CC BY
51
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 669:539.43:539.56
I. О. ВАКУЛЕНКО1*, С. О. ПЛ1ТЧЕНКО2, Д. М. МАКАРЕВИЧ3
1 Каф. «Технолопя матерiалiв», Днiпропетровський нацiональний ушверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дтпропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 56, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-7353-1916
2Каф. «Технологш матерiалiв», Дшпропетровський нацiональний утверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дтпропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 56, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-0613-2544
3Каф. «Технолога матерiалiв», Дшпропетровський нащональнпй утверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дтпропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 56, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4327-9809
ВПЛИВ Х1М1ЧНИХ СПОЛУК НА ФОРМУВАННЯ ЕЛЕКТРОДУГОВОГО РОЗРЯДУ
Мета. Метою роботи являеться порiвняльний аналiз впливу хiмiчних сполук на процес запалювання електрично! дуги, умови И горшня. Методика. Матерiалом для електроду послугував низьковуглецевий дргг д1аметром 3 мм зi стал з 0,15 % вуглецю. В якосп речовин, що визначають умови формування електро-дугового розряду, були використанi каолiн; СаС03 з домшками гiпсу до 60 %; SiO2 та Ев — при концен-траци залiза до 50 %. Дослвдження проводилися при використанш електричного струму постiйного напрямку, дуги зворотно! полярностi. В якосп джерела електричного струму було використано зварювальний перетворювач типу ПС0-500. На спещальному стендi початковий зазор м1ж електродом та металевою пластиною складав значення 1-1,5 мм. Мтжелектродний пром1жок заповнювали дослвджуваною сполукою та формували електричний розряд. У момент запалювання електрично! дуги визначали величини електричного струму та напруги на дуз^ П1сля природнього розриву електрично! дуги, остаточну величину зазору мiж електродами приймали в якостi максимально! довжини дуги. Результати. За умов експерименту перенос металу в м1желектродному пром1жку в1дпов1дав краплинному механiзму. За зовшшшми ознаками спiввiдно-шення м1ж максимальною довжиною дуги та потужнiстю електричного струму мае вигляд експоненцiально! залежносп. Питома потужнiсть електричного дугового розряду в момент запалення дуги на одиницю !! довжини в1дображае стан середовища в мiжелектродному пром1жку. Наукова новизна. 1. На основi аналiзу впливу досл1джуваних речовин на процеси формування електричного дугового розряду визначено обернено пропорцшний зв'язок м1ж потужтстю електричного струму та максимальною довжиною дуги до моменту и природнього розриву. 2. Сшввщношення м1ж максимальною довжиною дуги та потужнютю електричного струму з достатньо високим коефщентом кореляцi! пiдпорядковуються експоненцiальнiй залежностi. Вплив досл1джуваних речовин на процес формування електричного дугового розряду визначаеться через показники ступеня розглянутого спiввiдношення. 3. Величина питомо! потужностi електричного струму в момент формування електричного розряду на одиницю довжини дуги може бути прийнята в якосп параметра, що характеризуе стан м1желектродного середовища. Практична значимкть. За умов однаково! установочно! сили електричного струму визначено послвдовшсть розташування досл1джуваних сполук у порядку збшьшення !х впливу на процес горшня дуги. Штмальний вплив спостертаеться з боку каолiну, а макси-мальний - з Ев — Si.
Ключовi слова: електричний дуговий розряд; довжина дуги; потужнють електричного струму; хiмiчна сполука
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
Вступ
Для технологи електричного дугового зва-рювання, початковi умови формування електричного розряду значною мiрою визначають особливостi подальшого процесу горшня дуги. Зважаючи на велику кшьюсть чинникiв, що за якiсними показниками по^зному впливають на умови запалювання електрично! дуги, стан середовища мiжелектродного промiжку е одним iз найбiльш вагомих [3].
З шшого боку, стан середовища буде набу-вати не менш вагомого значення i на етапi ста-бшьного горiння дуги, визначаючи умови переносу металу через електродний промiжок. Б> льше того, сам характер переносу рщкого металу вщ електрода до зварювально! ванни буде зумовлювати не тiльки технологiчнi характеристики електрично! дуги i енергетичний баланс, але i ступiнь завершення розвитку металургш-них процесiв тд час формування зварного з'еднання в цшому [3, 12]. Враховуючи, що вплив мiжелектродного середовища на процес запалювання дуги визначаеться iонiзуючою спроможшстю, розташування мiж електродами рiзних речовин i сполук дозволить змiнювати початковi умови формування електричного розряду [4, 15]. На тдсташ цього, цшеспрямо-ваний вплив на умови переносу металу на момент формування електричного розряду мае дуже велике значення для технологи електричного дугового зварювання.
