Просмотреть/Открыть - Приазовський державний технічний
реклама
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ “ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ” ЩЕТИНИН СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ УДК 621.791.753 РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ ПРОЦЕССОВ ОДНОСТОРОННЕЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ Специальность 05.03.06 “Сварка и родственные процессы и технологии” АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Мариуполь 2015 2 Диссертацией является рукопись Работа выполнена в Государственном высшем учебном заведении “Приазовский государственный технический университет”, Министерство образования и науки Украины Научный консультант: доктор технических наук, профессор Чигарев Валерий Васильевич, ГВУЗ “ПГТУ”, МОН Украины заведующий кафедрой “Металлургия и технология сварочного производства” Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузнецов Валерий Дмитриевич, Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт” МОН Украины, заведующий кафедрой “Инженерия поверхности” доктор технических наук, профессор Квасницкий Вячеслав Федорович, Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова МОН Украины, заведующий кафедрой сварки доктор технических наук, профессор Рябцев Игорь Александрович, Институт электросварки им.Е.О. Патона НАН Украины, заведующий отделом “Физико-металлургических процессов наплавки износостойких и жаропрочных сталей” Защита состоится “22” мая 2015 года в 1200 часов на заседании специализированного ученого совета Д 12.052.01 при ГВУЗ “Приазовский государственный технический университет” по адресу: 87500, г. Мариуполь Донецкой области, ул. Университетская, 7 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГВУЗ “Приазовский государственный технический университет” по адресу: 87500, г. Мариуполь Донецкой области, ул. Апатова, 115 Автореферат разослан “ 10 ” апреля 2015 года Ученый секретарь специализированного ученого совета Д 12.052.01 доктор технических наук, профессор В.А. Маслов 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Развитие односторонней электродуговой сварки металлических конструкций является одним из приоритетных направлений XXI века. Наибольшее распространение получила односторонняя сварка в судостроении. Сварка производится на флюсовой, флюсомедной подушках, медной подкладке и в поперечном магнитном поле. Действие посторонних магнитных полей на формирование швов исследовалось В. П. Чернышем, В. Д. Кузнецовым, Р.Н. Рыжовым, А.И.Акуловым, А. М. Рыбачуком, А. Д. Размышляевым. Большой вклад в развитие процесса сварки труб, исследование и использование магнитного поля сварочного тока при многодуговых процессах внесли Б.Е. Патон, В.К. Лебедев и С.Л. Мандельберг. Однако, влияние магнитного поля сварочного тока и скорости сварки на формирование швов при односторонней сварке изучено недостаточно, механизм образования подрезов полностью не установлен. Существенное применение односторонняя сварка находит при производстве труб для газо- и нефтепроводных магистралей, что вызывает необходимость разработки новых процессов. Вместе с тем, при работах по повышению качества и производительности односторонней сварки имеют место следующие негативные явления: существенное возрастание магнитного дутья при повышенных значениях сварочного тока, нарушение формирования сварных швов и образование подрезов. Детальное исследование влияния магнитного поля сварочного контура на формирование швов позволит решить проблему односторонней высокоскоростной сварки и обеспечить повышение качества и ударной вязкости сварных соединений. Поэтому предлагаемые в работе теоретические обобщения и новое решение научно-технической проблемы разработки энерго- и материалосберегающих процессов односторонней высокоскоростной сварки и наплавки, обеспечивающих повышение качества, ударной вязкости сварных соединений и трещиностойкости за счет регулирования энергетических и механических характеристик дуги, магнитного поля сварочного тока, уменьшения магнитного дутья, гидродинамического и магнитного давления, являются актуальными. Связь работы с научными программами, планами, темами. Исследования проводились соискателем, с долевым участием 50%, в период с 1985 по 2012 г.г. при выполнении научно-исследовательских работ “Внедрить технологию прокатки металла на стане слябинг “1150” валками, рабочая часть которых наплавлена слоями с различными физическими свойствами” (1985–1986), “Внедрить технологию прокатки металла на 4 стане слябинг “1150” валками, рабочая часть которых наплавлена вдоль образующей” (1988), “Разработать и внедрить технологию наплавки, сокращающую расход дефицитных материалов, и оборудование для электродуговой наплавки опорных валков ТЛЦ-3000” (1991), “Разработать и внедрить высокопроизводительную технологию и автоматизированное оборудование, позволяющие получить слой сложной конструкции путем наплавки и плазменной обработки прокатных валков” (1992), “Разработка оборудования и технологии наплавки конусных роликов стана 3000” (1994–1996), “Разработать технологию упрочнения и изготовить погружной барабан и ванну агрегата цинкования ЦХП, обеспечивающих повышение стойкости в 3–4 раза” (1995–1996), № 441 “Разработка оборудования и технологии физической обработки поверхностей втулки-цапфы и опорного валка” (1998–2003), №1573 “Разработка оборудования и технологии односторонней сварки труб, обеспечивающей качественное формирование швов” (2000–2001), №852 “Односторонняя сварка плоских заготовок днищ котлов железнодорожных цистерн для перевозки светлых нефтепродуктов”(2004) с ОАО“ГСКТИ”, № госрегистрации 0104U009160, №4519 “Разработка и внедрение оборудования и энергосберегающей технологии восстановления и упрочнения роликов рольгангов стана 3000” с ПАО “ММК им. Ильича” (2007–2012), № госрегистрации 0107U008860, инвентарный № 0308U001488. Цель и задачи исследований. Цель работы – разработка научных основ односторонней высокоскоростной сварки газо- и нефтепроводных труб, обеспечивающих повышение качества, ударной вязкости сварных соединений и трещиностойкости наплавленного металла при наплавке. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: – разработать математическую модель магнитного поля сварочного тока, исследовать распределение и электромагнитное взаимодействие полей, установить закономерности и механизм регулирования поля при сварке; – исследовать влияние магнитного поля сварочного тока и скорости сварки на дугу, жидкий металл ванны, изучить механизм регулирования энергетической характеристики дуги и установить природу образования подрезов; –изучить влияние формы электрода на магнитное поле сварочного тока и обосновать рекомендации по предотвращению подрезов; – научно обосновать природу односторонней сварки на флюсовой подушке, исследовать влияние формы электрода на давление дуги и формирование швов при односторонней сварке на флюсовой подушке; 5 – разработать математические модели и исследовать влияние формы изделия на магнитное поле сварочного тока; – изучить физическую природу и разработать способы предотвращения магнитного дутья при сварке труб; – разработать научные основы и способы повышения ударной вязкости сварных соединений за счет повышения скорости сварки; – разработать механизм повышения трещиностойкости, при высокоскоростной наплавке бандажированных опорных валков, за счет уменьшения погонной энергии и предложить материалы для высокоскоростной наплавки; – установить закономерности регулирования формирования швов за счет формы электрода и разработать процесс односторонней высокоскоростной сварки труб составным электродом. Объект исследования – односторонняя высокоскоростная сварка и наплавка. Предмет исследований – дуга, магнитное поле сварочного тока, давление дуги, структура и свойства сварных соединений и наплавки. Методы исследований. Для решения поставленых задач и получения результатов диссертационной работы использовались скоростная киносъемка, линейный метод на оптическом микроскопе, метод рентгеноструктурного анализа и лазерного микроспектроанализа, рентгеновское просвечивание, эксперименты в производственных условиях сварки газо- и нефтепроводных труб, экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирования, аналитические и численные методы, расчеты на компьютере. Научная новизна полученных результатов. Впервые установлено, что в процессе сварки при протекании тока по изделию, создаются два вида магнитного поля – поперечное и продольное. Индукция продольного поля резко возрастает при зазоре (1,5–2)∙10-3м в результате распора силовых линий поля, что приводит дугу во вращение и повышает стабильность процесса сварки. Под действием продольного поля создаются, направленные вперед по направлению сварки и к боковым кромкам ванны, электромагнитные силы, что обеспечивает формирование швов без подрезов. Впервые, экспериментально доказана электромагнитная природа образования подрезов, под действием магнитного поля дуги, согласно которой при повышении скорости сварки усиливается охлаждение и в 1,5 раза уменьшается диаметр дуги, повышаются индукция, магнитное давление и усиливается пинч-эффект. Дуга концентрируется, уменьшается тепловложение и электрическое сопротивление боковых кромок ванны. В результате повышается ток через боковые стенки и 6 направленная вниз электромагнитная сила, под действием которой жидкий металл стекает с кромок ванны, и образуются подрезы. Впервые установлено, что при высокоскоростной сварке составным электродом, по сравнению с проволочным, увеличиваются тепловложение в боковые кромки и их электрическое сопротивление, снижаются ток, индукция у боковых кромок ванны с 0,045 Т до 0,036 Т и магнитное давление с 806 Па до 516 Па, что обеспечивает качественное формирование швов и подтверждает электромагнитную природу образования подрезов. Теоретически обосновано и практически подтверждено, что повышение качества формирования обратного валика, при односторонней высокоскоростной сварке составным электродом на флюсовой подушке, является результатом снижения, по сравнению с проволочным, скорости плазменных потоков с 2,37∙103 м/с до 1,18∙103 м/с, давления дуги с 42 кПа до 10,5 кПа, уменьшения погонной энергии, времени существования ванны, магнитного, гидродинамического давлений и увеличения скорости кристаллизации жидкого металла. Расчетно-экспериментальным путем установлено, что усиление магнитного дутья при сварке труб является результатом концентрации силовых линий поля, в обладающей большой магнитной проницаемостью трубе, повышения индукции с 0,1 Т до 0,35 Т, в раз, электромагнитной силы с 0,42 Н до 1,47 Н и магнитного давления с 3,98 кПа до 48,8 кПа. Токоведущий виток внутри трубы создает магнитное поле, противоположное по направлению магнитному полю, создаваемому сварочным током, за счет чего уменьшается индукция, что обеспечивает устранение магнитного дутья, повышение стабильности и качества швов при односторонней высокоскоростной сварке на флюсовой подушке, независимо от зазора. Установлено, что при односторонней высокоскоростной сварке составным электродом ударная вязкость повышается, по сравнению с проволочным, за счет увеличения скорости сварки и кристаллизации, снижения погонной энергия, сварочных напряжений с 390 МПа до 325 МПа, зоны термического влияния с 2∙10-3 м до 0,5∙10-3 м и измельчения микроструктуры. Впервые установлен механизм повышения трещиностойкости бандажированных опорных валков из стали 90ХФ, при высокоскоростной наплавке со скоростью 0,021 м/с на низкой погонной энергии 1,1 МДж/м, что является результатом снижения микроискажений кристаллической решетки с 23∙10-4 до 19∙10-4, микронапряжений с 430 МПа до 370 МПа и плотности дислокаций с 6,7∙1016 м-2 до 5,7∙1016 м-2, сварочных напряжений и измельчения микроструктуры. 