книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч
.1.pdfИсходя из того, что боб = 0 с - 0к, и приняв 0= 180°, получим упро щенное выражение для р0&
D _ 3 2 ( б с - 0 к ) 0 С
(21)
06" я Ч 4
Учитывая изложенное выше, можно отметить, что наличие сквозно го отверстия ведет к снижению давления в приемной камере в сравнении с непроточной камерой, а наличие обратных потоков ведет к повышению давления. Следовательно, для струи с заданными параметрами баланс рас ходов (19) позволяет оценить характеристики камеры, в том числе рк.
Давление в камере можно определить из уравнения импульсов в про екции на ось струи для выделенного участка ABCDEFGH (см. рис. 7, б):
Д Л = hx + А>бх + ^кх» |
(22) |
где р к - давление в приемной камере (сечение EF); FK- |
площадь сечения |
EF; /схимпульс струи в сечении АВ; /0gxпроекция на ось струи импуль са обратного потока (он состоит из обратного потока, вытекающего из приемной камеры, и отклоняемого потока); 1т - проекция на ось струи импульса потока через приемную камеру (сечения EF).
Решая (22) относительно рк, получается:
' ■ - i b ' - t 1- ' - }
Импульс |
|
1т =2п\ри*Ыг |
(23) |
о |
|
может быть вычислен при известном распределении параметров струи. Импульс /кх также может быть вычислен при известном
Л х=Рбк“к» |
(24) |
где
(25)
Структура обратного потока для общего случая в настоящее время не исследована. В общем случае можно записать
2 1
/обх =Рбоб«обх. |
(26) |
однако t/об и 0об неизвестны, поэтому необходимо ввести поправочный ко эффициент
5 - 1 + ^ - . |
(27) |
|
|
*СХ |
|
Обозначив |
|
|
V2 = £ K . |
а |
|
я* |
а |
|
и приняв во внимание, что члены уравнения импульсов (22) определяются
Лх = Р“с^с> |
'обх = РМо2бх^об» |
/ « = Р*4с*кх> |
можно найти поправку, учитывающую обратный поток:
% = 1 + ^ = 1+ Р-<?)2 ■'сх (г2 - 1 ) '
Таким образом, давление в приемной камере
(28)
Подводя итог сказанному выше, следует отметить, что давление в полости кратера определяется как характеристиками струи, так и формой и размерами полости кратера и диаметром сквозного отверстия. Кроме то го, в полости кратера добавляется статическое давление сжатой дуги р 0. Статическое давление в столбе дуги слагается из магнитного «пинчэффекта» и избыточного давления, которое в рассматриваемом случае рав но атмосферному. Это давление (р0) может быть рассчитано, если известен закон изменения плотности тока j(r). Для параболической зависимости распределения тока по радиусу дуги
Д '- W o O - p O
статическое давление на оси
Ро(0) = Но 512 4яЗяЛ *
2 2
Это давление зависит от параметров режима сварки и не зависит от параметров полости кратера.
1.3.Тепловой баланс сжатой дуги
Распределение теплового потока сжатой дуги определяет эффектив ность плазменных процессов и работоспособность плазмотрона. В общем виде тепловой баланс сжатой дуги можно представить формулой
где Л(д - тепловая мощность сжатой дуги; Nn- мощность (теплота), погло щаемая плазмотроном, Nn = N3+ Nc; N3- мощность, передаваемая электро
ду; - мощность, передаваемая плазмообразующему соплу; Noc - мощ ность, теряемая в окружающую среду; NH- мощность, передаваемая обра батываемому изделию.
Величина N„ для различных процессов достигает 55-80 % мощности сжатой дуги и определяется технологическими параметрами процесса (/д, С/д, Qn, hCH), а также геометрическими параметрами плазмотрона (</с, hc,
Аэс). Величина Nn может составлять 20-45 % мощности сжатой дуги. Поте ри в окружающую среду составляют 3-10 %.
Мощность, передаваемая плазмотрону, идет на его нагрев. Для обес печения работоспособности плазмотрона это тепло необходимо отводить. Для этого плазмотрон снабжается системой охлаждения (водяное или газо вое).
Распределение тепловой нагрузки между электродом и плазмообра зующим соплом неравномерное и, в зависимости от полярности, определя ется из следующих условий:
К = /„ («к - Фк)> Nn = 7д(ма + Фа)» Nc = |
+ 1кс)> |
где NK, ЛСа, Nc - тепловая мощность, выделяемая на катоде, аноде и сопле соответственно, Вт; ик, иакатодное и анодное падение напряжения, В; <рк, Фа - работа выхода электрона из катода и из материала анода, эВ; /д - ток дуги, А; Ес - напряженность столба дуги, расположенного внутри плазмо трона В/мм; /с, /кс ~ протяженность досоплового и соплового участков столба дуги соответственно, мм; к = 0,1...0,25 определяется составом и расходом плазмообразующего газа. Для детальной оценки тепловой обста новки внутри плазмотрона необходимо рассмотреть особенности теплово го баланса на электроде-катоде и электроде-аноде при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности соответственно.