Процес перенесення металу через мiжелект-родний промiжок значною мiрою визначаеться початковими умовами запалювання електрично! дуги. Вказаний процес переносу металу можна умовно розподшити на окремi етапи, яким при-таманнi характернi умови змши агрегатного стану металу i його властивостей [2, 6]. Так, шсля формування рiдини, зростання !! об'ему на пове-рхнi катоду до моменту вщокремлення краплин з поверхт i перенесення !х до аноду.
Враховуючи залежшсть процесу формування краплин, !х форми i розмiру вiд протiкання хiмiчних реакцш мiж речовинами або сполука-ми, що заповнюють мiжелектродний промiжок, сумарний вплив на юшзуючу спроможнiсть середовища передбачити достатньо складно [8, 10]. З шшого боку, процес формування крапли-ни можна з впевнешстю вважати залежним вiд спiввiдношення сил тяжшня, що впливають на рщину, i силою поверхневого натягу металу.
Величина сили поверхневого натягу рщкого металу або сплаву визначаеться особливостями !х внутршньо! будови, до яких вiдносяться тип кристалiчно!' решiтки, хiмiчний склад сплаву. Температура нагрiву рщини та !! рiдкоплиннiсть мае певний вплив на указану характеристику.
Так, для залiза коефiцiент поверхневого натягу дорiвнюе 1,22 Н/м [6]. Домшки хiмiчних елементiв до залiза призводять до його змiни. Наприклад, добавка до залiза 18 % Сг, 8 % N1, 1 % Т (Х18Н9Т) призводить до зменшення кое-фiцiента поверхневого натягу (о) на рiвнi 8-10 %.
Порiвняно з впливом хiмiчного складу сплаву сумш газiв мiжелектродного промiжку може також впливати на рiвень значень о, хоча !х вплив у бшьшосп випадкiв якiсно рiзний.
Розглядаючи формування краплини металу електрода можна зазначити, що основний вплив визначаеться сшввщношенням мiж акс> альною силою, яка виникае внаслiдок так званого «тнч-ефекту» та силою поверхневого натягу [4, 6]. Зростання температури на^ву рщ-кого металу супроводжуеться зниженням кое-фщента поверхневого натягу [6, 9].
Враховуючи, що в першому наближенш температура розiгрiву рiдкого металу пропорцшна силi зварювального струму (I), а зростання I, змшюючи вплив гравггацшно! складово!, сприяе зменшенню критичного розмiру краплини (умови в^иву краплини вщ електрода) [6]. Одноча-сно з цим збшьшуегься вплив електромагштно! сили [1], в тому чи^ його стискуюча дiя на рщ-кий метал зварювально! ванни [1, 14]. Июля вщ-риву краплини вщ поверхнi електрода, процес !! перемiщення вже починае залежати вщ сумiсно! дi! електростатичних та електродинамчних сил, реактивно! дi! електричного розряду [10].
На пiдставi наведеного сумюного впливу, зростання сили електричного струму супрово-джуеться подрiбненням краплин рщкого металу, яю переносяться в мiжелектродному пром> жку [6, 16]. Наведений складний вплив на процес переносу рщкого металу тд час електроду-гового зварювання може корегуватися за раху-нок використання рiзноманiтних хiмiчних речовин i сполук.
Мета
Порiвняльний аналiз впливу хiмiчних речо-вин на процес запалювання електрично! дуги i умови !! горiння.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
Методика
Матер1алом для електрода був використа-ний низьковуглецевий др1т д1аметром 3 мм, з стат з 0,15 % вуглецю. Як сполуки, що ви-значають умови формування електродугового розряду, були використаш каолш; СаС03, з до-мшками гшсу до 60 %; Si02 та Ев — Si; при концентраци зал1за до 50 %.
Дослщження виконували тд час викорис-тання електричного струму постшного напрям-ку, дуги зворотно! полярность Як джерело еле-ктричного струму використовували зварюваль-ний перетворювач типу ПСО-500. На спещ-альному стенд1 початковий зазор м1ж електро-дом та металевою пластиною складав значення 1-1,5 мм. М1желектродний пром1жок заповню-вали дослщжуваною сполукою i формували електричний розряд.
