Лабораторна робота № 7 дослідження процесу пресового зварювання з магнітним керуванням дуги

1. Мета роботи

1. вивчити суть способу пресового зварювання з магнітним керуванням дуги;

2. вивчити будову обладнання для пресового зварювання;

3. ознайомитись з технологічними параметрами дугопресового зварювання та дослідити їх вплив на якість зварного з’єднання.

2. Програма роботи

Лабораторна робота розрахована на 4 години аудиторних занять, під час яких вивчаються суть процесу пресового зварювання з магнітним керуванням дуги та його технологічні параметри, а також будова обладнання.

3. Основні теоретичні положення. Опис устаткування

Суть способу пресового (дугоконтактного) зварювання базується на використанні попереднього розігрівання кромок частин виробу, що зварюються, електричною дугою, яка обертається в магнітному полі, з наступним механічним здавлюванням (осаджуванням). Схема процесу пресового зварювання показана на прикладі зварювання труб (рисунок 7.1).

Дві труби, що підлягають зварюванню 2, і котушки електромагнітів 1 розташовуються співвісно. До труб підключається зварювальне джерело живлення (одна із труб, що зварюються, є катодом, інша - анодом). Котушки електромагнітів (або постійні магніти) створюють магнітні потоки, спрямовані по осі труби назустріч один одному. У результаті, у зазорі між трубами, магнітне поле має радіальну складову. При взаємодії струму дуги I_д і радіального магнітного поля H_r створюється сила Р, що приводить дугу в рух:

(7.1)

де k – коефіцієнт, що залежить від ряду факторів, у тому числі від розмірів зазору.

1- котушка електромагніту; 2- труба; 3 – зварювальна дуга

Рисунок 7.1 - Схема процесу пресового зварювання

Ця сила, напрямок якої перпендикулярний напрямку струму в дузі й напрямку магнітного поля, змушує дугу переміщуватись по поверхні торців зі швидкістю, що досягає декількох десятків метрів у секунду. Після збудження дуги її швидкість руху досягає 1000…2000 об/хв. По внутрішній поверхні труби. Через 3…5с дуга зміщується по радіусу в зазор а швидкість обертання її зменшується, при цьому можливі зупинки та короткі замикання зварювального кола. Але цей режим є короткочасним, після нього встановлюється стабільний режим із частотою обертання 15000…35000 об/хв.

При багаторазовому обході дуги по торці труби відбувається формування шва практично одночасно по всьому периметрі. При спостереженні обертова дуга представляється суцільним кільцем із плазми що світиться. При досягненні зварювальної температури на торцях проводиться здавлювання (усадка) труб, аналогічно тому, як це робиться при контактному стиковому зварюванні.

Для обертової дуги характерна наявність трьох стадій горіння дуги в процесі всього періоду розігріву торців виробів (рисунок 7.2). Однією з відмінних рис кожної із цих стадій є характер зміни швидкості обертання дуги.

Рисунок 7.2 – Залежність швидкості переміщення дуги від часу

I стадія - розгін і обертання дуги з наростаючою швидкістю. Наприкінці періоду швидкість досягає максимального значення а тривалість I стадії залежить від індукції в зазорі й величини зварювального струму.

II стадія - усталений рух дуги з максимальною швидкістю-найбільш тривала. Її тривалість характеризується часом, необхідним для появи на торцях плівки рідкого металу. В цій стадії основним параметром, що визначає швидкість переміщення дуги, є величина радіальної індукції в зазорі.

III стадія - обертання дуги зі змінною швидкістю, спостерігається при нагріванні крайок вище температури плавлення. Практично вся поверхня торців виробів, що зварюються, покрита плівкою рідкого металу.

Унаслідок обертання дуги вона інтенсивно обмінюється енергією з навколишнім середовищем. Тому напруга в ній вища від напруги нерухомої дуги. Крім того, чим більшою є швидкість обертання дуги, тим вищою є стабільність її параметрів. При збільшенні напруженості магнітного поля до певної величини дуга змінює свою форму. Замість циліндричної вона набуває конусоподібної форми з вершиною в катодній плямі. Діаметр кільцевої анодної плями пропорційний силі струму дуги.

При збільшенні напруженості поздовжнього магнітного поля глибина проплавлення зростає.

При дії на дугу як постійного, так і змінного поперечного магнітного поля глибина проплавлення зменшується з ростом напруженості поля.

