При использовании комбинированных схем наплавки необходимо учесть взаимное влияние друг на друга проводников с током, которое может привести к отклонению и формоизменению электрической дуги.

Для определения степени влияния магнитного потока тока при двух дуговой схеме наплавки на геометрические параметры наплавляемого валика были произведены следующие исследования. Результаты этих исследований должны быть учтены при выборе оптимальных параметров режима наплавки.

Вокруг электрической дуги всегда существует, как собственное магнитное поле, так и магнитное поле, создаваемое током, текущим по электродам [58].

Собственное магнитное поле прямолинейной дуги не является внешним по отношению к её столбу и поэтому не может вызвать его перемещения. В отличие от этого магнитное поле тока, текущего по электродам и электрическим контурам, будет внешним по отношению к столбу дуги. От взаимного расположения электродов и места токоподвода возможно смещение электрической дуги в определённом направлении под действием магнитного поля.

В работе [59] исследован характер распределения магнитного поля вокруг дуги горящей между вольфрамовым стержнем и плоским электродом (наплавляемое изделие). Расчётная схема показана на рис.2.8.

Для построения распределения магнитного поля тока, протекающего по цилиндрическому стержневому электроду, предполагаем, что электрическая дуга является прямолинейной и горит строго по оси стержневого электрода. Токоподвод к плоскому электроду осуществляется так, что ток растекается равномерно по всему его сечению. В результате этого ток, текущий через плоский электрод, создаёт в районе горения дуги пренебрежимо малое магнитное поле.

Магнитное поле тока определяем через напряжённость этого поля Н|. Для этого воспользуемся законом Био-Совара [58, 60]. Если ток направлен по оси Z цилиндрической системы координат.

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

Z

Рис.2.8. Расчётная схема:

D — расстояние от торца электрода до точки токоподвода; L — расстояние между электродами; гэл- радиус стержневого электрода

Тогда

И|=г — J4mz],

4 к Jr

(2.11.)

r-расстояние от элемента тока IdZ до точки с текущими координатами Z, Y, которой определяется магнитное поле Нь S- путь линейного тока.

В данном случае

где

Н,=— f-1-sinadZ. 4л — ^г2

(2.12.)

Так как

sin«=- nr2=Y2+Z2, г

то

н’=т — J

4 к ‘

(2.13.)

{z2 + y2f

Учитывая, что

——j — dZ = — 3 dZ

Jz2+y2

(z2 + Y2f

и при условии Y>rw, имеем

H,=— f — 4 icY j dZ

(2.14.)

JZ2+Y2)’

‘I’*

Чм /

В случае, если Y< гэл ; I =1

и

н,=Лі-

4яг„ J dZ

(2.15.)

Vz2 + r2 J

При Y=r3n выражения (2.15.) и (2.14.) тождественны.

Таким образом, для расчета магнитного поля тока, текущего по стержневому электроду, получаем

Откуда

/ Z + D z

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

(2.17.)

и соответственно

(2.18.)

н’ IY_______________ Z_ + D_____________ Z

4лга, [y](Z + D)2 +Y2 4z2 +Y2

На рис.2.9, показан характер распределения магнитного поля Hi вокруг дуги, построенный по выражению (2.17.), при условии, что

Z + D » Y; I =130 А ; гэл = 0,075 см

Кривые Ф ( Z, Y ) = const, приведенные на этом рисунке, получаются в результате пересечения поверхностей, имеющих одинаковое значение напряженности магнитного поля во всех точках, т. е. эквипотенциалей магнитного поля плоскостью, проходящей через ось стержневого электрода. Магнитные силовые линии поля Н (представляющие собой концентрические окружности) перпендикулярны плоскости рисунка. Естественно, что магнитное поле стержневого электрода, так же как и собственное магнитное поле дуги, является причиной сжатия столба дуги, горящей по оси этого электрода, электромагнитными силами (пропорциональными в данном случае квадрату тока), направленными к ее центру [61].

Таким образом, во всех случаях, когда взаимное расположение электродов таково, что электрическая дуга горит по оси стержневого электрода, магнитное поле тока этого электрода будет препятствовать смещению дуги от его оси, т. е. будет способствовать стабилизации дуги. Собственное же

магнитное поле электрической дуги не стабилизирует ее положение относительно оси электрода. ‘

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

Рис.2.9. Характер распределения вокруг дуги магнитного поля тока, текущего по стержневому электроду и прямолинейному столбу дуги: 1=130 А; гэл =0,075 см

Отсюда ясно, почему при наклоне одного электрода относительно другого электрическая дуга стремится гореть вдоль оси стержневого электрода, а не по кратчайшему расстоянию.