В момент запалювання електрично! дуги ви-значали величини електричного струму та на-пруги на дузь Пюля природного розриву електрично! дуги, остаточну величину зазору м1ж електродами приймали як максимальну довжи-ну дуги.
Результати
Окр1м залежносп температури роз1гр1ву ме-талу вщ сили електричного струму [7, 10], про-цес формування краплин рщкого металу визна-чаеться сумюною д1ею декшькох чинниюв. По-перше, юнування обернено пропорцшного сшв-вщношення м1ж температурою нагр1ву i силою поверхневого натягу металу показуе, що зрос-тання I буде сприяти тдвищенню рщкоплин-носп рщини. Одночасно з цим, спостер1гаеться зростання електродинам1чного впливу на процес утворення краплин. Сумюний вплив указаних чинникiв призводить до зростання ступеня дис-пергування краплин рщкого металу [6].
Процес переносу рщкого металу через м1ж-електродний пром1жок можна розкласти на по-слщовш етапи: вщрив сформовано! краплини вщ поверхш одного електрода i перенос !! до шшого. Таким чином, пропорцшно зростанню I буде зменшуватися розм1р краплин, що ви-лучаються з поверхш електрода. Одночасно буде зростати кшьюсть краплин, що перено-сяться через пром1жок м1ж електродами за оди-ницю часу.
При сил1 електричного струму, коли крап-лини утворюють безперервний ланцюг, вважа-еться досягненням критичних умов, що визна-чають яюсш змши в характер! переносу металу (вщ краплинного до струйного). Таким чином, визначення мехашзму переносу металу мае практичне значення для оцшювання впливу дослщжуваних речовин на процес формування електричного розряду.
Критичне значення електричного струму (1С) вщповщае умовам, коли д1аметр стовбура рщкого металу досягне приблизно 0,7 д1аметра електрода [6]. На шдстав! цього, величина 1С оцшюеться за сшввщношенням:
1с = кл
(1)
де к i с - коефщенти пропорцшносп i поверхневого натягу металу вщповщно, й - д1аметр електрода.
Невизначенють величин к i с може бути усунена використанням вщомих експеримента-льних даних. Так, величина сили поверхневого натягу для затза дор1внюе 1,22 Н/м, а при зб> льшенш вмюту х1м1чних елемент1в зменшуеть-ся, досягаючи, наприклад, для складно легова-но! стат марки Х18Н9Т 1,1 Н/м [6]. Пщстав-ляючи в (1) с = 1,1 Н/м, для р1зних д1аметр1в електрода: 1-3 мм та вщповщних значень 1С (190-350 А), яю отримаш з прямих дослщжень (по вщриву краплини рщкого металу вщ поверхш електрода), для стат Х18Н9Т величина к склала значення 18,1-18,8 А/дш0'5.
З урахуванням штервалу змши с, для низь-ковуглецево! стат можна прийняти с = 1,2 Н/м, та к = 18,5 А/дш , . За сшввщношенням (1) було визначено, що для низьковуглецево! стал електрода при й = 3 мм, 1С повинно дор1внювати 375-380 А. Пор1внюючи !з струмом установки 200 А, слщ вважати, що за умов експерименту перенос металу в м1желектродному пром1жку вщповщав краплинному мехашзму.
За умов електричного струму постшного напрямку, при зворотнш полярносп, вщсут-нють кореляцшних зв'язюв м1ж максимальною довжиною дуги (1д) i силою електричного струму або напругою на дуз1 (и), виявлена необ-х1дн1сть одночасного урахування вплив1в в1д I та и . Результати побудованих залежностей для дослiджуваних компонент наведенi на рис. 1.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
(д- ММ,
8 б
12 10 8 6
10
10
а
1
я б
\
щ
а
>J Е
ч
\ Г
\
Ч*
L « B-
WK
(3)
Для кожного дослщжуваного компонента за залежностями (рис. 2) були визначеш значення A i K, для розм1рност1 ld [мм], W [ВА]. Так, в порядку зменшення величин A (14,75; 13,7; 10,5 i 8,8), дослщжуваш компоненти розташо-
вуються у вiдповiднiи послiдовностi:
SiO2
Fe - Si, CaCO3 i каолiн. АналогiчниИ характер змши спостерiгаeться i для величини К, у ви-значенiИ послiдовностi (SiO2, Fe - Si, CaCO3 i каолiн): 1,5; 1,4; 1,03 i 0,817.
