Содержание к диссертации
Введение
1 Технологические особенности плазменной резки углеродистых и легированных сталей
1.1 Описание экспериментальной установки 13
1.2 Методики исследований плазменной дуги 41
Выводы по разделу 1 50
2 Тепловые процессы при резке плазмой с использованием бинарных газовых систем
2.1 Влияние режима горения дуги на величину теплового потока в катод 51
2.2 Тепловой баланс аргоновой дуги с газовой вихревой стабилизацией 56
2.3 Тепловой баланс аргоно-водородной дуги с газовой вихревой стабилизацией 62
Выводы по разделу 2 72
3 Электрические процессы в дуге при плазменной резке
3.1 Электрические характеристики аргоновой дуги с газовой вихревой стабилизацией 73
3.2 Электрические характеристики аргоно-водородной дуги с газовой вихревой стабилизацией 79
3.3 Сравнительные характеристики аргоновой и аргоно-водородной дуги с газовой вихревой стабилизацией 89
3.4 Исследование влияния магнитного поля на параметры аргоновой и аргоно-водородной дуги 94
Выводы по разделу 3 128
4 Технологические особенности плазменной резки углеродистых и легированных сталей
4.1 Методика исследования плазменной дуги при образовании пор в сварочных швах 129
4.2 Плазменная резка аустенитных толстолистовых сталей 138
Выводы по разделу 4 141
Общие выводы 142
Заключение 144
Список литературы 151
Приложения 159
- Описание экспериментальной установки
- Влияние режима горения дуги на величину теплового потока в катод
- Электрические характеристики аргоновой дуги с газовой вихревой стабилизацией
Введение к работе
В период интенсивного развития промышленности в конце XX и начале XXI веков электрическая дуга нашла широкое применение, в основном, как элемент электрической цепи, предназначенной для преобразования электрической энергии в тепловую. На основании изобретения Бенардосом и Славяновым электрической дуги сварки, получения Габером азота при разложении воздуха в электрической дуге, разработки дуговой металлизации были заложены основы технологии электродуговой обработки разнообразных материалов. [1]
Новые, более широкие возможности открылись в электродуговой технологии в результате появления устроиств-плазматронов, генерирующих стабилизированные дуги. Стабилизация электрической дуги, осуществляемая внешним магнитным полем, газовым или водяным потоком, обеспечивает более интенсивный ввод тепла в обрабатываемые дугой объекты и позволяет в широких пределах регулировать плотность энергии в различных участках столба дуги и нагретого в столбе потока газа. В стабилизированной дуге резко ограничивается возможность ее пространственного перемещения, в том числе и при электродных зонах, что позволяет строго локализовать область максимального выделения ее энергии и обеспечить высокую стабильность параметров дуги в течение длительного времени. [1,2]
Результатом появления стабилизированных электрических дуг явилось расширение области применения электродуговой технологии и появление новых технологических процессов. Это химический синтез, резка, сварка, получение чистых тугоплавких металлов, нанесение металлических и неметаллических покрытий, сфероидизация порошкообразных материалов, выращивание кристаллов, высокотемпературные исследования и т.д. [1]
Широкая практика промышленного применения плазматронов показывает, что введение газов с высокой теплопроводностью, в первую
5 очередь водорода, в состав плазмообразующей газовой смеси приводит к существенному изменению всего процесса плазменной обработки.