7 Установлены закономерности регулирования формирования швов за счет формы электрода, на основании которых разработан процесс односторонней высокоскоростной сварки составным электродом, при котором регулируется магнитное поле сварочного тока и обеспечивается качественное формирование швов на флюсовой подушке. Разработанный процесс обеспечивает замену двухсторонней сварки на одностороннюю, повышение качества и ударной вязкости сварных соединений. Практическое значение полученных результатов. Разработан и внедрен в производство на ПАО “ММК им. Ильича” энерго- и материалосберегающий способ односторонней высокоскоростной сварки составным электродом труб для газо- и нефтепроводных магистралей, с токоведущим витком внутри, обеспечивающий регулирование магнитного поля, предотвращение магнитного дутья, повышение качества и ударной вязкости сварных соединений в 2 – 2,5 раза. Разработан способ односторонней высокоскоростной сварки составным электродом на флюсовой подушке (Пат.1719173 РФ), при котором уменьшаются магнитное давление и давление дуги, что обеспечивает качественное формирование обратного валика и швов без подрезов. Определены оптимальные параметры режима односторонней высокоскоростной сварки составным электродом, обеспечивающие повышение качества и ударной вязкости сварных соединений за счет снижения погонной энергии, сварочных напряжений и измельчения структуры, что позволило повысить производительность, снизить энергоемкость и материалоемкость процесса в 1,3–1,5 раза. Разработан и внедрен в производство на ПАО “ММК им. Ильича” энергосберегающий способ высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии, который обеспечивает снижение микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений, плотности дислокаций и сварочных напряжений, измельчение микроструктуры, отсутствие поломок бандажей, повышение трещиностойкости, коррозионой стойкости и износостойкости деталей металлургического оборудования в 1,3 –1,5 раза. Разработана проволока сплошного сечения (Пат.88102 Украина), которая обеспечивает высокоскоростную наплавку на низкой погонной энергии, повышение трещиностойкости, жаропрочности и коррозионной стойкости за счет легирования хромом, молибденом, ванадием и ниобием. Реальный экономический эффект от внедрения результатов исследований диссертации составляет 1 018 000 гривен. Личный вклад соискателя. Соискателем лично обоснована необходимость и разработаны научные основы односторонней высокоскоростной сварки и наплавки, предложено комплексное решение проблем удержания жидкого металла от вытекания из ванны при односторонней свар- 8 ке, способы предотвращения образования подрезов и магнитного дутья при высокоскоростной сварке. Соискателем лично установлена электромагнитная природа образования подрезов, разработан способ односторонней высокоскоростной сварки составным электродом труб, с токоведущим витком внутри, механизм повышения трещиностойкости и высокоскоростная наплавка на низкой погонной энергии. Автором самостоятельно выполнены теоретические исследования, проанализированы и обобщены полученные результаты. Он лично выполнял постановку экспериментов, обработку и обобщение результатов лабораторных и производственных исследований, выполненных как самостоятельно, так и при непосредственном участии. Соискателю принадлежат идеи, положенные в основу разработанных способов высокоскоростной сварки и наплавки на низкой погонной энергии, что подтверждено 37 авторскими свидетельствами и патентами. Автор принимал участие, как ответственный исполнитель, в научноисследовательских работах, результаты которых представлены в диссертации. Апробация результатов диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались на научном семинаре в Институте электросварки им. Е.О. Патона (Киев, 2014), Международной научнотехнической конференции “Проблемы сварки, родственных процессов и технологий” (Николаев, 2009), I международной научно-технической конференции “Сварочное производство в машиностроении” (Краматорск, 2009), 3-й научно-практической конференции “Модернизация и переоснащение предприятий, эффективные технологии ремонта и восстановления деталей” (Днепропетровск, 2007), Международных научно-технических конференциях (Мариуполь, 2002–2004, 2006, 2007– 2014), республиканской научной конференции “Современные проблемы сварки, наплавки и материаловедения” (Мариуполь, 2005). Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ в специализированных научных журналах и сборниках научных работ Украины и России, в том числе 6 статей в журналах иностранных государств и SCOPUS, 3 патента. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, выводов, содержит 457 страниц, в том числе, 158 рисунков, 9 таблиц, список использованных источников из 307 наименований и 3 приложения. 9 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Напряжение на дуге, В Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и определены основные задачи, которые необходимо решить для ее достижения. Описаны объект и методы исследования, представлена научная новизна и практическое значение полученных результатов с указанием личного вклада автора. В первом разделе диссертации выполнен подробный анализ результатов известных теоретических и экспериментальных исследований односторонней высокоскоростной сварки, квантовой теории магнитного поля и магнитогидродинамических явлений при односторонней высокоскоростной сварке. Проведен анализ процессов, протекающих в ванне, и рассмотрены существующие способы односторонней высокоскоростной сварки. Из анализа следует, что наиболее эффективным является повышение стабильности процесса, уменьшение направленных вниз давления дуги и электромагнитных сил за счет изменения формы электрода и магнитного поля сварочного контура, определяющих формирование швов при односторонней высокоскоростной сварке труб. Второй раздел посвящен исследованию влияния формы электрода на энергетические и механические характеристики сварочной дуги. Показано, что форма электрода не влияет на сумму приэлектродных падений, а действует на градиент потенциала в дуге (рис.1). Это свидеUд тельствует, что условия охлаждения 8 50,0 активных пятен не влияют на при6 4 7 5 электродные падения, из-за незна45,0 чительной роли термоэмиссии и глав40,0 ной роли автоэлектронной эмиссии, которая является результатом пинч35,0 эффекта. Сжатие дуги под действием 30,0 собственного магнитного поля уменьUк+а ОСЦ-45М шает площадь активного пятна, кон25,0 Uк+а АН-65 центрирует энергию, увеличивает Uк+а АН-348АМ 20,0 плотность тока и обеспечивает автоUк+а Открытая дуга электронную эмиссию. Пинч-эффект 15,0 5,0 lд 3,0 4,0 1,0 2,0 0 приводит к цепной реакции, при коДлина дуги, 10 -3 м Рис.1.Энергетическая характе- торой незначительное уменьшение ристика сварочной дуги: 1,2 – диаметра повышает индукцию и маготкрытая дуга; 3,4,5,6,7,8 – дуга нитное давление, которое сжимает дугу. Процесс повторяется до обрыва дупод флюсом; 1,3,5,7 –лента; ги, что подтверждает электромагнит2,4,6,8 – проволока ную природу электродуговой сварки. Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х 10 Установлена электромагнитная природа образования подрезов под действием магнитного поля сварочной дуги (рис.2), согласно которой, при повышении скорости сварки усиливается охлаждение и уменьшается диаметр дуги, повышается индукция В, магнитное давление (Рэм) и усилиивается пинч-эффект. Дуга концентрируется, уменьшается тепловложение и электрическое сопротивление боковых кромок ванны. В результате повышается ток I, протекающий через боковые кромки, и направленная вниз электромагнитная сила, под действием которой жидкий металл стекает с кромок ванны, что приводит к образованию подрезов. На основании электромагнитной природы образования подI резов разработан способ односторонней высокоскоростной сварки B B B составным электродом, состоящим B B из двух проволок (1) внутри U– I I I I образной ленты (2), прямолинейB ные участки которой располагаPэм Pэм I ются впереди проволок (рис.3). Дуга, горящая на прямолинейных Pэм Pэм участках ленты, увеличивает тепРис.2. Электромагнитная природа ловложение в боковые кромки ванны. В результате электрическое сообразования подрезов 1 2 противление возрастает, уменьшается ток через боковые кромки Vсв и направленная вниз электромагнитная сила, что обеспечивает формирование швов без подрезов. 17,5-18,0 15-15,5 Разработанный способ одноРис.3. Односторонняя высокоскосторонней высокоскоростной свар ростная сварка составным ки составным электродом обеспеэлектродом чивает замену двухдуговой двухсторонней сварки на одностороннюю однодуговую, увеличение скорости сварки с 0,015 м/с до 0,021 м/с, что значительно снижает трудоемкость, энерго- и материалоемкость процесса. Согласно закону Био-Савара-Лапласа и полного тока, в подтверждение электромагнитной природы образования подрезов, разработана математическая модель магнитного поля сварочного контура, которое создается током дуги и током, протекающим по основному металлу. Величина тока, протекающего через боковые кромки ванны, согласно закону Ома, прямо пропорциональна падению напряжения и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению металла в зоне сплавления, которое зависит от температуры и координат X и Y. С учетом элементарных участков dx и dy электросопротивление в зоне сплавления: 9-10 4-4,5 I 11 Y2 X2 X2 1 X1 1 ; R RY ; RY LY LI LY Y X 1 1 ,Ом-1; Ri R Y2 X Y 1 ,Ом, 2 1 X1 1 Ri где LY– проводимость участка dy,Ом ; LX – проводимость участка dx,Ом-1. Сопротивление участка dx: R li dy Ом, где i–удельное i i T Si dx сопротивление при температуре 293К, Ом∙м2/м; li –длина элементарного участка dy, м; Si–сечение участка, равное произведению толщины металла δ и длины участка dx, м2; T =ρ0(1+αТ) – удельное электрическое сопротивление,Ом∙м2/м, где –температурный коэффициент сопротивления, К-1. Y2 Электрическое сопротивление ме dy R талла в зоне сплавления (рис.4): Y X 2 0 dx , Îì . 1 X 1 T X1 -1 dx X 1 X2 Y n k Y1 dy Y2 Индукция магнитного поля в зоне сплавления: 0 I U ,Т, (1) Â Y2 2 rÄ dy rM 0 X 2 Рис.4. Расчетная схема электdx Y1 рического сопротивления 1 T X1 где – относительная магнитная проницаемость; 0–магнитная постоянная 410-7 Гн/м; I–сварочный ток, А; I1–ток через боковые кромки, А; rД– расстояние от дуги, м; rМ –расстояние от основного металла, м; Т–температура боковых кромок при сварке составным электродом, К: 2 V y n 2 V y n b b 4a x 4a x 2 2 q1 e e b V xi R2 x V xi R1 2 2a 2a q2 e e T x, y , z 2b b R1 R2 b 2 c V x x 2 2 dxi (2) 12 q1–мощность источника тепла на проволочных электродах, Вт; q2 – мощность источника тепла на прямолинейных участках ленты, Вт; – толщина пластины, м; – коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К); c – объемная теплоемкость, Дж/(м3∙К); a – коэффициент температуропроводности, м2/с; V–скорость сварки, м/с; b–длина прямолинейных участков ленты, м; R1 xi2 ( y k )2 z 2 , R2 xi2 ( y k ) 2 z 2 –сферические радиусы - векторы элемента dxi отрезков b, расположенных справа и слева оси Оx, м, интегрирование распространено по отрезку b,м; k – координата прямолинейных участков ленты, м; n – координата проволочных электродов, м. Согласно математической модели (1), с увеличением толщины металла и скорости сварки, индукция в зоне сплавления возрастает. Адекватность модели подтверждается хорошей сходимостью расчетных значений с экспериментальными данными, при измерении индукции в реальных условиях сварки и моделировании, и тем, что с увеличением толщины металла склонность к образованию подрезов возрастает. Роль магнитного давления в образовании подрезов доказана, при измерении индукции в реальных условиях процесса сварки перед дугой (т.