2 3 4 5 W, ecBA
Рис. 1. Вплив каолшу - (а), SiO2 - (б), Fe - Si - (в) та CaCO3 - (г) на сшввщношення м1ж довжиною дуги i потужнютю електричного струму
Fig. 1. Influence of kaolin - (a), SiO2 - (b), Fe - Si - (c) and CaCO3 - (d) on the ratio between the arc length and electric current power
За зовшшшми ознаками можна говорити про юнування обернено пропорцшного сшввщ-ношення мiж ld i потужнютю електричного струму (W = UI). Вщхилення залежностеИ ld = f (W) вщ прямолiнiИного вигляду вказуе на необхiднiсть перебудови !х у логарифмiчних координатах (рис. 2).
У першому наближенш вказаш залежносп достатньо однозначно пщпорядковуються сшв-вiдношенню типу:
ln(lg) = A + K ln(W), (2)
де A i K постшш характеристики. Пiсля пере-творень вираз (2) набувае вигляду:
де B - коефщент пропорцшность
Рис. 2. Залежност1 ld = f (W) для дослщжуваних речовин в логарифм1чних координатах.
Позначення аналог1чн1 рис. 1
Fig. 2. Dependencies ld = f (W) for the studied substances in logarithmic coordinates.
Values are similar to the Fig. 1
Для бшьш детального пояснення причин, що впливають на процес запалювання електрично! дуги компоненпв в наведенш послщовно-ст вщ SiO2 до каолiну, здiИснено додатковиИ аналiз отриманих спiввiдношень. Так у першому наближенш, з урахуванням вщомого зни-ження сили поверхневого натягу залiза вiд кон-центрацi! кисню [6], наведениИ характер впли-
A
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
ву (рис. 1) може бути зумовлений присутшстю р1зно1 концентрацп атом1в кисню в результат! реакцп дисощацп дослщжуваних компоненпв. З шшого боку, на початкових етапах форму-вання дугового розряду збшьшення сили елект-ричного струму супроводжуеться пропорцш-ним зростанням масопереносу металу через м1желектродний пром1жок [5, 10]. Разом з тим, за рахунок сумарно! дп виникаючих електрич-них i магштних пол1в в пром1жку м1ж електро-дами формуеться осьова сила, що визначае ме-ханiчний характер впливу на рщкий метал. Ви-никаюче напруження за своею дiею е напру-женням тиску.
За умов незмшносп бiльшостi чинникiв, що мають вплив на процес формування дугового розряду, вказане напруження можна оцшити через виникаючу силу (р) за залежшстю [6]:
C =
AW
"AT
(5)
р = кд 11
(4)
де - A W i А1д вiдповiднi штервали змiни W i 1д .
Враховуючи, що кожному хiмiчному елеме-нту вiдповiдають власнi значення потенцiалiв iонiзацii (перший потенцiал юшзацп, другий та ш. [13]), можна з визначеним ступенем спро-щення спробувати оцiнити вказану характеристику дослщжуваних сполук (P). По перше, для визначення P скористаемося лише першим потенщалом iонiзацii хiмiчних елементiв, значення яких наведеш на дiаграмi (рис. 3).
де кд - коефiцiент, що визначае вплив дiаметра електрода та полярносп електрично! дуги. Разом з тим, за наведеною залежнiстю повнютю вiдсутнiй вплив iонiзуючоi спроможностi мiж-електродного середовища. Хоча, за зображен-ням спiввiдношень 1д = f (W) (рис. 1) можна все ж визначити особливосп впливу дослщжу-ваних речовин на стан середовища мiжелектро-дного промiжку.
Використовуючи потужнють електричного дугового розряду в момент запалення дуги як характеристику, що визначае умови подальшого Ii горiння, максимальна довжина дуги повинна вь дображати стан середовища в мiжелектродному промiжку. Дшсно, аналiз залежностей 1д = f (W) показуе, що достатньо часто можна спостертати для однакових рiвнiв W змiну 1д у визначеному iнтервалi значень. З метою спроби визначення показника, який може дозволити оцiнити вплив дослiджуваних речовин на процес горiння дуги, скористаемося залежшстю 1д = f (W) (рис. 1), але як аргумент приймемо величину 1д. Даш, пiсля апроксимацп залежностi W = f (1д) прямими rn-нiями i визначення кутового коефщента сшввщ-ношень стае можливим оцшити стушнь впливу дослiджуваних речовин.
