Дугове зварювання з комбінованими електромагнітними діями

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСІТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 621.791.753:691

Спеціальність 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ З КОМБІНОВАНИМИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМИ ДІЯМИ

Рижов Роман Миколайович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" на кафедрі електрозварювальних установок

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Кузнєцов Валерій Дмитрович НТУУ "Київський політехнічний інститут", в.о. завідувача кафедри "Відновлення деталей машин"

Офіційні опоненти:

академік НАН України, доктор технічних наук, професор Ющенко Костянтин Андрійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, заступник директора

доктор технічних наук, професор Биковський Олег Григорович, Запорізький національний технічний університет, професор кафедри "Обладнання та технологія зварювального виробництва"

доктор технічних наук, професор Размишляєв Олександр Денисович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри "Обладнання та технологія зварювального виробництва"

Захист відбудеться 17.03.2008 o 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 НТУУ "КПІ", м. Київ-56, проспект Перемоги 37, корп. 19, ауд. 417.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ "КПІ", м. Київ-56, проспект Перемоги 37

Відгук на автореферат, затверджений печаткою, прохання надсилати за вказаною адресою на ім'я вченого секретаря ради.

Автореферат розіслано 15.02.2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 професор, д.т.н. Головко Л.Ф.

Анотації

Рижов Р.М. Дугове зварювання з комбінованими електромагнітними діями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - зварювання та споріднені процеси і технології. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2008 р.

Дисертація присвячена розробці наукових основ дугового зварювання з комбінованими електромагнітними діями, які забезпечують комплексне поліпшення показників якості з'єднань.

На основі аналізу технологічних можливостей ЕМД показано, що для комплексного поліпшення показників якості швів їх слід реалізовувати з використанням комбінованих магнітних полів, що генеруються у робочій зоні багатополюсними електромагнітними системами. Визначення їх структур як для умов зварювання плавким і неплавким електродом, так і для широкошарового наплавлення неплавким електродом здійснено за допомогою розроблених розрахункових схем і математичних моделей.

Виявлені закономірності, що пов'язують позитивні зміни показників якості швів з амплітудними, векторними і частотними характеристиками зовнішніх КМП. На їх основі розвинуті уявлення про механізми впливу ЕМД на процеси формування і кристалізації швів і наплавлених шарів, масоперенос електродного дроту. На основі сформульованих умов оптимізації розроблені розрахункові схеми для аналітичного визначення параметрів ЕМД з урахуванням специфіки режимів зварювання, наплавлення і теплофізичних властивостей матеріалів.

На основі проведених науково-дослідних робіт сформульовані основні вимоги і принципи створення комплекту спеціалізованого обладнання для зварювання і наплавлення з ЕМД. Розроблені конструктивні схеми пальників, насадок і головок, функціональні схеми і алгоритми роботи апаратів автоматичного керування ЕМД.

Ключові слова: дугове зварювання і наплавлення, електромагнітні дії, магнітні поля, параметри формування і кристалізації швів, гарячі тріщини, масоперенос, математичні моделі.

Рыжов Р.Н. Дуговая сварка с комбинированными электромагнитными воздействиями. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 - сварка и родственные процессы и технологии. Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев 2008 г.

Диссертация посвящена разработке научных основ дуговой сварки с комбинированными электромагнитными воздействиями, которые обеспечивают комплексное повышение показателей качества соединений.

На основе анализа технологических возможностей электромагнитных воздействий показано, что для комплексного улучшения показателей качества швов их следует реализовывать с помощью комбинированных магнитных полей, генерируемых в рабочей зоне многополюсными электромагнитными системами. Определение их структур как для условий сварки плавящимся и неплавящимся электродом, так и для широкослойной наплавки неплавящимся электродом осуществлено с помощью разработанных расчетных схем и математических моделей.

Определены закономерности, связывающие положительные изменения показателей качества швов с амплитудными, векторными и частотными характеристиками внешних управляющих магнитных полей. На их основе развиты представления о механизмах влияния электромагнитных воздействий на процессы формирования и кристаллизации швов, массоперенос металла электродной проволоки. На основе сформулированных условий оптимизации разработаны расчетные схемы для определения параметров электромагнитных воздействий, учитывающие специфику режимов сварки, наплавки и теплофизические свойства материалов.

Сформулированы основные требования и принципы создания комплекта специализированного оборудования для сварки и наплавки с электромагнитными воздействиями. Разработаны конструктивные схемы горелок, насадок и головок, функциональные схемы и алгоритмы работы аппаратов автоматического управления данными импульсными воздействиями.

Ключевые слова: дуговая сварка и наплавка, электромагнитные воздействия, магнитные поля, параметры формирования и кристаллизации швов, горячие трещины, массоперенос, математические модели.

Ryzhov R. M. Arc welding with combined electro-magnetic affect.

Thesis for the degree of Doctor's degree on speciality 05.03.06 - welding and related processes and technologies. National technical university of Ukraine "Kyiv Politechnical Institute", Kyiv, 2008.

Qualification work is devoted to development of scientific bases of arc welding and surfacing with combined electro-magnetic affect used to improve the quality characteristics of joints.

The analysis of technological abilities of traditional magnetic affect has shown that combined magnetic fields may improve quality characteristics of joints. Magnetic systems' structure for MAG, MIG and TIG welding conditions and for wide-bead surfacing was done using mathematic simulation.

Relationship between increasing of quality characteristics of joints and different types of characteristics of magnetic fields was determined. They allowed to determine how the magnetic affect influences the formation processes and crystallization of welds and beads. Methods of determination of parameters of magnetic affect basing on welding conditions and material characteristics were developed.

Basic characteristics and principles of design of special welding equipment complexes were determined. Schemes of welding torches and nozzles, functional schemes and working algorithms of monitoring and control systems were developed.

