Повышение надежности элементов плазмотрона для обработки материалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

гб оа 11 т

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ЯКУТСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА

На правах рукописи

КИРЕНСКИЙ Иван Егорович

УДК 621.791.755

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

01.02.06 -Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры 05.03.06 -Технология и машины

сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск-1996

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера Якутского научного центра Сибирского отделения Российской Академии Наук.

Научный руководитель - доктор технических наук

Аммосов А.П.

Научный консультант - кандидат технических наук

Попов В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Защита состоится "29" 1995 г. в часов на заседании

диссертационного совета К 003.43.01. в Институте физико-технических проблем Севера Якутского Научного Центра Сибирского отделения РАН по адресу: 677891, г.Якутск, ул. Октябрьская,1.

Отзывы на автореферат (в '2 экз., заверенные гербовой печатью), просьба направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физико-технических проблем Севера Якутского научного центра СО РАН.

Автореферат- разослан февраля 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета

профессор Башенко В.В., кандидат технических наук Гуляев В.П.

Ведущее предприятие - Институт теплофизики СО РАН

К 003.43.01, д.т.н.

Н.П.Болотина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее десятилетие широкое применение в различных областях промышленности нашли генераторы низкотемпературной плазмы. Наибольшее распространение плазмотроны получили в сварочном производстве.

Дальнейшее их использование в производство выдвигает задачи совершенствования существующих и создания новых плазмотронов , отвечающих комплексу повышенных требований к надежности и работоспособности. Решение этих задач тесно связано с проблемой повышения ресурса основных элементов плазмотрона- электрода и сопла, находящихся в непосредственном контакте с плазмой разряда и работающих в экстремальных условиях по уровням тепловых потоков, температур и плотностей тока. Ресурс элементов особое значение имеет при работе плазмотрона на предельных режимах, так-как при этом сильно возрастает тепловая нагрузка на них. При больших значениях тока к разрушению элементов могут также привести пульсации электрических параметров сжатой дуги, зависящие от многих факторов (расхода газа, тока дуги, конструкции узлов, характеристики источника питания и т.д.).

Следовательно, возникает важная для практики задача- увеличение ресурса работы плазмотрона при изменении технологических параметров.

Диссертация выполнена- в соответствии с планом НИР ИФТПС по теме 1.11.5.2 "Разработка методов и способов определения свойств конструкционных и высокопрочных материалов и новых технологий для повышения прочности, долговечности машин и конструкций при одновременном снижении материалоемкости" (И гос. регистрации 01900035499 ) и хозяйственным договором "Исследование и разработка установки воз-

з

душно-плазменной резки металлов" Ш гос. регистрации 01890081961) от 29.10.1991г.

Цель работы. Установить взаимосвязь.динамики разрушения ответственных элементов плазмотронов с технологическими параметрами их эксплуатации и предложить техническое решение, повышающее ресурс плазмотронов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методику оценки стабильности горения сжатой дуги и установить влияние режимов работы плазмотрона на характеристики рассеяния электрических параметров;

- экспериментальное исследование влияние режимов работы плазмотрона на разрушение его элементов с одновременной регистрацией электрических параметров;

- решить температурную задачу для составного катодного узла и оптимизация значений тока и диаметра катода:

- установить влияние конструктивно-технологических факторов на температурное состояние катода и сопла;

- на основе результатов исследований разработать промышленный плазмотрон для сварки тонкостенных труб малого диаметра. .

Научная новизна. Расширены технологические возможности плазмотрона, обеспечивающие стабильность горения сжатой дуги, на основе совершенствования его конструктивных особенностей, включающие следующие новые результаты:

- разработана методика для оценки стабильности горения сжатой дуги с помощью созданной экспериментальной установки на базе автоматизированной системы управления, информационно-измерительной системы АСП-2 и источника питания АПР-403;

- установлена закономерность изменения стабильности горения

сжатой дуги, характеризуемая величиной коэффициента вариации по току от технологических параметров обработки и конструктивных особенностей плазмотрона;

- экспериментальным путем установлен механизм разрушения вольфрамового катода и выявлены условия, повышающие его ресурс на основе анализа динамики выхода присадок из катода;

- определены оптимальные режимы работы плазмотрона, обеспечивающие максимальную стабильность горения дуги и повышающие ресурс его работы при больших значениях тока;

- на основе обобщения исследований стабильности ^горения сжатой дуги при изменении технологических параметров и разрушения элементов плазмотрона создан плазмотрон для сварки тонкостенных труб малого диаметра.