Для штервалу значень W i 1д (рис. 1) кутовий коефiцiент (C ) оцшемо за сшввщношенням:
Рис. 3. Значення першого потенщалу юшзацп хiмiчних елементiв залежно ввд порядкового номера перюдично! таблицi
Fig. 3. Value of the first potential of chemical elements ionization according to the serial number of the periodic table
Зумовлено наведене положення тим, що шд час формування електричного дугового розряду в основному вщбуваеться вилучення зовшшшх (валентних) електрошв, в той час як вилучення бшьш наближених електрошв до ядра атома по-требуе в декiлька раз1в бшьшо1 енергп [11, 13].
З метою врахування достатньо складного взаемного впливу одночасно присутшх р1зних х1м1чних елеменпв в зош електричного дугового розряду, необхщно зробити два припущення.
Перше припущення - це виконання ощню-вання величин P дослщжуваних сполук без урахування енергп, яка витрачаеться на повну дисощащю молекул або х1м1чних з'еднань до атомарного стану. Друге припущення - при-ймаеться адитивний характер впливу потенща-л1в юшзацп х1м1чних елеменпв, яю утворюють молекулу або х1м1чне з'еднання, пропорцшно 1х кшькосп. Ефектившсть впливу дослщжуваних сполук на процес формування електричного
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дшпропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
розряду, що оц1нюеться за значениями величи-ни C (рис. 1), в дшсносп повинна бути пов'язана з особливостями атомарно! будови х1м1чних елеменпв, яю утворюють сполуки. На шдстав! цього, можна очшувати юнування ко-реляцшного зв'язку м1ж величинами C та P. Результат спроби парного нанесення вказаних характеристик наведений на рис. 4.
Рис. 4. Сшввцщошення \пж величинами Р i С для дослвджуваних речовин ( © - каолш;
• - Si02: СаСОъ; Ф - Fe-Si)
Fig. 4. Ratios between the values P and С for the studied substances ( © - kaolin; Ф - Si02;
СаС03; Ф- Fe-Si)
З характеру наведеного спiввiдношення можна говорити про юнування мiж кутовим коефь цieнтом (C) i величиною P пропорцшного зв'язку. Якщо вважати, що за визначених умов формування електричного дугового розряду величина C характеризуе вплив сполуки на про-цес горшня дуги, то цiлком обгрунтованим слiд очiкувати iснування зв'язку з величинами, як характеризують стан мiжелектродного промiж-ку. За наведеною залежнютю, порiвняно з шши-ми дослщжуваними сполуками, заповнення мiж-електродного промiжку Fe - Si супроводжуеть-ся формуванням електричного дугового розряду при найбiльш низьких значеннях питомо! поту-жностi. Приблизно на 20% бшьшу потужнiсть електричного струму необх1дно мати для забез-печення умов збудження дугового розряду при заповненш мiжелектродного промiжку CaCO3 та SiO2 та ще бiльшу для каолiну.
Наукова новизна та практична значимкть
1. На основ! анал1зу впливу дослщжуваних речовин на процеси формування електричного дугового розряду визначений обернено-пропорцшний зв'язок м1ж потужшстю електричного струму i максимальною довжиною дуги до моменту !! розриву.
2. Сшввщношення мiж максимальною довжиною дуги i потужиiстю електричного струму, з достатньо високим коефщентом кореля-цп, пiдпорядковуeться експоненщальнш залеж-ностi. Вплив дослiджуваних сполук на процес формування електричного дугового розряду визначаеться через показники ступеня запропо-нованого спiввiдношення.
3. Величина питомо! потужност електричного струму в момент формування електричного розряду, яка вщнесена до довжини дуги, мо-же бути прийнята як параметр, що характеризуе стан мiжелектродного середовища.
За умов однаково! встановлювально! сили електричного струму визначена послщовнють розташування дослщжуваних речовин в порядку збшьшення !х впливу на процес горшня дуги. Так, мшмальний вплив спостертаеться з боку каолiну, а максимальний - для Fe - Si. Використання величини C дозволить на прак-тищ оцiнювати ступiнь впливу сумiшi хiмiчних речовин i сполук на процес формування елект-ричного дугового розряду.
Висновки
1. За умов виконаних дослщжень перенос металу в мiжелектродному промiжку вщповщае краплинному механiзму.
2. Спiввiдношення мiж максимальною довжиною дуги i потужиiстю електричного струму в момент формування електричного розряду, для умов обернено! полярносп, мае вигляд екс-поненцiально! залежностi.