Key words: arc welding and surfacing, electro-magnetic affect, magnetic fields, formation and crystallization parameters of joints, hot cracks, metal transporting, mathematical models.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Промислове виробництво провідних країн світу характеризується пріоритетним розвитком високотехнологічних галузей, таких як хімічне і енергетичне машинобудування, судно і літакобудування. Складність конструкцій виробів цих галузей обумовлює широке застосування при їх виробництві різних способів зварювання, серед яких дугові за об'ємом є найпоширенішими. Підвищені вимоги щодо показників якості швів, необхідність гарантованого їх збереження на заданому рівні впродовж усього строку експлуатації виробів обумовлюють часте використання у технологічних процесах зварювання зовнішніх імпульсних дій. Серед них зовнішні електромагнітні дії (ЕМД) мають найбільші технологічні можливості і не потребують для реалізації громіздких додаткових пристроїв. дуговий зварювання електромагнітний

Дослідження, виконані В.П. Чернишом, В.Д. Кузнєцовим, А.М. Болдирєвим, А.І. Акуловим, М.А. Абраловим, Г.Г. Чернишовим, Б.Ф. Якушиним і іншими авторами показали, що застосування ЕМД з аксіальними керуючими магнітними полями (КМП) при зварюванні середньо і високолегованих сталей, жароміцних і жаростійких сплавів, алюмінієвих і титанових сплавів дозволяє здійснювати дегазацію швів, значно підвищувати їх опір утворенню гарячих і холодних тріщин, зменшувати швидкість міжкристалітної корозії.

У попередні роки визначено спектр показників якості швів, на які є можливість ефективно впливати відомими видами ЕМД. Але при цьому ряд показників може навіть погіршуватись, що стримує розробки і впровадження технологій зварювання з їх використанням. Наприклад, при MIG-зварюванні з аксіальним КМП одночасно з поліпшенням кристалізації і, відповідно, підвищенням технологічних та фізико-механічних характеристик зварних швів зменшується глибина проплавлення та збільшуються втрати металу електродного дроту на розбризкування. Тому актуальною науково-технічною проблемою є пошук та розробка нових підходів до дугового зварювання з ЕМД, при яких одночасно підвищуються технологічні та фізико-механічні характеристики швів і покращуються показники їх формування та перенос електродного металу.

Аналіз показав, що найбільш перспективним напрямом підвищення ефективності ЕМД, за яких забезпечується комплексне поліпшення процесів формування і кристалізації швів, є застосування комбінованих КМП, які створюються при одночасному або почерговому генеруванні у зоні зварювання магнітних полів з різними амплітудними, частотними і векторними характеристиками. У минулі роки були окремі спроби їх застосування тільки для поліпшення формування швів із тонколистового матеріалу. Тому проведення комплексу робіт, спрямованих на визначення найбільш результативних комбінацій різних видів ЕМД з урахуванням специфіки найбільш поширених способів зварювання, є актуальним.

Крім того, для визначення перспективних напрямів розробок технологій зварювання з ЕМД і розширення областей їх застосування необхідні додаткові дослідження їх технологічних можливостей в умовах, що відрізняються від звичайних, наприклад, підводного мокрого зварювання.

Виходячи із зазначеного вище, для розвитку наукового напряму, пов'язаного з підвищенням показників якості зварних з'єднань шляхом застосування зовнішніх електромагнітних дій, необхідне проведення комплексу теоретичних і експериментальних робіт, спрямованих на виявлення закономірностей впливу комбінованих магнітних полів на процеси кристалізації та формування швів і переносу електродного металу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В роботі відображено результати експериментальних і теоретичних досліджень, отриманих впродовж 2003 - 2005 років при виконанні завдання Міністерства освіти і науки України №ДП/232 - 2003 "Стабілізація і поточний контроль якості швів при дуговому підводному зварюванні трубопроводів" (номер держреєстрації 0100U000939) і впродовж 2006 - 2007 років при виконанні завдання №2993 "Наукові основи формування наплавлених шарів з мінімальним тепловнесенням" (номер держреєстрації 0106U007331).

Мета роботи та задачі досліджень. Метою роботи є створення наукових основ процесів дугового зварювання з комбінованими електромагнітними діями і принципів конструювання спеціалізованого обладнання для їх реалізації на основі досліджень закономірностей впливу векторних, амплітудних і частотних характеристик зовнішніх керуючих магнітних полів на формування і кристалізацію зварних швів, масоперенос електродного металу і їх взаємозв'язків з конструктивними і енергетичними параметрами електромагнітних систем.

У відповідності до поставленої мети вирішувались такі задачі:

- теоретичне і експериментальне дослідження характеристик комбінованих КМП у зоні зварювання і визначення оптимальних конструктивних схем багатополюсних електромагнітних систем для умов зварювання плавким і неплавким електродом;

- теоретичне і експериментальне дослідження процесів формування та кристалізації швів і масопереносу електродного дроту при дуговому зварюванні з комбінованими ЕМД;

- узагальнення закономірностей змін параметрів формування і кристалізації швів, наплавлених шарів, переносу електродного металу, створення на цій основі розрахункових схем для визначення умов оптимальності параметрів КМП при реалізації процесів дугового зварювання з комбінованими ЕМД;

- розробка конструктивних схем спеціалізованих пальників і головок для наплавлення з багатополюсними електромагнітними системами та конструктивних схем і алгоритмів функціонування пристроїв автоматичного керування комбінованими ЕМД.

Об'єкт досліджень - процеси формування і кристалізації швів при дуговому зварюванні з комбінованими ЕМД.

Предмет досліджень - закономірності формування і кристалізації, їх взаємозв'язки з параметрами керуючих ЕМД.

Методи досліджень. Методичну і теоретичну основу досліджень складають основні положення теорії зварювальних процесів. Експериментальні дослідження проведено у лабораторних умовах на установках зі стабілізованими параметрами режимів зварювання. Вивчення процесів формування і кристалізації швів проведені методами оптичної металографії, а їх насичення газами - хроматографією. Визначення місць положення дуги та її швидкості переміщення здійснювалось цифровим кінозніманням. Для оцінки границь температурного інтервалу крихкості використовували методику, що ґрунтується на надшвидкісному деформуванні зразків з одночасною фіксацією температури на характерних ділянках тріщини. В процесі обробки експериментальних даних і при математичному моделюванні магнітогнітогідродинамічних процесів у ванні використовували сучасне прикладне програмне забезпечення. Математичні моделі розподілу індукції керуючого магнітного поля у робочій зоні ґрунтуються на методі вторинних джерел.