С одной стороны, обеспечивается максимальная эффективность использования плазматрона, как нагревателя, за счет повышения теплосодержания газа, прошедшего через дугу, и улучшения условий теплопередачи к нагреваемым дугой объектам. С другой стороны, ухудшаются условия функционирования плазматрона в результате снижения стойкости электродов плазматрона и нарушения устойчивости системы: «источник питания - дуга». [2]
Следовательно, основной задачей, является определение факторов, обеспечивающих стойкость электродов плазматрона и устойчивость дуги при применении плазмообразующих газов с высокой теплопроводностью для обоснования промышленного использования плазматронов. [1,2]
Указанная задача в настоящее время решена применительно к плазменной резке, одному из наиболее распространенных процессов плазменной обработки. В этом случае стойкость электродов обеспечивается в результате введения в состав плазмообразующей смеси, наряду с водородом,- аргона со строго определенным расходом. Устойчивость дуги обеспечивается в результате применения источников питания с крутопадающими внешними статическими характеристиками. Так была внедрена плазменная резка в водородосодержащих смесях, ставшая в результате этого универсальным методом раскроя металлов. [3]
Другими перспективными областями применения плазменной обработки, получающими все более широкое распространение, являются нагрев порошкообразных материалов при нанесении покрытий и сфероидизации, а также сварка и переплав металлов. Условия функционирования плазматрона в этих процессах более тяжелое, чем при плазменной резке в связи с увеличением тепловых потоков в электроды. При плазменной сварке и переплаве это увеличение обусловлено снижением расхода плазмообразующего газа в соответствии с технологическими
требованиями процесса. При плазменной же резке расход плазмообразующего газа практически не ограничивается.
При плазменном напылении и сфероидизации тепловые потоки в электроды возрастают в связи с тем, что анодная область дуги располагается внутри плазматрона, тогда как при плазменной резке анодная область находится вне плазматрона, на разрезаемом изделии.
Требования же к стойкости электродов плазматрона при плазменной сварке, переплаве и нагреве порошкообразных материалов более высокие, чем при плазменной резке, в связи с недопустимостью загрязнения обрабатываемых материалов продуктами эроззии электродов. [3,4]
По этим причинам попытки ряда исследователей произвести простой перенос методов сохранения стойкости электродов плазматрона и устойчивости дуги, горящей в бинарной водородосодержащей газовой смеси, разработанных для плазменной резки, на процессы плазменной сварки, переплава, напыления и сфероидизации- не дали результата. Поэтому в настоящей работе проводится экспериментальное исследование причин снижения стойкости электродов плазматрона и устойчивости дуги, горящей в бинарной газовой смеси на основе газов с высокой теплопроводностью, и определение методов улучшения условий функционирования плазматрона.
При резке алюминия и его сплавов необходимо учитывать следующие обстоятельства. Пленка окиси алюминия, покрывающая поверхность металла, имеет высокую температуру плавления, в 3 раза превышающая температуру плавления самого металла. [4]
В связи с этим для резки необходим мощный концентрированный источник тепла, способный расплавить пленку тугоплавкой окиси.
7 Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность работы. Переход на новые современные виды вооружений, которые по своим тактико-техническим характеристикам превосходят старый парк вооружения, приводит к необходимости утилизации большого количества техники, имеющей большие габариты и выполненной из толстолистовой стали и различных сплавов. Одним из наиболее экономичных способов утилизации крупногабаритных корпусов ракет, танков и т. д. является их резка при помощи современных плазматронов. Но основной проблемой применения плазматронов является невозможность разделки толстолистовых стальных (до 200 мм.), бронзовых (до 80 мм.) и медных (до 100 мм.) конструкций. Решение этой проблемы возможно при применении в плазматронах бинарной плазмообразующей смеси высокой теплопроводности (водород и аргон), используя принудительную закрутку анодной области (газово-вихревую, магнитную), что позволяет решить проблему сохранения стойкости электродов плазматрона катода и сопла при утилизации крупногабаритных толстолистовых корпусов (ракет, самолетов, бронированной техники, кораблей, подводных лодок и т. д.).
Цель диссертационной работы. Разработка технологий и технологических режимов резки крупногабаритных конструкций с повышенными толщинами и физико-механическими свойствами материалов плазменной дугой с увеличенной концентрацией аргоно - водородной плазмообразующей смеси.
Задачи диссертационного исследования: 1 Обосновать возможность использования в плазматроне бинарной плазмообразующей смеси газов с повышенной концентрацией водорода для резки крупногабаритных конструкций из специальных материалов с повышенными физико-механическими свойствами и толщинами.
Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить способы создания плазменной дуги с магнитной и газово-вихревой закруткой анодной области для обеспечения необходимых режимов резки и сохранения стойкости сопла и катода.
