АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВАРОЧНОЙ ДУГИ В АРГОНЕ С ВОЛЬФРАМОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ И ФЛЮСАМИ-ОКСИДАМИ

The article discusses the types of grapples for scooping coarse and loose materials and the disadvantages of their design. The design of the grab is given, which can be used for scooping, both for large-sized and bulk materials. The device and purpose of individual components and parts of the proposed grab are described. The advantages of the proposed grab in comparison with serial grabs are given.

Key words: grab, scooping, jaw, construction, bulk materials.

Buriy Grigoriy Gennadjevich, candidate of technical sciences, docent, buryy1989@bk.ru, Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Road University

УДК 621.791

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-646-654

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВАРОЧНОЙ ДУГИ В АРГОНЕ С ВОЛЬФРАМОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ И ФЛЮСАМИ-ОКСИДАМИ

А.С. Бабкин, Н.С. Котов, В.В. Терехов

С целью выявления влияния окислов металлов на характеристики сварочной дуги постоянного тока в аргоне с неплавящимся электродом анализировали во временной и спектральной области осциллограммы электрических параметров - напряжения и сварочного тока, полученные при сварке аусте-нитной стали 12Х19Н9Т со следующими оксидами Al2O3, CuO, Fe2O3, CaO, CuO, ZnO, TiO2 и Сг2йз. В качестве критерия стабильности горения дуги во временной области применили стандартное отклонение сварочного тока и напряжения. В спектральной области для анализа процесса использовали дискретное преобразование Фурье. Исследованные флюсы проранжированы по их влиянию на стабильность (устойчивость) дугового разряда. Выявлены характерные гармонические составляющие спектров сварочного тока традиционного процесса сварки неплавящимся электродом в аргоне и сварки с применением некоторых оксидов. Установлено, что оксид алюминия вызывает наименьшее возмущение дуги, а оксид кальция СаО и диоксид марганца оказывают воздействие, наиболее возмущающее процесс сварки. Нестабильность процесса сварки при использовании некоторых оксидов связали с обнаруженными изменениями в спектре электрических параметров.

Ключевые слова: электрические параметры сварочной дуги, TIG сварка, аустенитная сталь, флюс, осциллограммы.

Введение. Одним из методов увеличения глубины проплавления сварки неплавящимся электродом свариваемых материалов является применение флюсов в форме оксидов металла, которые наносят на поверхность изделия перед сваркой тонкой пленкой в виде смеси порошка оксида и ацетона или спирта. Проведено много исследований в этом направлении. Так, исследовано влияние оксидов SiO2, NiO, M0O3, СГ2О3, TiO2, MnO2, ZnO на размеры шва при сварке сплава Inconel 718 [1]. В [2] приводятся результаты исследований влияние четырнадцати различных оксидов на глубину проплавления, отношению ширины к глубине проплавления при A-TIG сварке низколегированных сталей (AISI 4340), аусте-нитных (AISI 304 и AISI 316) и дуплексные (Duplex 2205) нержавеющих сталей. Большой обзор результатов исследований сварки с применением оксидов металлов однородных и неоднородных сталей приведены в [3].

Однако в настоящее время нет данных о влиянии таких флюсов на свойства сварочной дуги, а именно, на ее электрические параметры - сварочный ток и напряжение на дуге. Однако именно эти параметры определяют качество сварных соединений. С целью выявления влияния окислов металлов на устойчивость (стабильность) процесса сварки анализировали во временной и спектральной областях осциллограммы электрических параметров - напряжения и сварочного тока, а также проводили фотографирование дугового промежутка в инфракрасной области спектра. Исследовали влияние оксидов Al2O3, CuO, Fe2O3, CaO, CuO, ZnO, ТЮ2 и &2O3 при сварке аустенитной стали.