А), сзади дуги(т.В) и в зоне сплавления (т.С) (рис.5). Магнитное поле определяется растеканием тока, которое зависит от точки токоподвода и тепловложения. На основании проведенных исследований установлено, что при увеличении скорости сварки индукция в зоне сплавления возрастает, при сварке от токоподвода (рис.5 а) и на токоподвод (рис.5 б), вследствие уменьшения количества теплоты, выделенной в боковых частях ванны, снижения электрического сопротивления и увеличения тока, протекающего через кромки. В результате возрастает направленная вниз электромагнитная сила, под действием которой жидкий металл стекает с кромок, что приводит к образованию подрезов. При сварке на токоподвод, индукция магнитного поля в зоне сплавления возрастает с 0,025 Т до 0,029 Т (рис.5 б). В квадратичной зависимости от индукции, при сварке на токоподвод возрастает магнитное давление РЭМ =В2/2 с 250 Па до 336 Па, что приводит к образованию подрезов. При сварке от токоподвода, под действием электромагнитной силы, дуга отклоняется в сторону меньшего поля вперед и подогревает кромки ванны, вследствие чего электрическое сопротивление возрастает, уменьшается ток, индукция и, направленное вниз в зоне сплавления магнитное давление. В результате, при повышении скорости сварки от токоподвода, индукция в зоне сплавления ВС возрастает с 0,023 до 0,027 Т, что хорошо согласуется с расчетными данными ВР и подтверждает адекватность математической модели (1). В квадратичной зависимости возрастает магнитное давление с 212 Па до B 28 BC 38 437,5 18 PC 28 PB 16 23 14 18 2,9 PA 3,9 V 4,9 4,4 3,4 Скорость сварки, 10-2 м/c PC 30 312,5 26 33 375 BC 250 18 14 10 . .С В 22 187,5 св .VА 8 16 38 BA 20 BA 34 PA 22 43 BP Рэм Магнитное давление,Па 24 48 Магнитное давление, 10 Па 26 53 Индукция магнитного поля, 10-3 Т BB 16 Индукция магнитного поля, 10-3 Т 13 B Рэм I 125 PB 62,5 0 2,9 BB 4,4 3,9 4,9 Vсв 3,4 Скорость сварки, 10-2 м/c а б Рис.5.Зависимость индукции магнитного поля В и магнитного давления РЭМ от скорости сварки от токоподвода (а) и на токоподвод (б): величина тока 2700 – 2800 А, напряжение на дуге 28 – 30 В 292 Па, поэтому при сварке от токоподвода улучшается формирование швов, что подтверждает электромагнитную природу образования подрезов. Независимо от точки токоподвода, при увеличении скорости сварки индукция и магнитное давление перед дугой остаются постоянными, сзади дуги имеют противоположные направления и уменьшаются, вследствие перегрева жидкого металла и снижения плотности тока за дугой. При сварке на токоподвод (рис.5б), магнитное давление сзади дуги значительно ниже, чем впереди, что приводит к отклонению дуги и жидкого металла назад. При сварке от токоподвода, индукция и магнитное давление сзади дуги значительно больше, чем на токоподвод, дуга и жидкий металл движутся вперед, что снижает вероятность образования подрезов. Для улучшения формирования швов разработана физическая модель процесса односторонней сварки на флюсовой подушке, при которой на жидкий металл ванны действуют направленные вниз давление дуги РД, давление электродного металла РЭ, магнитное давление РЭМ, гидродинамическое давление РГ, давление флюса РФ и направленные вверх силы поверхностного натяжения РПН и давления флюсовой подушки РФП. Качественное формирование швов обеспечивается при равновесии сил: PÄ ÐÝ PÝÌ PÃ ÐÔ PÏÍ PÔÏ . 14 Расчетно-экспериментальным путем установлено, что при односторонней высокоскоростной сварке составным электродом давление дуги снижается в 4 раза, по сравнению со сваркой проволокой, с 42 кПа до 10,5 кПа, вследствие увеличения площади активного пятна (рис.6а). Это обеспечивает качественное формирование обратного валика на флюсовой подушке со стандартным стекловидным флюсом (рис.6в). При повышении скорости сварки и отклонении дуги назад максимум давления смещается в переднюю часть активного пятна, и давление дуги снижается (рис.6 б). Рд Рд 1 V= 3,8 .10-2 м/с V= 4,8 . 10-2 м/с 16 Давление сварочной дуги, кПa Давление сварочной дуги, кПa 36 27 18 2 -6 8 4 9 0 V= 5,1 . 10-2 м/с -2 V=5,9 .10 м/с 12 -3 3 0 Радиус активного пятна, 10-3 м а в rа 0 -6 3 -3 0 Радиус активного пятна, 10-3 м rа б Рис.6. Зависимость распределения давления сварочной дуги от формы электрода (а): 1–проволока 4∙10-3 м; 2 – составной электрод: проволоки 4∙10-3 м; лента (0,5х45)∙10-3 м; I=2100 А, U=32В, V=3,8∙10-2 м/с и скорости сварки на токоподвод (б): I = 3200–3300 А, U = 30–31 В; макрошлиф шва при односторонней высокоскоростной сварке составным электродом на флюсовой подушке (в) Получено максимальное давление дуги Pmax для сварочных дуг с нормальным законом распределения плотности тока Pmax=10-7I2a/π, Па, из которого следует, что максимальное давление определяется величиной тока и коэффициентом контрагирования дуги а, уменьшение которого при сварке составным электродом приводит к снижению максимального давления дуги. 15 Таким образом, установлена закономерность действия формы электрода и скорости сварки на давление дуги. При односторонней высокоскоростной сварке составным электродом на флюсовой подушке со стекловидным флюсом, вследствие увеличения площади активного пятна в 2,25 раза, давление дуги снижается, по сравнению с проволокой, в 4 раза, что обеспечивает качественное формирование обратного валика. Третий раздел диссертации посвящен изучению закономерностей магнитогидродинамических явлений при высокоскоростной сварке, путем скоростной киносъемки дуги и жидкого металла в реальных условиях. Научно обосновано, что при односторонней высокоскоростной сварке формирование швов зависит от стабильности процесса, которая определяется движением активного пятна по торцу электрода под действием магнитного поля, которое определяет дуговой процесс и движение дуги по торцу электрода. Это обусловлено пинч-эффектом, который сжимает активное пятно до обрыва, и дуга вновь возбуждается в другом месте. Пинч-эффект уменьшает площадь пятна, концентрирует энергию, повышает плотность тока и автоэлектронную эмиссию. При высокоскоростной сварке усиливается теплоотвод, охлаждение столба дуги и активных пятен, размеры которых уменьшаются. В результате тепловложение в основной металл концентрируется и уменьшается количество теплоты, выделенное у боковых кромок ванны. Это приводит к изменению электрического сопротивления, растекания тока в области активного пятна, магнитного поля и нарушению формирования швов. Теоретически и экспериментально при киносъемке показано, что при сварке составным электродом дуга движется, под действием магнитного поля, по торцу электрода в продольном и поперечном направлениях, вследствие чего увеличивается размер активного пятна. Определяющая роль магнитного поля в движении активного пятна по торцу электрода доказана зависимостью скорости движения дуги от направления поля и скорости сварки (рис.7). По кинограммам установлено, что скорость движения активного пятна, с увеличением скорости сварки, возрастает вследствие уменьшения индукции позади дуги и движения дуги в сторону меньшего поля. При повышении скорости сварки на токоподвод, направленная назад электромагнитная сила возрастает, что увеличивает скорость движения дуги с 2,7 до 4,8 м/с в квадратичной зависимости VД =3460,2VСВ2; при сварке от токоподвода электромагнитная сила, отбрасывающая дугу назад, меньше, и скорость движния дуги возрастает с 1,1 м/с до 1,85 м/с, в зависимости VД =135 V СВ1,2. На основании установленных закономерностей, расчетноэкспериментальным путем доказана электромагнитная природа образования подрезов. При сварке составным электродом, вследствие движения 16 Cкорость движения дуги, м/с 4,6 JСР 12 2,55 4,0 10 3,4 2 2,8 1 2,2 1,6 1,0 2,6 Условный диаметр дуги,10 -3 м ДД VД Средняя плотность тока,10 7 А/м2 дуги в продольном и поперечном направлениях, увеличивается тепловложение в боковые кромки ванны, уменьшается направленная вниз электромагнитная сила, что обеспечивает формирование швов без подрезов. Научно обосновано, что с увеличением скорости движения дуги усиливается охлаждение внешних слоев столба, электрическая проводимость которых резко падает, и электрический ток начинает протекать в более узком канале, в результате чего диаметр дуги уменьшается, повышается плотность тока (рис.8), индукция магнитного поля, и усиливается пинч-эффект. Увеличение скорости движения и уменьшение диаметра дуги приводит к концентрации тепловложения, что подтверждается уменьшением ширины шва при повышении скорости сварки. 2,85 3,1 3,35 3,6 3,85 V Скорость сварки , 10-2 м/с Рис.7. Закономерность действия магнитного поля и скорости сварки на скорость движения дуги: 1–от токоподвода;2–на токоподвод 1,7 1 5 3 2 8 0,85 6 4 0 2,6 3,35 3,6 3,85 V 2,85 3,1 Скорость сварки , 10-2 м/с Рис.8.Зависимость условного диаметра дуги (1,2,3,4) и плотности тока (5,6) от магнитного поля и скорости сварки от токоподвода (1,2,5) и на токоподвод (3,4,6): 1,3,5,6 – дуга в области проволок; 2,4 – дуга на кромках ленты При киносъемке процесса установлено, что при сварке составным электродом, под действием пинч-эффекта, возникают мощные плазменные потоки, направление которых изменяется в зависимости от скорости сварки и определяется положением дуги в пространстве. На кинограмме отчетливо видны два потока (рис.9), направление которых от электрода и изделия совпадают. С повышением скорости сварки и движения дуги в результате уменьшения индукции магнитного поля сзади дуга отклоняется назад, вследствие чего угол наклона плазменных потоков относительно горизонтали уменьшается (рис.9), а относительно вертикали возрастает. Под действием электромагнитной силы, при сварке на токоподвод дуга 17 Угол наклона плазменных потоков, рад 1 1,27 1,11 4 0,95 0,79 2 0,63 3 0,47 0,31 0,15 2,6 2,85 3,1 3,35 3,6 3,85 V Скорость сварки, 10-2 м/с в Рис.9.