Основы теории дугоконтактной сварки
Схема процесса дугоконтактной сварки показана на примере сварки труб. Две трубы, подлежащие сварке (1-1′), и катушки электромагнитов (2-2′) располагаются соосно. К трубам подключается сварочный источник питания (одна из свариваемых труб является катодом, другая — анодом). Катушки электромагнитов создают магнитные потоки, направленные по оси трубы навстречу друг другу. В результате, в зазоре между трубами, магнитное поле имеет радиальную составляющую. При взаимодействии тока дуги I и радиальной составляющей магнитного поля Bp создается сила Fg, приводящая дугу в движение. Эта сила, направление которой перпендикулярно направлению тока в дуге и направлению магнитного поля, заставляет дугу перемещаться по поверхности торцов со скоростью, достигающей нескольких десятков метров в секунду. При многократном обходе дуги по торцу трубы формирование шва происходит практически одновременно по всему периметру. При наблюдении вращающаяся дуга представляется сплошным кольцом из светящейся плазмы. При достижении сварочной температуры на торцах производится сдавливание (осадка) труб, аналогично тому, как это делается при контактной сварке. При движении в магнитном поле дуга оказывается под влиянием различных сил, действующих на столб дуги и его активные пятна. Эти силы можно разделить на движущие силы и силы сопротивления. Движущие силы возникают благодаря взаимодействию тока дуги с радиальной составляющей магнитного поля. Дугу можно рассматривать приближенно как проводник с током, помещенный в магнитное поле. На него действует сила Fg, определяемая законом Ампера
Fg = B1Il,
где В1 - составляющая индукции магнитного поля, перпендикулярная току;
I — ток в проводнике;
l — длина проводника.
В случае аксиальной дуги и радиального магнитного поля сила Fg в каждый момент времени направлена по касательной к окружности трубы и стремится перемещать дугу по торцам труб.
К силам сопротивления относятся сила аэродинамического сопротивления F1, сила трения потока увлекаемых дугой газов F2 о стенки зазора, представляющего собой узкую щель, и сила F3, противодействующая перемещению активных пятен дуги. Сила аэродинамического сопротивления зависит от скорости перемещения дуги и напряженности магнитного поля. Сила трения потока газов зависит от скорости перемещения дуги, а также от величины и геометрии зазора. Сила, противодействующая перемещению активных пятен дуги, зависит от материала электродов, их формы, состояния и температуры их поверхностей.
Для вращающейся дуги характерно наличие трех стадий горения дуги в процессе всего периода разогрева торцов изделий (рис. 2). Одной из отличительных особенностей каждой из этих стадий является характер изменения скорости вращения дуги. I стадия — разгон и вращение дуги с нарастающей скоростью, В конце периода скорость достигает максимального значения. Приложенная к дуге движущая сила превышает на этой стадии направленные ей навстречу силы сопротивления Fg>Fl + F2 + F3. В начале этого периода F1 и F2 невелики, поскольку мала скорость перемещения дуги. Наибольшей из сил сопротивления является сила Fs, которая в начальный период велика из-за неблагоприятных условий для перемещения пятен на торцах труб. В течение периода величина силы F3 существенно уменьшается (торцы труб нагреваются, микронеровности оплавляются, газы дугового промежутка ионизируются). Основными силами сопротивления становятся силы аэродинамического сопротивления и трения. Разность между движущей силой Fg и силами сопротивления (F1 + F2+F3) определяет ускорение дуги в начальный период. Дуга после возбуждения вытесняется к внутренней поверхности труб благодаря тому, что в зазоре существует значительный градиент магнитного поля. По мере нагрева торцов градиент магнитного поля снижается и дуга входит в зазор. Время установления, максимальной скорости, т. е. Длительность I стадии зависит от индукции в зазоре и величины сварочного тока. II стадия — установившееся движение дуги с максимальной скоростью-наиболее длительная. Ее длительность характеризуется временем, необходимым для появления на торцах пленки жидкого металла. На этой стадии движущая сила уравновешивается силами сопротивления. Fg=F1+F2 + F3. В течение второй стадии снижается индукция в зазоре, что приводит к уменьшению движущей силы. Однако скорость перемещения дуги остается практически постоянной, так как одновременно уменьшается сила трения F3. На рис. 3 и 4 приведены кривые изменения максимальной скорости движения дуги в зависимости от сварочного тока и радиальной индукции в зазоре, снятые при сварке труб диаметром 27 мм. Из рассмотрения кривых видно, что в этой стадии основным параметром, определяющим скорость перемещения дуги, является величина радиальной индукции в зазоре. III стадия — вращение дуги с переменной скоростью, наблюдается при нагреве кромок выше температуры плавления. Практически вся поверхность торцов свариваемых изделий покрыта пленкой жидкого металла. Приложенная к дуге движущая сила меньше сил сопротивления. Сила Fg продолжает падать, так как в связи с увеличением зазора индукция в нем уменьшается. Сила аэродинамического сопротивления и сила трения потока увлекаемых газов также уменьшаются. Сила сопротивления перемещению активных пятен изменяется нестабильно, среднее значение ее возрастает. Это связано с образованием перемычек жидкого металла, выбрасываемого в виде искр, что приводит к колебаниям скорости перемещения дуги. Соединения, выполненные дугоконтактной сваркой, имеют такую же структуру, что и полученные другими методами с приложением давления, например, контактной стыковой сваркой оплавлением. Однако имеется и ряд особенностей строения, рассмотренных на примере сварки труб из стали Ст20. В большинстве соединений по линии стыка наблюдается светлая обезуглероженная полоска. Все стыки по форме и наличию светлой полоски можно разделить на 3 группы:
- стыки без светлой полоски;
- стыки со светлой полоской, с размытыми границами;
- стыки со светлой полоской, имеющей резко очерченные границы.
Структура светлой полоски феррито-перлитная. Максимальное содержание углерода в ней 0,08-0,16%, при содержании его в металле свариваемых труб 0,18%. По обе стороны располагаются зоны крупного и мелкого зерна с нормализованной структурой. Ширина светлой полоски и ее форма зависят от режима нагрева и осадки. При удельных давлениях осадки до 6 кг/мм2 границы полоски размытые, практически независимо от режима нагрева; ширина ее достигает 0,9 мм. Механические испытания образцов сварных соединений, выполненные при указанных удельных давлениях осадки, пока?али, что прочностные характеристики стыка ниже характеристик основного металла. Это объясняется наличием в стыке окисных включений. Установлено, что оптимальная величина удельных усилий при осадке составляет 8-10 кг/мм2. Изучение структуры соединений, выполненных дугоконтактной сваркой на различных режимах нагрева при удельных усилиях осадки 8-10 кг/мм2, позволило установить, что размер и форма светлой полоски, а также размеры зоны термического влияния зависят от параметров нагрева: с увеличением сварочного тока и, соответственно, с уменьшением длительности нагрева ширина светлой полоски и ширина зоны термического влияния уменьшаются, границы полоски становятся более резкими. При этом возможны такие форсированные кратковременные режимы, когда светлая полоска вообще отсутствует, а зона термического влияния минимальна. Металлографические исследования сварных образцов с последующими их механическими испытаниями показали, что от размеров зоны термического влияния, наличия и формы светлой полоски зависят механические свойства сварного соединения. С уменьше нием ширины полоски и зоны термического влияния свойства сварных соединений повышаются. Таким образом, для получения высокого качества сварных соединений следует использовать форсированные режимы нагрева и более высокие удельные усилия осадки.
Дополнительная информация:
Сообщение отредактировал Andrew: 29 Январь 2015 01:04