Практическая ценность и реализация работы. Создана экспериментальная установка, позволяющая по изменению стабильности горения сжатой дуги диагностировать плазмотроны с учетом их конструктивного исполнения.

Результаты проведенных исследований использованы при разработке новых плазмотронов для плазменной обработки материалов в ИФТПС ЯНЦ СО РАН и ИТФ СО РАН. Всего разработано около 10 плазмотронов различного назначения, обеспечивающих выполнение технологических операций или научных исследований.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых и специалистов ИФТПС СО АН СССР (Якутск, апрель 1990г.) и заседании рабочей группы научного совета АН СССР по проблеме "Физика низкотемпературной плазмы" в Иркутском научном центре СО АН СССР (Иркутск, июнь 1991г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 публикациях и 2 авторских свидетельствах на изобретение.

Структура и обьем работы. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, включая 4 таблицы, 54 рисунков, список изпользованной литературы из 110 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы, выявлена степень ее изученности. На основании обзора теоретиче.ских и экспериментальных работ отмечены основные вопросы по физическому механизму разрушения сопла и электрода плазмотронов. Сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе описаны разработанная и созданная экспериментальная установка, методика оценки стабильности горения сжатой дуги и представлены результаты исследования по влиянию режимов работы плазмотрона на.характеристики сжатой дуги

В третьей главе приведены результаты исследований по динамике процессов на катодах и в прикатодной области, расчета распределения температуры по длине стержневого вольфрамого электрода и сопоставления экспериментальных результатов с данными, полученными рассчет-ным путем по предложенной формуле для оценки диаметра электрода в зависимости от тока дуги.

В четвертой главе приведены результаты разработки промышленного плазмотрона, предназначенного для сварки тонкостенных труб. Рассмотрены условия, при которых обеспечивается длительная эксплуатация плазмотрона.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Особенности работы плазмотронов и разрушение их элементов' На основе проведенного анализа динамики разрушения основных

элементов плазмотрона-сопла и электрода, расмотрения физических механизмов процесса образования двойной дуги и современных методов экспериментальных и теоретических исследований, показано, что в настоящее время одним из серьезных проблем является увеличение ресурса работы плазмотронов,- применяемых в различных областях промышленности, в частности и в сварочном производстве. В работах Рыкалина H.H., ПатонаБ.Е., Жукова М.Ф., Николаева А.В. Гвоздецкого B.C. Малаховского В.А. и других авторов проведены исследования по созданию различных конструкций плазмотронов с большим ресурсом работы, который в основном определяется работоспособностью электрода и сопла.

Ресурс плазмотрона и энергетические возможности сжатой дуги также тесно взаимосвязаны. Многими исследователями констатируется, что изменением конструкции плазмотрона и состава плазмообразующего и защитного газов можно увеличить энергетические возможности сжатой дуги. На практике более реальным считается повышение тепловой мощности сжатой дуги путем изменения отдельных конструктивных элементов плазмотрона. Поэтому высокая проплавляющая способность плазмотронов сжатой дугой обеспечила им широкое применение в промышленности. Однако большое энерговыделение в сопловой и присопловой части плазмотрона является своеобразным тормозом на пути дальнейшего расширения области их применения. Это обусловлено главным образом шунтированием дуги катод - сопло - изделие при увеличении тока, связанного с уменьшением электрического сопротивления толщины "холодной" прослойки газа у стенки канала сопла. Шунтирование такого типа является главной причиной быстрого износа и разрушения сопла плазмотрона и требует детального иэ<**е.ния.

Причиной образования двойной дуги может быть и образование на острие вольфрамового электрода так называемых "усов" в виде короны. Это может привести к шунтированию дуги катод - сопло - изделие и

быстрому разрушению сопла. Образование "усов" связано с возвратом на электрод под действием электродинамических сил электрического поля части испарившихся атомов металла и положительно зарядившихся ионов. Это явление (рециклинг) проявляется тем сильнее, чем выше температура острия электрода и работа выхода электронов из материала катода.