2 3
U.l . Оценка теплового баланса на электроде-катоде при работе плазмотрона на прямой полярности
Схематично тепловая обстановка на катоде, представляющем вольф рамовый пруток, закрепленный в водоохлаждаемом электрододержателе, представлена на рис. 8.
Рис. 8. Тепловой баланс на электроде катоде: q& - тепловой поток, выделяемый в катоде, q\ - тепловой поток от катодной об ласти, qt - тепловой поток работы выхода
элеюронов, qx - тепловой поток, отводи мый теплопроводностью, qK- тепловой по ток, отводимый конвекцией, qp- тепловой поток, отводимый радиацией
Пусть по катоду течет ток /.Т ак как удельное сопротивление вольф рама зависит от температуры, обозначим его р(7), напряженность электри ческого поля изменяется по длине катода. Распределение температуры по длине катода обозначим T(z).
При площади поперечного сечения катода S и электрическом сопро тивлении единицы длины катода Rfa) (Ом-см) на единицу длины выделя
ется мощность (Вт) |
|
qR = l2R,(z) = (I2/S)p(nz)). |
(29) |
В единице объема катода выделяется мощность (Вт/м2) |
|
N0 = q j s = ( l/ s fp ( n z ) ) . |
(30) |
Кроме того, катод нагревается в результате дуговых процессов на конце электрода.
Охлаждение катода связано с четырьмя физическими процессами:
1. Теплота уходит в охлаждаемую оснастку за счет теплопроводно сти. Коэффициент теплопроводности вольфрама \(Т) зависит от темпера
2 4
туры. Температуру катода в сечении Z2 будем считать заданной (измерен ной с помощью термопары) и обозначим ее 7*2.
2. Теплота излучается с боковой поверхности в окружающее про странство, которое можно считать прозрачным для излучения. Согласно закону Стефана-Больцмана тепловой поток излучения (Вт/м2):
<?Р =eC0(7Xz))\ |
(31) |
где Со = 5,67"® Вт/(м2 К4); е - степень черноты поверхности катода. Гради ентом температур по сечению катода пренебрегаем вследствие его малой толщины, поэтому можно считать, что теплоту теряет в целом весь катод. Количество теплоты Np (Вт/м2), теряемое катодом в единицу времени, оп ределяется по формуле
Np =2eC0(T (z)f/r, |
(32) |
так как площадь боковой поверхности единичного объема катода состав ляет 2яrh/nr2h = Hr.
3. Теплота уносится с боковой поверхности единичного объема кон вективными потоками защитного газа. Тепловой поток (Вт/м2) при конвек
ции определяется по закону Ньютона: |
|
9. =<*.(П*)-Гг), |
(33) |
где а к - коэффициент конвективной теплоотдачи; Тг - температура защит ного газа.
Количество теплоты NK(Вт/м2), теряемое катодом в единицу време ни, определяется по формуле
Л1,=2ак(Г(г) - Г г). |
(34) |
4. Теплота теряется в области активного пятна дуги за счет элек тронной эмиссии; многочисленными экспериментами установлено, что в широком диапазоне токов температура в области активного пятна состав ляет 3000-3400 К, поэтому с погрешностью, не превышающей 7 %, темпе ратуру катода Т\ при z = 0 можно считать заданной и равной 3200 К.
Таким образом, распределение температуры в катоде описывается уравнением:
dz |
dz |
=-N 0(T) + М„(Т) + N.(T) |
(35) |
у |
|
с граничными условиями TQ= Ti\ T(z2) = Т2 ; T=j[z).
25
тивного теплообмена с окружающей обстановкой, в том числе и с внутрен ней поверхностью плазмообразующе го сопла.
Процессы теплообмена на аноде плазмотрона сосредоточены практиче ски на его торцевой части. Подвод энергии к аноду плазмотрона осуще ствляется:
1.Энергией электронов (работа выхода).
2.Кинетической энергией элек тронов дуги за счет соударения с по верхностью анода.
3.Теплоотдачей от дуги излуче
нием.
Потери энергии с поверхности анода состоят из тепла, отводимого теплопроводностью через анод и тепла, отдаваемого анодом в окру жающую среду излучением и конвек цией.
z
Рис. 10. Тепловой баланс на электро де-аноде: qa - тепловой поток от анод ной области, qc - тепловой поток
работы выхода электронов, зд. - теп ловой поток, отводимый теплопро водностью, qx- тепловой поток, отво димый конвекцией, qp- тепловой по ток отводимый радиацией
Излучение с поверхности анода при Т <1353 К (температура плавле ния меди) при е = 1 не превышает qp < 1,9*10-2 кВт/CM2, что является пре небрежительно малой величиной. В действительности температура анода вблизи рабочей зоны не превышает 523 К. По причине низкой температу ры анода, сосредоточенности активного пятна вблизи осевой части торца анода с учетом структуры газовых потоков в плазмотроне можно отметить малое влияние конвективного теплообмена на общий тепловой баланс на аноде. В итоге уравнение теплового баланса на аноде предельно упрощается:
/д(«а + Фа) = Ч ъ |
(36) |
Таким образом, при работе плазмотрона на обратной полярности те пловая нагрузка на плазмообразующее сопло определяется в основном те плопередачей от сжатой дуги. Анод практически не участвует в теплооб мене с плазмообразующим соплом.