Определить уровень амплитуды напряжения и частоту колебаний, которые должен обеспечивать источник питания для сохранения устойчивости технологического процесса резки.
Разработать технологические режимы плазменной резки корпусов крупногабаритных изделий с разными толщинами и физико-механическими свойствами материалов.
Объектом исследования являются технологические процессы плазменной резки крупногабаритных конструкций вооружения и военной техники (ракеты, самолеты, подводные лодки, надводные корабли, танки и
ДР-)-
Предметом исследования выступают способы сохранения стойкости
электродов и устойчивости дуги при работе плазматронов в бинарных
плазмообразующих смесях на основе газов с высокой теплопроводностью.
Теоретической и методологической основой исследования
послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области плазменной резки и плазменной сварки; магнитных полей; тепловых балансов, электрических характеристик аргоно - водородной дуги с вихревой газовой стабилизацией и др. В качестве исходной
информации использовались результаты исследований промышленного применения плазматронов с введением газов (в т.ч. с высокой теплопроводностью), материалы отраслевых научно - исследовательских институтов, опубликованные монографии, специализированные статьи и др. Научная новизна и положения, выносимые на защиту: 1 Предложено использовать для плазматронов бинарную смесь газов с соотношением 60% водорода и 40% аргона, что позволяет создать
9 плазменную дугу, способную увеличить толщину разрезаемой специальной толстолистовой крупногабаритной конструкции со 100мм до 200мм, бронзы с 30мм до 80мм, меди с 40мм до 100мм.
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены способы создания плазменной дуги, основанные на магнитной и газовой закрутке смеси газового потока (водород и аргон), который формируется таким образом, что в соплах по центру концентрируется плазменная дуга с максимальной температурой (водород), а в зонах, удаленных от центра температура снижается за счет кольцевой газовой оболочки инертного газа аргона, что позволяет обеспечить более высокие температуру, давление газов и их скорость на выходе, а также стойкость сопла и катода.
Определены уровни амплитуды напряжений и частоты колебаний, которые должен обеспечить источник питания плазматрона с крутопадающими внешними статическими характеристиками (70-75), для создания устойчивой плазменной дуги при изменении соотношений концентраций в бинарной смеси газов при резке крупногабаритных изделий корпусов из материалов, имеющих различные специальные физико-механические свойства и повышенную толщину.
Разработаны технологические режимы резки корпусов крупногабаритных изделий, основанные на создании необходимой плазменной дуги в зависимости от геометрических характеристик и свойств материалов.
Достоверность исследования. Достоверность теоретических положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается результатами экспериментальных исследований и практического применения.
Практическая значимость полученных результатов. Получены экспериментальные данные о влиянии плазмообразующего газа, в том числе с высокой теплопроводностью на стойкость электродов плазматрона и устойчивости дуги, позволяющие разрабатывать системы обеспечения
10 устойчивости дуги, а также способы ее повышения в условиях промышленного производства. Разработана технология плазменной резки крупногабаритных конструкций с применением бинарной системы газов, используемой при утилизации военной техники.
Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на научно-технических семинарах по специальности 05.03.06. «Технологии и машины сварочного производства» при Красноярском государственном техническом университете» в 2002 - 2005 гг., а также на Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых, посвященной 110-годовщине Дня радио, состоявшейся в городе Красноярске 5-6 мая 2005 года. Все разработки прошли апробацию и внедрение на ФГУП ПО «Электрохимический завод», г. Зеленогорск (ЗАТО) Красноярского края, в воинских частях №03059 (г. Красноярск) и №25920 (г. Зеленогорск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Из них статей -11, докладов -1, общим объемом 44 страницы.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, выводов, списка используемых литературных источников. Общий объём диссертации - 144 страницы, включающих 73 рисунка, 3 таблицы. Список литературы содержит - 84 наименования.