Условия эксперимента. Изучали электрические характеристики сварочной дуги в процессе сварки неплавящимся электродом в аргоне (TIG) при наплавке на поверхность образцов, покрытых тонким слоем вязкой суспензии, состоящей из окисла металла и ацетона. Использовали образцы размером 40х150х4 мм из стали 12Х19Н9Т, химический состав которой, определенный спектрографическими методами, приведен в табл.1. Для проведения экспериментов была собрана установка, показанная на рис.1. Использовали инверторный источник сварочного тока Технотрон DC200Ay.3 производя сварку на постоянном токе прямой полярности с горелкой Abicor Binzel ABITIG 17 с воздушным охлаждением, имеющей диаметр сопла 12 мм. Аргон высшего сорта ГОСТ 10157-2016 [4] подавался в зону сварки со скоростью 8-10 л/мин.

Таблица 1

Химический состав стали 12Х19Н9Т

С Si Mn Ni Cr Ti Cu P S

0,092 0,523 1,256 9.92 18.45 0,55 0,011 0.0290,034 0,0130.022

:ЛП17)-.|| Д-f

OÜZHS

Рис. 1. Установка для проведения экспериментов

Образцы крепились через асбестовую прокладку на платформе, перемещающейся под неподвижной сварочной горелкой. При проведении опытов обеспечивали скорость сварки 0,6 и 0,3 см/с. Применялась сила сварочного тока 90А и 130 А для вольфрамового электрода WC-20 диаметром 3,2 мм с углом заточки 40° при дуговом промежутке 2 и 3 мм.

Контрольно-измерительная система установки включала цифровой осциллограф BORDO USB B-421, два измерителя-регулятора микропроцессорного типа ОВЕН ТРМ1 - Д.У.Р., а также два аналоговых прибора - амперметра типа М367 и вольтметра М366 2-ого класса точности. Учитывая, что указанные цифровые измерители и осциллограф имеют входное напряжение соответственно 1 и 10 В, использовали делители напряжения, позволяющие регистрировать сварочное напряжение до 30 В и напряжение холостого хода источника сварочного тока до 80 В. Для уменьшения шума в измерительной сети применяли RC-фильтры. Зажигание дуги производили коротким замыканием дугового промежутка графитовым стержнем.

Цифровой осциллограф BORDO USB B-421 позволяет проводить регистрацию сигналов в двухканальном режиме с полосой пропускания до 150 МГц при максимальной частоте дискретизации 100 МВыб/с.

Для фотографирования дугового пространства применяли фотоаппарат Cassio Exilim EX-F1 с инфракрасными светофильтрами ИКС-5 и иКС-6 [5].

Результаты и их обсуждение. Дискретные данные, полученные при сварке по флюсам-окислам металлов с помощью осциллографа BORDO USB B-421, анализировали во временной и частотной (спектральной) областях с целью выявления влияния окислов на свойства электрической дуги. Режимы работы каналов упомянутого осциллографа приведены в табл 2.

Таблица 2

Режимы работы каналов оси иллографа BORDO USB B-421

Канал Пробник Развертка по времени (частота дискретизации) Развертка по амплитуде (коэффициент отклонения) Смещение постоянной сигнала относительно уровня нуля

А(напряжение на дуге) 1:10 100;200 мс/дел 10 В/дел 27,1 В

В(сила сварочного тока) 1:1 100;200 мс/дел 50 мВ/дел -35,3 мВ

Анализ во временной области. В качестве критерия устойчивости (стабильности горения дуги) процесса сварки во временной области применяли статистическую характеристику - стандартное отклонение сварочного тока и напряжения.

Средствами программного обеспечения осциллографа BORDO USB B-421 [6], а также математического пакета Mathcad [7] рассчитывали такие параметры зарегистрированного сигнала как среднее Хср и эффективное значение выборки

х - ÍÜT

где x¿,N - значение сигнала в i-той выборке (измерении), число выборок, соответственно.

Также рассчитывали стандартное (среднеквадратическое) отклонение от среднего

647

SD=

у N \ N J

и разность наибольшего и наименьшего значений сигнала (диапазон изменения)ДХ.