При больших значениях тока, кроме перечисленных выше причин к разрушению элементов плазмотрона могут привести и пульсации напряжения и тока дуги. Большая амплитуда пульсаций может неожиданно привести к разрушению плазмотрона, хотя по среднему значению напряжения и тока дуги плазмотрон, как бы находился в безопасном режиме. Амплитуда пульсаций напряжения и тока сжатой дуги зависит от многих факторов, ■ например, от изменения технологических параметров обработки материала, а также и от конструктивных особенностей плазмотрона.

Анализ результатов имеющихся работ в данной области показал, что несмотря на широкий круг теоретических и экспериментальных разработок отсутствуют исследования, рассматривающие процессы разрушения электрода и сопла с учетом особенностей их конструкций и технологических режимов работы плазмотрона, что представляет большой практический интерес. Исходя из этого определено направление исследований в области повышения ресурса элементов плазмотрона, предназначенного для обработки материалов .

2. Исследования режимов горения сжатой дуги

Для исследования технологических возможностей плазмотрона и изменения параметров сжатой дуги спроектирована и изготовлена лабораторная плазменная установка, принципипиальная схема которой

представлена на рис.1.

Дуга возбуждается поэтапно,' что обусловлено относительно большим расстоянием между катодом и изделием. Сначала в катодную камеру подается плазмообразющий газ, затем зажигается высоковольтный электрический разряд в промежутке сопло- катод. Плазмообразующий газ, проходя через него частично ионизируется создавая видимый факел вспомогательной дуги. В момент касания изделия факела вспомогательной дуги мгновенно возбуждается основная сжатая дуга между катодом и анодом. После возбуждения основной дуги вспомогательная дуга отключается.

Для изучения пульсации электрических параметров дуги и обработки полученных данных использована информационно-измерительная система АСП-2, созданная ИЭС им. Патона Е.О. и Институтом ядерных исследований Национальной Академии Наук Украины на базе микро- ЭВМ "Электроника-60 М" и крейта КАМАК с набором функциональных модулей. Фиксируемые значения тока и напряжения на дуге поступают в микро-ЭВМ, где производится накопление и окончательная обработка информации. Информация, обработанная на ЭВМ, выводится на дисплей (гистограммы и осциллограммы кривых напряжения и тока), . цифровое табло (среднее значение тока и напряжения, их средне-квадратичное отклонение ) и цифропечатающее устройство в виде таблиц, графиков и гистограмм. Длительность измерения электрических параметров не ограничено. При этом время от начало измерения до окончания вывода результатов можеть составлять не более одной минуты. Частота измерения указанных параметров выбирается из следующих диапазонов: 0.1; 0,5; 1; 10 и 20 КГц. С целью исключения случайного пробоя изоляции проводов высоковольтным разрядом в момент зажигания дуги в цепь измерения тока и напряжения дуги дополнительно включен автоматический контактор, который замыкает цепь измерения после зажигания основной

о

дуги. Измерение электрических параметров дуги и обработка результатов проводились с помощью АСП-2. При этом стабильность горения дуги оценивается показателями б и К,:

где б-среднеквадратическое отклонение, К„ -коэффициент вариации, -значения параметра в 1 -момент времени. М - среднее значение параметра, п -число измерений.

В результате исследования спектров пульсаций напряжения холостого хода источника питания и электрических параметров сжатой дуги установлено, что спектр пульсаций параметров сжатой дуги по частоте совпадает с частотой источника питания и равно 300 Гц. В зависимости от режимов горения изменяется только форма и амплитуда колебаний электрических параметров. Установлено, что гистограммы тока и напряжения сжатой дуги имеют четко выраженные пики, причем количество пиков меняется в зависимости от режима горения дуги. Показано, что в отличие от сварки плавящимся электродом, при плазменной сварке нет коротких замыканий и поэтому невозможно разделение гистограммы тока и напряжения на участки, соответствующие различным физическим явлениям. Результатом этого является.недопустимость поэтапной обработки гистограмм и только общее среднеквадратическое отклонение тока и напряжения может служить характеристикой стабильности горения дуги. Следует отметить, что внешние факторы возмущающие дугу накладываются на колебания электрических параметров, обусловленные ис-

6

и К„=-* 100%.

п- 1

м

точником питания.