Обзор литературы
В процессе работы над диссертацией было использовано 84 источника отечественной и зарубежной литературы, практически вся, по плазменной резке. Исключительно большие технологические возможности плазменных устройств, привлекают внимание исследователей и производственников. Вместе с тем до сих пор нет единой точки зрения по одному из основных вопросов: какие устройства следует считать плазменными? Например, один и тот же процесс называется плазменной сваркой, сжатой дугой, сваркой стабилизированной дугой. Аналогичное положение сложилось по вопросу
терминологии в области резки. Здесь можно встретить следующие термины: плазменная резка, плазменно-дуговая, газоэлектическая, резка проникающей дугой, резка сжатой дугой, хотя, так же, как при сварке, во всех случаях приводится описание одного и того же процесса. Отсутствие общепринятых терминологий не только мешает более глубокому взаимопониманию между отдельными группами исследователей, но иногда не дает возможность четко определить, относится ли данное устройство к плазменным или нет. Вместе с тем этот, на первый взгляд, второстепенный вопрос достаточно важен, так как точное определение процесса или системы позволяет более точно указать их место в различных видах классификаций и, кроме того, расширяет возможности систематизированных методов исследования и использования плазменных устройств.
Анализ конструкции плазменных устройств, применяемых для сварки, резки, напыления, сфероидизации и наплавки, позволяет их объединить по одному общему признаку: во всех плазменных устройствах используется электрическая дуга, причем часть столба дуги функционирует внутри металлического цилиндра, внутренний диаметр которого соизмерим с диаметром столба дуги.
Плазменные головки, благодаря наличию ограничивающего цилиндра, позволяют в широких процессах регулировать плотность энергии, не только внутри самого цилиндра, как на относительно больших стояниях его среза. Независимое регулирование общего потока энергии и его плотность открывает новые возможности в технологии сварки и резки металлов. Наличие ограничивающего цилиндра конечной длины позволяет не только регулировать плотность энергии, но и срочно локализовать область, в которой выделяется энергия, то есть резко ограничить пространственные перемещения столба дуги и приэлектронных пятен. Способность плазматронов строго локализовать область интенсивного тепловидения и повысить в ней значений удельных тепловых потоков до величины 102 -103
12 КВТ/см2 явилось основной предпосылкой при использовании их для резки металлов.
Вопросами разработки и промышленности внедрения плазменной резки занимаются Институт электрической сварки им. Е.О. Патона, Российский институт электрической сварки, Научный исследовательский институт автоген.
Наибольший интерес заслуживают результаты исследований в области прецензионной плазменной обработки, полученные в Институте фон Арденс, Германия; в области водоэлектрической резки в Чехии. Интенсивные разработки по плазменной резке проводят производственные фирмы, такие как Union Candid (США), British Oxygen (Англия), «Messer Grissheim» (Германия).
Сравнительный анализ проводимых исследований показывает, что по уровню полученных научных результатов и объему промышленного внедрения плазменной резки Россия занимает ведущее место в мире.
Описание экспериментальной установки
Плазматроны независимо от способа стабилизации дуги состоят из трех основных узлов: анодного, катодного и соединительного. Геометрия электродов плазматронов выбрана, исходя из режимов, применяемых обычно на практике при использовании плазматронов для процессов обработки металлов. Как правило, в этих случаях величина тока дуги изменяется в пределах от 100 до 500 А. Этому диапазону токов соответствует диаметр цилиндрического канала анода, равный 8 мм. Выбор длины канала определяется в основном двумя противоположными требования. С одной стороны, необходимо, чтобы во всем исследуемом диапазоне расхода и состава плазмообразующей газовой смеси и силы тока анодная область находилась на обрабатываемом изделии. При выходе анодной области на участок торца анода происходит активная эрозия этого участка, нарушается стабильность горения дуги [5,6]
Следовательно, исходя из технологических требований, длина канала анода должна быть, как можно меньше. Для определения оптимальной длины канала анода при диаметре его 8 мм ставится следующий эксперимент, принципиальная схема которого показана на рисунке 1.1 [5]
Анод плазматрона с вольфрамовым стержневым катодом выполняется секционированным, из плотно соединенных между собой медных шайб, находящихся под одним потенциалом. Внутренний диаметр шайб - 8 мм. Охлаждение каждой шайбы раздельное. Зажигается дуга на токе 200 А в аргоне, после чего газовая смесь обогащается водородом вплоть до расхода, максимального при проводимом исследовании (2500 л/час). При установившемся режиме горения дуги проводится укорачивание анода снятием ряда шайб до тех пор, пока анодная область не выходит на торец одной из шайб. Найденная таким образом оптимальная длина канала анода диаметром 8 мм составляет 35 мм [7]
Влияние режима горения дуги на величину теплового потока в катод
Исследования проведены на базе аргоно-водородной плазмообразующей системы, в т.ч. при введении одного аргона [19].