3. Вплив хiмiчно! сполуки на стан середовища мiжелектродного промiжку може бути оцшеним за вiдношенням швидкостi змiни по-тужностi електричного розряду, в момент запа-лювання дуги, на одиницю !! довжини.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Вакуленко, I. О. Структурнi перетворення в металi залiзничного колеса пiсля ди iмпуль-сiв електричного струму / I. О. Вакуленко, В. А. Сошрко, О. С. Баскевич // Вюн. Дшпро-петр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Ла-заряна. - Д., 2012. - Вип. 42. - С. 160-163.
2. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали / И. А. Вакуленко, В. И. Большаков. - Д. : Маковецкий, 2008. - 196 с.
3. Кривцун, И. В. Модель процессов тепло-, мас-со- и электропереноса в анодной области и столбе сварочной дуги с тугоплавким катодом / И. В. Кривцун, В. Ф. Демченко, И. В. Крикент // Автомат. сварка. - 2010. - № 6. - С. 3-11.
4. Лесков, Г. И. Электрическая сварочная дуга / Г. И. Лесков. - М. : Машиностроение, 1970. -336 с.
5. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах / М. Ф. Жуков, Н. П. Козлов, А. В. Пустогаров и др. - Новосибирск : Наука, 1982. - 157 с.
6. Сварка в машиностроении : справочник / под ред. Н. А. Ольшанского. - М. : Машиностроение, 1978 - Т. 1. - 504 с.
7. Щербаков, И. П. Исследование изменения субмикрорельефа поверхности медных образцов при пропускании по ним импульсов электри-честого тока большой плотности / И. П. Щербаков, Д. В. Чураев, В. Н. Светлов // Журн. техн. физики. - 2004. - Т. 74. - Вып. 4. - С. 139-142.
8. Boulos, M. I. Thermal plasmas: Fundamentals and applications / М. I. Boulos, P. Fauchais, E. Pfender. - N.-Y. ; London : Plenum press, 1997. - Vol. 1. - 454 p.
9. Electric pulse treatment of welding joint of aluminum alloy / I. A. Vakulenko, Yu. L. Nadezdin, V. A. Sokirko et al. // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. -2013. - № 4 (46). - С. 73-82.
10. Hu, J. Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Pt. I: The arc / J. Hu, H. L. Tsai // Intern. J. Heat and Mass Transfer. - 2007. - № 50. - P. 833-846. doi: 10.1016/j.ij heatmasstransfer.2006.08.025.
11. Investigation of cathode spot behaviour of atmospheric argon arcs by mathematical modeling / J. Wendelstorf, G. Simon, I. Decker et al. // Proc. оf 12th Intern. Conf. on gas discharges and their applications. - Greifswald, 1997. - Vol. 1. -P. 62-65.
12. Metal vapour behaviour in gas tungsten arc thermal plasma during welding / M. Tanaka, K. Ya-mamoto, S. Tashiro et al. // Welding in the World.
- 2008. - Vol. 52, № 11/12. - P. 82-88. doi: 10.1007/bf03266686.
13. Moore, Ch. E. Ionization potentials and ionization limits derived from the analysis of optical spectra / Ch. E. Moore. - Washington : NSRDS - NBS 34, 1970 - P. 46-57.
14. Nestor, O. H. Heat intensity and current density distributions at the anode of high current, inert gas arcs / O. H. Nestor // J. of Applied Physics. 1962.
- 33 (5). - P. 1638-1648. doi: 10.1063/1.1728803.
15. Prediction of anode temperatures of free burning arcs / P. Zhu, J. J. Lowke, R. Morrow et al. // J. of Applied Physics. - 1995. - Vol. 28 (7). - P. 1369-1376.
16. Sanders, N. A. Measurement of anode falls and anode heat transfer in atmospheric pressure high intensity arcs / N. A. Sanders, E. Pfender // J. of Applied Physics. - 1984. - Vol. 55 (3) -P. 714-722. doi: 10.1063/1.333129.
