ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПОРИСТОСТЬ ПРИ СВАРКЕ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПОД ФЛЮСОМ

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена управлению сварочной дугой и сварочной ванной с помощью магнитного поля при сварке под флюсом. Управление сварочной дуги и сварочной ванны с помощью магнитного поля при сварке под флюсом используется для улучшения структуры и формирования металла шва. Для создания магнитного поля применяли соленоид с железным сердечником. С помощью продольного магнитного поля, которое вызывает вращение жидкого металла осуществляли перемешивание металла сварочной ванны. Исследование показало механизм насыщения металла шва азотом при наложении магнитного поля связан с механическим возмущением дуги и жидкого шлака. Результаты исследований показали, что устранение пор от азота можно получить с помощью снижения напряжения дуги, а также повышением частоты магнитного поля.

ABSTRACT

This article discusses magnetic field control of the welding arc and weld pool during submerged arc welding. Magnetic field control of the welding arc and weld pool during submerged arc welding is used to improve the structure and shape of the weld metal. A solenoid with an iron core was used to generate the magnetic field. The longitudinal magnetic field, which caused the liquid metal to rotate, stirred the weld pool. The study demonstrated that the mechanism by which the weld metal is saturated with nitrogen when a magnetic field is applied is related to the mechanical disturbance of the arc and liquid slag. The results showed that nitrogen pores can be eliminated by reducing the arc voltage and increasing the magnetic field frequency.

Ключевые слова: магнитное поле, соленоид, сварочная дуга, пора, флюс, структура, низкоуглеродистая сталь, дегазация металла.

Keywords: magnetic field, solenoid, welding arc, pore, flux, structure, low-carbon steel, metal degassing.

Введение

Магнитное управление дугой и сварочной ванной при сварке под флюсом используется как для улучшения структуры, так и для улучшения формирования металла шва, а при аргонодуговой сварке алюминиевых и титановых сплавов для борьбы с порами [4; 6].

По данным работы, возникновение и развитие пор происходит  как правило, в неперемешивающемся слое жидкого металла, который примыкает к фронту кристаллизации, из-за его наибольшего пересыщения растворенными газами (азот, водород) для низкоуглеродистой стали и наличия центров зарождения пор (вершин кристаллов в т. д.).

В основу настоящего исследования была положена гипотеза, что при перемешивании жидкого металла в зоне кристаллизации должна снизиться степень его пересыщения растворенными газами и, следовательно, количество пор.

Материалы и методы исследования

Перемешивание металла сварочной ванны осуществляли с помощью продольного, относительно оси электрода, магнитного поля, которое при взаимодействии со сварочным током, протекающим в ванне, вызывает вращение жидкого металла. Исследования проводили при наплавке валиков на пластины размерами 400х150 мм из стали Ст3 толщиной 10 мм проволокой Св-08Г2С диаметром 2 мм под флюсом АН-348А постоянным током обратной полярности (I_д=450-500 A, U_д=33-35 B. V_св=25 м/ч). Пористость получали с помощью природной ржавчины, которую перед сваркой засыпали в канавку вдоль оси шва. Для перемешивания сварочной ванны использовали постоянное и переменное магнитное поле частотой 2–10 и 50 Гц. Сварку осуществляли трактором ТС-35, питание дуги от преобразователя ПС-500.

Магнитное поле создавали соленоидом с наборным железным сердечником, который располагали двумя способами на сварочном автомате (рис. 1). Эти способы позволили получить две противоположные закономерности распределения магнитного поля в сварочной ванне, обеспечивающие различный режим перемешивания металла.

Рисунок 1. Схема сварки под флюсом с продольным магнитным полем

При сварке низкоуглеродистой стали сварочная ванна, часть шва и околошовной зоны до изотермы 770°С являются неферромагнитными. Данная неферромагнитная зона оказывает большое влияние на величину и характер распределения магнитного поля в сварочной ванне. При измерении магнитного поля неферромагнитную зону моделировали прорезью в пластине из стали Ст3, форма и размеры которой соответствовали положению изотермы 770°С на поверхностях пластины. Следует отметить, что длина прорези более 100 мм практически не влияет на распределение магнитного поля. Для переменного поля измеряли амплитудное значение его напряженности.

Исследовали влияние магнитного поля на пористость при сварке без добавления ржавчины. При этом соленоид располагали на мундштуке трактора, что позволяло оказывать сильное воздействие не только на ванну, но и на дугу.

Результаты и обсуждения

Эксперименты показали, что при сварке с магнитным полем увеличение напряжения дуги может привести к образованию пор. Так, если при сварке без магнитного поля швы не имели пор до напряжения дуги 50 В, то при сварке с постоянным магнитным полем напряженностью до 50000 А/м при напряжении дуги 40–45 В по поверхности шва появлялись риски — следы выделившихся пузырьков газа, а при напряжении дуги 50 В в шве возникали поры.

Газовый анализ показал, что с ростом напряжения дуги магнитное поле увеличивает насыщение металла шва азотом, который в связи с этим можно считать основной причиной образования пор в шве.