Кинограмма плазменных потоков при сварке на токоподвод со скоростью 2,8∙10-2 м/с (а), 3,9∙10-2 м/с (б) и закономерность действия магнитного поля и скорости сварки на угол наклона плаза б менных потоков дуги (в), относительно Интервал между кадрами горизонтали (1,3) и вертикали (2,4): 1,2 6∙10-4 с, I =2300 А, U=23– 24 В – от токоподвода; 3,4 – на токоподвод отклоняется назад, поэтому угол наклона плазменных потоков относительно вертикали увеличивается, а относительно горизонтали уменьшается. При сварке от токоподвода дуга отклоняется вперед, поэтому угол наклона плазменных потоков относительно вертикали меньше, а относительно горизонтали больше, чем при сварке на токоподвод. Показано, что магнитное поле сварочного тока действует одновременно на дугу и жидкий металл ванны, как на проводник с током. Получено уравнение равновесия жидкого металла в ванне с учетом магнитного давления и кинетической энергии его движения: VM 2 B 2 I2 7 10 gh , 2 2 ra 2 где I2 ra 2 10 7 –давление сварочной дуги, Па (ra–радиус активного пятна, 18 м); VM – кинетическая энергия жидкого металла, Па; ( =7800 кг/м3 – 2 2 плотность металла, VМ –скорость движения металла, м/с); В2/2μ – магнитное давление, Па; ( В – результирующая индукция магнитного поля сзади дуги, Т ) ; gh – потенциальная энергия жидкого металла, Па, (h– высота жидкого металла, м, g– ускорение свободного падения, м/с2). Скорость движения жидкого металла в ванне: VM 2 I 2 B2 I2 B2 10 7 gh 0,016 10 7 gh , м/с. 2 2 ra 2 2 ra (3) Скорость движения жидкого металла, м/с Адекватность полученного выражения подтверждена хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных (рис.10). РасчетноVм экспериментальным путем доказано, что при повышении скорос1,02 ти сварки, скорость движения 4 жидкого металла возрастает с 0,35 0,85 до 0,85 м/с при сварке от токо3 подвода и с 0,43 до 1,11м/с при 0,68 сварке на токоподвод, что сни2 жает гидродинамическое давле0,51 ние и улучшает формирование обратного шва при односторон1 0,34 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 rа ней высокоскоростной сварке. Таким образом, при повышеРадиус активного пятна, 10-3 м нии скорости сварки, вследствие 2,6 2,85 3,1 3,35 3,6 3,85 V Скорость сварки , 10 -2 м/с изменения магнитного поля и угРис.10.Зависимость скорости движе- ла наклона плазменных потоков ния жидкого металла в ванне от разме- изменяются магнитогидродинаров активного пятна 1,2: (1– экспери- мические явления в ванне. В ментальные данные, 2 – расчстные результате наклона дуги назад, данные) и скорости сварки от увеличения магнитного давления токоподвода (3) и на токоподвод (4) у боковых кромок ванны и уменьшения магнитного давления сзади дуги, увеличиваются: скорость движения жидкого металла в хвостовую часть и длина кратера ванны. Удаление жидкого металла от электрода приводит к стеканию металла с кромок ванны, под действием направленной вниз электромагнитной силы и образованию подрезов. Природа движения дуги и жидкого металла в ванне электромагнитная. Четвертый раздел посвящен исследованию магнитного поля сварочного тока, которое создается током, протекающим по дуге и изделию. 19 Магнитное поле дуги создает пинч-эффект, давление дуги и направленные вниз электромагнитные силы, которые приводят к вытеканию металла из ванны при односторонней сварке и образованию подрезов при высокоскоростной сварке. Магнитное поле тока, протекающего по жидкому металлу и изделию, приводит к отклонению дуги и металла вперед или назад, изменению магнитогидродинамических явлений в ванне, формирования швов и магнитному дутью. Показано, что при односторонней сварке формирование швов определяется стабильностью процесса, которая снижается при магнитном дутье. Измерение магнитного поля при сварке затруднено высокой температурой, поэтому магнитное поле сварочного тока, протекающего по изделию, исследовано расчетным путем на основании закона БиоСавара-Лапласа и принципа суперпозиции. Для определения магнитного поля в зазоре пластин (без учета краевых эффектов), разобьем их на бесконечно длинные тонкие проводники сечением dxdy (рис.11). Индукция магнитного поля, создаваемого элементом бесконечно длинного проводника тока, протекающего через площадку с координатами Idxdy x, y сечением dxdy , в точке ( x0 , y 0 ) dB Т, , 0 2 x x 2 0 y y 0 4b 2 где μ – относительная магнитная проницаемость ферромагнетика; I – ток, протекающий по двум пластинам, А; –половина толщины пластин, м; b –ширина пластины, м. Индукция магнитного поля dB dB x 2 dB y 2 , Т, где dB x – поперечная составляющая, dBx dB dB y – продольная составляющая, dB y dB от элемента тока, м. B Y B 2 I B B Xo,Yo B B B I r dy dx b B B 2S B Рис. 11. Расчетная схема индукции магнитного поля в пластинах X у у0 ; r х х0 ; r – расстояние r Индукция поперечного магнитного поля I y y 0 dxdy dBx 0 , Т. (4) 2 2 8b õ õ0 ó0 ó Индукция продольного магнитного поля I x x0 dxdy dB y 0 , Т.(5) 2 2 8b õ õ0 ó0 ó Индукция поперечного и продольного магнитных полей в точке x0 , y 0 определяется интегрированием выражений (4) и (5) соответственно. 20 Расчетные значения хорошо согласуются с экспериментальными данными (рис.12а), полученными при моделировании по разработанным методикам исследования отдельно поля дуги и тока, протекающего по изделию. -25 -50 50 16 25 0 250 1,65 Fэм Рэм -16 -25 -32 -50 -64 -100 18 75 60 150 0,99 45 100 0,66 30 50 0,33 15 0 0 12 6 -6 -12 Точка измерения, 10-3 м 90 1,32 200 0 -75 -48 -75 -100 1,98 Магнитное давление, кПа 0 32 300 B Электромагнитная сила, Н 25 75 Fэм Рэм B BР Индукция магнитного поля, 10 -3 Т 50 48 Магнитное давление, 10 2Па 75 Электромагнитная сила, 10 -2Н Индукция магнитного поля, 10-3 Т B Fэм Рэм h 0 0 15 BP B Fэм Pэм 7,5 -7,5 h 0 Точка измерения, 10-3 м Б а Рис.12.Закономерность распределения магнитного поля при протекании тока по пластинам (10х40х300)10-3 м(а) и по трубе (10х60х300)10-3 м (б): величина тока 2100 А, зазор 0,002 м, ВР –расчетные значения индукции Расчетно-экспериментальным путем установлено, что при протекании тока по пластинам, индукция в середине толщины пластины равна нулю (рис.12 а). При приближении к поверхности пластины индукция возрастает и достигает максимального значения на поверхности. При удалении от поверхности пластины индукция резко уменьшается вследствие низкой магнитной проницаемости воздуха. При переходе от середины к нижней поверхности пластин направление индукции изменяется. Расчетные формулы для определения индукции в трубе получены на основании предположений, что деформация силовых линий магнитного поля отсутствует (рис.12б, 13), поскольку при сварке толстостенных труб их толщина 2δ больше зазора в стыке 2S. Следовательно, индукции в трубе и зазоре на границе ферромагнетик–воздух равны. Тогда индукция магнитного поля в зазоре стыка определяется по теореме о B B циркуляции, (6) lЖ l B I ЭЛ , Hdl L 0 0 где Í –напряженность магнитного поля, А/м; lЖ=2R–2S–длина ферромагнетика, м; lВ=2S –зазор в стыке, м; R –радиус трубы, м; I ЭЛ – элементарный ток, протекающий по трубе, А. Сумма элементарных токов, 21 протекающих внутри контура, который охватывается окружностью с центром, лежащим на оси трубы, и проходящей через точку ( 0, y ), I ЭЛ I y , А, 2 где 2 –толщина стенки трубы; y–ордината, – y , м. Тогда индукция магнитного поля в зазоре стыка трубы: Y I B I B -S dy r -S dx Xo,Yo R B X 0 I ЭЛ lm B B lв I y , Т. 2 2R 2S 2S 0 0 I y ,Т. (7) R S 4 S Адекватность математической модели (7) реальным условиям подтверждена при моделировании и измереРис. 13.Расчетная схема индукции нии индукции магнитного поля, магнитного поля в трубе в условиях сварки труб для газо- и нефтепроводных магистралей. Расчетно-экспериментальным путем установлено, что при протекании тока по трубе максимальное значение индукции возрастает в раз, B=μμ0I/2r,Т, по сравнению с протеканием тока по пластинам с 0,1 Т до 0,35 Т (рис.12б), в результате концентрации поля в замкнутом ферромагнитном теле трубы. Экспериментально установлено, что относительная магнитная проницаемость ферромагнитной трубы μ вначале, с увеличением напряженности магнитного поля Н, резко возрастает до 1300, затем сначала резко уменьшается до 158, а потом менее значительно до 10. С учетом зависимости μ от Н максимум индукции располагается в середине стенки трубы, что согласуется с экспериментальными данными. Направление индукции изменяется в области нижней стенки трубы. Форма изделия также влияет на электромагнитную силу F=IBLД, действующую на дугу и жидкий металл ванны, и в квадратичной зависимости на магнитное давление PЭМ В 2 / 2 , которое при протекании тока по трубе возрастает почти в 10 раз. Поэтому при сварке труб усиливается магнитное дутье и влияние поля на формирование швов. Для предотвращения магнитного дутья разработан способ односторонней высокоскоростной сварки труб с двухсторонним токоподводом, при котором регулируется действующая на дугу и жидкий металл ванны электромагнитная сила, за счет пропускания впереди и позади дуги токов различных значений. 22 Показано, что поперечное магнитное поле сварочного тока, протекающего по изделию, приводит к магнитному дутью, определяет положение дуги и жидкого металла. Продольное поле действует на горизонтальную составляющую тока, протекающего по металлу, определяет движение металла из кратерной в хвостовую часть и к боковым кромкам ванны. Установлено, что при протекании тока по пластинам, расположенным на значительном расстоянии, и отсутствии электромагнитного взаимодействия, индукция продольного магнитного поля максимальна на внешней и внутренней кромках пластин, с противоположным направлением и нулевым значением индукции на середине ширины пластин, вследствие концентрации поля в ферромагнетике. При удалении от внешней кромки пластин индукция уменьшается. Доказано, что при протекании тока по пластинам, расположенным с зазором 0,02 м (рис.14а) и 0,007 м (рис.14 б), с уменьшением зазора вследствие электромагнитного взаимодействия и взаимного уничтожения полей противоположных направлений, индукция на внутренней кромке уменьшается и нулевое значение индукции смещается в сторону зазора. При переходе через середину зазора направление индукции изменяется на противоположное. Поле на поверхности второй пластины изменяется аналогично. Соответственно изменяются электромагнитная сила и магнитное давление. Установлено, что распределение продольного магнитного поля изменяется при протекании тока по пластинам с зазором 0,002 м, когда на поверхности одной пластины индукция не изменяет направление, нулевое значение приближено к оси зазора и индукция резко возрастает на внутренней кромке, вследствие распора силовых линий поля (рис.14в). Зазор 0,002 м, характерный для сварки составным электродом, определяет магнитное поле на передней кромке кратера ванны. Под действием продольного поля дуга вращается, повышается стабильность, жидкий металл движется в переднюю часть кратера и к боковым кромкам ванны, что обеспечивает формирование швов без подрезов. При протекании тока по пластинам без зазора закономерность распределения поля остается, а индукция на внутренних кромках возрастает менее значительно (рис.14г). На основании установленных закономерностей электромагнитного взаимодействия пластин подтверждена электромагнитная природа межатомных связей и процесса сварки, когда магнитное поле двух пластин превращается в поле одной пластины. Установлен оптимальный зазор и разработан способ односторонней высокоскоростной сварки с зазором 0,002 м, который повышает магнитное поле и качество швов. Расчетно-экспериментальным путем доказано, что с увеличением толщины металла с 0,003 м до 0,012 м и ферромагнитной массы индукция поля, которая максимальна на поверхности, возрастает с 0,03 Т до 23 45 0 ,3 2 ,7 30 0 ,2 1 ,8 B Fэм Pэм -1 5 -3 0 0 ,1 0 Магнитное давление, кПа 0 Электромагнитная сила, Н Индукция магнитного поля, 15 0 ,9 0 - 0 ,1 - 0 ,9 - 0 ,2 - 1 ,8 Fэм Рэм B 45 0,3 2,7 30 0,2 1,8 15 0,1 0,9 0 0 0 B Fэм Магнитное давление, кПа Р эм Электромагнитная сила, Н Fэм Индукция магнитного поля, 10-3 Т B Т 10 -3 0,11 Т, магнитное давление