Наукова новизна одержаних результатів визначається результатами комплексу теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на створення наукових основ дугового зварювання з комбінованими електромагнітними діями, які забезпечують комплексне поліпшення показників якості швів. Вона полягає у наступному.

1. Електромагнітні дії на основі комбінованих магнітних полів, створених почерговим генеруванням у зоні зварювання аксіальних і центральносиметричних та аксіальних і поперечних магнітних полів призводять до подрібнення структури швів і підвищення по відношенню до аксіальних КМП глибини їх проплавлення на 40ч 45%.

2. Періодичне регульоване переміщення перегрітого розплаву із головної та центральної областей ванни на всю довжину її хвостової частини спричинює повторну кристалізацію з частотою для нержавіючих сталей 0,03ч 0,06с, що узгоджується з частотою електромагнітних дій при індукціях керуючого магнітного поля 5ч 20мТл.

3. Відтискання за допомогою зовнішніх електромагнітних дій розплаву із головної частини ванни вздовж її донної поверхні спричинює збільшення до 65% глибини проплавлення швів, що пояснюється зменшенням на 20ч 30% товщини екрануючого рідкого прошарку під дугою, дослідженим теоретичним моделюванням і експериментально.

4. Індукування в розплаві ванни імпульсної електромагнітної сили, спрямованої до її дна, з частотою, близькою до резонансної, спричинює коливання всього її об'єму і супроводжується подрібненням структури швів. Дія електромагнітної сили в об'ємі крапель дозволяє збільшувати частоту їх переносу, зменшувати у 2 рази їх розміри і на 20% втрати металу на розбризкування.

5. У зоні горіння дуги, формування крапель і шву комбінуванням зовнішніх магнітних полів досягаються всі необхідні їх амплітудні (5ч 50мТл) і частотні (до 250Гц) характеристики для реалізації електромагнітних дій, які забезпечують одночасне чи почергове створення електромагнітної сили різного заданого спрямування відносно площини дзеркала ванни, дуги і крапель електродного металу.

6. Однакова глибина проплавлення по всій ширині шару, що наплавляється досягається покроковим з частотою 15ч 50 Гц переміщенням дуги з регулюванням часу її зупинок у кожній точці робочої зони і забезпечується створенням у дуговому проміжку електромагнітної сили, що діє на дугу, перпендикулярно напрямку наплавлення.

Практичне значення одержаних результатів. Створені наукові підходи щодо застосування комбінованих електромагнітних дій і розроблені технологічні рішення дозволяють підвищити ефективність дугових способів зварювання шляхом забезпечення гарантованої якості металу швів, збільшити їх продуктивність, зменшити енергомісткість і витрати металу електродного дроту на розбризкування.

На основі проведених науково-дослідних робіт сформульовані основні вимоги і принципи конструювання апаратних засобів для зварювання і наплавлення з електромагнітними діями. Використовуючи розроблені функціональні схеми, алгоритми роботи і комплекти конструкторської документації виготовлені лабораторні зразки спеціалізованих пальників, насадок і головок, апаратів автоматичного керування електромагнітними діями. В процесі тривалої експлуатації даного обладнання в умовах науково-дослідних установ і підприємств підтверджено його високу працездатність і надійність. Зазначені чинники є вагомим підґрунтям для його промислового виробництва.

Розроблені програмні засоби визначення індукції керуючого магнітного поля у робочій зоні і оптимальних параметрів електромагнітних дій з урахуванням рекомендованих режимів зварювання, теплофізичних властивостей матеріалів з'єднань забезпечують максимальну ефективність запропонованих технологічних рішень при їх практичній реалізації.

Особиста участь автора в одержанні наукових результатів. В дисертаційній роботі внесок автора полягає в обґрунтуванні загальної концепції роботи, формулюванні мети і задач досліджень, розробці наукових основ дугового зварювання з комбінованими електромагнітними діями, фізичних і математичних моделей пристроїв генерування керуючих магнітних полів, розрахункових схем для оптимізації їх параметрів і принципів створення спеціалізованого обладнання. В дисертації узагальнені результати експериментальних досліджень, виконаних автором самостійно та спільно із співробітниками кафедри електрозварювальних установок НТУУ КПІ та інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України. Переважну більшість наукових результатів автором отримано самостійно. Здобувачу також належать загальні висновки дисертаційної роботи і положення, які виносяться на захист:

1. Висновок про доцільність застосування комбінованих керуючих магнітних полів в технологічних процесах дугового зварювання з електромагнітними діями з метою розширення їх технологічних можливостей і комплексного поліпшення показників якості з'єднань.

2. Розрахункові моделі спеціалізованих пальників і головок для дугового зварювання і широкошарового наплавлення з електромагнітними діями, взаємозв'язки їх структур і конструктивних параметрів з розподілом індукції керуючого магнітного поля у робочій зоні і способи коректування його амплітудних і векторних характеристик для реалізації різних видів зазначених імпульсних дій.

3. Закономірності змін параметрів формування і кристалізації швів при зварюванні неплавким електродом з електромагнітними діями, їх кількісні і якісні характеристики при генеруванні в робочій зоні різних комбінованих керуючих магнітних полів.

4. Розрахункові схеми для оптимізації параметрів постійних і знакозмінних, низькочастотних і модульованих керуючих магнітних полів для умов дугового зварювання з електромагнітними діями.