Продольное магнитное поле из-за механического воздействия на дугу значительно меняет перенос электродного металла, температуру дуги, напряженность электрического поля и величину статического давления в столбе. Например, при сильном вращении дуги под действием продольного магнитного поля в ней может возникнуть вакуум, измеряемый несколькими десятками миллиметров водяного столба [1; 6]. С другой стороны, магнитное поле оказывает влияние на жидкий шлак, так как через него протекает некоторая доля сварочного тока. Под действием продольного магнитного поля жидкий шлак, как и жидкий металл сварочной ванны, смещается от оси горения дуги к периферии. При таком смещении может в некоторой степени открываться и контактировать с атмосферой шлака дуга, в результате чего под действием вакуума в шве будет интенсивно засасываться воздух и насыщать азотом металл сварочной ванны.

Таким образом, можно считать, что механизм насыщения металла шва азотом при наложения магнитного поля связан с механическим возмущением дуги и жидкого шлака, что требует специальных исследований.

Опытным путем установлено, что устранить поры от азота можно не только снижением напряжения дуги, но и повышением частоты магнитного поля. Это можно объяснить тем, что с ростом частоты магнитного поля резко падает интенсивность механических возмущений дуги и шлака.

Влияние магнитного поля на пористость оценивали при сварке по слою ржавчины, когда поры возникают от действия водорода, возникающего при разложении влаги в ржавчине [7]. Число пор при этом можно регулировать изменением количества ржавчины.

Опыты показали, что при сварке по ржавчине, когда соленоид располагался на мундштуке трактора и максимальное поле приходилось на зону горения дуги, количество пор с ростом магнитного поля возрастало по сравнению со сваркой без магнитного поля. В некоторых случаях число пор с ростом магнитного поля начинало падать, но это падение не приводило к уменьшению пор ниже исходного значения. Следовательно, в данном случае магнитное поле также приводило к увеличению насыщения металла шва водородом и только при сильных полях эффект насыщения в некоторой степени компенсировался эффектом дегазации металла от перемешивания. Газонасыщение сварочной ванны водородом в данном случае можно объяснять тем, что дуга при вращении в сильном магнитном поле за счет вакуума может притягивать к себе водород, выделяющийся из ванны в пределах газового пузыря, и дополнительно насыщать им капли электродного металла.

Положительные результаты по борьбе с порами были получены при расположении соленоида со смещением от мундштука к зоне кристаллизации (рис. 1, б). При этом необходимо отметить, что при повторении опытов (с одинаковым количеством ржавчины) через несколько суток в ряде случаев пористость была различной.

Заключение

При сварке низкоуглеродистой стали под флюсом с продольным магнитным полем, когда максимум его напряженности приходится на зону горения дуги (при расположении соленоида на мундштуке сварочного автомата), повышенное напряжение дуги может явиться причиной появления пор от избыточного насыщения металла шва азотом. Магнитное поле, полученное от соленоида, расположенного на мундштуке сварочного автомата, из-за неблагоприятного распределения в сварочной ванне увеличивает пористость, вызванную ржавчиной, при сварке низкоуглеродистой стали под флюсом. Устранению пор от ржавчины при сварке низкоуглеродистой стали под флюсом способствует магнитное поле соленоида, смещенного от мундштука к зоне кристаллизации.

Список литературы:

1. Зернов А.В. Применение продольных магнитных полей при автоматической сварке под флюсом корневого шва поворотных стыков трубопроводов // Сварочное производство. — 1990. — № 3.
2. Малинкин И.В., Черныш В.П. Выбор режима электромагнитного перемешивания сварочной ванны // Автоматическая сварка. — 1999. — № 7.
3. Размышляев А.Д., Миронова М.В., Лещенко А.И. Повышение качества стыковых соединений при дуговой сварке в продольном магнитном поле // Вестник ПрГТУ. — 2012. — № 1 (24).
4. Размышляев А.Д., Миронова М.В., Ярмонов С.В., Выдмыш П.А. Особенности проплавления основного металла при дуговой наплавке с воздействием поперечного магнитного поля // Вестник ПрГТУ. — 2012. — № 1 (24).
5. Сибата Х., Асан К. Влияние электромагнитного перешивания на изменение конфигурации валика сварного шва, глубины проплавления и на прочность конструкции при электродуговой сварке мягкой стали под флюсом // Journal of Japan Welding Society. — Vol. 41. — 2004. — № 7. — С. 811–817.
6. Харчевникова Е.А. Болотов С.В. Магнитные поля при сварке и защита от их воздействия // Вестник БРУ. — 2008. — № 2 (19).
7. Черныш В.П. Структура и свойства металла швoв на сплаве АМг6 при сварке с электромагнитным перемешиванием // Автоматическая сварка. — 1991. —  № 11.
8. Dunyashin N.S., Khudoyorov S.S., Zairkulov E.Y., Valuev D.V., Karlina A.I. Study of the Effect of K2O, Na2O, MgO, Al2O3 Oxide Additions on Density, Viscosity, Separability and Covering Capacity of CaO–MnO–SiO2 System Slag in Low Carbon Steel Automatic Submerged Arc Welding // Metallurgist. — 2023.