И. А. ВАКУЛЕНКО1*, С. А. ПЛИТЧЕНКО2, Д. Н. МАКАРЕВИЧ3
1 Каф. «Технология материалов», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 56, эл. почта dnuzt_texmat @икг.пе^ ОЯСГО 0000-0002-7353-1916
2Каф. «Технология материалов», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 56, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-0613-2544
3Каф. «Технология материалов», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 56, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4327-9809
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЕЛЕКТРОДУГОВОГО РАЗРЯДА
Цель. Целью работы является сравнительный анализ влияния химических соединений на процесс формирования электрической дуги и условия ее горения. Методика. Материалом для электрода была низкоуглеродистая проволока диаметром 3 мм из стали с содержанием углерода 0,15 %. В качестве соединений, которые определяют условия формирования электродугового разряда, использовали каолин; СаС03 с при-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
месями гипса до 60 %; SiO2 и Fe — Si при концентрации железа до 50 %. Исследования проводились при использовании постоянного электрического тока и дуги обратной полярности. В качестве источника электрического тока использовали сварочный преобразователь типа ПС0-500. На специальном стенде начальный зазор между электродом и металлической пластиной составлял значение 1-1,5 мм. Межэлектродный промежуток заполняли исследуемым соединением и формировали электрический разряд. В момент возникновения электрической дуги определяли величины электрического тока и напряжения на дуге. После природного разрыва электрической дуги, окончательную величину зазора между электродами принимали в качестве максимального значения длины дуги. Результаты. В условиях эксперимента перенос металла в межэлектродном промежутке отвечал капельному механизму. По внешним признакам соотношение между максимальной длиной дуги и мощностью электрического тока имеет вид экспоненциальной зависимости. Удельная мощность электрического дугового разряда в момент формирования дуги на единицу ее длины характеризует состояние среды в межэлектродном промежутке. Научная новизна. 1. На основе анализа влияния исследуемых химических соединений на процессы формирования электрического дугового разряда определена обратно-пропорциональная связь между мощностью электрического тока и максимальной длиной дуги к моменту ее природного разрыва. 2. Соотношение между максимальной длиной дуги и мощно -стью электрического тока с достаточно высоким коэффициентом корреляции подчиняется экспоненциальной зависимости. Влияние исследуемых соединений на процесс формирования электрического дугового разряда определяется через показатели степени полученного соотношения. 3. Величина удельной мощности электрического тока в момент формирования электрического разряда на единицу длины дуги может быть принята в качестве параметра, который характеризует состояние среды в межэлектродном промежутке. Практическая значимость. В условиях одинаковой установочной силы электрического тока определена последовательность расположения исследуемых химических соединений в порядке увеличения их влияния на процесс горения дуги. Минимальное влияние наблюдается от каолина, а максимальное - от Fe — Si.
Ключевые слова: электрический дуговой разряд; длина дуги; мощность электрического тока; химическое соединение
I. O. VAKULENKO1*, S. O. PLITCHENKO2, D. M. MAKAREVYCH3
1 Dep. «Materials Technology», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 56, e- mail [email protected], ORCID 0000-0002-7353-1916
2Dep. «Materials Technology», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 56, e- mail [email protected], ORCID 0000-0002-0613-2544
3Dep. «Materials Technology», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 56, e- mail [email protected], ORCID 0000-0003-4327-9809
INFLUENCE OF CHEMICAL COMPOUNDS ON THE FORMING OF ELECTRIC ARC
Purpose. The purpose of work is a comparative analysis of chemical compounds influence on the process of electric arc forming and condition of its burning. Methodology. Material for an electrode was a wire 3 mm in diameter of low carbon steel with contain of carbon 0.15%. As chemical compounds, which determine the terms of forming of arc welding were used kaolin; CaCO3 with the admixtures of gypsum to 60%; SiO2 and Fe — Si with the iron concentration to 50%. Researches were conducted at the use of direct electric current and the arc of reverse polarity. As a source of electric current the welding transformer of type PSO-500 was used. On the special stand an initial gap between the electrode and metal-plate was equal to 1-1.5 mm. The interelectrode interval was filled with the probed chemical compounds and it was formed an electric arc. In the moment of electric arc arise the values of electric current and the arc voltage were determined. After the natural break of electric arc, the final size of the gap between electrodes was accepted as the maximal value of the arc lengths. Findings. In the conditions of experiment the metal transfer in interelectrode interval corresponded to the drop mechanism. According to external characteristics the ratio between the maximal arc length and the power of electric discharge has the appearance of exponential dependence. Specific power of electric arc characterizes environment of interelectrode interval in the moment of arc forming per unit of its length. Originality. 1. On the basis of influence analysis of the studied chemical compounds on the formation processes of electric arc inversely proportional relationship between the power of the electric cur© I. О. Вакуленко, С. О. Плгтченко, Д. М. Макаревич, 2014
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2014, № 4 (52)
rent and the maximum arc length to the moment of its natural break is defined. 2. The ratio between the maximal arc length and the power of electric current with sufficiently high correlation coefficient is subjected to the exponential dependence. Influence of the studied compounds on the process of electric arc forming is determined using the degree values of the obtained ratio. 3. The value of specific power of electric current in the moment of electric arc forming per unit of its length can be accepted as the parameter, which characterizes the environment in the interelec-trode interval. Practical value. In the conditions of identical adjusting strength of electric current it is determined the gradation of the studied chemical compounds in the order of increase of their influence on the process of the arc burning. Kaolin has the minimum influence and Fe — Si - the maximal one.
