CC BY
36
УДК 621.791+533.95
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДУГОВОГО РАЗРЯДА С КВАЗИГАРМОНИЧЕСКОЙ КОМПОНЕНТОЙ ПИТАНИЯ
С.М. Бурдаков, В.М. Козловцев
Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»
Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI»
В статье рассматривается влияние дополнительной квазигармонической компоненты питания на энергетические характеристики сварочной дуги постоянного тока, горящей в среде аргона. Для исследования электрических характеристик дугового разряда был предложен метод зондирования. Проанализированы осциллограммы, снимаемые с зондов с наложением и без наложения дополнительной компоненты питания.
Ключевые слова: плазменно-дуговые процессы, электрические характеристики сварочной дуги постоянного тока, квазигармоническая компонента питания, метод зондирования, ремонт АЭС, ремонт тепловых электростанций.
The article examines the influence of additional quasiharmonic power component on energy features of constant current welding arc burning in argon. For researching the energy features of arc the method of probing was proposed. Oscillograms received from the probes with and without superposition of additional power component.
Keywords: arc-plasmous process, energy features of constant current welding arc, quasiharmonic power component, the method of probing, maintenance of Nuclear power plant, maintenance of thermal power plants.
Изготовление и ремонт оборудования для тепловых и атомных электростанций связаны с применением аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом. Выполнение качественных сварных соединений из высокопрочных и коррозионно-стойких сталей часто бывает затруднено из-за низкой устойчивости и явления «блуждания» дугового разряда, что приводит к снижению технологических свойств сварочного процесса, образованию недопустимых дефектов в металле шва и эксплуатационной надежности оборудования в целом.[1]
Известно, что использование дополнительной квазигармонической компоненты питания дугового разряда постоянного тока повышает его устойчивость в 2-3 раза при ручной дуговой сварке покрытыми электродами. [2] Однако оценить влияние данной компоненты питания сварочной дуги на ее энергетические характеристики было затруднительно, так как все исследования проводились с участием плавящегося электрода, где имелось явление каплепереноса, являющееся помеховносящим фактором для измерения. Процессы, протекающие при аргонодуговой сварке неплавящимся вольфрамовым электродом в условиях использования данной
компоненты питания, изучены недостаточно. Поэтому улучшение качества ответственных сварных соединений за счет повышения устойчивости горения дугового разряда является актуальным.
Цель данной работы - исследование влияния дополнительной квазигармонической компоненты питания на энергетические характеристики сварочной дуги постоянного тока, горящей в среде аргона.
Для исследования электрических характеристик дугового разряда использовался метод зондирования. [3] Была разработана методика исследования энергетических параметров дуги с использованием двух зондов, выполненных из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3 мм с разной длиной вылета. Зонды закрепляли в специальные направляющие, расположенные на тележке с электрическим приводом. Для получения точечного зонда и его защиты от оплавления использовали керамическую трубку с толщиной стенки 0,5 мм. Скорость движения тележки составляла 0,025м/с. Схема оборудования для проведения исследований приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема установки для зондовых исследований плазменно-дуговых
процессов:
1 - горелка для сварки в среде аргона; 2 - зонд; 3 - медная пластина толщиной 10 мм; 4 - источник питания постоянного тока; 5 - устройство для генерации квазигармонической компоненты питания, 6 - информационно-измерительная система;
7 - устройство для движения зондов.
Исследовали сварочную дугу длиной 5мм горящую в среде аргона (расход газа 5 л/час) в трех режимах: 1д=60А, Цд=22В; 1д=90А, ид=24В; 1д=120 А, Ц=26В с наложением (£=60 кГц ) и без наложения дополнительной компоненты питания. Наложение на дугу производилось от параллельно подключенного к основному источнику специального устройства мощностью 500 Вт с напряжением холостого хода 80 В. Дугу зажигали между вольфрамовым катодом и медным анодом контактным способом. Для исследования только требуемой точки сечения столба дуги вылет электрода из керамической трубки составлял 0,5 мм. После получения дугового разряда перемещали устройство 7 (рис. 1) и вводили зонды в исследуемые точки. Схема зондов приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема и фотография блока зондирующих элементов: 1 - вольфрамовый электрод; 2 - керамическая трубка; 3 - крепление; 4 - тележка с электроприводом
1
Врекя провождения зонда. Сек
а) 1д=60А, без наложения квазигармонической компоненты питания
б) 1д=60А, с наложением квазигармонической компоненты питания £=60кГц
Рисунок 3 - Осциллограммы напряжения, снимаемые с зондов: №1, 2 при токе 60 (а, б) А, без и с наложением квазигармонической компоненты питания (£=60кГц): I - зонд №1; II - зонд №2
" 1« 16
£ 16144
I 123
3 И2
( 96
1™. 6.4
В « &
5 Л 1.6
1 1 1 1
Г\У \
1 / 2 / \
/ \
/ Vй
/ \
1- -1—X / , \
1.4
212
234
3.56
4. 23
Время промэгпеккя я>ш1 Сек
в) 1д=90А, без наложения квазигармонической компоненты питания
г) 1д=90А, с наложением квазигармонической компоненты питания ?=60кГц
д) 1д=120А, без наложения квазигармонической компоненты питания
е) 1д=120А, с наложением квазигармонической компоненты питания £=60кГц
Рисунок 3 (Продолжение) - Осциллограммы напряжения, снимаемые с зондов: №1, 2 при токе 90 (в, г) и 120 (д, е) А, без и с наложением квазигармонической компоненты питания (?=60кГц): I - зонд №1; II - зонд №2
Процесс отслеживался информационно-измерительной системой на основе АЦП Е-330 фирмы L-Card. Данные о напряжении, снимаемом с зондов, поступали в ЭВМ. Погрешность результатов измерений составляла 3%.