З'єднання, виконані пресовим зварюванням, мають таку ж структуру, що й отримані іншими методами з додатком тиску, наприклад, контактного зварюванням оплавленням.

В цілому, технологія зварювання труб цим методом зводиться до підбирання потрібного режиму зварювання, зусиль стиснення труб. Орієнтовні режими зварювання труб наведені в таблиці 7.1.

Таблиця 7.1 - Режими зварювання труб

Діаметр труби, мм	Товщина стінки, мм	Зварювальний Струм, А	Сила намагнічування котушки, А В	Напруга на дузі, В	Тривалість розігріву,с	Зусилля опади, кг
17	2	200	1200	25-26	1,0	900
26,8	2,8	260	1400	25-26	1,8	1800
32	3,5	350	2400	25-26	2,0	2500
43,5	3,5	400	3000	26-27	2,3	3600
57	3	550	3600	26-27	4,2	4600
89	4	750	4500	27-29	5,5	8500
114	5	950	6000	28-30	9,0	15000

Труби, призначені для зварювання, повинні мати торці, перпендикулярні осі труби, без завусин.

Процес розробки технології дугоконтактного зварювання практично зводиться до вибору раціональних параметрів нагрівання й усадки, що забезпечують досягнення рівноміцності звареного з'єднання з основним металом, і відсутності дефектів у звареному з'єднанні. Необхідна якість зварених з'єднань забезпечується при стисканні рівномірно розігрітих по перетині кромок виробів. Рівномірність нагрівання досягається вибором оптимального режиму зварювання. Задовільне формування шва може бути отримане при різних значеннях зварювального струму й тривалості розігріву. Кожному діаметру труби відповідає свій діапазон зварювальних струмів, у межах якого забезпечується задовільне формування шва.

Якщо потужність джерела живлення не обмежена, варто прагнути до верхньої межі зварювального струму. При заданому заздалегідь джерелі живлення раціональним є найбільш ефективне використання його потужності.

На рівномірність розігрівання торців по периметру виробу істотно впливає швидкість переміщення дуги. Встановлено, що в кінцевій стадії нагрівання може виникнути локальне збільшення зазору, так звані вириви. При цьому в металі, де відбувся вирив, утвориться зона зі зниженою міцністю шва, або взагалі несуцільність з'єднання. Причиною утворення виривів є, очевидно, виникнення рідких металевих крапель, швидкість переміщення яких значно менша за швидкость переміщення дуги. Завдяки різниці швидкостей виникають затримки в русі дуги, що приводять до місцевого розплавлювання торців і викиду розплавленого металу зі стику. Одним зі способів боротьби з виривами є періодична зміна напрямку обертання дуги (реверс), що дає можливість протягом деякого часу розганяти рідкий метал по крайках, не даючи йому скупчуватись в одному місці. Однак реверсування, особливо на форсованих режимах, є мало підходящим засобом.

Експериментально встановлено, що сполучення густини струму у виробі більше 0,5 А/мм² зі швидкостями переміщення дуги порядку 100…150 м/с дозволяє повністю усунути вириви й забезпечити рівномірний розігрів крайок. Виходячи із цього визначається величина радіальної індукції в зазорі й сила, що намагнічування, котушок збудження. Визначення параметрів котушок збудження (числа витків, перерізу проводів й струму) проводяться, виходячи з конструктивних міркувань і способу живлення котушок (незалежно від дуги або шляхом послідовного включення їх у зварювальний ланцюг).

Величина питомих зусиль усадки при дугоконтактному зварюванні є дещо вищою в порівнянні з контактним стиковим зварюванням і становить 8…10 кг/мм² для маловуглецевої сталі. Оптимальна величина встановлювального зазору між зварюваними торцями практично не залежить від розмірів виробів, що зварюються. Так, для труб діаметром до 100 мм - оптимальна величина зазначеного зазору становить 2 мм, а для труб діаметром від 100 до 300 мм величина зазору повинна бути в межах 2,5…3 мм. Відхилення величини зазору від оптимального, як убік зменшення (до 1,5 мм для труб діаметром до 100 мм і до 2 мм для труб діаметром 100…300 мм), так і убік збільшення (до 2,5 мм для труб діаметром до 100 мм і до 3,5 мм для труб діаметром 100…300 мм) можуть призвести до порушення стійкості руху дуги.