Электрическая дуга будет занимать то положение в пространстве между электродами, в котором её ось будет повторять форму кривой Ф ( Z, Y )=const, построенной для Ні=0, т. е. форму нулевой эквипотенциальной линии. При этом, когда ось дуги совпадает с нулевой эквипотенциальной линией, её столб испытывает электромагнитное сжатие со стороны магнитного поля тока, текущего по электродам. Характер распределения вокруг дуги магнитного поля Н( искажён собственным магнитнык полем криволинейного столба дуги.

Из рассмотренного случая следует, что магнитное поле тока, текущего по электродам способствует изменению формы дуги [61, 62].Это связано с наличием плазменных потоков с электродов.

В процессе горения дуги, между стержневым и плоским электродом, при наличии участка сужения дуги характер распределения магнитного поля тока, текущего по электродам или суженному участку, приводит к сжатию столба дуги. При этом формируется дуга переменного поперечного сечения, что приводит к стабилизации активного пятна и возникновению осевых потоков плазмы [61]._

Характер распределения магнитного поля вокруг дуги способствует созданию конусообразной формы дуги, горящей между стержневым и плоским электродами, у стержневого электрода она сжата сильнее, чем у плоского.

Характер распределения магнитного поля Н) объясняет такое явление, как увеличение степени блуждания дуги с ростом её длины. С повышением длины дуги уменьшается напряжённость магнитного поля Hi у плоского электрода, а следовательно, эффект стабилизации дуги по оси стержневого электрода. Отсюда следует, чем выше ток дуги при постоянном вылете и длине дуги, тем больше сжатие и эффективнее стабилизация электрической дуги относительно оси стержневого электрода.

Для получения количественной оценки влияния магнитного поля на сварочную дугу проведём эксперименты по определению изменение потока магнитной индукции на различном расстоянии от проводника. Схема измерительной установки представлена на рис.2. Юг

Для измерения потока магнитной индукции был использован комбинированный прибор Ш1-8 с зондом “С”, позволяющем производить измерения с точностью 0,01 Тесла.

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

Рис.2.10. Схема установки для определения потока магнитной индукции

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

На рис.2.11, представлены экспериментальные данные определения потока магнитной индукции в зависимости от расстояния до проводника, при различных значениях тока в проводнике.

1=130 А 1=100 А 1=70 А

5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 г, мм

Рис.2.11. Экспериментальная зависимость распределения потока магнитной индукции в зависимости от расстояния до проводника

На рис.2.12, представлена экспериментальная зависимость изменения ^ потока магнитной индукции от протекающего тока в проводнике.

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

Ю^Т

сН5мм сНІОмм сН5мм

Рис.2.12. Экспериментальная зависимость изменения потока магнитной индукции от протекающего тока в проводнике Н, А/см

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

Ч

Рис.2.13. Сравнение теорнетических (1) и экспериментальных (2) данных

Сравнение экспериментальных и теоретически рассчитанных, по уравнению 4» Био-Савара, данных показывает плохую сходимость результатов (рис.2.13.)- В

связи с этим в дальнейших исследованиях целесообразно использование

экспериментально полученных данных.

При использовании в процессе наплавки двухдуговой схемы подключения необходимо исследовать взаимодействие магнитных полей, как проводников с током, что приведёт к формоизменению и отклонению электрической дуги. Для определения угла отклонения дуги при вводе токопроводящей присадочной проволоки в зону наплавки были произведены следующие исследования. На рис.2.14, представлена схема процесса.

01,5

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

Рис.2.14. Схема формоизменения и отклонения дуги при двухдуговом способе наплавки

Для обеспечения максимального тепловложения в присадочную проволоку необходимо определить угол отклонения основной дуги, горящей + между неплавящимся вольфрамовым электродом и изделием. На рис.2.15.

представлена зависимость изменения угла отклонения дуги Qa от величины тока в присадочной проволоке. ‘

Qa, градус

Исследование магнитных полей при двухдуговой наплавке

Рис.2.15. Зависимость изменения угла отклонения дуги от величины тока в присадочной проволоке

Из рис.2.15, следует, что угол отклонения дуги возрастает прямо пропорционально с увеличением тока в присадочной проволоке. Это объясняется тем, что при совпадении, направления токов проводники стремятся приблизиться друг к другу. При выборе параметров режима наплавки следует использовать возможность перераспределения, части тепла на плавление присадочной проволоки, а не на перегрев наплавляемой поверхности. Для обеспечения максимального тепловложения в присадочную проволоку необходимо определить угол её ввода в область горения дуги. В данном случае угол ввода присадочной проволоки принимаем а = 15°, что обеспечивает поддержание прямого между основной дугой и присадочной проволокой.

Из вышеизложенного следует, что отклонение дуги прямо пропорционально магнитному потоку.