5. Принципові рішення щодо створення комплекту спеціалізованого обладнання для практичної реалізації технологічних процесів дугового зварювання з електромагнітними діями.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові і практичні результати роботи доповідались і обговорювались на республіканських і міжнародних конференціях: "Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствование подготовки кадров" (Маріуполь 1996 р.); "Сварка и родственные технологии в XXI век" (Київ 1999 р.); Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові (Львів 2001 р.); "Современные проблемы сварки и ресурса конструкций" (Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2003 р.); "Зварювання та суміжні технології" (Київ 2003 р., 2005р., 2007р). "Досконалість зварювання - комплексний підхід" (Київ, НТУУ "КПІ", 2007р).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 35 робіт, серед яких 20 публікації у провідних фахових виданнях, 6 патентів України, 9 - у збірниках матеріалів конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків по роботі, переліку посилань і додатків. Загальний обсяг роботи становить 315 сторінок машинописного тексту, включаючи 90 малюнків на 56 сторінках, 1 таблицю, перелік посилань із 209 найменувань на 22 сторінках і додатків на 27 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність напряму досліджень, сформульовано мету роботи, її наукову новизну і практичне значення. Визначено задачі досліджень, показано їх взаємозв'язки з науковими програмами, планами темами.

У першому розділі на основі аналізу впливу різних видів зовнішніх імпульсних дій на процеси дугового зварювання показано переваги ЕМД, які полягають в тому, що вони є об'ємними, безконтактними із елементами системи джерело живлення - дуга - зварювальна ванна, не потребують для реалізації громіздких додаткових пристроїв і мають найкращі динамічні характеристики.

У розробленій класифікації керуючих магнітних полів основною ознакою, що якісно їх відрізняє, є напрям вектору магнітної індукції КМП по відношенню до об'єкту керування. За цією ознакою магнітні поля розділяють на аксіальні (поздовжні) і радіальні (поперечні). У перших вектор індукції паралельний, а у других - перпендикулярний вісі електроду. Додатковими, не менш важливими відзначними ознаками зазначених двох груп КМП, є їх частотні і амплітудні характеристики. Аксіальні КМП умовно можна розділити на однополярні, низькочастотні і високочастотні. При цьому низькочастотні у більшому ступені характеризуються діапазоном індукцій 5ч 50 мТл, а високочастотні - 50ч 200 мТл. У групі радіальних КМП за частотними характеристиками виділяють пульсуючі, низькочастотні і постійні. Для усіх характерний діапазон індукцій 5ч 20 мТл. КМП першої групи (з аксіальними векторними характеристиками) частіше застосовують у випадках, коли об'єктом керування є зварювальна ванна і масоперенос електродного металу, другої (з радіальними) - дуга як джерело нагріву.

Виявлено, що від параметрів використаного КМП залежить характер впливу ЕМД на об'єкти керування, змінюються як спектр видів зварювання, у яких їх доцільно застосовувати, так і показників якості швів, на які є можливість максимально ефективно впливати. При цьому одночасно з поліпшенням одних показників інші можуть і погіршуватись. Так ЕМД на основі аксіальних низькочастотних КМП дозволяють керувати гідродинамікою ванни і тому ефективні для поліпшення процесів кристалізації швів. Однак через розконцентрацію дуги як джерела нагріву їх застосування призводить до істотного зменшення глибини проплавлення, що у багатьох випадках є неприпустимим. До того, через ймовірність збільшення рівня розбризкування металу електродного дроту їх обмежено використовують при зварюванні плавким електродом. Менш ефективними ніж попередні для керування кристалізацією швів є ЕМД, які спричинюють поздовжні коливання або відхилення дуги радіальним КМП. При цьому часто їх застосування призводить до утворення на поверхнях швів бічних підрізів.

Аналіз показав, що для комплексного поліпшення завдяки ЕМД показників якості швів необхідне застосування магнітних полів з просторовими конфігураціями, які ще не використовувались.

Так центральносиметричні радіальні КМП характеризуються відсутністю індукції на поздовжній осі пальника і додатнім її градієнтом у напрямках до фронтів плавлення і кристалізації зварювальної ванни. Їх взаємодія в об'ємі ванни з електричним полем зварювального струму спричинює виникнення силової дії на розплав, перпендикулярної поверхні шву.

При взаємодії радіальної складової індукції з поздовжньою складовою струму дуги виникає електромагнітна сила, що її відхиляє у відповідному напрямку. Динамічні зміни у площині дзеркала ванни векторних характеристик радіальної складової індукції КМП є головною ознакою обертальних магнітних полів. За їх використання існує можливість відхиляти дугу не в одному, а у заданих напрямках.

При тримірних динамічних змінах напрямів потоку магнітної індукції і її взаємодії в об'ємі ванни з електричним полем зварювального струму можливе створення об'ємної силової дії на розплав ванни.

Одночасним генеруванням КМП різної частоти можна формувати модульовані аксіальні і радіальні магнітні поля і досягати за їх використання змін як у процесах кристалізації і формування швів, так і переносу електродного металу.

Зазначені нові просторові конфігурації магнітних полів за всіма ознаками є комбінованими. Аналіз показав, що їх створення потребує якісно нових підходів до розробки пристроїв генерування магнітних полів, зокрема на базі багатополюсних електромагнітних систем.

У публікаціях в провідних фахових виданнях не виявлено достатнього для практичної реалізації комбінованих ЕМД об'єму теоретичних і експериментальних розробок. Це обумовило необхідність проведення комплексу робіт, спрямованих на їх отримання з метою визначення умов оптимальності параметрів різних видів ЕМД і максимально результативних комбінацій КМП з урахуванням специфіки найбільш поширених способів дугового зварювання.

У другому розділі викладені результати математичного моделювання просторових конфігурацій і розподілів індукції керуючих магнітних полів відносно дуги і зварювальної ванни залежно від розташування полюсів електромагнітних систем. При виборі розрахункових схем виходили із умов конструктивної сумісності електромагнітів з існуючими зразками пристроїв для зварювання і наплавлення.

