Исследование параметров дугового разряда с комбинированной системой питания

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2014 №2(11), С. 54-58

ИЗЫСКАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ^ СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС

УДК 621.791+533.95

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОГО РАЗРЯДА С КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ

© 2014 г. С.М. Бурдаков, В.М. Козловцев

Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного

университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.

В статье проведен анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании комбинированной системы питания дугового разряда постоянного тока. Рассмотрено влияние дополнительной компоненты питания повышенной частоты на устойчивость горения дугового разряда при ручной дуговой сварке покрытыми электродами. Для оценки устойчивости был выбран метод исследования по разрывной длине дуги и статистический метод, с использованием коэффициентов вариации сварочного тока, и напряжения.

Ключевые слова: устойчивость горения дугового разряда, параметры дугового разряда, монтаж оборудования, атомные электрические станции, комбинированная система питания.

Поступила в редакцию 25.05.2014 г.

Одним из основных технологических факторов, влияющих на качество сварочных швов является устойчивость горения дугового разряда.

Известно, что качество металла сварного шва во многом определяется стабильностью и степенью завершенности гидродинамических и металлургических процессов. Главным источником нестабильности гидродинамических процессов является изменение силового воздействия дуги на сварочную ванну под действием внешних факторов в монтажных условиях. Особенно это может проявиться при монтаже оборудования энергетических блоков атомных электрических станций.

Решение этой проблемы возможно за счет управляемого электрического импульсного воздействия повышенной частоты на дуговой разряд от специализированного маломощного преобразователя.

Следует отметить, что процессы, протекающие в таком дуговом разряде, изучены мало. Поэтому целью данной работы является исследование параметров дугового разряда с комбинированной системой питания.

Это позволит расширить существующие технологические возможности дугового разряда, характерного для ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Применение дополнительной компоненты питания повышенной частоты (£=20кГц) для дугового разряда постоянного тока повышает его устойчивость в 1,7-1,9 раза [1].

В настоящее время имеется определенный опыт разработки автоматизированных измерительных систем для использования в задачах диагностики плазменно-дуговых процессов [2]. Появление мощных персональных компьютеров, использующих современные мультимедийные технологии и быстродействующих многоканальных аналого-цифровых преобразователей (Е-330, частота опроса датчиков 500 кГц) позволило проводить измерения тока и напряжения в сварочном контуре с высокой точностью.

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2014

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОГО РАЗРЯДА С КОМБИНИРОВАННОЙ 55

На основе этих средств была сконструирована информационно-измерительная система, позволяющая производить не только съем, но и математическую обработку сигналов тока и напряжения, а также формировать базы данных экспериментов.

Для оценки устойчивости были выбраны следующие параметры: разрывная длина дуги 1р [3], коэффициенты вариации сварочного тока КУ1св, напряжения КУЦд формулы (1), (2). Система также позволяет получить и ряд других параметров сварочного контура, например, таких как скорость изменения сварочного тока и напряжения dICв/dt, Шд/ё1.

КУ = —100%

М

а =

X (-М)2

г=1

П - 1

где хг - значение параметра в 1-й момент времени;

М - среднее значение ряда исследуемых параметров; п - число измерений.

В соответствии с разработанной методикой эксперименты выполняли на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 1. Сравнивали параметры горения дуги с наложением импульсного напряжения повышенной частоты и без него.

Рис. 1. Информационно-измерительная система. ДТ - датчик тока, ДН - датчик напряжения

Исследовали дуговой разряд в режиме 1д=120 А, ид=26В с наложением (£=40, 100, 200, 300 кГц) и без наложения дополнительной компоненты питания, использовался электрод УОНИИ 13/55 d=3мм. Наложение на дуговой разряд электрического импульсного воздействия повышенной частоты производилось от специализированного преобразователя мощностью 500 Вт с напряжением холостого хода 80В подключенного параллельно к основному источнику.

Дугу зажигали между электродом УОНИИ 13/55 d=3мм и стальной пластиной из стали ВСт3пс5 контактным способом в нижнем положении сварочной ванны с помощью механического устройства [1]. Устройство позволяет производить зажигание дугового разряда по сигналу исследователя, горение происходит без его участия до полного затухания дуги. После чего проводится измерение разрывной длины дуги 1р. Погрешность измерения в данном случае будет составлять не более 10% для разрывной длины дуги 1р=34мм.

Сигналы, снимаемые, с датчиков тока и напряжения поступали в откалиброванную информационно-измерительную систему на основе АЦП Е-330 Ь-СаМ и персонального компьютера. Погрешность результатов измерений составляла 1,3%.

