ГЛАВА 2
Исследование особенностей поведения сварочной дуги
в поперечном магнитном поле
2.1. Экспериментальная установка для сварки титановых сплавов в узкий зазор вольфрамовым электродом
Исследования проводили на сварных соединениях сплавов ВТ1-0, ПТ-3В и ВТ23, полученных СУЗ. При этом использовали присадочный материал в виде проволоки титановых сплавов марок ВТ1-00св, 2В, ВТ20-2св, ОТ4-1, СП15св диаметром 2 и 3 мм. Сварка выполнялась на постоянном токе прямой полярности, использовался инверторный источник питания ARISTO-500.
Для проведения экспериментов была применена лабораторная сварочная горелка специальной конструкции, которая оснащена защитным соплом, расположенным над поверхностью свариваемых деталей (рис.2.1) [78]. Установка модернизирована и снабжена водоохлаждаемой формирующей защитной подкладкой, выполняющей функции кристаллизатора для металла корневого слоя. Поддержание заданного напряжения на дуге производится системой АРНД. Поскольку для поддержания заданного напряжения на дуге при сварке вольфрамовым электродом с применением системы АРНД необходимо вертикальное перемещение сварочной головки, то это будет сопровождаться изменением расстояния между поверхностью свариваемого металла и защитным соплом. В то же время постоянство расстояния между защитным соплом и поверхностью свариваемых деталей - один из важнейших факторов, определяющих качество защиты зоны сварки, особенно при СУЗ [55]. Чтобы обеспечить надежность защиты, расстояние между соплом и горизонтальной поверхностью деталей должно оставаться постоянным при выполнении как первого, так и всех последующих проходов. Для этого в конструкцию сварочной головки входит специальная следящая система, обеспечивающая постоянное заданное расстояние между защитным соплом и поверхностью стыкуемых деталей.
Рис. 2.1. Конструктивная схема сварочной головки для сварки в узкий зазор:
1-цанга с неплавящимся электродом; 2-защитное сопло; 3-защитный сапог;
4-следящая система защитного сапога; 5-привод системы АРНД;
6-электромагнит; 7-направляющая для подачи присадочной проволоки;
8-механизм подачи проволоки; 9-свариваемый стык; 10-формирующая подкладка; 11-кассета для проволоки
Для упрощения конструкции магнитопровод 6 совмещен с мундштуком 7 для подачи присадочной проволоки. Вольфрамовый электрод, электромагнит, мундштук для подачи присадочной проволоки объединены в один узел, перемещающийся под управлением системы АРНД. Источником управляющего переменного магнитного поля в зоне горения сварочной дуги служит электромагнит с сердечником. При протекании через катушку электромагнита переменного тока наводится переменное магнитное поле (рис.2.2).
Рис. 2.2. Схема взаимодействия сварочной дуги с управляющим магнитным полем; 1 -катушка; 2 -сердечник электромагнита; 3 -электрод
Силовые линии магнитного поля направлены вдоль оси шва, перпендикулярно к столбу дуги. При этом столб дуги перемещается под действием силы Лоренца - Fа в сторону, перпендикулярную линиям магнитной индукции и направлению сварочного тока.
Эта сила перемещает столб дуги либо в левую (см. рис.2.2, а), либо в правую (см. рис.2.2, б) сторону от оси шва.
При сварке в условиях узкой разделки поместить электромагнит в ней из-за габаритов катушки не представляется возможным. Поэтому был применен специально изогнутый сердечник, выполняющий функции магнитопровода (рис.2.3). В разделку вводится только сердечник. Общая толщина магнитопровода 7 мм.
Рис. 2.3. Схема создания управляющего магнитного поля в условиях узкой разделки; 1 -катушка; 2 -сердечник электромагнита; 3 -электрод
Катушка электромагнита располагается над поверхностью свариваемого изделия, содержит 800 витков провода ПЭВ 1,0 диаметром 1 мм. Во время предварительных экспериментов для питания катушки электромагнита использовался переменный ток промышленной частоты (50 Гц). Однако в случае использования синусоидального переменного тока сложно контролировать время и угол отклонения сварочной дуги, поскольку ток в катушке нарастает и спадает постепенно. Таким образом, необходимо, чтобы форма импульсов тока, протекающего через катушку, была прямоугольной. Только в этом случае длительность отклонения сварочной дуги будет совпадать с длительностью импульса тока, а угол отклонения сварочной дуги будет постоянным.
Поэтому был применен источник питания ОИ-119, разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона, формирующий электрические импульсы переменного тока прямоугольной формы. Он предназначен для создания управляющего магнитного поля при дуговой сварке и наплавке. Источник имеет плавную регулировку тока, протекающего через катушку, в пределах от 0 до 5 А. Кроме того, он позволяет ступенчато регулировать частоту переменного тока в диапазоне от 2,5 до 80 Гц.
Величина магнитной индукции в зоне сварки - под заточенным концом вольфрамового электрода (рис. 2.4) при использовании источника питания электромагнита ОИ-119 в поперечном направлении Вx может достигать 12 мТл, при величине продольной составляющей Вz не более 4 мТл.
Рис. 2.4. Схема измерений магнитной индукции
Рис. 2.5. Величина магнитной индукции в направлении ОХ (вдоль направления сварки)
Рис. 2.6. Величина магнитной индукции в направлении ОZ (вдоль вольфрамового электрода)
2.2. Методика измерения смещения анодного пятна и визуализации дуги при СУЗ с управляющим магнитным полем
2.2.1. Измерение тока, протекающего через боковые стенки разделки.
Известно, что в результате взаимодействия сварочной дуги с внешним магнитным полем происходит деформация столба дуги (рис. 2.7) и перемещение активных пятен.
Рис. 2.7. Схема отклонения столба дуги на плоскости под воздействием поперечного магнитного поля
Для выявления закономерностей отклонения дуги поперечным магнитным полем часто дугу представляют как прямолинейный проводник (см. рис. 2.7), способный поворачиваться вокруг точки О -