Відповідно до цього розрахункова схема циліндричної однополюсної ЕМС для реалізації ЕМД на основі аксіальних модульованих КМП за формою мала конфігурацію. Вона характеризується використанням корпусних елементів осердя у якості каркасів котушок намагнічування і соплових його частин у якості магнітопроводу. Досліджувані багатополюсні електромагнітні системи сформовано із електромагнітів зі стрижневими циліндричними осердями, на бічних поверхнях яких розміщено багатошарові котушки намагнічування.

Шестиполюсна циліндрична ЕМС для генерування комбінованих аксіальних низькочастотних, центральносиметричних радіальних, обертальних і мультивекторних ортогональних магнітних полів містила шість електромагнітів, розміщених з однаковим кутовим кроком на однаковій відстані RП від поздовжньої осі пальника. Радіальна координата точки Q, у якій розраховується КМП, у даному випадку дорівнює:, де xQ і yQ - її декартові координати. точки; - кут, на який зміщено полюс відносно початкового положення.

Лінійна багатополюсна ЕМС для широкошарового наплавлення у середовищі інертних газів з ЕМД на основі комбінованих радіальних КМП характеризується розташуванням полюсів один до одного по обидва боки від струмопідвідного вузла і відхилених на кут в від вертикальної осі. У випадку, коли точка Q знаходиться на робочій поверхні:, при її розташуванні на нижній поверхні електроду:, де dмаг - діаметр магнітопроводів полюсів; xП - їх віддалення від осі ЕМС; z0 - відстань від їх нижніх кінцівок до робочої поверхні.

При створенні математичних моделей розподілу індукції КМП у робочій зоні використовували метод вторинних джерел, якими були фіктивні магнітні заряди з об'ємними (м) і поверхневими (м) густинами, локалізовані у мікрооб'ємах осердь спеціалізованих пальників.

Підставивши вираз для H(Q) у формули для і отримували систему інтегральних рівнянь.

При розрахунках КМП, генерованого багатополюсними ЕМС, сумарну напруженість КМП у точці Q знаходили як:, де N - кількість полюсів ЕМС. Враховуючи, що розрахункова область обмежена об'ємом розплаву зварювальної ванни, у якому відносна магнітна проникність близька до одиниці, індукцію КМП вважали рівною, де м 0 - магнітна стала.

Виявлено, що при генеруванні КМП одним полюсом ЕМС радіальна складова індукції у робочій зоні набуває значень 3ч 5mT, що свідчить про можливість реалізації технологій з відхиленнями або коливаннями дуги. Однак наявність її градієнту спричинює порушення ортогональності напрямку ЕМД. Генеруванням КМП парами протилежно розташованих електромагнітів з Iн різних полярностей досягається більш рівномірний розподіл індукції і істотне збільшення її величини. До того, використання такої ЕМС дозволяє змінювати напрям ЕМД без переорієнтації спеціалізованого пальника. При цьому за однакових Iн кількість напрямів відхилень або коливань дуги відповідає кількості її полюсів. Це дозволяє реалізовувати ЕМД на основі обертальних КМП.

Дослідження варіантів комутації полюсів шестиполюсної ЕМС для створення центральносиметричних КМП показали, що у площині дзеркала ванни на її поздовжній осі найбільша індукція поперечної до напрямку зварювання складової КМП (BY) генерується при реалізації схеми комутації. У випадку живлення усіх котушок полюсів ЕМС однаковим Iн спостерігали зміщення відносно осі електрода точки, у якій BY=0. Залежно від напрямку магнітного потоку наявність BY у області горіння дуги призводить до її відхилення в процесі зварювання у бік головної або хвостової частин ванни, у наслідок чого погіршуються процеси формування швів. Для усунення асиметрії параметрів КМП у центральній області ванни необхідне збільшення у два рази Iн у котушках задньої пари полюсів ЕМС. Одночасно це призводить до значного збільшення BY у хвостовій частині ванни.

У випадку, коли через котушки усіх полюсів шестиполюсної ЕМС пропускали Iн однакових амплітуд і полярностей, у зоні зварювання генерували аксіальне результуюче КМП (BZ). При цьому, через взаємну компенсацію радіальних складових індукції магнітних полів протилежних полюсів, на поздовжній осі ЕМС BY=0.

Дослідження показали, що при використанні багатополюсних лінійних ЕМС, конструктивні схеми, досягається стабільний розподіл поздовжньої до напрямку широкошарового наплавлення складової радіального КМП (BX). Для його генерування у всіх котушках намагнічування полюсів, розташованих протилежно, Iн повинен бути однакових амплітуд і різних полярностей. Для обмеження зони, у якій переміщується дуга, крайні пари полюсів із заданою частотою вмикали на зустріч іншим, що спричинює зміни полярності BX на краях робочої зони. Реверсування напрямку руху дуги досягали зміною на протилежну полярностей струмів через всі котушки полюсів ЕМС.

Таким чином, за результатами теоретичного і експериментального аналізу встановлено, що зміною схем комутації полюсів розглянутих ЕМС можна у широкому діапазоні змінювати амплітудні і векторні характеристики КМП у робочій зоні.

У третьому розділі узагальнено результати досліджень впливу різних видів комбінованих ЕМД на показники формування і кристалізації швів, перенос електродного металу.

При проведенні досліджень для генерування у зоні зварювання комбінованих аксіальних, обертальних, радіальних центральносиметричних і мультивекторних ортогональних КМП використовували шестиполюсну ЕМС.

Ефективність впливу ЕМД на основі низькочастотних аксіальних КМП на гідродинаміку ванни і керування у такий спосіб кристалізацією швів якісно оцінювали за змінами параметрів температурного інтервалу крихкості (ТІК). Виявлено, що залежності протяжності ТІК (Тк) від параметрів магнітного поля мають вид кривих з мінімумом, який відповідає максимальному подрібненню структури. Це пояснюється максимальним проявленням ефекту повторної кристалізації при почергових переміщеннях перегрітого розплаву до фронту кристалізації і його оплавленням. З підвищенням енерговнесень у стик максимальне скорочення Тк відбувалось при більш високих значеннях параметрів КМП. Зміни Тк у наслідок застосування ЕМД зафіксовано при зварюванні нержавіючих сталей і сплавів з різними хімічними композиціями. Так максимальне скорочення Тк для сплаву ЕП 718 складало 30%, для сталі Х 17Н 13М 2Т - 25%, а 08Х 18Н 10Т- 24%.

