CC BY
114
УДК 621.791
Р. А. Мейстер, М. А. Лубнин, С. А. Готовко, А. Р. Мейстер, А. Н. Григорьев
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ ДУГИ НА МАЛЫХ ТОКАХ
Приведены осциллограммы токов и напряжений при подключении однофазного сварочного выпрямителя на активную нагрузку. Пульсации тока и напряжения при включении конденсаторов и индуктивности уменьшаются, что позволяет сваривать торцевые соединения толщиной 0,1-0,2 мм.
Ключевые слова: осциллографирование, ток, напряжение, толщина 0,1-0,2 мм, сварка неплавящимся электродом (ТЮ).
При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом диаметром 1-5 мм в защитных газах током менее 10-15 А дуга горит неустойчиво [1]. Однофазный выпрямитель с конденсаторным умножителем напряжения и индуктивностью сварочной цепи 0,8-1,2 мГн обеспечивает устойчивое горение дуги вольфрамовым электродом в защитных газах при силе тока более 1 А [2].
Ухудшение устойчивости горения дуги неплавящимся электродом в защитных газах объясняется отставанием и блужданием активных пятен [3-5]. Но это явление объясняется на уровне гипотез [5; 6]. Во многих работах приводятся сведения о поведении катодного пятна, которое на плоском электроде обладает своеобразной инерцией и после движения верхнего электрода некоторое время удерживается на месте - отставание пятна зависит от скорости движения электродов, расстояния между ними и силы тока. Также пятно может передвигаться отдельными шагами, переступая от одной остановки к другой. Причем на вольфраме и стали пятно неподвижно, а на алюминии и меди движение столь интенсивно, что создается впечатление кратковременного присутствия на поверхности одновременно нескольких малых по размеру активных пятен, обеспечивающих катодное распыление окисной пленки [7].
Устойчивость горения дуги на малых токах также определяется конструкцией электродов и ее тепловой мощностью, поступающей в электрод. Она стремится к некоторой определенной величине, принимаемой за критическую, ниже которой устойчивый дуговой разряд существовать не может. При уменьшении тока наступает момент, когда тепловой мощности, поступающей в электрод от дуги, оказывается недостаточно для поддержания температуры катодного пятна на уровне, обеспечивающем высокую степень термоэлектронной эмиссии. Из-за недостатка тепловой мощности активное пятно начинает перемещаться по микровыступам боковой поверхности электрода, эмиссия электронов с которых под воздействием электрического поля максимальна [4].
Работоспособность электродов при сварке и устойчивость горения на малых токах (1-10 А) можно улучшить, снизив теплоотвод от рабочего участка и обеспечив близкий к равномерному его нагрев. Наиболее просто эта задача решается увеличением сопротивления вылета путем уменьшения диаметра неплавящегося вольфрамового электрода. При силе
тока 1-10 А близкий к равномерному нагрев рабочего участка достигается применением электродов диаметром 0,3 мм и менее [4].
Повышенную устойчивость зажигания и горения дуги вольфрамовым электродом диаметром более 1 мм на малых токах можно объяснить уменьшением пульсации тока и напряжения при питании дуги от выпрямителя с конденсаторным умножителем напряжения. Без последнего, при отсутствии индуктивного сопротивления в сварочной цепи, зажигание и горение дуги резко ухудшается и становится невозможным. Факт ухудшения зажигания дуги с уменьшением напряжения холостого хода имеет место при любом способе сварки. Однако повышение напряжения холостого хода более 100 В на выпрямителях не допускается по правилам техники безопасности. Напряжение холостого хода выпрямителя 30-32 В с включением конденсаторов емкостью 2000 мкФ увеличивается в 2,82 раза, что улучшает зажигание дуги. По-видимому, накопленная в индуктивном сопротивлении и конденсаторах энергия передается на дуговой промежуток.
В работе [8] отмечается, что индуктивные накопители выделяют в сварочную дугу электрическую энергию, аккумулированную в электромагнитной системе. Это обеспечивается путем зарядки индуктивного накопителя до заданной величины тока с последующим разрядом его на дуговой промежуток. Устройства, созданные на базе индуктивных накопителей энергии, нечувствительны к коротким замыканиям дугового промежутка и отличаются повышенной устойчивостью против случайных обрывов дуги.
Считают, что совместное действие энергии, накопленной в индуктивном сопротивлении и конденсаторах, обеспечивает эффект колебательного контура, который передает ее на дуговой промежуток [9]. Очевидно, что элементы теории, приводимой в работах [8; 9], не позволяют с необходимой точностью выполнить инженерные расчеты, объясняющие передачу энергии от дросселя и конденсаторов на дугу.
