленоида и, следовательно, оказываются под действием и магнитного и электрического полей [3].

Сила, действующая на электрический заряд в магнитном поле, всегда перпендикулярна к скорости, а, следовательно, к траектории движения частицы, и оказывает максимальное действие, если движение частицы происходит перпендикулярно магнитным силовым линиям. Величина этой силы зависит от величины заряда е, средней скорости движения зарядов и, магнитной индукции В и угла а между направлением магнитной индукции и направлением скорости движения частицы: F=e·v·B·sin (a).

Сила F будет наибольшей при значении sin (а) = 1, т. е. при угле а = 90^o, тогда F=e·v·B. Наименьшее значение сила F будет иметь при sin (a) = 0. Она будет равна нулю. Это бывает при движении частиц параллельно магнитному полю, т. е. когда угол между скоростью движений частицы и направлением магнитного ноля соленоида равен 0^o. В этом случае частицы движутся только под действием электрического поля.

Сила, действующая на частицы в магнитном поле, имеет направление, перпендикулярное к плоскости, проходящей через направление магнитного поля и скорости заряда (рис.3).

Рис.3 - Схема действия силы на заряженные частицы под действием магнитного поля

Направление действия силы будет зависеть от направления магнитного поля соленоида, но не от рода тока и его полярности. Отсюда следует, что частицы столба сварочной дуги под действием продольного магнитного поля будут вращаться вокруг оси дуги. Вращение ионов и электронов происходит (в соответствии с различными знаками зарядов) в разные стороны, при этом они увлекают нейтральные частицы, находящиеся в столбе дуги.

По мере удаления от оси столба электрической дуги температура и степень ионизации падают, плотность ионов уменьшается, но увеличивается плотность нейтрального газа. В результате этого уменьшается скорость диффузии и число ионов, соударяющихся с нейтральными молекулами в единицу времени. Вследствие уменьшения величины и количества соударений скорость вращения газа по мере удаления от оси столба уменьшается. Вращательное движение газа в столбе электрической дуги, создаваемое продольным магнитным полем, еще в большей степени уменьшает скорость диффузии и стягивает к оси столба ионизированный горячий газ.

Из этого следует, что продольное магнитное поле приводит во вращение вокруг своей оси столб дуги и стягивает его. Концентрации газа по оси столба дуги в известной мере способствует и центростремительная сила, возникающая при вращении частиц.

Направление вращения можно определить, зная направление продольного магнитного поля. При этом, если смотреть по направлению магнитных силовых линий, столб будет вращаться против часовой стрелки и наоборот.

Действие электрического поля на заряженные частицы столба дуги дает осевую силу.

Рис.4. Схема действия сил на ион в сварочной дуге при наличии продольного магнитного поля.

В результате взаимодействия всех этих факторов, заряженные частицы столба дуги будут двигаться по спирали (рис.4).

Электродуговая сварка часто применяется при сварке ферросплавов, наличие которых вблизи дуги вызывает ее отклонение. Это объясняется тем, что магнитные силовые линии стремятся замкнуться по линии наименьшего сопротивления, т. е. через ферромагнитную массу. Между сварочной дугой и ферромагнитной массой появится электромагнитная сила притяжения, которая и отклоняет дугу в сторону ферромагнитной массы.

4. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Сущность и техника сварки дугой, вращающейся в магнитном поле. Интересно применение дуги при перемещении ее специально создаваемым внешним магнитным полем. На рис.5а показана схема сварки кольцевых стыков труб. Дуга вращается по внутренней поверхности кольцевого медного охлаждаемого водой электрода и по внешней поверхности свариваемых кромок труб. Взаимодействие магнитного поля дуги, создаваемого радиально направленным током и аксиально направленным магнитным полем в зазоре между трубами и электродом, создаваемым внешним электромагнитом, вызывает перемещение дуги. После необходимого разогрева кромок труб происходит их осадка вдоль оси труб. Трубы с толщиной стенки до 1,5 мм собирают без зазора и сваривают без осадки.

Рис. 5 - Сварка дугой, вращающейся в магнитном поле: а - дуга, горящая между неплавящимся электродом и поверхностью трубы; б - дуга, горящая между кромками свариваемых труб; в - дуга, горящая между вольфрамовым электродом и поверхностью изделия: 1 - трубы; 2 - катушка или катушки электромагнитов; 3 - дуга; 4 - электрод; 5 - трубная доска.

При сварке по схеме, представленной на рис.5б, трубы собирают с определенным зазором. Дуга возбуждается в зазоре между кромками; направление тока дуги совпадает с осью труб. Катушки создают внешние магнитные потоки, направленные встречно, что приводит к созданию в зазоре между трубами радиальной составляющей магнитного поля. Взаимодействие радиальной составляющей с магнитным полем дуги приводит к перемещению дуги по кромкам труб. После их оплавления производят осадку труб вдоль их оси.

Трубы к трубной решетке (рис.5в) также приваривают дугой, перемещаемой под влиянием совместного взаимодействия продольного магнитного поля и магнитного поля дуги. Анодное пятно дуги находится на вольфрамовом электроде. Скорость перемещения дуги по кромке трубы достигает нескольких метров в секунду, и зрительно создается впечатление горения одной конусной дуги.