Експериментальні дослідження геометричних параметрів швів при зварюванні неплавким електродом нержавіючої сталі 12Х 18Н 10Т з використанням зазначених ЕМД показали, що збільшенню індукції КМП відповідає експоненціальне збільшення 610% ширини швів. Це пояснюється "розмиванням" бічних поверхонь ванни гарячими потоками розплаву. На режимах ЕМД з індукціями КМП до 5мТл збільшення на 1025% глибини проплавлення (h) відбувалось у наслідок стабілізації просторового положення дуги. Підвищення індукції КМП до рівня, достатнього для керування процесами кристалізації швів (10ч 20мТл), супроводжувалось істотним розосередженням дуги як джерела нагрівання і, як наслідок, зниженням на 2530% порівняно з вихідною глибиною проплавлення.

Таким чином, ЕМД на основі результуючих аксіальних низькочастотних КМП, що генеруються шестиполюсною ЕМС, забезпечують істотне покращення кристалізації швів, однак призводять до зменшення глибини їх проплавлення.

При зварюванні з ЕМД на основі радіальних центральносиметричних КМП, незалежно від спрямування (до поверхні ванни, або до її дна) силової дії на розплав у секторі головної частини ванни, обмеженому бп=60є і 120є, підвищення BY до 69mТл призводило до збільшення на 5065% глибини проплавлення швів. У даному діапазоні індукції ширина швів істотно не змінювалась. Однак при бп=60є у випадку, коли силова дія спрямована до дна ванни, підвищенню BY більше за 10mТл відповідало збільшення ширини на 35%. Серед тих, що досліджувались, схема ввімкнення з бп=180є була найменш ефективною. Слід зазначити, що при спрямуваннях силової дії на розплав до верхні ванни, спостерігали деяке зменшення площі перерізу швів, що є неприпустимим.

Механізм змін параметрів формування швів при зварюванні з даними ЕМД ґрунтується на змінах товщини рідкого прошарку розплаву під дугою. Через те, що у межах ванни зварювальний струм в основному тече у напрямку її головної частини, інтенсивність електромагнітних дій у даній області набагато вища, ніж у інших областях. Вертикально спрямована до дна ванни силова дія сприяє відтисканню розплаву з під дуги, що і спричинює збільшення її проплавлювальної здатності. Однак при надмірному збільшенні інтенсивності ЕМД у хвостовій частині ванни формуються вихрові потоки розплаву зі зворотним струменем у напрямку до її центру. При цьому ефективність дуги як джерела нагріву погіршується і, як наслідок, відбувається зменшення глибини проплавлення швів.

Дослідження ефективності ЕМД на основі радіальних низькочастотних і комбінованих обертальних КМП, які спричинюють відповідно відхилення і коливально-обертальні рухи дуги, показали, що істотні зміни параметрів формування швів відбуваються при тривалості дій у одному напрямку в межах 0,03ч 0,05с. Глибина проплавлення швів зростала тільки при поздовжніх відносно напрямку зварювання коливаннях дуги. Це пояснюється відтискуванням розплаву із центральної області ванни у її головну і хвостову частини, що сприяє зменшенню товщини рідкого прошарку під дугою і інтенсифікації процесу плавлення основного металу. При поперечних коливаннях анодна пляма дуги частіше знаходиться поблизу бічних поверхонь ванни, чим пояснюється збільшення на 56% ширини швів.

Застосування відхилень дуги магнітним полем дозволяє ефективно керувати процесами кристалізації швів. У порівнянні з первинними структурами, отриманими при зварюванні у звичайних умовах, найбільше подрібнювання структури зафіксовано при поздовжніх коливаннях дуги у всьому перерізі швів і при поперечних коливаннях у центральній їх області. Цей ефект пояснюється тим, що дані імпульсні дії характеризуються найбільшою частотою переміщення анодної плями дуги до фронту кристалізації і відповідними змінами частоти його підплавлення.

Слід зазначити, що при даних ЕМД схеми кристалізації істотно відрізняються. При поздовжніх коливаннях дуги кристаліти спрямовані практично перпендикулярно лінії сплавлення. При поперечних коливаннях дуги виділяються центральна зона, у якій напрямок зростання кристалітів співпадає із поздовжньою віссю шва, і зони, що примикають до лінії сплавлення з крупнокристалічною структурою. Зі збільшенням до 0,05с тривалості дій у поперечних напрямках ширина подрібненої центральної зони зменшувалась.

Порівнюючи макрошліфи швів, отриманих при зварюванні з нереверсивними і реверсивними коливально-обертальними рухами дуги виявлено, що у першому випадку досягається більш істотне подрібнювання структури. При цьому ступінь подрібнювання структури практично однакова зі швами, отриманими при поздовжніх коливаннях дуги, але кут зрощування кристалітів менше, що сприяє підвищенню пластичності швів.

Результати проведених досліджень дозволили зробити висновок, що ЕМД на основі аксіальних низькочастотних КМП більш ефективні для керування кристалізацією, а радіальні - геометричними параметрами швів.

Комплексного поліпшення якості швів досягали шляхом їх комбінованого використання. Сутність таких ЕМД полягала у почерговому генеруванні у зоні зварювання аксіального і радіального КМП.

В процесі досліджень період електромагнітних дій змінювали шляхом регулювання тривалості генерування останнього. Наступний період відрізнявся від попередньою тільки полярністю аксіального КМП, чим досягали реверсивного руху

розплаву вздовж бічних поверхонь ванни. Окремо досліджували комбіновані з аксіальним низькочастотним центральносиметричні радіальні КМП і радіальні КМП, що спричинюють поздовжні коливання дуги. У випадку, коли індукція радіального КМП дорівнювала нулю отримували пульсуючі аксіальні магнітні поля.