Рис. 2. Осциллограмма сварочного тока и напряжения на дуге при сварке TIG с использованием СаО

в масштабе времени - 2с на деление

Рис. 3. Осциллограмма сварочного тока и напряжения на дуге при сварке TIG с использованием СаО

в масштабе времени - 0,2с на деление

в масштабе времени - 0,1с на деление

Анализ табл. 3 и рис.5 показывает, что суспензия на основе оксида СаО вызывает наибольшую нестабильность процесса сварки, выражающуюся в большом разбросе значений сварочного тока вокруг среднего значения (стандартное отклонение составляет 140-155 А). Стандартное отклонение напряжения на дуге в этом случае также наибольшее и составляет 2,4 В при значении этого параметра 1,2 В для случая сварки без применения оксидов.

Наиболее стабильный процесс обнаружен при использовании оксидов А1203, СиО и Сг203, когда стандартное отклонение силы сварочного тока растет от 50 до 80А.

Таблица 3

Параметры режимов сварки при проведении опытов_

№ Режим* Напряжение на дуге**, В Сила тока***, мВ/Л

Оксид I L U иэф Ucp SD ди 1эф Icp SD Д1

9 без 133 2 10 9,7 9,62 1,2 6,7 35,5/141,8 33,9/135,7 10,5/40,9 55,8/223

55 ЛЬОз 90 3 9 10,3 10 2,08 10,4 28,6/114 22,9/91,6 14,1/56,4 84,7/338

54 ЛкОз 131 2 8 7,25 6,8 1,7 10,2 37,3/149 34,1/136,4 14,7/58,8 73,4/293

49 АкОз 130 3 - 7,76 7,47 1,8 10,2 37,7/150,8 33,5/134,0 15,9/63,6 74,2/296

53 СГ2Оз 130 3 10 9,39 9,1 2,2 11,4 38,3/153 33,1/132,1 19,1/76,4 94,0/304

22 Сг2О3 130 2 10 10,75 10,4 2,50 13,5 49,27/197,1 33,2/133,2 36,2 —

40 СаО 130 3 11 9,6 9,33 2,4 12,1 48,5/194,0 33,8/135,2 38,8/155,2 197/788

36 СаО 130 2 10 9,8 9,8 2,3 11,8 47,8/191,2 33,1/132,4 35,1/140,4 175/700

25 ТЮ2 90 2 10 10,7 10,5 2,2 12,0 39,22/156 22/88 32/128 165/660

13 СиО 136 2 10 12,5 12,30 2,3 12,8 39,8/159,2 34,3/137,2 20,1/80,4 166/664

35 МпО2 130 2 9,5 9,20 8,99 2,3 11,8 46,36/185,4 32,2/128,8 33,10/132,4 296

34 гпО 130 2 10 8,7 8,4 2,20 12,1 44,4/177,6 32/128 30,7/121,6 150/601

37 Fe2Oз 130 2 9 7,75 7,5 1,9 11,0 45,9/183,6 33,5/134 31,5/126 167/668

Примечания: * - электрические параметры режима определены по приборам ОВЕН, - напряжение на дуге определено по данным осциллограмм; *** - сила сварочного тока в числителе определена по данным осциллограмм, в знаменателе приведены рассчитанные значения сварочного тока при шунте 300 А.

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Рис. 5. Стандартное отклонение сварочного тока

Показатель стабильности процесса сварки в виде SD тока с оксидами А12О3, и СиО близок к показателю стабильности сварки без применения оксидов, который равен 40 А. Оксиды 2пО, Fe2O3, ТЮ2 и МпО2 рис. 6 дают в 3 раза больший разброс значений сварочного тока: значения SD тока составляет 120-130 А, что свидетельствует о существенной нестабильности процесса горения дуги.

Рис. 6. Сварка с оксидом Мп02

Анализ в спектральной области. Анализ осциллограмм электрических параметров сварки в спектральной области провели в пакете Mathcad, где использовали функцию [7], которая выполняет быстрое преобразование Фурье по алгоритму Кули-Тьюки [8] вектора V действительных чисел с числом элементов п = 2т (т- целое число). Действительные числа вектора V представляют дискретные отсчеты выборки тока или напряжения через равные промежутки времени сварки образцов. Результатом является вектор. С элементов 1 + 2т-1, j-й элемент которого определяется выражением:

I

Ulli

без AI2O3 AI2O3 AI2O3 Cr2O3 CuO ZnO Fe2O3 TiO2 MnO2 CaO CaO

где i - комплексная единица.