Осциллограммы сварочного тока и напряжения на дуге приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Осциллограммы сварочного тока и напряжения на дуге: а) 1св=120А; б) 1св=120А с наложением на дугу высокочастотного квазигармонического сигнала по напряжению частотой 40кГц

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОГО РАЗРЯДА С КОМБИНИРОВАННОМ 57

На последнем рисунке, можно отчетливо различить наложенные импульсы высокочастотной компоненты питания.

Осциллограммы позволяют провести сравнительный анализ параметров сварочного тока и напряжения на дуге. Качественное осциллографирование энергетических характеристик дуги, имеющих быстропеременное изменение в диапазоне частот 200-300кГц, затруднено из-за ограничений, накладываемых измерительной системой.

На основе обработки осциллограмм сварочного тока 1св и напряжения на столбе дуги ид были получены коэффициенты вариации этих величин: KVICв, KVUд.

Результаты экспериментов по исследованию разрывной длины дуги 1р и коэффициентов вариации сварочного тока KVIсв, напряжения КУЦд приведены в таблице 1. При измерении параметра 1р бралось его среднее значение от десяти опытов по его измерению.

Увеличение разрывной длины дуги, связано с особенностями процессов, протекающих в дуговом разряде [4].

Чем больше 1р, тем устойчивее дуговой разряд. При устойчивом горении дугового разряда KVIсв, К"УЦд должны быть минимальны.

Полученные параметры дугового разряда с комбинированной системой питания свидетельствует об увеличении его устойчивости по сравнению с рекомендуемыми режимами сварки.

Таблица 1. - Коэффициенты вариации сварочного тока и напряжения

№ Параметры сварочного процесса 1р, мм кт.

п./п. Гв^ А ц,, В £ кГц

1 120 24 - 12 15,94 15,55

2 120 26 40 32 15,6 14,6

3 120 27 100 32 15,5 14,4

4 120 28 200 34 - -

5 120 30 300 34 - -

Проведенные экспериментальные исследования и положительные результаты опытного опробования разработанной системы питания дугового разряда позволяют рекомендовать ее для применения при монтаже ответственных металлических конструкций.

ВЫВОДЫ

1) Подключение к сварочному источнику питания вспомогательного устройства, обеспечивающего наложение на дугу высокочастотного квазигармонического сигнала по напряжению (?=40-300кГц), позволяет в 2,5 - 2,8 раза повысить устойчивость горения дуги при оценке по разрывной длине дуги.

2) Наиболее перспективным путем повышения устойчивости дугового разряда при ручной дуговой сварке покрытыми электродами является импульсное, воздействие на сварочный контур с частотой до 300кГц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чернов, А.В. и др. Повышение устойчивости горения дуги при сварке покрытыми электродами [Текст] / А.В. Чернов, Ю.В. Полетаев, З.О. Кавришвили, С.М. Бурдаков // Сварочное производство. - 2000. - № 2. - С. 7-9.

2. Куликовский, К.Л. и др. Методы и средства измерений [Текст] / К.Л. Куликовский, В.Я. Купер. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 447 с.

3. Букаров, В.А., и др. Оценка стабильности дуговой сварки по осциллограммам процесса с использованием статистических методов [Текст] / В.А. Букаров, С.С. Ермаков, Т.А. Дорина // Сварочное производство. - 1990. - №12. - С. 30-32.

4. Бурдаков, С.М., и др. Физическая модель электрического дугового разряда с наложением высокочастотного напряжения [Текст] / С.М. Бурдаков, А.В. Чернов, Ю.В. Полетаев, С.В. Полежаев // Сварочное производство. - 2001. - № 11.- С. 13-16.

The Arc Category Parameters Research with Combined Power

Supply System

S.M. Burdakov*, V-М. Kozlovtsev**

Volgodonsk Engineering Technical Institute the Branch

of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360 e-mail: SMBurdakov@mephi.ru ; e-mail: valet@hotbox.ru

Abstract - In the article the analysis of the experimental data obtained at research of the combined power supply system of the arc category of a direct current is carried out. Influence additional components of food of the increased frequency on stability of burning of the arc category are considered at manual arc welding by the covered electrodes. For an assessment of stability methods of research on the explosive length of an arch and a statistical method were chosen, with use of coefficients of a variation of welding current, and tension.

Keywords: stability of burning of the arc category, parameters of the arc category, installation of equipment, the nuclear power plants, the combined power supply system.