CC BY
14
15. Rutan, S. Modern Siege Weapons: Mechanics of the Trebuchet [Electronic resource] / S. Rutan, B. Wieczorek. - 2005. -Available at: https://mse.redwoods.edu/darnold/math55/DEProj/sp05/bshawn/TrebuchetMotionPDF.pdf
16. Johnson, B. Trebuchet parametric design optimization [Electronic resource] / B. Johnson. - 2016. - Available at: https://www.slideshare.net/BenjaminJohnson81/me-644-trebuchet-parametric-design-optimization
Дата надходження рукопису 30.10.2017
Куценко Леонщ Миколайович, доктор технчних наук, професор, кафедра iнженерноl та аваршно-рятувально! техшки, Нацюнальний ушверситет цившьного захисту Укра!ни, вул. Чернишевська, 94, м. Харк1в, Укра!на, 61023 E-mail: [email protected]
Семк1в Олег Михайлович, доктор техшчних наук, доцент, проректор, кафедра наглядово-профшактично! даяльносп, Нацiональний ушверситет цившьного захисту Укра!ни, вул. Чернишевська, 94, м. Харшв, Укра-1на, 61023
E-mail: [email protected]
Калиновський Андр1й Якович, кандидат технiчних наук, доцент, кафедра шженерно! та аваршно-рятувально! технiки, Нацiональний унiверситет цивiльного захисту Украши, вул. Чернишевська, 94, м. Харшв, Укра!на, 61023 E-mail: [email protected]
Шксасов Михайло Михайлович, кандидат технчних наук, Центр шформацшних технологiй, Нацюнальний ушверситет цившьного захисту Украши, вул. Чернишевська, 94, м. Харшв, Украша, 61023 E-mail: [email protected]
Сухарькова Олена 1вашвна, асистент, кафедра нарисно! геометрп та комп'ютерно! графiки, Укра!нсь-кий державний ушверситет залiзничного транспорту, пл. Фейербаха, 7, м. Харшв, Укра!на, 61050
УДК 621.791.
DOI: 10.15587/2313-8416.2017.118409
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ДУГИ НА ДЕФЕКТЫ В ШВЕ ПРИ СВАРКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
© Б. В. Ситников, В. П. Маршуба, Н. Н. Мирошниченко, Л. В. Соловей, И. В. Асеева, С. Широков
Исследовано влияние силового воздействия импульсно-дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов на металл шва в процессе выполнения сварных соединений из алюминиевых сплавов. В частности, рассмотрены вопросы силового влияния импульсно-дуговой сварки на дегазацию сварочной ванны и разрушение поверхностных окисных пленок в процессе сварки. Изучены механические свойства сварных соединений из алюминиевого сплава АМг6
Ключевые слова: импульсно-дуговая сварка, электрод, аргон, алюминий, сварочная ванна, пленки, воздействие дуги
1. Введение
Применение импульсно-дуговой сварки при выполнении сварных соединений алюминиевых сплавов позволяет, как известно, повысить качество их соединения и, в частности, приводит к разрушению оксидных плёнок, снижению пористости сварного шва.
Рекомендации относительно параметров процесса импульсно-дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов алюминиевых сплавов, в частности сплава АМг6, неоднозначны. При этом используют импульсы сварочного тока различной амплитуды и формы при низкой, средней и высокой частоте. Положительное влияние импульсов объясняют главным образом динамическим воздействием дуги на сварочную ванну, вызывающим ее колебания и перемешивание [1].
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Сварные швы, соединений из сплава АМг6, выполненные в защитных газах, при наличии на поверхностях соединяемых кромок и присадочной проволоки окисные пленки, сформированных в процессе длительного атмосферного воздействия, имеют большое количество окисных включений и пор [1]. Это приводит к нарушению целостности сварного шва и образованию течей. Применение импульсно-дуговой сварки при выполнении сварных соединений из алюминиевых сплавов, позволяет повысить их качество, и в частности, приводит к разрушению оксидных пленок, снижению пористости шва [2]. Однако рекомендации относительно параметров процесса им-пульсно-дуговой сварки неоднозначны.
Анализ литературных данных показал, что силовое воздействие импульсной дуги импульсно-дуговой сварки, может способствовать снижению пористости [3] и протяженности [4] оксидных включений, сварных швах выполненных на алюминиевых сплавах.
Однако рекомендации относительно параметров процесса импульсно-дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов при соединении алюминиевых сплавов, в частности сплава АМг6, неоднозначны, что не дает возможности их использовать в реальных условиях сварочного производства.
