книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

Ю.Д. Щнцын

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Часть 2

Допущено Учебно-методическим объединением по профессионально-педагогическому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по специальности 050501.08 - Профессиональное обучение (машиностроение и технологическое оборудование)

Издательство Пермского государственного технического университета

2007

3

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность плазменных процессов определяется осо­ бенностями теплового и силового воздействия сжатой дуги на обрабатываемый материал. Структура и свойства сжатой ду­ ги и плазменной струи зависят от степени сжатия дуги, электри­ ческих параметров и плазмообразующей среды.

Центральным звеном плазменных установок является плаз­ менная горелка (или плазмотрон), обеспечивающая возбужде­ ние, формирование и стабилизацию горения сжатой дуги или плазменной струи. Полярность сжатой дуги во многом опреде­ ляет энергетические и технологические свойства сжатой дуги. Поэтому изучение этих тем является важной задачей для пони­ мания вопросов плазменной обработки металлов.

В настоящее время разработан и успешно применяется ряд технологических процессов и установок, основанных на исполь­ зовании низкотемпературной плазмы. Среди них плазменная сварка, резка, наплавка, плазменное напыление покрытий, ме­ таллизация, плазменное поверхностное упрочнение деталей, плазменная плавка и рафинирование металлов, плазменно­ механическая обработка и др. Использование плазменных тех­ нологий позволяет значительно повысить производительность процессов и получить ряд дополнительных преимуществ.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖ АТОЙ ДУГИ И ПЛАЗМ ЕННОЙ СТРУИ

Энергетическая эффективность способа сварки является одним из решающих факторов при выборе того или иного сварочного процесса применительно к конкретному изделию. Эффективность процессов сварки плавлением оценивают такими

и удельным тепловым потоком в пятне нагрева qc(Вт/см2). Сжатая дуга и плазменная струя являются эффективными

источниками нагрева для сварки плавлением.

В плазменных технологиях обработки металлов температу­ ра в дугах средней мощности (сила тока 50-1000 А), стабилизи­ рованных потоком газов, составляет 6000-20 000 °С.

5

В дугах, стабилизированных водяным вихрем, температура может достигать 60 000-70 000 °С. Удельный тепловой поток в пятне нагрева может достигать 107 Вт/см2.

Сжатые дуги и плазменные струи получают в специальных устройствах, называемых в сварочной технике плазмотронами или плазменными горелками.

Наиболее распространенный способ получения сжатых дуг и плазменных струй - интенсивное охлаждение газовым потоком столба дуги, горящей в сравнительно узком водоохлаждаемом канале (сопле) плазмотрона. В промышленной практике главным образом находят применение дуговые плазмотроны постоянного тока, структурно состоящие из двух основных элементов - электрода и формирующего (плазмообразующего) сопла.

В сварочной практике наметились две основные разновид­ ности плазменных процессов и соответственно дуговых плазмен­ ных горелок:

1. Процессы для обработки (сварки) сжатой (плазменной) дугой плазмотронами прямого действия, в которых одним из электродов является обрабатываемый материал (рис. 1, а). В данном случае используется два энергетических источника нагрева изделия - плазменная струя и электрически активное пятно дуги. Эффективный КПД т| и таких процессов может

достигать 60-80 %.

2.Процессы для обработки материалов плазменной струей.

Вданном случае изделие не включено в электрическую цепь дуги. Для ведения этих процессов используются плазмотроны косвенного действия (рис. 1Д в).

Максимальное значение эффективного КПД таких процессов (при больших расходах газа) может достигать 70 % (обычно 20-50 %).

Вобщем случае основными элементами плазменных горелок являются: электрододержатель с электродом - катод или анод при работе плазмотрона на обратной полярности; электрически изолированное от электрода плазмообразующее сопло и сопло для защитного газа.

Конструкция горелки включает в себя системы для цир­ куляции воды, подачи газов и энергоснабжения.

6

Рис. 1. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок для получения: а - плазменной дуги (совмещенное сопло и канал; плазменная струя совпадает со столбом дуги); 6 - плазменной струи (раздельные сопло и канал; плазменная струя выделена из столба дуги); в - то же, совмещенные канал и сопло;

/- углубление электрода в канал

Вактивном тепловом режиме работают электрод и плазмо­ образующее сопло, термическая стойкость которых определяет мощность, работоспособность и надежность плазменной горел­ ки и системы в целом.

Таким образом, изучение распределения мощности сжатой дуги и плазменной струи между изделием, электродом и плазмообразующим соплом является важной задачей.