на жидкий металл у боковых кромок ванны повышается с 0,36 кПа до 4,84 кПа, что подтверждает электромагнитную природу образования подрезов. Pэм -15 -0,1 -0,9 -30 -0,2 -1,8 -4 5 - 0 ,3 - 2 ,7 -45 -0,3 -2,7 -6 0 - 0 ,4 - 3 ,6 60 -3 0 h 30 0 -3 Р а сс то ян и е о т о с и сты ка , 1 0 м -60 -0,4 -3,6 60 -30 30 0 h Расстояние от оси стыка, 10-3 м 2,7 30 0,2 1,8 15 0 Магнитное давление, кПа Fэм Pэм 0,1 0,9 0 0 -15 -0,1 -0,9 -30 -0,2 -1,8 45 0,3 2,7 30 0,2 1,8 15 0,1 0,9 0 0 0 B Fэм Магнитное давление, кПа 0,3 B Электромагнитная сила, Н 45 б B Fэм Рэм Индукция маагнитного поля, 10-3 Т Fэм Рэм Электромагнитная сила, Н Индукция магнитного поля, 10-3 Т а B Pэм -15 -0,1 -0,9 -30 -0,2 -1,8 -45 -0,3 -2,7 -45 -0,3 -2,7 -60 -0,4 -3,6 60 -30 h 30 0 Расстояние от оси стыка, 10-3 м -60 -0,4 -3,6 60 -30 h 30 0 Расстояние от оси стыка, 10-3 м г в Рис.14. Закономерность действия зазора на продольное магнитное поле при протекании тока 2100 А по пластинам (8х40х300) ∙ 10-3 м: зазор в стыке 0,02 м (а), 0,007м (б), 0,002 м (в), без зазора (г) 24 Магнитное давление, 10 кПа Электромагнитная сила, Н Индукция магнитного поля, 10-3 Т Подрезы образуются под действием магнитного поля дуги, которое изучено при протекании тока по пруткам, в модели сварочной ванны. Показано, что вследствие концентрации магнитного поля в ферромагнетике индукция в зазоре 0,002 м, впереди на расстоянии 0,015 м от оси дуги, возросла на середине толщины металла до 0,78 Т (рис.15). B Fэм Рэм Доказано, что распределение магнитного поля электрической дуги 690 4,08 48 вдоль оси ванны симметрично B (рис.16 а). На оси дуги индукция 575 3,4 40 равна нулю, при приближении к Fэм поверхности дуги возрастает и достигает максимума 0,072 Т на по460 2,72 32 верхности, затем падает и возрасPэм тает на боковой кромке ванны до 345 2,04 24 0,045 Т. Во второй половине ванны распределение индукции аналогич230 1,36 16 но, с противоположным направлением. На поверхности дуги электро115 0,68 8 магнитная сила 0,3 Н и магнитное давление 2064 Па. Направленные 0 0 0 -6 -3 6 0 12 вниз, на боковой кромке ванны h Точка измерения, 10 м ,электромагнитная сила 0,19 Н и Рис.15. Магнитное поле магнитное давление 806 Па. электрической дуги на передней Перпендикулярно оси ванны кромке кратера ванны в зазоре распределение индукции элект0,002 м, величина тока 2100 А рической дуги несимметрично (рис.16 б). Максимальное значение индукции 0,15 Т достигается на передней кромке кратера ванны. При приближении к электроду индукция падает, затем на поверхности дуги возрастает. На оси дуги индукция равна нулю и изменяет направление в задней части кратера. На поверхности дуги индукция достигает максимума, при удалении от електрода – вначале резко снижается, затем растет вследствие уменьшения зазора и магнитного сопротивления. При дальнейшем удалении от электрода индукция снижается. Для подтверждения электромагнитной природы образования подрезов и уменьшения диаметра дуги при повышении скорости сварки, по прутку, диаметр которого изменяется по длине, пропускали ток и измеряли индукцию магнитного поля. Расчетно-экспериментальным путем доказано (рис.17 а), что с уменьшением диаметра дуги индукция магнитного поля возрастает, в соответствии с законом Био-СавараЛапласа В I . На оси дуги индукция равна нулю, при приближении 2R 25 Магнитное давление, кПа 36 230 2,6 Pэм 115 1,3 0 0 0 -18 -115 -1,3 -36 -230 -2,6 -54 -345 -3,9 -72 -460 -5,2 10 0 -5 5 h Точка измерения, 10-3 м 9 6 3 0 -3 20 6 15 4 2 0 -2 Магнитное давление, кПа Fэм 18 8 12 3,9 Индукция магнитного поля , 10-2 Т Электромагнитная сила, 10-3 Н Индукция манитного поля, 10-3 Т 54 345 B Fэм Рэм B Электромагнитная сила, 10-1 Н B Fэм Рэм B 10 Fэм 5 Pэм 0 -5 -6 -4 -10 -9 -6 -15 10 -20 0 -10 h Точка измерения, 10 -3 м б а Рис.16. Магнитное поле электрической сварочной дуги, направленное вдоль (а) и перпендикулярно (б) оси ванны: пластины (8х40х300) ∙10-3 м, величина тока 2100 А, зазор 0,02 м к поверхности - возрастает и достигает максимума на поверхности дуги. При уменьшении диаметра от 0,016 м до 0,004 м максимальное значение индукции повышается от 0,06 Т до 0,2 Т. При удалении от поверхности дуги индукция снижается. При переходе от одной к другой поверхности дуги индукция изменяет направление. Экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными (рис.17), что подтверждает возможность использования расчетных значений для определения индукции магнитного поля дуги. Соответственно индукции, при уменьшении диаметра дуги, возросла электромагнитная сила с 0,252 Н до 0,84 Н и повысилось с 1,433 кПа до 15,9 кПа магнитное давление (рис.17 б), которое определяет пинч-эффект и диаметр дуги. На основании установленных закономерностей научно обоснована электромагнитная природа уменьшения диаметра дуги. При увеличении скорости сварки вследствие охлаждения диаметр дуги уменьшается, индукция растет, в квадратичной зависимости возрастает магнитное давление и пинч-эффект, под действием которого диаметр уменьшается. Идет цепная реакция. Уменьшение диаметра дуги приводит к увеличению индукции и в квадратичной зависимости магнитного давления, которое 26 15 Магнитное давление, КПа 10 5 0 -5 8 4 0 -4 -8 -10 -12 -15 -20 18 12 -2 Индукция магнитного поля, 10 Т Рэм Р B -6 -12 12 6 0 -3 Точка измерения, 10 м h -16 18 0 12 -12 6 -6 Точка измерения, 10-3 м h а б Рис.17. Закономерность действия диаметра дуги на индукцию (а) и магнитное давление (б): диаметр дуги 1– 4∙10-3 м; 2– 8∙10-3 м; 3– 12∙10-3 м; 4– 16∙10-3 м; Р – расчетное значение; величина тока 2100 А сжимает дугу. Аналогичная закономерность установлена для ферромагнетика, под действием которого индукция возросла в 3 раза. Показана эффективность регулирования магнитного поля дуги за счет формы электрода. При протекании тока по составному электроду, в кратере магнитное поле, направленное вдоль оси ванны (рис.18а), симметрично, а индукция на оси равна нулю. На внутренней кромке индукция возрастает вследствие концентрации поля в ферромагнетике, затем падает и возрастает при приближении к поверхности дуги, затем снижается на середине прямолинейного участка ленты до нуля, изменяет направление на противоположное и достигает максимума на поверхности дуги. При удалении от поверхности дуги индукция резко падает, а затем возрастает при приближении к боковым кромкам ванны до 0,036 Т. У второго прямолинейного участка ленты закономерность распределения индукции аналогична, но с противоположным направлением поля. Соответственно изменяются действующие на дугу и жидкий металл электромагнитная сила и магнитное давление, равные у боковых кромок 0,15 Н и 516 Па. Расчетно-экспериментальным путем показано, что при сварке составным электродом у боковых кромок ванны снижаются с 0,19 Н до 0,15 Н электромагнитная сила и с 806 Па до 516 Па магнитное давление, что обеспечивает формирование швов без подрезов. 27 12,5 115 1,3 0 0 0 Fэм Pэм -12,5 -115 -1,3 -25 -230 -2,6 75 0,6 50 0,4 10 25 0,2 0 0 -25 -0,2 15 Fэм Pэм 5 0 -5 -50 -0,4 -10 -37,5 -345 -3,9 -50 -460 -5,2 10 20 Магнитное давление, кПа 2,6 B 100 0,8 Электромагнитная сила, Н 25 230 B Fэм Рэм B Индукция магнитного поля , 10-3 Т 3,9 Магнитное давление, кПа 37,5 345 Электромагнитная сила, 10-3 Н Индукция магнитного поля, 10-3 Т B Fэм Рэм 0 -5 h 5 Точка измерения, 10-3 м -75 -0,6 -15 20 0 10 -10 h Точка измерения, 10-3 м б а Рис.18. Магнитное поле при сварке составным электродом, направленное вдоль (а) и перпендикулярно оси ванны (б): проволока диаметром 4∙10-3 м, лента (0,5х45)10-3 м; ток 2100 А; зазор 20∙10-3 м Доказано, что магнитное поле дуги, направленное перпендикулярно оси ванны (рис.18 б), несимметрично. Впереди, внутри составного электрода, на оси индукция равна нулю и резко возрастает на поверхности проволоки до 0,1 Т. При удалении от проволоки под действием тока, протекающего по прямолинейным участкам ленты, индукция вначале возрастает. При приближении к передней кромке ванны индукция падает, а затем резко возрастает до 0,125 Т на кромке, вследствие концентрации поля в ферромагнетике. Дуга, горящая на прямолинейных участках ленты, увеличивает переднюю часть кратера ванны, по сравнению с проволокой, в два раза. Сзади (рис.18 б), индукция изменяет направление и возрастает от нуля до максимума на поверхности электрода, при удалении от которого индукция снижается. Таким образом, установлена электромагнитная природа действия скорости сварки на диаметр дуги и закономерность действия диаметра дуги и формы электрода на магнитное поле сварочного тока. С уменьшением диаметра дуги магнитное поле сварочного тока увеличивается, что подтверждает электромагнитную природу образования подрезов. На основании установленных закономерностей разработан процесс 28 100 Электромагнитная сила,Н 0,55 1 1 0,44 75 0,33 3 50 3 0,22 25 2 0 Рэм Fэм 0,11 2 0 -0,11 -25 6 3 6 3 0 -3 h 0 -3 -3 h Точка измерения, 10 м Точка измерения, 10-3 м Магнитное давление, кПа B 125 Индукция магнитного поля, 10 -3 Т односторонней высокоскоростной сварки составным электродом на флюсовой подушке со стандартными стекловидными флюсами. Доказано (рис.19), что адекватно условиям сварки, при протекании тока по пруткам и пластинам, вследствие изменения направления тока, 7,5 6,0 1 4,5 3,0 1,5 3 2 0 -1,5 6 3 0 -3 h Точка измерения, 10-3 м а б в Рис.19. Закономерность распределения индукции (а), электромагнитной силы (б) и магнитного давления (в) в ванне: магнитное поле 1 – дуги; 2 – тока, текущего по пластинам; 3 – тока дуги и текущего по пластинам индукция в области за дугой снизилась с 0,15 Т до 0,078 Т. Ток дуги определяет индукцию поля в ванне, так как является концентрированным и располагается внутри ферромагнитной ванны, которая усиливает индукцию. Индукция поля тока, протекающего по изделию, составляет 0,013 Т, но несмотря на низкое значение, определяет отклонение дуги, движение жидкого металла и формирование швов. Теоретически обосновано, что формирование швов определяется силами, действующими на дугу и жидкий металл ванны, размеры и масса которой установлены в процессе сварки, при приближении дуги к месту неплотного прилегания флюса. В результате нарушения равновесия сил, под действием направленных вниз давления дуги, магнитного давления и гидродинамического давления, жидкий металл вытекает из ванны. Разработанная методика позволила определить форму, размеры, массу ванны и по отверстию, через которое вытекает металл, площадь, по которой движется активное пятно, положение дуги при сварке, расположение электрода, относительно передней кромки и размер кратера ванны. Как установлено, при односторонней сварке составным электродом на флюсовой подушке от токоподвода (на режиме: ток 2000–2100 А, 29 напряжение на дуге 27–29 В, скорость сварки 0,021 м/с), длина сварочной ванны 0,18 м, ширина 0,022 м, масса жидкого металла ванны 0,101кг. Для значительного усиления и использования магнитного поля разработана новая конструкция магнитопровода, с отверстием и максимально приближенным к пластинам током одинакового направления. Доказано, что поперечное магнитное поле резко возрастает до 1,9 Т (рис.20а), при расположении пластин под острым углом с магнитопроводом новой конструкции и током одинакового направления внутри, вследствие концентрации силовых линий поля, которые стремятся пройти по ферромагнетику в месте контакта пластин. Согласно индукции, возрастают до 7,98 Н