Статистика показывает, что при импульсно-дуговой сварке пористость снижается с 50 % от общего количества встречающихся дефектов до 27%, а окисные пленки с 35 % до 18 % [5]. Поэтому, внедрение и совершенствование процесса импульсно-дуговой сварки алюминиевых сплавов является актуальным.
Определить влияние силового воздействия дуги на процессы дегазации металла сварочной ванны. Установить протяженность окисных пленок в металлах шва. Это связано, с тем, что в настоящее время не установлена связь между характером силового воздействия импульсной дуги и процессами дегазации и раздробления окисных пленок в металле сварного шва [6].
3. Цель и задачи исследований
Цель исследования - является исследование влияния силового воздействия импульсной дуги на дегазацию металла сварочной ванны и разрушение окисных пленок в сварных швах сплава АМг6.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- определение силового воздействия импульсной дуги с вольфрамовым электродом в аргоне на сварочную ванну;
- исследование особенностей влияния силового воздействия импульсной дуги на дегазацию сварочной ванны и протяженность оксидных плёнок (Al2O3) в сварном шве.
4. Материалы и методы исследования влияния силового воздействия импульсной дуги на процессы дегазации и разрушения окисных пленок в сварных швах сплава АМг6
4. 1. Исследуемые материалы и оборудование, которое использовалось при проведении экспериментов
Автоматическую сварку образцов из сплава АМг6 толщиной 4 мм выполняли встык вольфрамовым электродом марки ЭВЛ в аргоне с присадочной проволокой Св-Амг6 диаметром 1,2 мм. Эффективность импульсного воздействия дуги оценивали по двум показателям: разрушению оксидной плёнки [4] и уменьшению количества пор в металле шва. Импульсы сварочного тока создавали с помощью тиристорных модуляторов. В качестве базового процесса рассматривали сварку от серийного источника ТИР-315Д.
Силовое воздействие импульсной дуги на металл сварочной ванны определяли по схеме приведенной на рис. 1. Схема состоит из пьезоэлектрического датчика давления, кварцевых пластин, которое через шток жестко соединены с угольным электродом, усилителя с высоким входным сопротивле-
нием и осциллографа. При подаче импульса сварочного тока в малоамперный дуговой разряд измеряемая сила давления дуги через угольный электрод 4 и шток 6 воздействует на параллельно соединенные кварцевые.
Рис. 1. Схема измерения силового воздействия импульсной
дуги: 1 - сопло сварочной горелки; 2 - вольфрамовый электрод; 3 - соленоид; 4 - угольный электрод; 5 - гибкий
токоподвод; 6 - шток; 7 - прокладка уплотнительная; 8 - кварцевые пластины; 9 - средняя обкладка ( латунная фольга ); 10 - экран; 11 - изолятор; 12 - экранированный кабель; 13 - усилитель; 14 - осциллограф
Возникающий при этом электрический сигнал снимается при помощи кабеля 12, усиливается и регистрируется осциллографом. Применение пьезокварце-вого датчика для измерения силы давления дуги в переходных процессах обосновано его высокой точностью воспроизведения характера изменения силы, обеспечением минимальной погрешности в широком температурном диапазоне (вплоть до 723 Ю, а также его возможностями фиксировать усилия с малым временем нарастания [5].
4. 2. Методика определения показателей
Для определения области допустимых значений длительности фронта импульса силы, который датчик воспроизводил бы без искажений, была экспериментально снята и построена его амплитудно-частотная характеристика (рис. 2), на основании которой можно утверждать, что эквивалентная схема применяемого датчика имеет вид: в области низких частот - рис. 3, а; в области средних частот - рис. 3, б; в области верхних частот - рис. 3, в [6].
Относительный коэффициент передачи преобразователя в области верхних частот имеет вид [6].
v =
1
1 + icoRlcl
(1)
где, ю - круговая частота; К\ и с - эквивалентные параметры датчика.
Для определения переходной характеристики датчика в области малых времён заменим у на Р(8) и /ю на 5".
10' ю' ю' ю4 /,Гц Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика пьезокварцевого датчика
m„
(6)
где авг - верхняя граничная частота, соответству-1
ющая значению у = —=.
•Д
Используя зависимость (6), можно несколько изменись выражение (4), которое позволит использовать экспериментально снятую амплитудно-частотную характеристику преобразователя:
t.
ln9
ф-min
2ж/в.
(7)
Подставляя численные значения в (7), получим:
Рис. 3. Эквивалентная схема преобразователя: а - в области низких частот; б - в области средних частот; в - в области верхних частот
F ( S )= —
v ' 1 + S
+ St,
(2)
где тх = Яхсх - постоянная времени преобразователя в области верхних частот.