Keywords: welding arc; arc length; power of electric current; chemical compound
REFERENCES
1. Vakulenko I.O., Sokirko V.A., Baskevych O.S. Strukturni peretvorennia v metali zaliznychnoho kolesa pislia dii impulsiv elektrychnoho strumu [Structural transformations in the railway wheel metal after electric current impulses]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universitetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2012, issue 42, pp. 160-163.
2. Vakulenko I.A., Bolshakov V.I. Morfologiya struktury i deformatsionnoye uprochneniye stali [Structure morphology and the work-hardening]. Dnipropetrovsk, Makovetskiy Publ., 2008, 196 p.
3. Krivtsun I.V., Demchenko V.F., Krikent I.V. Model protsessov teplo-, masso- i elektroperenosa v anodnoy oblasti i stolbe svarochnoy dugi s tugoplavkim katodom [Model of heat, mass and electrical transfer in the anode region and the welding arc column with heat-proof cathode]. Avtomaticheskaya svarka - Automatic Welding, 2010, no. 6, pp. 3-11.
4. Leskov G.I. Elektricheskaya svarochnaya duga [Electric welding arc]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1970. 336 p.
5. Zhukov M.F., Kozlov N.P., Pustogarov A.V. Prielektrodnyye protsessy v dugovykh razryadakh [Near-electrode processes in the electric arcs]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1982. 157 p.
6. Olshanskiy N.A. Svarka v mashinostroyenii. Tom 1 [Welding in mechanical engineering. Vol. 1]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1978. 504 p.
7. Shcherbakov I.P., Churayev D.V., Svetlov V.N. Issledovaniye izmeneniya submikrorelyefa poverkhnosti mednykh obraztsov pri propuskanii po nim impulsov elektrichekogo toka bolshoy plotnosti [Investigation of submicrorelief change of the copper samples surface during the electric current pulse advancing of high density]. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki - Journal of Technical Physics, 2004, vol. 74, issue 4, pp. 139-142.
8. Boulos M.I., Fauchais P., Pfender E. Thermal plasmas: Fundamentals and applications. Vol. 1. New York; London, Plenum press Publ., 1997. 454 p.
9. Vakulenko I.A., Nadezdin Yu.L., Sokirko V.A. Electric pulse treatment of welding joint of aluminum alloy. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universitetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 4 (46), pp. 73-82.
10. Hu J., Tsai H.L. Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Pt I: The arc. Intern. Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, no. 50, pp. 833-846. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.08.025.
11. Wendelstorf J., Simon G., Decker I. Investigation of cathode spot behaviour of atmospheric argon arcs by mathematical modeling. Proc. оf 12th Intern. Conf. on gas discharges and their applications. Greifswald, 1997, vol. 1, pp. 62-65.
12. Tanaka M., Yamamoto K., Tashiro S. Metal vapour behaviour in gas tungsten arc thermal plasma during welding. Welding in the World, 2008, vol. 52, no. 11/12, pp. 82-88. doi: 10.1007/bf03266686.
13. Moore Ch.E. Ionization potentials and ionization limits derived from the analysis of optical spectra. Washington, NSRDS - NBS 34 Publ., 1970, pp. 46-57.
14. Nestor O.H. Heat intensity and current density distributions at the anode of high current, inert gas arcs. Journal of Applied Physics, 1962, no. 33 (5), pp. 1638-1648. doi: 10.1063/1.1728803.
15. Zhu P., Lowke J.J., Morrow R. Prediction of anode temperatures of free burning arcs. Journal of Applied Physics, 1995, vol. 28 (7), pp. 1369-1376.
16. Sanders N.A., Pfender E. Measurement of anode falls and anode heat transfer in atmospheric pressure high intensity arcs. Journal of Applied Physics, 1984, vol. 55 (3), pp. 714-722. doi: 10.1063/1.333129.
Стаття рекомендована до публтацп к.т.н., доц. С. В. Пройдаком (Украгна); к.т.н., доц. О. О. Чайковським (Украгна)
Поступила до редакцп: 15.05.2014
Прийнята до друку: 18.07.2014