Индуктивность совместно с емкостью может выполнять функцию накопления энергии со сглаживанием пульсаций постоянного напряжения и тока выпрямителя [10]. Они оцениваются значениями коэффициентов пульсации по напряжению Кш и по току КПт. Наиболее просто их определяют по формулам:
К - и - и 2 • К -
КПн - ~ ; КПт - ~ ,
где и1 и и2 - максимальное и минимальное значения выпрямленного напряжения; 11 и 12 - максимальное и минимальное значения тока.
Устойчивое горение дуги на малых токах неплавящимся электродом без конденсаторного умножителя напряжения и индуктивного сопротивления невозможно. Поэтому для оценки влияния индуктивного сопротивления и конденсаторов на устойчивость процесса к выпрямителю подключался балластный реостат, имитирующий нагрузку от горения дуги. В проведенных опытах фиксировались пульсации тока и напряжения на малых токах: без конденсаторов и дросселя, с конденсаторами, с дросселем, совместно -с конденсаторами и дросселем.
Пульсация тока и напряжения при подключении к выпрямителю балластного сопротивления в отсутствии дросселя и конденсаторов (11 - ток, потребляемый из первичной сети) показана на рис. 1.
В данном случае коэффициент пульсации напряжения и тока равен 0,5 (если считать максимальное значение амплитуды за 1).
При включении в электрическую цепь дросселя индуктивностью 8,1 мГн КПт = 0,8, а пульсация напряжения не сглаживается (рис. 2).
Осциллограммы (рис. 3), для которых КПн = 0,8, КПт = 0,85 соответствуют включению конденсаторов емкостью 2000 мкФ. Включение конденсаторов в 2,82 раза увеличивает напряжение холостого хода и соответственно ток, что повышает мощность, передаваемую в электрическую цепь при активной нагрузке.
Включение дросселя и конденсаторов (рис. 4) улучшает сглаживание пульсаций тока и напряжения. При этом КПт = 0,85, КПн = 0,73.
Таким образом, включение в электрическую схему индуктивности и емкости увеличивает мощность, передаваемую в цепь при активной нагрузке, и уменьшает пульсацию токов и напряжений. Аналогичное явление происходит при горении дуги, что улучшает процесс сварки на малых токах. На малых токах в атмосферных условиях возможна сварка графитовым стержнем диаметром 2,2 мм.
При питании дуги от однофазного выпрямителя с конденсаторным умножителем напряжения и индуктивностью сварочной цепи 1-1,5 мГн в аргоне и азоте формируются швы по отбортовке с толщиной изделия 0,06-0,2 мм. Образец из стали 1Х18Н9Т толщиной 0,2 мм, сваренный в азоте вольфрамовым электродом диаметром 1 мм, показан на рис. 5.
Рис. 1. Пульсации в отсутствии дросселя и конденсаторов (/1 = 1,6 А): а - тока, / = 8,55 А; б - напряжения, ид = 28,7 В
Рис. 2. Характер пульсаций в электрической цепи с дросселем (/1 = 1,52 А): а - тока, / = 8,02 А; б - напряжения, ид = 28,5 В
а
б
Рис. 3. Характер пульсаций в электрической цепи с конденсаторами (11 = 3,23 А): а - тока, I = 13,0 А; б - напряжения, ид = 38,8 В
Рис. 4. Характер пульсаций в электрической цепи с дросселем и конденсаторами (І! = 3,13 А): а - тока, I = 12,75 А; б - напряжения, ид = 38,5 В
а б
Рис. 5. Сварка с отбортовкой на режиме (Ід = 3 А, ид = 28 В): а - вид сверху, I = 12,75 А; б - в профиль
Образец из малоуглеродистой стали толщиной 0,1 мм, сваренный по отбортовке в аргоне, показан на рис. 6.
Рис. 6. Образец из малоуглеродистой стали толщиной 0,1 мм:
Ід = 4,5 А, ия = 29 В
Образец из малоуглеродистой стали толщиной
0,2 мм, сваренный по отбортовке графитовым стержнем диаметром 2,2 мм, представлен на рис. 7.
Совместное влияние индуктивности и электроемкости конденсаторов уменьшает пульсацию тока и напряжения на малых токах.
Вольфрамовым электродом диаметром 1 мм в аргоне и азоте обеспечивается формирование швов при сварке торцевых соединений толщиной 0,1-0,2 мм.
Возможна сварка по отбортовке электродом из графитового стержня диаметром 2,2 мм стали толщиной 0,2 мм.
Рис. 7. Образец из малоуглеродистой стали толщиной 0,2 мм:
Ід = 5 А, ид = 30 В
Библиографические ссылки
1. Косович В. А., Лапин И. Е., Русол О. А. Технологические особенности сварки малоамперной дугой ультратонким вольфрамовым электродом // Сварочное производство. 1999. № 1. С. 15-17.