Из таблиц преобразований Лапласа найден оригинал, представляющий собой нормированную переходную характеристику в области малых времён
щ (t) = 1 - е T1.
(3)
Минимально возможную длительность фронта импульса на выходе преобразователя находим
как время нарастания сигнала от уровня 0,1 до уровня 0,9 своего стационарного значения. Для этого из выражения (3) находим значения параметра ^, соответствующего значениям нормированной переходной характеристики, численно равным вышеуказанным величинам. ^ соответствует значению щ = 0,1 и /2
значению щ = 0,1. Таким образом:
t
2,2
ф1ШП 6,28 х 8,0 х 103
= 4,4 х10 .
Относительный коэффициент передачи в области нижних частот имеет вид [5]:
v = -
1
1
im
1 + -
1
1
1 + -
iaRxcx 1ат2
1
im+--
(8)
t
Модуль относительного коэффициента передачи, согласно [8], равен:
У =
1
V
(9)
1 +
Зная, что на низшей граничной частоте
1
у=ц-
имеем:
U.mn = h - t =Tln9 = 2,2Т
(4)
Для определения необходимо знать по-
стоянную времени тх, которая находится из амплитудно-частотной характеристики преобразователя [7].
Аналитическое выражение, представляющее эту зависимость в области верхних частот, согласно [5], имеет вид:
у =
1
ф + (®т)2 '
(5)
Подставляя в это выражение значение относительного коэффициента передачи, соответствующего
верхней граничной частоте у = . Получим:
' ' 42
2ж/и
(10)
Согласно обратному преобразованию Лапласа, нормированную переходную характеристику в области больших времен можно представить:
Щ)=е
(11)
Отсюда определяем уменьшение выходной величины при неизменной входной:
А = 1 ) = 1 -е
(12)
Допуская А <к 1, что е - разлагаем в ряд Тейлора и подставляем первые два члена в выражение (12), имеем:
1
Т1 =
а
б
в
2
1
Т2 =
Д = -. (13)
Используя выражение (10), получим:
Д = 2п/п_г, х 1и . (14)
Следовательно, максимальная длительность постоянного силового воздействия дуги при Д = 0,1 не должно превышать 0,2 с.
Динамическая градуировка датчика, осуществлялась пневматическим задатчиком давления по методике, приведенной в работе [9].
На рис. 4 представлены кривые показания датчика при различной крутизне фронта нарастания тока дуги. Чем больше крутизна фронта нарастания, тем круче фронт нарастания силы давления дуги и выше пик показаний датчика. Максимум показания датчика приходит на момент достижения тока дуги 210 А. Далее сила давления дуги падает по закону, близкому к экспоненциальному, до значения силы давления дуги, соответствующему току дуги 250 А в установившемся режиме.
Рис. 4. Зависимость силы давления дуги от времени при различных значениях крутизны нарастания тока импульса: 1-2,5х 105Ас-; 2-1,2х 105 Ас-; 3-0,6х 105 Ас-
Проведенный анализ процессов [10], проходящих при импульсном разряде, показал, что вследствие большого начального давления в столбе дуги имеет место расширение плазменного жгута с одновременным ускорением потоков плазмы вдоль электродов под действием магнитного давления. Поэтому наиболее вероятной причиной значительного повышения силы дуги в начальный период развития импульсно-дугового разряда по сравнению со стационарным разрядом является отставание скорости увеличения площади активных пятен от скорости нарастания тока импульса. Через некоторое время, зависящее от теп-лофизических свойств материала электродов, активные пятна достигают необходимых размеров, столб дуги принимает обычную конусообразную форму, в результате чего происходит падение давления.
Для оценки силового воздействия дуги с различной крутизной нарастания тока импульса на пористость, наличие и протяженность окисных пленок в сварных швах были сварены плоские образцы толщиною 4 мм на под площадке из нержавеющей стали с проплавно-изолирующей канавкой овальной формы глубиной 1,2 мм. Результаты проведенных экспериментов приведены, соответственно на рис. 5, 6.
Как видно из приведенных зависимостей процессы дегазации металла шва в значительной степени зависит от нарастания значений тока импульса. При токе импульса 250 А средний объем пустот с увеличени-
ем крутизны нарастания ток импульса с 0,5 х105 Ас 1 до 2,5х105Ас~' уменьшается с 0,37 до 0,12 %, что близко к их содержанию в основном металле.
Можно предположить, что более интенсивное перемешивание сварочной ванны с увеличением крутизны тока импульса способствует раздроблению и выносу окисных пленок на поверхность, где они разрушаются катодным распылением.
Рис. 5. Зависимость среднего объема пустот в металле шва от крутизны нарастания импульса тока
Об этом свидетельствуют результаты замеров количества и протяженности (на 1 м шва) окисных пленок, обнаруженных в металле сварных швов (рис. 6).