Виявлено, що застосування мультивекторних ортогональних КМП дозволяє збільшувати на 40ч 45% глибину проплавлення швів (h). При реалізації ЕМД з пульсуючими аксіальними КМП збільшенню паузи між імпульсними послідовностями відповідало монотонне, однак менш значне збільшення h.

Застосування ЕМД на основі комбінованих КМП, які періодично під час дії радіального магнітного поля відхиляли дугу до фронту кристалізації, супроводжувалось збільшенням h на 35%. Однак у даному випадку при переміщенні окремих порцій розплаву з підвищеними швидкостями у напрямку хвостової частини ванни створювались умови, коли частина їх об'єму при досягненні границь ванни швидко охолоджувалась і кристалізувалась з утворенням напливів. У наслідок цього поверхні швів набували лускоподібного виду. До того, зазначені відхилення дуги впливають головним чином на швидкість потоків у областях, близьких до поздовжньої осі швів, що спричинювало утворення підрізів вздовж ліній сплавлення, глибина яких ставала більш значною при збільшенні тривалості періодів генерування радіального КМП.

Експериментально визначено, що при зварюванні з ЕМД на основі мультивекторних ортогональних КМП зі збільшенням тривалості періодів генерування центральносиметричних радіальних магнітних полів ширина швів (b) зростає тільки у випадку спрямування об'ємної силової дії на розплав до дна ванни. При зміні її напрямку на протилежний величина b зменшується. Аналогічні результати отримані як при зварюванні з комбінованими ЕМД, у яких радіальне КМП періодично відхиляє дугу до фронту кристалізації, так і при зварюванні з пульсуючими аксіальними КМП.

При зварюванні з використанням пульсуючих аксіальних КМП зі збільшенням пауз між імпульсними послідовностями зменшується інтенсивність ЕМД, у наслідок чого структури швів не значно відрізняються від вихідних. Комбіновані ЕМД, при яких під час генерування радіальних магнітних полів або відбуваються відхилення дуги до фронту кристалізації, або створюється об'ємна силова дія на розплав, спрямована до дна ванни, характеризуються постійним, а не імпульсним, його переміщенням із головної у хвостову частину. Це призводить до деякого зниження швидкості охолодження центральної області швів, у наслідок чого формується транскристалітна структура. Найбільш істотне подрібнювання структури спостерігали при застосуванні мультивекторних ортогональних КМП, при яких під час генерування центральносиметричного магнітного поля силова дія на розплав була спрямована до поверхні ванни. Однак при цьому спостерігали деяке зменшення площі перерізу швів, що є неприпустимим.

Таким чином, найбільш ефективними для одночасного поліпшення кристалізації і геометрії формування швів є ЕМД, що ґрунтуються на використанні мультивекторних ортогональних КМП. При їх застосуванні досягається повне компенсування характерного для зварювання з аксіальними низькочастотними КМП зменшення глибини проплавлення швів без зниження ефективності впливу на кристалізацію.

При широкошаровому TIG-наплавленні комбіновані ЕМД застосовували для керування зворотно-поступальними рухами дуги у робочій зоні з метою поліпшення показників якості формування наплавлених шарів. В процесі експериментальних досліджень пластини із нержавіючої сталі 12Х 18Н 10Т товщиною 0,5ч 1,0мм наплавляли на плоскі зразки із сталі Ст 3 товщиною до 20мм на режимах: струм наплавлення Iн=120ч 180А; Uд=10В; середня швидкість наплавлення Vн=0,5м/г при ширині шару 90мм; індукція КМП Вх=5ч 10mT.

Для реалізації досліджуваного технологічного процесу необхідне забезпечення стабільності горіння дуги, яка в основному залежить від її енергетичних характеристик, розподілу індукції КМП в робочій зоні і теплових процесів в електроді і виробі, на характер яких в свою чергу впливають як особливості їх конструкцій, так і теплофізичні властивості використаних при їх виготовленні матеріалів. При розміщенні ЕМС над поверхнею, яку наплавляють, існує від'ємний градієнт індукції КМП в напрямку від електроду до виробу, у наслідок чого анодна і катодна області дуги переміщуються з різними швидкостями. При ширині шару, що наплавляється, більшій за 40ч 50мм це призводить до її обриву. Зазначений негативний ефект мінімізували відхиленням полюсів ЕМС від вертикального положення на кут 15є, величина якого залежить від конструктивних особливостей даних пристроїв.

Показано, що обмеження зони, у якій переміщується дуга, зустрічним ввімкненням крайніх пар полюсів дозволяє стабілізувати форму периферійних областей шарів, що наплавляються. Однак при цьому звужується область робочої зони, у якій індукція КМП не змінює своїх значень. Враховуючи те, що швидкість переміщення дуги прямо пропорційна Вх, при наплавленні це призводить до нерівномірності прогріву матеріалу основи і виникненню на поверхнях зазначених областей дефектів формування у вигляді кратерів. Виявлено, що найбільш дієвим способом уникнення цього негативного ефекту є застосування покрокового переміщення дуги з регулюванням часу її зупинок у кожній точці робочої зони. При цьому імпульси КМП повинні відставати по фазі від імпульсів Iн на час, який залежить від динамічних характеристик джерела живлення дуги.

У процесі широкошарового наплавлення з ЕМД часто на окремих ділянках робочої зони має місце нещільність прилягання пластини або стрічки, яку наплавляють, до матеріалу основи. При живлені дуги постійним струмом це призводить до надмірного розігріву зазначених областей і, як наслідок, утворення пропалів. За для уникнення цього при проведенні експериментальних робіт успішно застосовували імпульсний процес горіння дуги.