2. Мейстер Р. А., Мейстер А. Р. Особенности горения малоамперной дуги в защитных газах // Сварочное производство. 2006. № 7. С. 28-31.
3. Ковалев, Н. М. Некоторые способы стабилизации неустойчивых дуг неплавящимся катодом // Сварочное производство. 1973. № 6. С. 3-5.
4. Лапин И. Е. Повышение технологических свойств дуги при сварке неплавящимся электродом в инертных газах : автореф. дисс. ... докт. техн. наук : 05.03.06. Волгоград, 2004.
5. Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга. М. : Машиностроение, 1970.
6. Кесаев, И. Г. Катодные процессы ртутной дуги и вопросы ее устойчивости. М. : Госэнергоиздат, 1961.
7. Столбов В. И. Сварочная ванна. Тольятти : ТГУ, 9. Запольских С. Н. Импульсные электромехани-
2007. ческие системы с магнитными накопителями энергии :
8. Пентегов И. В., Стемковский Е. П., Легостаев В. А. автореф. дисс. ... канд. техн. наук : 05.09.01. Екате-
Модулирование сварочного тока при помощи индук- ринбург. 2007.
тивных накопителей энергии // Автоматическая свар- 10. Резанов Ю. К. Основы силовой преобразова-
ка. 1987. № 11. С. 35-40. тельной техники. М. : Энергия, 1979.
R. A. Meister, M. A. Lubnin, S. A. Gotovko, A. R. Meister, A. N. Grigoryew
EVALUATION OF BURNING ARC STABILITY ON SMALL CURRENTS
Oscillogram’s waveforms of voltages and currents are shown when connecting single-phase welding rectifier for resistive load. Ripple of current and voltage decreases when connecting capacitors and inductors, which allows to weld end connections with thickness of 0,1-0,2 mm.
Keywords: oscillography, current, voltage, thickness of 0,1-.0,2 mm, tungsten inert gas welding (TIG).
© Мейстер Р. А., Лубнин М. А., Готовко С. А., Мейстер А. Р., Григорьев А. Н., 2011
УДК 620.22:621.763
Э. М. Никифорова, Р. Г. Еромасов, В. Ю. Таскин, В. И. Аникина
ВЛИЯНИЕ ТЕРМОРЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛИЗАТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Приведены результаты исследований кинетических параметров спекания керамических масс в зависимости от реологических свойств минерализаторов.
Примененный метод определения кинетических параметров при двух неизотермических экспериментах позволил количественно оценить эффективность минерализаторов по энергии активации процесса спекания керамических масс с минерализующими добавками. Выявлен ряд активности минерализаторов, отражающий закономерность улучшения физико-механических свойств и снижения энергии активации со снижением вязкости и поверхностного натяжения.
Ключевые слова: спекание керамических материалов, уплотнение, температура спекания, вязкость, эвтектика.
Спекание керамических материалов характеризуется упрочнением и уплотнением материала (усадкой), определяющими важнейшие технические свойства продукта. Количество жидкой фазы, образующееся в суглинках, широко используемых в керамической технологии, весьма незначительно, и спекание в основном связано с реакциями в твердом состоянии. Интенсификация процесса спекания керамических масс путем использования минерализующих добавок является важным энергосберегающим решением, ускоряющим процессы формирования структуры черепка и повышающим качественные показатели изделий.
Активизирующее действие минерализаторов отмечено уже в процессах дегидратации глинистых минералов и далее - в процессе разрушения кристаллической решетки минералов и образования новых кристаллических фаз, эвтектик и расплавов. Под воздействием минерализаторов происходит повышение реакционной способности кремнезема (кварца) путем разрушения его кристаллической решетки, а также образования эвтектик между кремнеземом и минерализатором и соответствующих расплавов пониженной
вязкости и повышенной кристаллизационной способности.
Исследование изменения кинетических параметров спекания керамических масс в зависимости от реологических свойств минерализаторов позволяет обоснованно оценивать эффективность действия минерализаторов и активно воздействовать на свойства изделий.
Расчет кинетических параметров спекания осуществлялся дифференциальным методом неизотермической кинетики на основе исследований керамических масс в неизотермических условиях с различными темпами нагрева (5 и 10 град/мин) и регистрацией на дериватографе Ф. Паулик, И. Паулик и Д. Эрдей, с синхронизированной дилатометрической приставкой зависимостей относительной усадки и температуры от времени процесса спекания. Исследование динамической вязкости осуществлялось методом тела, вращающегося в расплаве на ротационном вискозиметре. Рентгенофазовый анализ исходных веществ и спеченных смесей осуществлялся на дифрактометре фирмы Shimadzu ХКЭ-6000 [1-3].