Исследования стабильности горения сжатой дуги показали существование экстремумов по току, зависящие от режимов горения сжатой дуги. При определенных режимах достигается максимальная стабильность горения дуги (оптимум), которая характеризуется низким значением коффициента вариации по току до 6-7% (рис.2). В результате исследований выявлено, что ухудшение стабильности горения сжатой дуги при больших значениях тока связано с кратковременными шунтированиями промежутка катод-сопло-изделие и началом расплавления сопла плазмотрона. Установлено, что с увеличением расстояния между плазмотроном и изделием стабильность горения улучшается, например, при токе 220А на расстоянии 16мм коэффициент вариации по току составляет 7.5% а при 8 мм 10%. Также установлено, что с увеличением расхода плазмообразующего газа оптимум стабильности смещается в сторону увеличения тока дуги, так при токе 145А - 7.3%, а при токе 195А -6.8 %. При подаче защитного газа оптимум стабильности достигается уже при больших значениях тока 320А - 7%, хотя при . средних токах (180А - 14%) наблюдается некоторое ухудшение, связанное с турбули-зацией разряда.

3. Обеспечение работоспособности элементов плазмотрона .

Установлено, что при плазменной обработке материалов двойное дугообразование могут спровоцировать разные причины в зависимости от технологических режимов (превышение предельно-допустимых значений тока, выброс металла в сторону сопла с кратковременным шунтированием дуги на сопло и т.д). Исследования показали что, основной причиной низкой работоспособности плазмотрона является то, что при токах выше определенного (в зависимости от диаметра катода) через

несколько минут на острие вольфрамового катода вырастает "ус", иногда несколько "усов" в виде .короны. Это приводит к шунтированию дуги катод-сопло-изделие и быстрому разрушению сопла.

В результате проведенных исследований по определению выхода присадок вольфрама ВЛ-30 выявлено, что быстрое обеднение вольфрама присадками происходит как при больших значениях тока; так и при малых (рис.3). Это показывает существование оптимального режима, при котором обеспечивается наиболее эффективная компенсация ухода присадки с рабочей поверхности в результате ее диффузии из обьема электрода. Концентрация активатора на рабочем торце в течение длительного времени сохраняется на высоком уровне.

Выполнен расчет распределения температуры по длине вольфрамового электрода. При расчете распределения температуры для различных диаметров электрода и токов разряда использовано уравнение теплопроводности для стержневого катода без учета конвективного теплообмена:

с1 г йТ — X— йх V йх

2б0 Е/"т 4 „О 0.24р12

•- V] -

_ 2 2 Я Гг

Граничные условия X = Х0 , Т = Т0 = 300 К

X = Ь0 , Т = Тр = 3000 К.

При расчете учитывалось, что X, р и е являются функциями температуры. .

В результате решения задачи численным методом и обобщения результатов расчета для других диаметров электрода, с учетом экспериментальных данных получена формула для определения оптимального тока дуги и диаметра электрода:

1Д = 12 с!,.

где 1д- ток дуги. А; диаметр стержня, мм.

4. Разработка плазмотрона с обжатой дугой

Разработан сопловой узел плазмотрона (рис.4), который состоит из формирующего 1 и дополнительного 2 сопел. Особенностью конструкции является тангенциальная подача защитного газа на выходе из канала формирующего сопла, при котором кроме стабилизации столба дуги защищается формирующее сопло от двойного дугообразования. Сущность защиты заключается в увеличении толщины "холодного" слоя газа у стенки канала формирующего сопла за счет- глубокого проникновения защитного газа во внутрь канала сопла. При этом достигается более' эффективное охлаждение стенок канала формирующего сопла защитным газом.

Проведенные исследования различных конструкций формирующего сопла (разные способы подачи защитного газа при одинаковых условиях эксперимента) показали, что наиболее стойким к разрушению является сопло с тангенциальной подачей защитного газа. Установлено, что -максимальная стабильность горения дуги' около 7 % при такой конструкции достигается при больших значениях тока-320 А, тогда как для сопел с другими конструкциями достигается максимальная стабильность равная 9- 13%, а их предельные токи составляют до 240А. Дальнейшее увеличение тока приводит к ухудшению стабильности, а затем и разрушению сопла.

В результате проведенных исследований разработан опытно - промышленный плазмотрон для сварки тонкостенных труб малого диаметра, имеющий следующие основные технические характеристики: ток- 40-60А, диаметр вольфрамового катода - 2.5мм, диаметр цилиндрической части

сопла - 2мм, длина цилиндрической части сопла - 1.4мм, расход плаз-мообразующего газа 0.015 г/с.