Слід зазначити, що при тривалості імпульсів струму наплавлення, більшій за 0,06с, спостерігали порушення пропорційності між енерговнесенням у виріб і глибиною проплавлення робочої зони. Це пояснюється збільшенням радіальних розмірів катодної плями дуги, що горить на вольфрамовій пластині шириною 100мм, і відповідним зменшенням густини струму у її стовпі. Тому при заданій амплітуді Iн для забезпечення заданої глибини проплавлення необхідно регулювати кількість імпульсів струму наплавлення, а тривалість кожного із них повинна бути в межах 0,02ч 0,06с. Розділення у часі імпульсних процесів переміщення дуги і проплавлення робочої зони дозволило якісно формувати наплавлені шари і мінімізувати енерговнесення у матеріал основи.

Пошукові експерименти показали, що крім наплавлення перспективним напрямом застосування зазначених комбінованих ЕМД є поверхнева обробка виробів. Отримано дані, що свідчать про можливість здійснення у такий спосіб поверхневого загартування на задану глибину і азотування.

При реалізації ЕМД на основі аксіальних модульованих КМП у зоні зварювання одночасно генерували аксіальні низькочастотні і імпульсні високочастотні магнітні поля. Останні спричинювали індукування у об'ємах ванни і крапель металу електродного дроту вихрових струмів. Їх взаємодія з радіальною складовою КМП створювала об'ємну силу, що діяла у напрямку до ванни. У процесі досліджень величину імпульсу зазначеної електромагнітної сили змінювали генеруванням або одинарних, або подвійних імпульсів КМП кожний тривалістю 0,075мс, які повторювались з частотою fімп=20ч 200Гц.

Виявлено, що при MIG- зварюванні сталі 12Х 18Н 10Т збільшення частоти досліджуваних ЕМД супроводжувалось зменшенням за експоненціальним законом коефіцієнту втрат металу електродного дроту на розбризкування. Це підтверджує можливість керування за їх допомогою траєкторією переносу крапель. При цьому на частоті fімп=30Гц ЕМД з одинарними імпульсами КМП поліпшували зазначений показник на 10%, а з подвійними - на 20%. Одночасно із збільшенням у 2ч 2,5 рази загальної кількості крапель істотно зменшувався їх діаметр.

Зафіксовано зростання коефіцієнтів форми шву і валика, що пояснюється практично лінійним збільшенням на 20% ширини швів, зменшенням на 40% висоти валиків та на 70% глибини проплавлення. Це свідчить про доцільність застосування досліджуваних ЕМД у процесах дугового наплавлення. До того, зменшення глибини проплавлення дозволяє підвищувати величину зварювального струму і збільшувати у такий спосіб інтенсивність плавлення електродного дроту, що актуально при багатопрохідному зварюванні.

Вплив модульованих аксіальних КМП на кристалізацію і, відповідно, показник якості швів, оцінювали за їх стійкістю до утворення гарячих тріщин при TIG - зварюванні алюмінієвого сплаву АМг 6. У процесі експериментальних досліджень істотне скорочення у пробах довжин гарячих тріщин фіксували у випадках, коли частота імпульсів КМП була 170ч 220Гц. Макроструктурний аналіз, проведений для пояснення зазначеного ефекту, показав, що на режимах ЕМД, близьких до оптимальних, подрібнення кристалітів відбувалося у всьому перерізі швів. У решті випадків у центральній області швів зміни структури були менш помітними, ніж поблизу лінії сплавлення. На цій основі зроблено висновок, що існує залежність між частотою імпульсів КМП і відстанню, на яку розповсюджуються у напрямі фронту кристалізації створювані з його допомогою вертикальні коливання розплаву.

Узагальнені у даному розділі результати експериментальних досліджень свідчать про підвищені можливості ЕМД на основі комбінованих аксіальних і центральносиметричних, аксіальних і поперечних та аксіальних низько- і високочастотних магнітних полів щодо комплексного керування процесами кристалізації і формування швів, масопереносом електродного дроту.

Четвертий розділ роботи присвячено розробці розрахункових схем і визначенню умов оптимальності параметрів досліджуваних комбінованих ЕМД. Через роздільність у часі різних фаз комбінованих ЕМД або відмінність на два порядки частоти застосованих при їх реалізації КМП, для досягнення максимального загального технологічного ефекту достатньо визначити принципи оптимізації параметрів кожного із них.

При створенні розрахункової схеми для оптимізації параметрів низькочастотних аксіальних КМП було зроблено такі припущення: під час зварювання має місце плоский процес плавлення і кристалізації; форма фронту плавлення описується рівнянням окружності, а фронту кристалізації - еліпсу основна частина зварювального струму в розплаві рівномірно розтікається через сектор головної частини ванни, обмежений кутом.

Під дією аксіального КМП у зварювальній ванні формуються потоки розплаву, переміщення яких із головної у хвостову її частину відбувається по черзі вздовж кожного із бічних фронтів кристалізації з частотою зміни полярності магнітного поля. Для забезпечення максимально ефективного керування кристалізацією швів час в переміщення потоку розплаву на відстань, яка дорівнює довжині бічної поверхні хвостової частини ванни Lкр, повинен відповідати часу к проростання фронтом кристалізації нерівноважної переохолодженої зони:.

У найбільш віддаленій від дуги точці хвостової частини ванни, де ДX - ширина двофазної області, - швидкість зварювання. Для того, щоб потік досяг цієї точки, він повинен переміститись на відстань, де p і l - відповідно половина ширини і довжина хвостової області ванни. Щоб у зазначеній точці гарантовано відбулася задана зміна градієнту температур, через переріз необхідно перемістити об'єм розплаву:, де rД- радіус відхилення дуги поперечною складовою КМП, д - товщина з'єднання, що зварюється. Даний параметр оцінювали за допомогою розмірного комплексу, отриманого на основі формули Пуазейля:, де Ізв - зварювальний струм; Bz- аксіальна складова індукції КМП; з - динамічна в'язкість розплаву,. З урахуванням того, що дорівнює часу tрz між двома послідовними змінами полярності КМП,, де - узагальнений показник ЕМД. Необхідні для визначення геометричні параметри ванни розраховували за теорією теплових процесів при зварюванні.

...