В рассмотренных случаях перемещения дуги в магнитном поле ее скорость зависит от величины сварочного тока, напряженности внешнего магнитного поля, металла изделия и ряда других условий сварки. Используя бегущее магнитное поле, такое же, как в статорах электродвигателей переменного тока, можно управлять скоростью вращения дуги [4].

5. ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Сущность электромагнитной наплавки заключается в нанесении покрытия из порошка на поверхность заготовки в магнитном поле при пропускании постоянного тока большой силы через зоны контакта частиц порошка между собой и с заготовкой.

Магнитное поле создают в зазоре между заготовкой и полюсным наконечником. Оно выстраивает мостики частиц ферромагнитного порошка между указанными элементами. На магнитное поле, в свою очередь, налагают электрическое поле путем приложения напряжения к заготовке и полюсному наконечнику. Восстановительное покрытие получается за счет нагрева частиц порошка в зазоре, их оплавления и закрепления на восстанавливаемой поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Магнитное дутье - это воздействие на сварочную дугу магнитным полем при взаимодействии магнитного поля изделия и магнитного поля электрода, которое приводит к отклонению дуги от оси электрода и от зоны сварки. Это явление присуще сварке при постоянном токе и становится заметным при сварочном токе более 150 А, а при повышенном сварочном токе оказывает большое воздействие и отклоняет дугу от оси электродов в сторону более близких к дуге ферромагнитных масс, так как эти массы имеют меньшее сопротивление для замыкания магнитного потока (поля), чем воздух.

Это явление создает серьезные трудности при выполнении шва. Все проводники, по которым протекает электрический ток, чувствительны к магнитным полям, сами проводят магнитные поля. Эта чувствительность относится и к сварочной дуге. Собственное магнитное поле - это поле, которое возникает при прохождении электрического тока по собственным элементам сварочной цепи, в состав которой входят электропровод, электрод, сварочная дуга. На величину магнитного дутья влияют конфигурация и расположение деталей, а также толщина металла и сила сварочного тока. Если магнитное дутье отсутствует, значит, сварочная дуга расположена симметрично и горит, являясь продолжением электрода, т. е. вдоль его оси.

Дуга отклоняется влево, так как вокруг нее образуется несимметричное магнитное поле. С правой части дуга более концентрированна, поэтому появляется равнодействующая, называемая силой бокового распора. Сила распора появляется с той стороны, где происходит сложение магнитных потоков, где больше плотность магнитного поля на конкретном участке при несимметричном подводе тока второго сварочного провода.

Направление отклонения не зависит от полярности, но зависит от симметричности магнитного поля, неравномерности распределения тока по изделию, конфигурации изделия, наличия зазоров, сочетания деталей в сварном узле. Сила, отклоняющая дугу, прямо пропорциональна квадрату рабочего тока (т. е. чем больше, тем больше). Магнитное дутье весьма значительно при сварочном токе более 450 А, особенно при питании дуги постоянным током, а при переменном токе оно невелико. В нормальных условиях дуга стремится сохранить направление по оси тока. Это явление практически используется для изменения направления магнитного дутья и для уменьшения вредного его воздействия на процесс сварки, путем наклона электрода в нужную сторону.

Магнитное дутье иногда бывает полезным и нужным, например, при сварке дугой косвенного действия, когда оно позволяет осуществлять подвод тепла дуги к изделию. Без использования явления магнитного дутья было бы трудно подвести тепло дуги к изделию.

Частицы столба сварочной дуги под действием продольного магнитного поля будут вращаться вокруг оси дуги. Вращение ионов и электронов происходит (в соответствии с различными знаками зарядов) в разные стороны, при этом они увлекают нейтральные частицы, находящиеся в столбе дуги.

По мере удаления от оси столба электрической дуги температура и степень ионизации падают, плотность ионов уменьшается, но увеличивается плотность нейтрального газа. В результате этого уменьшается скорость диффузии и число ионов, соударяющихся с нейтральными молекулами в единицу времени. Вследствие уменьшения величины и количества соударений скорость вращения газа по мере удаления от оси столба уменьшается. Вращательное движение газа в столбе электрической дуги, создаваемое продольным магнитным полем, еще в большей степени уменьшает скорость диффузии и стягивает к оси столба ионизированный горячий газ.

Из этого следует, что продольное магнитное поле приводит во вращение вокруг своей оси столб дуги и стягивает его. Концентрации газа по оси столба дуги в известной мере способствует и центростремительная сила, возникающая при вращении частиц.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК:

1. Технология электрической сварки металлов и сплавов./ Под ред. Патона Б.Е. - М.: Машиностроение, -1974. - 768 с.

2. Электромагнетизм./ Под ред. Иродова Е.И. - Москва - 2000. - 345 с.

3. Техническая энциклопедия, том 3./ Под ред. Николаева В.П. - М.: Машиностроение - 2010. - 433 с.

4. Электрическая сварочная дуга./ Под ред. Лескова Г.И. - Иркутск - 1983. - 276 с.

Размещено на Allbest.ru