Сокращение количества и протяженности окисных включений и пористости в сварных швах сплава АМг-6 в результате увеличения силового воздействия импульсной дуги на сварочную ванну привело к повышению прочности сварных соединений. Среднее значение предела прочности соединений увеличилось с 28,1 до 30,5 кгс/мм2, разброс значений прочности при этом сократился с 9,1 до 4,9 кгс/мм2.
Рис. 6. Влияние крутизны нарастания тока импульса на количество и протяженность окисных пленок в шве
6. Выводы
1. В изменении силы давления импульсной дуги имеет место явно выраженный максимум, величина которого тем выше, чем выше величина перепада токов и скорость изменения тока дуги.
2. Появление пика в изменении силы давления дуги следует отнести к разной тепловой инерции в столбе дуги и при электродных областях дуги.
3. При сварке сплава АМг6 вольфрамовым электродом в аргоне увеличение силового воздействия импульсной дуги на ванну способствует снижению пористости, количества и протяжённости окисных включений в металле шва и, как следствие, повышению прочности сварных соединений.
Литература
1. Скачков, Ю. Н. Причины появления окисных плен в сварных швах сплава АМг6 [Текст] / Ю. Н. Скачков, О. М. Новиков, М. Д. Мамон // Сварочное производство. - 1973. - № 4. - С. 27-29.
2. Хейфец, А. Л. Влияние параметров импульсов тока на разрушение оксидных пленок и дегазации ванны при сварке тонкостенных конструкций из сплава АМг6 [Текст] / А. Л. Хейфец, И. М. Гольдфарт // Автоматическая сварка. - 1991. -№ 11. - С. 33-36.
3. Ищенко, А. Я. Предотвращение включений оксидной пленки в швах при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов [Текст] / А. Я. Ищенко, А. Г. Покляцкий, М. П. Яворская // Автоматическая сварка. - 1989. - № 6. - С. 38-41.
4. Мауро, Х. Формирование валика сварного шва при импульсной дуговой сварке неплавящимся электродом в инертных газах [Текст] / Х. Мауро, Е. Хирата // Quarterly journal of the japan welding society. - 1985. - T. 3, № 2. - С. 17-24.
5. Рязанцев, В. И. Особенности кристаллизации сварочной ванны при сварке с наожением на дугу кратковременных импульсов тока [Текст] / В. И. Рязанцев, Г. А. Славин, Н. М. Трохинская и др. // Сварочное производство. - 1988. - № 4. -С. 39-41.
6. Новицкий, П. В. Электротехнические измерения неэлектрических величин [Текст] / П. В. Новицкий. - Л.: Энергия, 1975. - 576 с.
7. Мaмонкин, И. Г. Усилительные устройства [Текст] / И. Г. Мaмонкин. - М.: Связь, 1966. - 400 с.
8. Цыкин, Г. С. Электронные усилители [Текст] / Г. С. Цыкин. - М.: Связь, 1986. - 510 с.
9. Бойков, Н. А. Измерение давлений при быстропротекающих процессах [Текст] / Н. А. Бойков, П. С. Звездин, Л. Б. Резник. - М.: Энергия, 1970. - 64 с.
10. Колесников, П. Н. Электродинамическое ускорение плазмы [Текст] / П. Н. Колесников. - М.: Атом-издат, 1971. - 372 с.
Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук Дмитрик В. В.
Дата надходження рукопису 30.10.2017
Ситников Борис Валентинович, кандидат технических наук, доцент, кафедра сварки, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Кирпичева, 2, г. Харьков, Украина, 61002
E-mail: sitnikovboris@ outlook.com
Маршуба Вячеслав Павлович, кандидат технических наук, доцент, кафедра сварки, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Кирпичева, 2, г. Харьков, Украина, 61002
E-mail: marshuba_vp@ outlook.com
Мирошниченко Наталья Николаевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра интегрированных технологий, процессов и аппаратов, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Кирпичева, 2, г. Харьков, Украина, 61002 E-mail: [email protected]
Соловей Людмила Валентиновна, старший преподаватель, кафедра интегрированных технологий, процессов и аппаратов, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Кирпичева, 2, г. Харьков, Украина, 61002 E-mail: [email protected]
Асеева Ирина Владимировна, ассистент, кафедра общей и неорганической химии, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Кирпичева, 2, г. Харьков, Украина, 61002
E-mail: [email protected]
Широков Стефан, кафедра интегрированных технологий, процессов и аппаратов, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Кирпичева, 2, г. Харьков, Украина, 61002
E-mail: [email protected]