электромагнитная сила и до 1,44 МПа магнитное давление. Для увеличения продольного магнитного поля разработан двойной магнитопровод с током внутри, располагающийся сверху и снизу пластин, по которым протекает ток, одинакового направления с током в магнитопроводе. Показано, что с уменьшением толщины пластин с 0,016 м до 0,008 м, воздушного зазора и магнитного сопротивления индукция возросла с 0,85 Т до 1,5 Т. При пропускании тока по двум пластинам (2,5х40х300)10-3 м и величине воздушного зазора 0,005 м индукция возросла до 2 Т (рис.20 б), что является результатом принципа суперпозиI 1 ,2 1 ,8 I 0 ,6 3 ,5 8 ,0 6 ,0 4 ,0 0 ,3 2 ,0 0 0 1 0,5 Магнитное давление, MПа 0 ,9 B Fэм Электромагнитная сила, Н Индукция магнитного поля, Т 1 ,2 1 0 ,0 B Fэм Рэм 1,5 4 ,2 B 1 ,5 B I 2 ,8 2 ,1 Рэм 1 ,4 0 ,7 0 14 0 h 7 -7 0 Т о ч к а и з м е р е н и я , 1 0 -3 м 5,8 2,9 0 -0,5 -2,9 -1 -5,8 -1,5 3 8,7 -8,7 -2 -11,6 Магнитное давление, МПа Р эм Электромагнитная сила, Н Fэм Индукция магнитного поля, Т B 2 B Fэм Pэм 1 0 -1 -2 -3 -4 40 20 0 -20 h Точка измерения, 10-3 м б а Рис. 20. Поперечное магнитное поле с током в магнитопроводе (101х128х72)10–3 м, при расположении пластин под углом (а) и продольное магнитное поле с магнитопроводом (60х66х90)∙10-3 м сверху и снизу двух пластин (2,5х40х300)∙10-3м (б): ток 2100 А 30 - ции, концентрации магнитного поля, уменьшения зазора и магнитного сопротивления в магнитопроводе. В результате электромагнитная сила повысилась до 8,4 Н, магнитное давление – до 1,6 МПа. Основной проблемой сварки труб для газо- и нефтепроводных магистралей является магнитное дутье, которое усиливается вследствие расположения внутри трубы ферромагнитной штанги, по которой протекает ток одинакового направления с током в трубе согласно принципу суперпозиции и концентрации силовых линий в ферромагнитной трубе. Для эффективного предотвращения магнитного дутья, повышения стабильности процесса и качества швов разработан способ односторонней высокоскоростной сварки труб с токоведущим витком внутри (рис.21). 1 2 6 Рис.21.Односторонняя 5 4 3 высокоскоростная сварка труб с токоведу- I щим витком: 1–ферроВ В I магнитная труба; 2 – I ферромагнитная штанВ -В га; 3–флюсовая подушка; 4 – пневмошланг: В 5 – токоведущий виток; I1 I1 В 6 – составной электрод; I – ток; В – силовые линии магнитного поля В Теоретически и экспериментально доказано, что механизм действия токоведущего витка на магнитное поле сварочного тока заключается в эффекте уменьшения поперечного и продольного магнитных полей, вследствие взаимного уничтожения полей противоположных направлений, созданных током, протекающим по трубе и в витке. При этом качество швов улучшается, за счет повышения стабильности и саморегулирования. Таким образом, установлена закономерность распределения поля и получена математическая модель индукции магнитного поля сварочного тока в пластинах и трубе. Установлен эффект повышения стабильности и улучшения качества швов при сварке труб для газо- и нефтепроводных магистралей с токоведущим витком внутри, который подтверждает электромагнитную природу образования подрезов. Разработан механизм регулирования магнитного поля и способ односторонней высокоскоростной сварки труб составным электродом с токоведущим витком внутри, который обеспечивает стабильность процесса за счет саморегулирования и качественное формирование швов на флюсовой подушке, независимо от зазора. 31 1 2 60 1 2 3 25 3 8,8 1 2 3 7,2 48 42 8,0 54 28 22 Микронапряжения,10 МПа Микроискажения кристаллической решетки,10 -4 а а 31 Плотность дислокаций,1016м-2 В пятом разделе диссертации исследован процесс высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии и механизм повышения трещиностойкости. Теоретически и экспериментально доказано, что эффективным способом повышения трещиностойкости и коррозионной стойкости является высокоскоростная наплавка на низкой погонной энергии. Показано, что скорость нагрева, охлаждения и кристаллизации в зоне сплавления максимальны при наплавке перпендикулярной и продольной лентой, минимальны для проволоки и составного электрода вследствие движения дуги по ленте у боковых кромок ванны. При постоянной погонной энергии, скорость охлаждения снижается с 300 0/с, для перпендикулярной ленты, до 60 0/с, для составного электрода. При снижении погонной энергии, скорости нагрева и охлаждения возрастают. При наплавке, в результате тепловложения, металл подвергается действию термодеформационного цикла, который определяет микроискажения кристаллической решетки ∆а/а и микронапряжения σ=Е∆а/а. Методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-3 доказано, что форма электрода и погонная энергия влияют на микроискажения кристаллической решетки (рис.22 а), которые являются результатом возникновения вакансий под действием теплового возбуждения и максимальны при наплавке перпендикулярной лентой, когда вследствие максимального тепловложения избыточные вакансии пересыщают металл и снижаются при наплавке продольной лентой, проволокой и составным электродом с минимальным тепловложением. Научно обосновано, что изменение погонной энергии при наплавке перпендикулярной и продольной лентой не влияет на микроискажения 6,4 4 5,6 36 19 1,7 2,2 2,7 3,2 q и/V 1,7 2,2 2,7 3,2 qи /V 1,7 2,2 2,7 3,2 qи/V Погонная энергия, МДж/м Погонная энергия, МДж/м Погонная энергия, МДж/м 4 4 а б в Рис.22.Закономерность действия формы электрода и погонной энергии на микроискажения кристаллической решетки (а), микронапряжения (б) и плотность дислокаций (в) в наплавленном металле: 1 – перпендикулярная лента; 2 – продольная лента; 3 – проволока; 4 – составной электрод 32 кристаллической решетки вследствие пересыщения металла вакансиями. Повышение скорости и снижение погонной энергии при наплавке проволокой и составным электродом приводят к снижению микроискажений кристаллической решетки, которые минимальны при скорости 0,021 м/с, вследствие снижения тепловложения и возникновения вакансий. Согласно действию на микроискажения кристаллической решетки, форма электрода и погонная энергия влияют на микронапряжения (рис.22 б) и плотность дислокаций (рис.22 в), которые максимальны при наплавке перпендикулярной и продольной лентами и минимальны при наплавке проволокой и составным электродом на низкой погонной энергии, так как при уменьшении тепловложения и ускоренном охлаждении снижается уровень пластической деформации, что предотвращает разрушение. Микронапряжения приводят к образованию трещин, механизм зарождения которых связан с дислокациями. По уширению рентгеновских линий установлено, что максимальная плотность дислокаций характерна для наплавки перпендикулярной и продольной лентами (рис.22 в). При наплавке проволочным и составным электродами на низких погонных энергиях плотность дислокаций снижается, что соответствует действию на микроискажения кристаллической решетки, так как источником дислокаций являются вакансии и неметаллические включения. Методом рентгеноспектрального анализа, на растровом электронном микроскопе РЭМ-100У и лазерного микроспектроанализа на лазерном микроспектроанализаторе LMA-10 доказано, что в наплавленном металле имеются неметаллические включения – марганец и кремний. Степень загрязненности наплавленного металла, с повышением скорости наплавки снижается, вследствие интенсивных конвективных потоков и увеличения скорости движения жидкого металла. Теоретически и экспериментально установлено, что при повышении скорости нагрева и охлаждения возрастает дисперсность микроструктуры и трещиностойкость наплавленного металла. При наплавке продольной и перпендикулярной лентами микроструктура крупнозернистая. При наплавке проволокой и составным электродом микроструктура измельчается, и является мелкодисперсной и однородной. Аналогично измельчается микроструктура при высокоскоростной наплавке вследствие повышения скорости нагрева и охлаждения и увеличения количества центров кристаллизации, которые, располагаясь перед фронтом растущих столбчатых кристаллитов, подавляют их дальнейший рост. В результате минимальных микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений, плотности дислокаций и мелкодисперсной структуры, при высокоскоростной сварке составным электродом на низкой погонной энергии, повышается ударная вязкость и прочность сварных соединений. 33 С повышением скорости наплавки, вследствие увеличения скорости охлаждения и дисперсности структуры, микротвердость наплавленного металла возрастает, размер зоны отпуска уменьшается, что снижает удельные нагрузки при прокатке и повышает износостойкость валков. При наплавке бандажированных опорных валков листопрокатного стана 3000 ПАО “ММК им. Ильича” из стали 90ХФ доказано, что эффективным способом повышения трещиностойкости является высокоскоростная наплавка на низкой погонной энергии. Механизм повышения трещиностойкости при высокоскоростной наплавке на низкой погонной энергии заключается в снижении микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений, плотности дислокаций, сварочных напряжений и измельчении микроструктуры. Для высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии разработана проволока НП35Х5МФБ (Пат.88102 Україна), которая обеспечивает повышение трещиностойкости, коррозионной стойкости и износостойкости валков путем действия на кристаллизацию металла и измельчения структуры. Для повышения эффективности разработан способ высокоскоростной наплавки U-образной лентой, прямолинейные участки которой располагаются впереди изогнутого участка. Внутри ленты насыпают легирующие элементы, которые обеспечивают заданный химсостав и трещиностойкость, и в контакте с кромками U-образной подают плоскую ленту. Таким образом, установлено, что повышение трещиностойкости бандажированных опорных валков при высокоскоростной наплавке является результатом низкой погонной энергии, уменьшения деформаций и сварочных напряжений. Трещиностойкость качественно характеризует ударная вязкость, которая при увеличении скорости наплавки и снижении погонной энергии возрастает. Разработан способ высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии, который обеспечивает повышение трещиностойкости и отсутствие поломок бандажей. Шестой раздел диссертации посвящен разработке процессов односторонней высокоскоростной сварки и наплавки. Разработано оборудование для сварки составным электродом на стандартных автоматах. Для предотвращения порообразования и улучшения качества швов, разработан защищенный патентом способ электродуговой сварки составным электродом, при котором сварку ведут проволочным Св08Г2С и ленточным U-образной формы из стали 08КП. Путем постановки многофакторного эксперимента установлеы закономерности формирования швов и оптимальный режим односторонней высокоскоростной сварки составным электродом на низком напряжении. Разработан механизм регулирования магнитного поля и защищенный патентом способ односторонней высокоскоростной сварки труб для 34 газо- и нефтепроводных магистралей с двухсторонним токоподводом и регулированием тока впереди и сзади дуги,устраняющий магнитное дутье Разработаны защищенные патентами способы высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии деталей металлургического оборудования. Доказано, что эффективным является внедрение высокоскоростной наплавки при восстановлении и упрочнении бандажированных опорных валков из стали 90ХФ на низкой погонной энергии 1,1 МДж/м, со скоростью 0,021 м/с, вследствие снижения сварочных напряжений, измельчения микроструктуры и исключения поломок бандажей. ВЫВОДЫ В диссертации представлено теоретически обобщенное, новое решение научно-технической проблемы разработки энерго- и материалосберегающих процессов односторонней высокоскоростной сварки и наплавки, обеспечивающих повышение качества, ударной вязкости сварных соединений и трещиностойкости за счет регулирования энергетических и механических характеристик дуги, магнитного поля сварочного тока, уменьшения магнитного дутья, давления дуги, гидродинамического и магнитного давлений, под действием которых жидкий металл стекает с боковых кромок и вытекает из ванны. 