Экспериментальные значения зависимости теплового потока в катод аргоновой дуги (АД) от расхода аргона при различных значениях силы тока приведены на рисунке 2.1. Полученные экспериментальным путем значения теплового потока в катод для каждого из значений варьируемых параметров (мощность дуги, удельный тепловой поток, устойчивость) совпадают, независимо от способа стабилизации дуги (газовой или газомагнитной). Отличительной чертой приведенных графиков является независимость величины теплового потока в катод от расхода аргона.
Характер зависимости не изменяется и при введении в состав газовой смеси водорода в количестве до 3000 л/час (рисунок 2.2). Абсолютная величина теплового потока в катод при этом возрастает на 10-15 %. От расхода же водорода величина теплового потока в катод не зависит как при газовой, так и при га-зо-магнитной стабилизации аргоно-водородной дуги (АВД).
Количество аргона в составе газовой смеси также не оказывает влияния на величину теплового потока в катод аргоно-водородной дуги (рисунок 2.3). Лишь при расходах аргона менее 1000 л/час тепловой поток в катод незначительно возрастает. При расходе аргона 400 л/час, когда в ряде случаев наблюдается разрушение анода, тепловой поток в катод при всех исследованных значениях расхода водорода возрастает всего лишь на 8 %, по сравнению с величиной, соответствующей расходу аргона свыше 100 л/час [16,17,18].
На рисунке 2.4 приведены зависимости теплового потока в катод стабилизированной аргоновой (кривая 1) и аргоно-водородной (кривая 2) дуги от тока дуги. В обоих случаях наблюдается монотонный рост теплового потока в катод. Скорость возрастания теплового потока, составляющая в диапазоне малых токов 7-10 Вт/А, несколько снижается с увеличением тока. Во всем исследованном диапазоне тока тепловой поток в катод водородосодержащеи дуги на 10-15 % больше, чем в случае безводородной [16,20,21].
Относительная величина г)к теплового потока в катод изменяется от двух до десяти процентов от суммарной мощности дуги, возрастая с уменьшением последней.
Электрические характеристики аргоновой дуги с газовой вихревой стабилизацией
Ранее указывалось, что на устойчивость горения стабилизированной дуги оказывают влияние колебания в кривой напряжения [9]. Наличие этих колебаний предъявляет определенные требования к внешним характеристикам источника питания, выполнение которых обеспечивает устойчивость горения, за счет стабилизации аргоновой дуги газовым потоком.
Анализ осциллограмм, снятых Фридляндом М.Г. при горении аргоновой дуги на токах 100 А и 250 А, показывает, что в кривой напряжения во всем исследованном диапазоне параметров наблюдаются колебания, которые могут быть отнесены к трем различным классам.
К первому классу относятся колебания, с частотой 300 Гц в кривой тока, которые вызваны выбранной схемой источника питания. Характер напряжения с частотой 300 Гц определяется видом вольт-амперной характеристики дуги (рисунок 3.1). В зависимости от угла наклона рабочего участка характеристики (амплитуда колебаний напряжения, сдвиг этих колебаний по фазе, относительно колебаний тока) изменяются. При силе тока 250 А, независимо от расхода аргона, колебания напряжения с частотой 300 Гц находятся в фазе с колебаниями тока, их вызывающими, т.к. рабочие участки характеристик в этом случае возрастающие [15,8].