Частоту, связанную с к-м элементом выборки в рассчитанном спектре БПФ, определяли как [6]

//с = -Гз.

где ^ — частота дискретизации исходного сигнала, п — количество элементов выборки.

Вычисления проводили при частоте дискретизации 500 или 1000 и количестве выборок 1024.

Шаг спектра — .

При сварке без оксида (при традиционной сварке) амплитуда гармоник тока дуги уменьшается с 650 А при частоте £=22 Гц до 200 А при f=105 и 130 Гц, показано на рис.7, где видны также гармонические составляющие на высоких частотах с амплитудами не более 50 А. Использование оксида алюминия способствует наименьшей амплитуде сварочного тока при гармониках низких частот: при £<60 Гц амплитуда тока не превышает 100 А, только при £=125 Гц амплитуда тока достигает 1000 А рис.8. При использовании оксида хрома рис.9 амплитуда тока при низших гармониках также мала и не превышает 50 А, однако она достигает 600 А и 1000 А при гармониках £=85 и £=115 Гц соответственно.

-

=

МО

2

J^J--ДА.^.

.ILLLu

is зо ад я и ю и и но 1» ш iw 1=0 :« го но lie лх :i(? г;с ио до ;я>

Частота. Г.Д

ш iJ

£ 1С

1 1

V- J 1 J J 1 А— К.

D Id Я Л  Я № 7D Е0 90 !0а [!0 1Э IJC 160 LTD ISO [90 ЗИ ЛИ 3! М 3!С

Частота. Гц б

Рис. 7. Спектр процесса сварки без использования оксида (традиционный процесс TIG): а - силы сварочного тока, б - напряжение на дуге

Диоксид марганца MnO2 вызывает сильное изменение спектра сварочного тока: уже при f=55 Гц амплитуда тока достигает 1500 А рис.10, а при f=135 Гц амплитуда тока едва не превышает 1000 А. СаО рис.11 способствует наиболее сильной амплитуде силы сварочного тока 1350 А при низкой частоте всего 22 Гц. Наличие максимальной амплитуды силы сварочного тока более 1000 А при низких гармониках с частотой до 60 Гц характерно также для оксидов Fe2O3 рис.12 и ZnO рис.13. Меньшие амплитуды силы сварочного тока до 300 и 250 А этом диапазоне частот обнаружены, соответственно, при применении оксидов CuO рис.14 и TiO2 рис.15. В отличии от традиционной сварки при применении оксидов CuO и TiO2 наблюдаются значительные амплитуды силы сварочного тока 800-900 А при частотах 130-140 Гц. Табл. 4 содержит амплитуды силы сварочного тока и частоты гармонических составляющих колебаний низших частот для исследованных оксидов.

Амплитуды силы сварочного тока

Таблица 4

Оксид Частота, Гц Амплитуда силы сварочного тока, А

без 20 600

CaO 20 1350

Fe2O3 35 1500

MnO2 55 1300

ZnO 60 1300

Cr2O3 10...20 Менее 100

A12O3 20.. .60 Менее 100

TiO2 5.30 200

CuO 5.30 Менее 250

а

Таким образом, наличие больших амплитуд силы сварочного тока при низких и средних 130160 Гц гармониках соотносится с высоким SD силы сварочного тока и наоборот, малые амплитуды соответствуют низким SD.

Приведенные данные исследований электрических параметров сварочной дуги в частотной области соответствуют результатам исследования во временной области. Оба метода показали, что оксид алюминия вызывает наименьшее возмущение дуги, а оксид кальция СаО и диоксид марганца - наиболее возмущающие процесс сварки.