Были получены осциллограммы, снимаемые с зондов, с наложением и без наложения дополнительной компоненты питания представленные на рисунке 3.
Из полученных зависимостей можно выделить три основных участка. Участок 1 соответствует прохождению зонда через периферийный участок дугового разряда. Участок 2 отражает момент прохождение зонда через центральную часть дуги. Участок 3 - выходу зонда через периферийную область. С увеличением постоянного тока наблюдается закономерное снижение падения напряжения, что связано с повышением электропроводности дугового разряда. Увеличение тока с 60А до 120А привело к уменьшению падения напряжения на 3,2В в центральной части столба дуги.
На осциллограммах, полученных с наложением дополнительной компоненты питания на дуговой разряд постоянного тока, можно увидеть накладываемую высокочастотную составляющую. Рассматривая зону 2 видно, что амплитуда напряжения в ней понижается при наложении квазигармонической компоненты. Электропроводность в этой зоне возрастает, что связано с повышением концентрации заряженных частиц в ней за счет обжатия дуги и роста уровня ионизации, что увеличивает температуру в центральном участке сварочной дуги. Кроме того, наложение дополнительной компоненты на дуговой разряд (60, 90, 120А) уменьшило падение напряжение в центральном участке 2 соответственно на 0,9, 0,6, 0,4В по сравнению с режимом без наложения воздействия. Воздействие на дуговой разряд подобным образом приводит к его обжатию, что характеризуется меньшим временем прохождения зонда через плазму столба дуги. Так для режима без наложения 60А -0,75с, 90А - 0,9с, 120А - 1,2с, с наложением квазигармонической компоненты 60А -0,7с, 90А - 0,75с, 120А - 0,8с.
При наложении компоненты питания частотой 60кГц на кривых появляется характерный участок 4, свидетельствующий о появлении SKIN-слоя. В этой области наблюдаются пульсации повышенной амплитуды, для режима 60А до 9,6В, 90А до 8В, 120А до 7,8В. Вероятно, их появление связано с падением высокочастотного напряжения на SKIN-слое, образованном токами высокой частоты в периферийной зоне дуги постоянного тока. Это соответствует физической модели дугового разряда постоянного тока с наложенным высокочастотным напряжением, приведенной в работе
[4].
Действительно, проводимость в SKIN-слое дугового разряда ухудшается, что, видимо, связано с уменьшением степени ионизации и рекомбинации заряженных частиц, увеличения так называемой ступенчатой ионизации и соответствующим понижением температуры в этой области.
Возникновение градиента температур между центральной (осевой) и периферийной частями столба дуги способствует его обжатию и повышению устойчивости горения. Эффект блуждания дуги отсутствовал.
Выводы:
1. Наложение на дугу постоянного тока квазигармонической компоненты питания уменьшает падение напряжения в столбе дугового разряда.
2. Для дуги с наложенной квазигармонической компонентой питания отмечено сужение ее столба по сравнению с дугой, горящей только в среде аргона. Обжатию столба дуги способствует возникающий SKIN-слой.
Литература
1. Хромченко Ф.А. Надежность сварных соединений труб котлов и паропроводов. - М.: «Энергоиздат», 1982. - 120 с.
2. Чернов А.В., Полетаев Ю.В., Кавришвили З.О., Бурдаков С.М. Повышение устойчивости горения дуги при сварке покрытыми электродами // Сварочное производство. - 2000. - №2. - С. 7-9.
3. Подгорный И.М. Лекции по диагностике плазмы. - М.: «Атомиздат», 1968. -217 с.
4. Бурдаков С.М., Чернов А.В., Полетаев Ю.В., Полежаев С.В. Физическая модель электрического дугового разряда с наложением высокочастотного напряжения // Сварочное производство. - 2001. - № 11. - С. 13-16.
Бурдаков Сергей Михайлович- к.т.н., доцент кафедры «Строительные производства» Волгодонского инженерно-технического института - филиала Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». E-mail: [email protected]
Козловцев Валерий Михайлович - старший преподаватель кафедры «Строительные производства» Волгодонского инженерно-технического института -филиала Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». E-mail: [email protected]
Bourdakov Sergei M. - candidate of Technical sciences, associate professor of the department «Building productions» of Volgodonsk Engineering Technical Institute - the branch of National Research Nuclear University «MEPhI».E-mail: [email protected]
Kozlovtsev Valeri M. - senior lecturerof the department «Building productions» of Volgodonsk Engineering Technical Institute - the branch of National Research Nuclear University «MEPhI».E-mail: [email protected]