1.Впервые установлено и экспериментально доказано, что при протекании тока по пластинам создается поперечное и продольное магнитное поле, индукция которого резко возрастает при зазоре (1,5–2)∙10-3 м, в результате распора силовых линий поля, что приводит дугу во вращение и повышает стабильность процесса. Под действием продольного магнитного поля создаются направленные вперед и к боковым кромкам ванны электромагнитные силы, регулирование которых обеспечивает формирование швов без подрезов. В качестве подтверждения электромагнитной природы межатомных сил связей и процесса сварки обосновано и установлено, что при сварке магнитное поле двух пластин превращается в поле одной пластины. 2.На основании проведенных экспериментов установлена электромагнитная природа образования подрезов, под действием магнитного поля дуги, согласно которой при повышении скорости сварки подрезы образуются вследствие усиления охлаждения и уменьшения диаметра дуги, повышения индукции, магнитного давления и усиления пинчэффекта. Дуга концентрируется, уменьшается тепловложение, снижается электрическое сопротивление и увеличивается ток через боковые кромки ванны. В результате растет направленная вниз электромагнитная сила, под действием которой жидкий металл стекает с кромок, что приводит к 35 образованию подрезов. На основании электромагнитной природы разработан новый способ односторонней высокоскоростной сварки составным электродом (Пат.1719173 РФ), при котором увеличивается тепловложение в боковые кромки и электрическое сопротивление, снижается ток и направленная вниз электромагнитная сила у боковых кромок, что обеспечивает формирование швов без подрезов. 3. Разработана адаптированная математическая модель магнитного поля сварочного тока, согласно которой при увеличении скорости сварки и толщины металла индукция в зоне сплавления возрастает, в результате повышается магнитное давление, под действием которого жидкий металл стекает с кромок ванны, и образуются подрезы. Экспериментально, при сварке, доказано повышение индукции у кромок с 0,023 до 0,027Т и магнитного давления с 212 до 292 Па, что согласуется с расчетными данными и подтверждает электромагнитную природу образования подрезов. 4. В результате проведенных исследований установлено, что при сварке составным электродом давление дуги является асимметричным, с максимумом в задней части активного пятна. При повышении скорости сварки максимальное давление дуги снижается с 19,9 до 9,1 кПа на токоподвод и с 16,7 до 14,9 кПа от токоподвода и смещается в переднюю часть активного пятна. Давление дуги определяется током и коэффициентом контрагирования. Увеличение активного пятна при сварке составным электродом приводит к снижению, по сравнению с проволокой, скорости плазменных потоков с 2,37∙103 м/с до 1,18∙103 м/с, давления дуги с 42 кПа до 10,5 кПа, что обеспечивает качественное формирование обратного валика при односторонней высокоскоростной сварке на флюсовой подушке. 5. Установлено, что пинч-эффект действует как цепная реакция, при которой вследствие сжатия уменьшается активное пятно, что приводит к увеличению индукции, в квадратичной зависимости магнитного давления и сокращению пятна. Процесс повторяется вплоть до обрыва дуги. Полученные результаты исследований позволили установить, что при повышении скорости сварки в результате снижения индукции магнитного поля за дугой увеличивается скорость движения дуги с 1,1 м/с до 1,85 м/с, при сварке от токоподвода и с 2,7 м/с до 4,8 м/с, при сварке на токоподвод, уменьшается диаметр дуги, повышается плотность тока и возникают мощные плазменные потоки, угол наклона которых возрастает. 6. С использованием методов математического и физического моделирования разработано уравнение движения жидкого металла в ванне, с учетом магнитного давления. Расчетно-экспериментальным путем доказано, что с повышением скорости сварки увеличивается скорость движения жидкого металла с 0,35 до 0,85 м/с, при сварке от токоподвода и с 0,43 до 1,11 м/с, при сварке на токоподвод, снижается гидродинамическое давле- 36 ние, повышается скорость кристаллизации металла и улучшается формирование обратного валика при односторонней высокоскоростной сварке. 7. Разработанные математические модели индукции при сварке пластин и труб, адекватность которых подтверждена при сварке труб для газо- и нефтепроводных магистралей, доказали, что усиление магнитного дутья при сварке труб является следствием концентрации силовых линий поля в обладающей большой магнитной проницаемостью ферромагнитной трубе и повышения, по сравнению с пластинами, индукции с 0,1 Т до 0,35 Т, электромагнитной силы с 0,42 Н до 1,47 Н и магнитного давления с 3,98 кПа до 48,8 кПа. Это позволило установить природу магнитного дутья и разработать способы борьбы с ним. 8. Впервые доказано, что при сварке составным электродом увеличивается диаметр дуги и тепловложение, снижается ток, текущий через кромки, в результате чего, по сравнению с проволокой, у боковых кромок ванны снижаются индукция с 0,045 Т до 0,036 Т и магнитное давление с 806 Па до 516 Па. Установлена закономерность действия формы электрода на магнитное поле дуги и формирование швов, что позволило разработать способ односторонней высокоскоростной сварки составным электродом. 9. Установлено, что согласно принципу суперпозиции магнитное поле значительно усиливается, при протекании в магнитопроводе и в пластинах тока одинакового направления. При этом индукция возрастает до 0,6 Т и магнитное давление до 143,3 кПа. При расположении кромок под острым углом индукция возрастает до 1,44 Т и магнитное давление до 826 кПа вследствие концентрации силовых линий поля. При использовании магнитопровода специальной конструкции индукция возрастает до 2 Т и магнитное давление до 1,6 МПа. Полученные данные позволили разработать механизм регулирования магнитного поля. 10.Впервые разработаны и внедрены в производство способ наплавки на низкой погонной энергии (Пат.84092 Украина) и наплавочная проволока (Пат.88102 Украина). Доказано, что при высокоскоростной наплавке бандажированных опорных валков из стали 90ХФ на низкой погонной энергии 1,1 МДж/м со скоростью 0,021 м/с, за счет уменьшения микроискажений кристаллической решетки с 23∙10-4 до 19∙10-4, микронапряжений с 430 МПа до 370 МПа, плотности дислокаций с 6,7∙1016 м-2 до 5,7∙1016 м-2, зоны термического влияния с 2∙10-3 м до 0,5∙10-3 м, сварочных напряжений и измельчения микроструктуры, обеспечивается повышение трещиностойкости, износостойкости и отсутствие поломок бандажей. 11.Впервые, на основании комплексного анализа установленных закономерностей, разработан энерго- и материалосберегающий способ односторонней высокоскоростной сварки труб с регулированием магнитного поля и токоведущим витком внутри, при котором снижается 37 индукция и устраняется магнитное дутье. Разработанный процесс обеспечивает замену двухсторонней двухдуговой сварки на одностороннюю, повышение скорости сварки с 0,015 м/с до 0,021 м/с, качества и ударной вязкости сварных соединений в 2–2,5 раза, отсутствие пор и шлаковых включений, снижение энерго- и материалоемкости в 1,3–1,5 раза. Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертации составил 1 018 000 гривен. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. . Щетинина В.И Регулирование магнитного поля сварочной дуги /В.И.Щетинина, С.В.Щетинин //Сварочное производство, 2014. – №3.–С.3– 7 2. Чигарев В.В. Повышение трещиностойкости бандажированных опорных валков /В.В. Чигарев, В.И. Щетинина, С.В. Щетинин //Сталь, 2014. – №2. С.44 –47. 3. Чигарев В.В. Электромагнитная природа процесса сваривания при фреттинг-коррозии опорных валков /В.В. Чигарев, В.И. Щетинина, С.В.Щетинин //Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту. Серія: Техн. науки: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ДВНЗ “ПДТУ”, 2012.– Вип.24. – С.202–205. 4. Чигарев В.В. Магнитное дутье при сварке труб для газо- и нефтепроводных магистралей /В.В. Чигарев, В.И. Щетинина, С.В. Щетинин //Вісник Приазов. держ . техн. ун-ту. Серія: Техн. науки: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ДВНЗ “ПДТУ”, 2011. – Вип.23. – С.195 – 199. 5. Щетинин С.В. Концентрация дуги при односторонней высокоскоростной сварке /С.В. Щетинин //Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту. Серія: Техн. науки: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПДТУ, 2010. – Вип.20. – С. 94 – 198. 6. Щетинин С.В. Электромагнитная природа фреттинг-коррозии /С.В.Щетинин //Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. пр.– Маріуполь: ПДТУ, 2010.–№12.– С.7–11. 7. Щетинин С.В. Электромагнитная природа образования подрезов /С.В. Щетинин //Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. – Краматорськ, 2010. – №2 (19). – С. 318 – 321. 8. Повышение трещиностойкости бандажированных опорных валков при высокоскоростной наплавке / В.В. Чигарев, В.И. Щетинина, С.В.Щетинин и др.//Автоматическая сварка. – 2009. – №1. – С.29 – 33. 9. Щетинин С.В. Регулирование энергетической характеристики сварочной дуги / С.В. Щетинин // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПДТУ, 2009. – Вип.19. – С.196 – 199. 10. Щетинин С.В. Механизм повышения трещиностойкости бандажированных опорных валков /С.В. Щетинин //Захист 38 металургійних машин від поломок: Зб. наук. пр.– Маріуполь: ПДТУ, 2009.–№11.– С.215–219. 11. Щетинин С.В. Закономерности воздействия магнитного поля сварочного тока и скорости сварки на дугу и формирование швов /С.В. Щетинин //Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПДТУ, 2008. – Вип.18. – С. 203 – 206. 12. Щетинин С.В. Фреттинг-коррозия опорных валков стана 3000 /С.В.Щетинин //Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПДТУ, 2008. – №10. – С.25 – 29. 13. Щетинин С.В. Односторонняя высокоскоростная сварка труб для газои нефтепроводных магистралей /С.В.Щетинин //Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр.– Маріуполь: ПДТУ, 2007.–Вип.17.– С.153–156. 14. Закономерности воздействия формы изделия на электромагнитное поле сварочного тока / В.В. Чигарев, В.И. Щетинина, С.В. Щетинин, В.И.Федун // Автоматическая сварка. – 2006. – №8. – С.16 – 21. 15. Щетинин С.В. Закономерности воздействия магнитного поля сварочного тока и плазменных потоков на движение жидкого металла и формирование сварных швов /С.В. Щетинин//Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб.наук. пр.–Маріуполь: ПДТУ, 2006.–Вип.16.–С. 176–179 16. Щетинин С.В.Закономерности воздействия скорости сварки на движение дуги и формирование сварных швов /С.В.