Следует помнить, что предложенная модель энергетического баланса на аноде содержит ряд упрощающих допущений, поэтому количественные результаты являются достаточно приближенными. Тем не менее эта мо дель достаточно убедительно обосновывает разницу в тепловложении в плазмообразующее сопло при работе плазмотрона на прямой и обратной
2 7
полярности при прочих равных условиях, полученную экспериментальным путем.
2.ПЛАЗМОТРОНЫ
Центральным звеном плазменных установок является плазменная горелка (или плазмотрон), обеспечивающая возбуждение и стабилизацию горения плазменной дуги. Многообразие процессов плазменной обработки материалов определяет различие конструкций плазмотронов. Плазмотроны отличаются технологическими возможностями и насыщенностью техниче скими решениями. Факторы, влияющие на конструктивные особенности плазмотронов, можно представить в виде разветвленной схемы (рис. 11). На схеме показаны основные определяющие факторы, которые, в свою очередь, включают в себя множество дополнительных.
За период практического применения плазменной сварки, состав ляющий порядка 40 лет, разработано большое количество конструкций плазмотронов (речь идет о дуговых плазмотронах), см. патентную литера туру Кл. В23К9/00; 9/16; 10/00; 15/00; 16/00; 28/00.
По способу получения электрического разряда плазмотроны делятся на дуговые и высокочастотные.
В общем виде основными элементами дуговых плазмотронов явля ются: электрододержатель с электродом (катод или анод); камера для плазмообразования; плазмообразующее сопло, формирующее сжатую дугу или плазменную струю; изолятор, их разделяющий; вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего, защитного газов и охлаждающей жидкости. При разработке плазмотронов должны учитываться не только основные факторы (см. рис. 11), но и некоторые физические характеристики, такие как мощность (или максимальный ток), надежность, срок службы отдельных элементов, возможность двойного дугообразования, способы токоподвода, способы возбуждения сжатой дуги, воспроизводимость и управляемость параметрами сжатой дуги или плазменной струи и др.
Общими требованиями при конструировании плазмотронов являются:
1.Достаточная мощность и широкий диапазон регулирования сва рочных параметров.
2.Создание оптимальных характеристик сжатой дуги и обеспечение постоянства их в процессе сварки.
3.Обеспечение многократного, стабильного возбуждения сжатой ду ги (плазменной струи).
4.Надежность и значительный ресурс работы.
5.Простота конструкции, обслуживания и эксплуатации.
2 8
ВИД ТИП вид ОБРАБОТКИ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ПЛАЗМЫ
___1 |
1 |
1 |
реп |
дутов |
одгапяний |
|
ПЗ |
|
шив |
(ккюяго |
! |
|
Д*тш ВД) |
|
штат |
сщш> |
1 |
|
||
|
склрис- |
|
вшише |
дупЯ(оршого |
|
три» |
Wfcnm ПД) |
юди |
|
|
|
11[МОО(ф|бОТП |
pound |
•аде |
(□йдюдо!) |
||
|
осд+шо |
|
ГОРЕЛКИ (ПЛАЗМОТРОНЫ) ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
вид |
ТИП |
ПЛАЗМО |
ТОКА |
ОХЛАЖДЕ |
ОБРАЗУЮ |
|
НИЯ |
ЩИЙГАЗ |
1 |
Г~^ |
1 |
И0СЮШЫ1 |
аде |
ПЯртНЫЙ |
перуешн! |
го |
ооипощй |
•онбшро |
|
руяцв* |
пиныб |
|
|
|
|
рупдв! |
Рис. 11. Факторы, влияющие на конструкцию плазменной горелки
6.Минимальные габариты и масса, обеспечивающие возможность сварки в труднодоступных местах и различных пространственных положениях.
7.Универсальность, легкость перенастройки.
8.Экономичность изготовления, минимальная материалоемкость, минимальное использование дорогостоящих материалов.
9.Возможность восстановления горелок при отработке ими ресурса или аварийном выходе из строя в условиях предприятий-потребителей и ряд других.
Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод о том, что разра ботка плазмотронов является сложной и многоплановой задачей.
Классификация плазмотронов представлена на рис. 12.
I. По виду дуги |
II. По системе охлаждения |
||||
f ! L o |
г--------- r ti© |
e . |
Л |
вОдОгватвпВрдв |
|
1 rF |
(=) |
\r7bs |
|
i |
|
% |
« |
У т ш |
Ш |
|
|
JB |
|
|
|
|
|
______ 1 |
|
д z ~ |
|
д |
j |
Прямом Шсткв |
Коскнш Шсябия |
|
Воз^шт |
3 0