1*10"

гГ

X

.А

0 и И Я -й « 60 70 Я1 Я [Ш 114 130 130 1« 150 1« № Ш Ш Ш 1]| » М Ц)

Частота. Гц

Рис. 8. Спектр сварочного тока при использовании Ah0з

ыю1

о ю зо зо « 50 т то

«0 100 110 130 130 140 1» НЯ 110 1» ¡«0 200 11<3 33» до за 2»

Частота. Гц

Рис. 9. Спектр сварочного тока при использовании Сг:Оз

< сГ

1«К?

О 10 20 30 40 Я 60 та 30 Ю 100 11» 120 130 140 150 160 110 180 1« И» 310 2ЭЭ 230

Частота. Гц

Рис. 10. Спектр сварочного тока при использовании МпО:

г!

И

<

имо? 1 ыо5

1ЙК103

1» о

—

— _

II, 1 — ——,

О 10 30 И 40 50 «О 10 90 90 100 И» 130 130 140 150 160 110 1ЕО 1М 300 210 330 330 34« 330

Частота, Гц

Рис. 11. Спектр силы сварочного тока при использовании СаО

< а

1

1 .ЭЛ-1

¡.мо? 1.1»] о?

90С

750

ев;

45С 3« 15С С

а

3

^ ] .»I А. 1x1 .1 I -Д

а Д[

о ю м и ю и ее к м и ко 1» 15а но 150 160 но 1во ¡90 аю зю зза за) зло 230

Частота, Гц

Рис. 12. Спектр сварочного тока при использовании Fe20з

651

< J-

1 Mtr liSSdt? tiró lJOMtí

ÍOrj 600

ЗИ

1S( D

* .aA

io 3D so 4D sci и та а и loo no i;íi 130 tía iso leo ira Leo isí 200 ülq 22c 230 щ 2so

Частота. Гц

а

О 10 X 30 -» Ж № 70 SO 90 1« 110 130 Ш |Й ISO IM tJO ISO 1W 200 210 230 230 МО I»

Частота. Гц

б

Рис. 13. Спектр процесса сварки при использовании оксида ZnO: а- силы сварочного тока;

б - напряжение на дуге

1*10

900

ЕОО

< та

пг «0

мо

400

300

200

100

0

JL_1

3

Ш JL

ю зо » « я а то а я ico но la i» 1« ш т lio iso i» и 2¡o по ао мо т

Частота. Гц

Рис. 14. Спектр сварочного тока при использовании CuO

1*¡0 МО — _ _ — 1 -1- _1

too Í №0 —— --

fc1 500 1 4» —i_ I -_

5 я» < я» ¡00 J 1-Х i Рг -[т-^ 1 i_

/V/W л >3« 1 1 J4 JurJLt j

о ¡о го да -5п и « in

Частота. Гц

Рис. 15. Спектр силы сварочного тока при использовании TiO2

В работе проведены эксперименты по автоматической сварке постоянным током прямой полярности вольфрамовым электродом в аргоне аустенитной стали 12Х19Н9Т с применением оксидов металлов и без их применения. Выполнен анализ осциллограмм сварочного тока и напряжения на дуге, полученных в процессе сварки, во временной и частотных областях. Эти эксперименты показали следующее.

Выводы:

1. Статистическим анализом во временной области дискретных эквидистантных данных сварочного тока и напряжения на дуге показано, что стабильность процесса сварки, оцениваемая по средне-квадратическому отклонению силы сварочного тока, зависит от примененных оксидов: стабильность уменьшается в ряду AI2O3, CuO, &2O3 ZnO, Fe2O3, ТЮ2, MnO2, CaO.

2. Методами спектрального анализа дискретных эквидистантных данных изменения сварочного тока и напряжения на дуге (в частотной области) установлено, что использование оксидов металлов при сварке в аргоне аустенитных сталей типа 18-8 неплавящимся электродом изменяет спектр электрических параметров дуги, характерный для традиционной сварки. Изменение заключается в увеличении максимальных амплитуд в низких частотах и появлении больших амплитуд в областях средних и высших гармоник.