Щетинин//Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПДТУ, 2005.– Вип.15.–С.147 – 150. 17. Повышение долговечности деталей металлургического оборудования /С.В.Щетинин, В.И.Щетинина и др.//Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. пр.– Маріуполь: ПДТУ, 2005. – №8. – С.179 – 183. 18. Щетинин С.В. Наплавка погружных барабанов агрегата цинкования /С.В. Щетинин, К.К. Степнов, Н.Г. Заварика //Автоматическая сварка. – 2004. – №2. – С.50 – 51. 19. Односторонняя сварка труб для газо- и нефтепроводных магистралей /А.Д. Чепурной, В.И.Щетинина, С.В.Щетинин и др. //Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр.–Маріуполь: ПДТУ, 2004.–Вип.14.– С.199– 202. 20. Увеличение работоспособности погружных барабанов агрегата цинкования /С.В.Щетинин, В.В.Климанчук и др. //Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. пр.– Маріуполь: ПДТУ, 2003.–№7.– С.172–177. 21. Закономерности воздействия на электромагнитное поле сварочного тока /В.В. Чигарев, С.В. Щетинин и др. // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПДТУ, 2003. – Вип.13. – С.194– 197. 39 22. Индукция электромагнитного поля при сварке / В.В. Чигарев, С.В.Щетинин //Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПДТУ, 2002. – Вип.12. – С. 140 – 143. 23. Прочность бандажированных опорных валков стана 3000 /С.В.Щетинин, В.В. Климанчук //Защита металлургических машин от поломок: Сб. науч. тр. – Мариуполь: ПДТУ, 2002. – №6. – С.123 – 127. 24. Щетинин С.В. Влияние скорости сварки на магнитное поле сварочного тока/С.В.Щетинин//Автоматическая сварка.–2002.–№2.–С.14– 17 25. Чигарев В.В. Распределение давления сварочной дуги /В.В. Чигарев, С.В. Щетинин //Автоматическая сварка. – 2001. – №9. – С.9 – 12. 26. Роль электромагнитного поля сварочного контура в формировании швов /В.И. Щетинина, С.В. Щетинин //Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПДТУ, 2001. – Вип.11. – С.178 – 181. 27. Щетинина В.И. Регулирование электромагнитного поля сварочного контура при сварке труб / В.И. Щетинина, С.В. Щетинин //Сварочное производство. – 2000. – № 6. С.3 – 7. 28. Пат.88102 Україна, МКВ В 23К35/00 Дріт для електродугового наплавлення /Бойко В.С., Щетинін С.В., Кліманчук В.В. та ін. (Україна)–№ 200801337; Заявл.04.02.2008; Опубл.10.09.2009; Бюл.№17.– 4. 29. Пат.84092 Україна, МПК В 23 К 9/04. Спосіб відновлення і зміцнення циліндричних деталей /Бойко В.С., Щетинін С.В., Кліманчук В.В.; заявитель и патентообладатель Приаз. гос. техн. ун-т. – №а200704208; Заявл.16.04.2007; Опубл.10.09.2008; Бюл. №17.– 3 с. 30. Пат.1719173 Российская федерация, МКИ В23К 9/00. Способ электродуговой сварки / Щетинина В.И., Щетинин С.В., Степнов К.К. и др.; заявитель и патентообладатель Приаз. гос. техн. ун-т. – №4868299/27; Заявл. 25.06.90; Опубл. 15.03.92, Бюл.№10. – 3 с. Всего 37 авторских свидетельств и патентов. Личный вклад соискателя в публикациях, выполненных в соавторстве: [1, 25, 30] – постановка научной задачи исследования сварочной дуги, разработка методики и проведение экспериментов, установление закономерностей регулирования давления и разработка способов сварки; [3, 4, 14, 21, 22, 26, 27] – разработка математической и физической модели, природы образования подрезов, проведение исследований магнитного поля сварочного тока, разработка способов регулирования магнитного поля, научных основ и односторонней высокоскоростной сварки труб для гозо- и нефтепроводных магистралей; [2, 8, 17, 18, 20, 23,28, 29] – идея механизма повышения трещиностойкости, разработка научных основ, методики исследований, проведение экспериментов, установление закономерностей и разработка способов высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии. 40 АННОТАЦИЯ Щетинин С.В. Развитие научных основ процессов односторонней высокоскоростной сварки и наплавки . – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 “Сварка и родственные процессы и технологии”, ГВУЗ “Приазовский государственный технический университет”, Мариуполь, 2015 Диссертация посвящена исследованию и разработке новых процессов односторонней высокоскоростной сварки. Теоретически доказана электромагнитная природа межатомных сил связей и электродуговой сварки. Установлено, что пинч-эффект дуги как цепная реакция. Ток создает магнитное поле, которое сжимает дугу. Размер активного пятна уменьшается, что приводит к увеличению индукции, магнитного давления и пинч-эффекта. Процесс повторяется до обрыва дуги. Под действием пинч-эффекта в результате уменьшения размера активного пятна повышается плотность тока и усиливается автоэлектронная эмиссия, что подтверждено при измерении энергетической характеристики дуги. Разработана физическая модель процесса односторонней сварки, согласно которой для качественного формирования обратного валика необходимо равновесие направленных вниз давления дуги, давления электродного металла, магнитного давления, гидродинамического давления, давления флюса и направленных вверх давления флюсовой подушки и поверхностного натяжения. Расчетно-экспериментальным путем установлена электромагнитная природа образования подрезов, согласно которой при повышении скорости сварки усиливается охлаждение активных пятен, концентрируется и уменьшается тепловложение в боковые кромки ванны, электрическое сопротивление которых снижается. В результате возрастает величина тока через боковые кромки ванны, индукция и магнитное давление, под действием которого жидкий металл стекает с кромок ванны, что приводит к образованию подрезов. На основании электромагнитной природы образования подрезов разработан способ односторонней высокоскоростной сварки составным электродом из двух проволок и U–образной ленты, прямолинейные участки которой располагаются впереди проволок, что обеспечивает увеличение тепловложения в боковые кромки ванны. В результате электрическое сопротивление возрастает, уменьшается величина тока, протекающего через жидкий металл, и направленное вниз магнитное давление, что обеспечивает формирование швов без подрезов. Установлено, что при сварке составным электродом увеличивается размер активного пятна и снижается давление дуги. Теоретически и экспериментально доказано, что улучшение формирования обратного валика при 41 односторонней высокоскоростной сварке на флюсовой подушке является результатом снижения давления дуги, магнитного и гидродинамического давлений, увеличения скорости движения и кристаллизации жидкого металла и уменьшения времени пребывания ванны в жидком состоянии. С помощью скоростной киносъемки установлен механизм движения дуги и жидкого металла ванны под действием электромагнитных сил сварочного тока, и мощные плазменные потоки, которые являются результатом пинчэффекта. Получены математические модели индукции магнитного поля сварочного тока в зависимости от скорости сварки, толщины металла и формы изделия. Расчетно-экспериментальным путем установлено, что увеличение магнитного дутья при сварке труб является результатом концентрации магнитного поля в трубе. Установлено, что подрезы образуются под действием магнитного поля дуги, которое создает направленное вниз магнитное давление. Расчетно-экспериментальным путем установлено, что при уменьшении диаметра дуги индукция магнитного поля, электромагнитная сила и в квадратичной зависимости магнитное давление возрастают, что приводит к усилению пинч-эффекта и цепной реакции. Разработан механизм регулирования магнитного поля сварочного тока путем изменения формы электрода и установлено, что при сварке составным электродом индукция и магнитное давление у боковых кромок ванны снижается, что предотвращает образование подрезов. Разработан способ односторонней высокоскоростной сварки труб с токоведущим витком, который обеспечивает снижение магнитного дутья за счет взаимного уничтожения магнитных полей тока, протекающего по трубе, и тока в витке. Научно обосновано, что повышение ударной вязкости сварных соединений при высокоскоростной сварке и трещиностойкости при наплавке на низкой погонной энергии является результатом снижения микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений, плотности дислокаций, сварочных напряжений и измельчения структуры. Экспериментально доказано, что наиболее эффективным способом повышения трещиностойкости и предотвращения поломок бандажей из стали 90ХФ является высокоскоростная наплавка бандажированных опорных валков на низкой погонной энергии. Разработан способ односторонней высокоскоростной сварки труб составным электродом с токоведущим витком, который обеспечивает стабильность процесса, повышение качества и ударной вязкости сварных соединений. Разработан процесс высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии, который обеспечивает повышение трещиностойкости, износостойкости и коррозионной стойкости наплавленного металла. Ключевые слова: Электрическая дуга, магнитное поле, давление дуги, односторонняя высокоскоростная сварка, трещиностойкость. 42 АНОТАЦІЯ Щетинін С.В. Розвиток наукових основ процесів одностороннього високошвидкісного зварювання і наплавлення. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 “Зварювання та споріднені процеси і технології”. ДВНЗ “Приазовський державний технічний університет”, Маріуполь, 2015 Дисертація присвячена дослідженню та розробці нових процесів одностороннього високошвидкісного зварювання і наплавлення. Теоретично доказана електромагнітна природа міжатомних сил зв’язку та електродугового зварювання. Встановлена електромагнітна природа утворення підрізів та спосіб одностороннього високошвидкісного зварювання складним електродом, який підвищує розмір активної плями та знижує тиск дуги. Встановлено, що дуга і рідкий метал ванни рухаються під дією електромагнітних сил. Отримані математичні моделі індукції магнітного поля. Обгрунтовано зростання магнітного дуття при зварюванні труб і розроблено механізм регулювання поля. Розроблено способи одностороннього високошвидкісного зварювання труб і наплавлення на низькій погонній енергії, які підвищують ударну в’язкість і тріщиностійкість. Ключові слова: електрична дуга, магнітне поле, тиск дуги, одностороннє високошвидкісне зварювання, тріщиностійкість ABSTRACT Shchetinin S.V. Scientific bases of one-sided high-speed welding and surfacing processes development.–Manuscript. Thesis for a Doctor of technical sciences degree on speciality 05.03.06 “Welding and Related Processes and Technologies”, SHEI “Pryazovskyi State Technical University”, Mariupol, 2015 The thesis is devoted to research and development of new one-side highspeed welding and surfacing processes. It is theoretically proved, that nature of constraining forces between atom and electrical arc welding is the electromagnetic. The electromagnetic nature of cuts formation and one-sided highspeed welding using composite electrode, which increase active stain and lower arc pressure, was developed. It is putted, that arc and pool liquid metal motion by action of electromagnetic forces. Mathematical model of the magnetic field induction is received. The increase of magnetic blower at pipes welding is founded and magnetic field regulation mechanism is developed. The pipes onesided high-speed welding and surfacing on low energy methods, which increase impacting viscosity and crackfirmness, was developed. Key words: electrical arc, magnetic field, arc pressure, one-sided highspeed welding, crackfirmness