Сварка производится при следующих режимах: скорость движения ленты 1.2 м/мин, расстояние от сопла до изделия - 1 мм, ток -60А, напряжение -14В. Предложено в процессе обработки для контроля за шунтированием в цепь питания плазмотрона между соплом и изделием введение сопротивление К и амперметр А. Величина сопротивления- 1 Ом. При работе плазмотрона часть тока дуги будет в сопловой части плазмотрона ответвляться на сопло и протекать через амперметр. При правильной установке зазоров катод-сопло, сопло- изделие этот ток составляет 4А. Ресурс непрерывной работы при токе 60А составляет 10 часов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Получены новые расчетно-экспериментальные данные влияния конструкции элементов плазмотрона и технологических параметров обработки на надежность работы плазмотрона.

2. Установлено, что на надежность работы плазмотрона значительно влияет способ подачи защитного газа. Показано, что при тангенциальной подаче защитного газа на выходе из канала сопла увеличивается предельный ток обработки до 350А при диаметре канала сопла 3.3 мм.

3. Предложена методика оценки стабильности горения сжатой дуги, разработанная с помощью проектированной и изготовленной экспериментальной установки на базе информационно-измерительной системы АСП-2.

4. Показано, что. образование так назывемых "усов" на острие вольфрамового катода способствует шунтированию промежутка катод-

сопло- изделие. Установлено, что количество и длительность существования "усов" зависит от определенного значения тока дуги.

5. Выполнен расчет распределения температуры стержневого вольфрамового катода, в результате которого получена расчетная формула для оценки диаметра электрода в зависимости от тока. Показано, что для каждого тока существует оптимальный диаметр катода, при котором достигается максимальный ресурс работы плазмотрона.

6. На основе проведенных исследований сформулированы условия оптимизации работы элементов плазмотрона по оптимуму стабилизации горения сжатой дуги, выработаны практические рекомендации и требования по определению режима с максимальным ресурсом.

7. На основе проведенных исследований разработан и испытан для сварки тонкостенных труб малого диаметра опытно-промышленный плазмотрон. При этом в результате оптимизации режима работы и усовершенствования конструкции плазмотрона ресурс непрерывной работы увеличен до 10 часов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Киренский И. Е., Аммосов А.П.. Урбах Э. К. Малогабаритный плазмотрон для плазменной обработки металлов// Сварочное производство. 1991, N 4. -С. 15.

2. Ларионов В.П.., Аммосов А.П., Киренский И.Е. Пульсации электрических параметров сжатой дуги//Препринт. Якутск, 1991. С.15.

3. A.c. N1764886 (СССР). Сопловой узел плазмотрона/ И.Е.Киренский. , Э. К. Урбах. - Опубл. в Б. И. 1993 , N21.

4. A.c. N1798084 (СССР). Плазмотрон/ И.Е.Киренский, А.П.Аммосов, В.П.Ларионов.' - Опубл. в Б.И. 1994 . N17.

5. Урбах Э.К., Киренский И.Е. Способ оценки диаметра электрода

в зависимости от тока сжатой дуги. Информационный листок. Якутск,

6. Киренский И.Е., Винокуров Г. Г. Методика оценки стабильности горения дуги плазмотрона для сварки// Автоматическая сварка. 1994, N 5- 6. -С. 53-54.

7. Аньшаков A.C., Урбах Э.К.-, Киренский И.Е. Выбор оптимальных параметров сварочного плазмотрона// Сварочное производство. 1994, N 12. -С. 23- 24.

1994.

Ю 20 30 40

Рис.3. Динамика выхода активатора на торце катода.

Рис.4. Сопловой узел плазмотрона.

5 7

Рис.1. Блок схема экспериментальной установки:

1-плазмотрон; 2-водоохлаждаемый анод; 3-пульт управления; 4-исгочник питания; 5-информационно-измерительная система; 6-фотокамера; 7-система газоводоснабжения.

12 11

10 9 8 7 б

л/мин

Дбл/мм

6.0 А/МИН

80 100 120 ^0 160 180 200 1,А

Рис.2. Зависимость коэффициента вариации по току от тока дуги при различных расходах плазмообразующего газа.