3. Спектр силы тока дуги сварки в аргоне аустенитных сталей типа 18-8 неплавящимся электродом характеризуется амплитудой ~600 А при частоте ~20 Гц и 2 гармониками с частой 105 и 150 Гц амплитудой не выше 210 А.

4. Наибольшую амплитуду сварочного тока (1300...1500 А) в низших гармониках (до 60 Гц) вызывает применение монооксида кальция, Fe2O3, MnO2 и ZnO; такие оксиды как Al2O3, Cr2O3, TiO2, CuO способствуют наименьшим амплитудам от 100 до 250 А в этих гармониках.

5. Результаты исследований изменения среднеквадратического отклонения силы сварочного тока соответствуют его спектральному анализу, что позволяет объяснить обнаруженную при применении некоторых оксидов нестабильность процесса горения дуги изменением спектра электрических параметров дугового разряда, а именно, появлением в спектре гармоник со значительными амплитудами сварочного тока.

Список литературы

1. Hsuan-Liang Lin, Tong-Min Wu., Effects of Activating Flux on Weld Bead Geometry of Inconel 718 Alloy TIG Welds // Journal of Materials and Manufacturing Processes. 2012. V.27. P. 1457-1461.

2. Tathgir S., Bhattacharya A. Activated-TIG Welding of Different Steels: Influence of Various Flux and Shielding Gas// Journal of Materials and Manufacturing Processes. 2016. V.31(3). P. 335-342.

3. Dixit Patel, Suketu Jani, Techniques to weld similar and dissimilar materials by ATIG welding - an overview // Journal of Materials and Manufacturing Processes. 2021. V.36(1). P. 1-16.

4. ГОСТ 10157-2016. Аргон газообразный и жидкий. Технические условия. Введ. 2017-07-01. М., 2016. 28 с.

5. ГОСТ 9411-91. Стекло оптическое цветное. Технические условия. Введ. 1993-01-01. М., 1992. 49 с.

6. Инструкция к осциллографу BORDO USB B-421. [Электронный ресурс] URL: http://auris.ru/rus/products/b421.htm (дата обращения: 02.08.2022).

7. Программный продукт Mathcad. [Электронный ресурс] URL: https://www.mathcad.com/en (дата обращения: 01.09.2022).

8. Бердант Дж., Пирсол А., Прикладной анализ случайных данных: Мир, 1989. 540 с.

Бабкин Александр Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, bas-43@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Котов Никита Сергеевич, магистрант, kotovn85@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Терехов Виктор Викторович, магистрант, terekhovvikt@yandex. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

ANALYSIS OF ELECTRICAL PARAMETERS OF THE WELDING ARC IN ARGON WITH TUNGSTEN

ELECTRODE AND FLUX-OXIDES

A.S. Babkin, N.S. Kotov, V.V. Terekhov

In order to identify the influence of metal oxides on the characteristics of DC-welding arc in argon with a non-consumable electrode we analyzed the oscillograms of electrical parameters in the time and spectral range - voltage and welding current, obtained in welding austenitic steel 12X19H9T with the oxides Al2O3, CuO, Fe2O3, CaO, CuO, ZnO, TiO2 and Cr2O3. The standard deviation of welding current and voltage was used as a criterion of arc burning stability in the time domain. In the spectral region, discrete Fourier transform was used to analyze the process. Investigated fluxes were ranked according to their influence on arc discharge stability. Characteristic harmonic components of welding current spectrum of traditional process of welding with non-consumable electrode in argon and welding with the use of some oxides have been determined. It was established that aluminum oxide causes the least disturbance of the arc, and calcium oxide СаО and manganese dioxide have the most disturbing influence on the welding process. The instability of the welding process when using some oxides was associated with the detected changes in the spectrum of electrical parameters.

Key words: electric parameters of the welding arc, TIG welding, austenitic steel, flux, oscillograms.

Babkin Alexander Sergeevich, doctor of technical sciences, dosent, bas-43@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Kotov Nikita Sergeevich, master, kotovn85@yandex. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Terekhov Viktor Viktorovich, master, terekhovvikt@yandex. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University