1.1. Структура сжатой дуги и плазменной струн

Сжатая дуга и плазменная струя - преобразователи электрической энергии в тепловую. Поэтому как элемент электрической цепи, с одной стороны, они характеризуются электрическими параметрами (током /д, напряжением t/д), а с другой стороны, как источник тепла - тепловыми параметрами (температурой, теплосодержанием). Существует сложная взаимосвязь между параметрами первой и второй группы.

В дуге, обжатой водоохлаждаемым соплом и потоком газа, температура выше, чем в свободно горящей дуге при одинаковом токе (рис. 2).

7

Рис. 2. Распределение температуры: а - в свободной и сжатой дуге (I - дуговой разряд без стабилизации газовым потоком при аргоно­ дуговой сварке; сила тока 200 А; напряжение дуги 14,5 В; II - сжа­ тая дуга в канале плазмотрона в потоке аргона; катод - лантанированный вольфрам; анод - медная пластина; диаметр канала 4,9 мм; расход аргона 1,08 м3/ч; сила тока 200 А; напряжение дуги 29 В);

б - в плазменной струе

Скорость газового потока при наличии обжимающего дугу сопла и одинаковом расходе газа также возрастает по сравнению со свободно горящей дугой. Дуга в этих условиях получает по­ вышенную пространственную и энергетическую стабильность. Энергия сжатой дуги передается нагреваемому телу электрона­ ми, тяжелыми частицами, а также вынужденными конвектив­ ными потоками с излучением столба дуги.

При обработке плазменной струей материал подвергается действию высокотемпературного газового потока, оставаясь электрически нейтральным. Энергия плазменной струи переда­ ется нагреваемому телу в результате процессов теплообмена - вынужденной конвекции и излучения струи.

Структурно сжатую дугу можно представить в виде ряда характерных участков, последовательно расположенных вдоль ее оси. Плазменная дуга прямого действия (рис. 3, а) состоит из катодной области, досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба и анодной области, расположенной на обрабатываемом изделии.

8

Рис. 3. Структурная схема сжатой дуги: а - прямого действия; б - косвенного действия: Э - электрод; С - сопло; И - изделие

Напряжение дуги является C V M M O M падений напряжений на этих участках

ий =ик +икс+ис +Мс.а +иа,

причем

: ^ K.J K.C > ис E QIQ > wc.a -^с.а^с.

где /кс,/с,/са - протяженность соответственно досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба дуги, мм; ЕКС,ЕС,ЕСЛ - напряженность электрического поля тех же уча­ стков столба дуги, В/мм. На внутрисопловом участке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал диметром dx<dc ( dc - диаметр сопла), а за срезом сопла, по мере удаления от него, диаметр электропроводного канала уве­ личивается и на изделии достигает величины d2, а температура и скорость течения плазменной струи уменьшаются.

Столб сжатой дуги косвенного действия (плазменной струи) (рис. 3,6) также близок к цилиндрической форме и в ос­ новном расположен внутри плазмотрона. Температура, электро-

9

проводный диаметр и скорость течения плазменной струи по мере удаления от среза сопла резко уменьшаются. Напряжение плазменной струи может быть определено следующим образом:

Мп с ~ мк мк.с + ма ■

В зависимости от тока и степени сжатия дуги в плазмотро­ нах с вольфрамовым катодом величина ик составляет 5-8 В.

Величина иа , по разным источникам, может быть в пределах 3-12 В и слабо зависит от материала анода. Значения Ек с

и £с близки по величине и почти неизменны по всей длине досоплового и внутрисоплового участков столба. Для сжатой дуги прямого действия

* Е = -

Напряженность поля открытой части столба дуги уменьша­ ется по мере удаления от среза сопла. Среднее значение его можно определить как

Напряженность участков столба сжатой дуги зависят от состава газовой струи, степени сжатия дуги, тока дуги. Таким образом, напряжение плазменной дуги зависит от конструктивных параметров плазмотрона (dc, /к.с, 4) от тока дуги, состава и расхода плазмообразующего (рабочего) газа и, наконец, расстояния от среза сопла плазмотрона до изделия (/са).

Определение теплового баланса сжатой дуги и плазменной струи представляет практический интерес.

1.2.Распределение тепловой энергии сжатой дуги

иплазменной струи

, Электрическая мощность почти полностью превращается в тепловую и расходуется на нагрев плазмотрона (в основном те­ плонагруженных элементов - электрода и сопла), окружающей среды и обрабатываемого изделия:

10