Введение к работе
Актуальность работы. В ряду важнейших задач развития современной кауки и техники существенное место занимает исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с веществом, вторичных сопутствующих явлений, изучение режимов обработки материалов, влияния их параметров на эффективность применимости и физико - химические последствия воздействия.
До настоящего времени в области исследования теплофизики процессов термообработки накоплен немалый теоретический опыт. Вместе с тем, остается актуальной задача исследования высокоскоростной термообработки, позволяющей повысить эффективность и производительность процесса за счёт использования эффектов сканирования, применения нестандартных видов и законов перемещения теплового источника, изучения неканонических типов взаимодействия теплового источника и среды. Актуальной является также задача исследования аэродинамического шума при плазменной обработке, таких малоизученных аспектов проблемы, как влияние термодинамических условий, резонансные явления в шумовом спектре.
Комплексное исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с веществом связано с необходимостью обеспечения безопасности как самого процесса, так и применяемого плазменного оборудования. Одним из существенных факторов, в этой связи, становится требование снижения аэродинамического шума при плазменной обработке, сужения его спектра в области высоко -ультразвукового частотного диапазона, существенно зависящих от основных параметров воздействия: подводимой мощности, температуры, скорости обработки, давления плазмообразующего газа (ПОГ)идр.
і Целью настоящей работы является исследование теплофизических особенностей электроплазменной термообработки со сканированием, закономерностей образования и распространения звукового поля при работе плазмотрона. Реализация цели исследования включает следующие аспекты:
- изучение закономерностей изменения температуры и их влияния на
свойства материала в зоне термообработки для различных типов
сканирующего движения с учетом частотного фактора;
получение комплекса параметрических зависимостей, позволяющих определять условия и прогнозировать результаты процесса;
разработка методики эксперимента электроплазменной термообработки и исследование основных параметров процесса на различных материалах;
предложение перспективных способов термообработки металлов;
разработка комплекса экспериментальных методов исследования акустического поля, образующегося при работе плазмотрона;
выявление основных источников генерации звука и исследование механизмов его образования;
предложение условий применения и комплекса технологических и аппаратных решений, обеспечивающих эффективное использование плазмотронов с точки зрения акустической безопасности.
Научная новизна. В диссертации представлены теплофизические модели поверхностного нагрева материала при сканирующем движении теплового источника с учетом частотного фактора и геометрии зоны термического влияния, а также специфики термообработки плазменной струей.
Выявлены эффекты неравномерности свойств по ширине и глубине термообрабатываемой зоны при синусоидальном сканировании и существенное снижение их роли при линеаризации скорости сканирования.
Показаны существенное влияние малых частот сканирования на свойства материала и необходимость учета частотного фактора в большом диапазоне значений.
Предложена формула зависимости размеров структурной составляющей антифрикционной латуни от скорости охлаждения после переплава, существенно определяющая свойства материала.
Выявлено наличие дискретных тонов в звуковом и ультразвуковом диапазоне спектра излучения плазмотрона, определены основные источники генерации шума.
Предложена физическая модель резонансного возбуждения пульсаций турбулентного потока плазмообразующего газа на собственных частотах газовоздупшого тракта ( ГВТ ) плазмотрона. Аналитически определены частоты и амплитуды резонансных пиков в спектре звукового давления.
Практическая ценность. В результате исследований получены теоретические закономерности процессов термообработки металлов со сканированием, удобные для инженерных расчетов параметров электроплазменного поверхностного упрочнения. Получены важные результаты, связанные с влиянием термического воздействия на свойства антифрикционных латуней. Предложены перспективные направления развития данного метода термообработки. Разработана и внедрена в промышленное производство установка термоупрочнения металлов типа УТМ - 3. Представлены методы снижения шума при проектировании плазмотронов. С их учетом разработана и широко внедрена в производство серия малошумных плазмотронов прямого действия [ 6 ]. Их использование наряду с оригинальными экранирующими, шумопоглощающими [ 5 } насадками, а также устройством для химико - термической обработки [ 7 ] позволяет применять процессы электроплазменной
6 обработки металлов с высокой степенью эффективности и безопасности. Основные положения, выносимые автором на защиту:
теплофизические модели нагрева поверхности движущимся тепловым сканирующим источником для синусоидального и линейного закона сканирования;
закономерности изменения температуры в зоне термического влияния и эффекты неравномерности свойств термообрабагываемого слоя металла;
теоретические зависимости условий применения и взаимосвязь параметров процессов термоупрочнения со сканированием;
экспериментальные и теоретические результаты исследования параметров термоупрочнения среднеуглеродистои стали и влияния скорости охлаждения антифрикционной латуни после переплава на размер структурной составляющей;
спектральные и пространственные характеристики звукового поля плазмотрона и основные источники образования звука;
физические модели генерации дискретных тонов в шумовом спектре плазмотрона.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
Международном конгрессе "Защита - 95" ( Москва, Россия, 20 - 24 ноября 1995 г,);
XIV всемирном конгрессе по промышленной безопасности и здоровью (Мадрид, Испания, 22 - 26 апреля 1996 г.);
49 ежегодной ассамблее Международного Института сварки (Будапешт, Венгрия, 31 августа - 4 сентября 1996 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных статей и тезисов докладов, получено 2 ав-торских, свидетельства и 1 патент на изобретение.
Построение диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы из 165 наименований. Работа содержит 181 страницу, в том числе 11 таблиц, 42 рисунка.