книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

*д = *п+Л ох + ^и .

где Л/д - мощность сжатой дуги, Na = /д г/д; //п - мощность (теплота), поглощаемая плазмотроном, Nn = N.3+ Nc ; N3, Nc - мощность, передаваемая электроду и плазмообразующему соплу соответственно; 7V0 с - мощность, теряемая в окружающую сре­ ду; N„ - мощность, передаваемая обрабатываемому изделию.

Величина Ми для различных процессов достигает 55-80 % мощности сжатой дуги и определяется технологическими пара­ метрами процесса ( In,ua,Qn,hcvl), а также геометрическими параметрами плазмотрона {dc,hz,hjC). Величина Nn может со­

ставлять 20-45 % мощности сжатой дуги. Потери в окружаю­ щую среду составляют 3-10 %.

Мощность, передаваемая плазмотрону, идет на его нагрев. Для обеспечения работоспособности плазмотрона это тепло не­ обходимо отводить. Для этого плазмотрон снабжается системой охлаждения (водяное или газовое).

Распределение тепловой нагрузки между электродом и плазмообразующим соплом неравномерно и, в зависимости от полярности, определяется из следующих условий:

^ к = / д (« к -Ф к )> Wa = /д (и а +Ф а)>

ЛГс = * /д £ с(/с + / , с)>

*о.с ~ дЕсл1сл >

срк - работа выхода электрона из катода, эВ (для активирован­ ного вольфрама срк = 2,63 эВ); (ра - работа выхода электрона из материала анода, эВ; А: = 0,1...0,25 определяется составом и расходом плазмообразующего газа; кх<0,1, определяется рас­ стоянием от сопла до изделия, составом и расходом плазмообра­ зующего газа.

11

Мощность, передаваемая обрабатываемому изделию, или так называемая эффективная тепловая мощность сжатой дуги прямого действия определяется при работе на прямой полярности:

А/и =(0,7-0,9)/л£с(/с+ /кс).

N.%

О50 100

Рис. 4. Тепловой баланс сжатой дуги прямого действия прямой полярно­ сти: N - подводимая мощность; NK- мощность, передаваемая катоду; jVe и Nc — мощность, передаваемая внутренней стенке сопла и соплу; Noc - мощность, теряемая в окру­ жающую среду; NH- мощность, пере­

даваемая изделию

Эффективный КПД нагрева изделия плазмотронов прямого действия обычно составляет 60-80 %, а плазмотронов косвенного действия 30-40 % и определяется по формуле

N

т]и = ^-*Ч00%.

N,

Примерный тепловой баланс плазменной дуги представлен на рис. 4.

Лабораторная работа № 1 «Исследование энергетических характеристик

плазменных процессов»

Цели работы:

1. Ознакомление с конструкцией плазмотронов и вспомога­ тельным оборудованием, основными способами плазменной обработки материалов.

2. Изучение особенностей распределения энергии сжатой дуги и плазменной струи при плазменной обработке материалов на прямой и обратной полярности.

12

Методика проведения исследований

Распределение тепловой энергии сжатой дуги зависит от ряда факторов, определяемых конструкцией плазмотрона: d3- диаметра электрода, / - вылета электрода из цанги, dc - диаметра плазмообразующего сопла, hc - высоты канала сопла, /эс - расстояния от конца электрода до сопла; от особенностей системы охлаждения теплонагруженных частей (элементов); от тех­ нологических параметров: 1Л- сварочного тока, мя - напряжения на дуге, Qn- расхода плазмообразующего газа, способа подачи, /садлины дуги (расстояния от среза сопла плазмотрона до изделия); от состава плазмообразующего газа, полярности.

В настоящей работе исследуется влияние /кс, /э, dc, hc, /д, Qn, /с а на распределение тепловой энергии сжатой дуги. В качестве защитного и плазмообразующего газов используется аргон. Работа выполняется на установке для измерения тепловых нагрузок на элементы плазмотрона и изделие (рис. 5).

Рис. 5. Схема установки для измерения тепловых нагрузок на элементы плазмотрона и изделие: I - источник питания; 2 - плазмотрон; 3 - имитатор изделия; 4 - сварочный манипулятор; 5 - баллон с аргоном; 6 - коллектор газовый; 7 - вентиль газовый; 8 - ротаметр газовый; 9 - вентиль водяной; 10, 12 - термометр ртутный; 11 - коллектор водяной; 13- ротаметр

водяной; 14 - слив; 15 - амперметр

13

При проведении исследований используется базовый модуль универсального плазмотрона, разработанный на кафедре сва­ рочного производства и технологии конструкционных мате­ риалов Пермского государственного технического университета, обеспечивающий работу на прямой и обратной полярности, имеющий автономную систему охлаждения электрода и плаз­ мообразующего сопла. При работе плазмотрона на прямой полярности в качестве катода использовался лантанированный вольфрамовый пруток, закрепленный в водоохлаждаемой цанге, при работе на обратной полярности - медный водоохлаждаемый анод с вольфрамовой вставкой. В плазмотроне используется вих­ ревая система подачи плазмообразующего газа. В качестве изделия используется водоохлаждаемый имитатор. Расход воды через электродный узел, плазмообразующее сопло и имитатор изделия контролируется с помощью ротаметров. Температура воды на входе и выходе соответствующих элементов измеряется при помощи термометров. Ток дуги и напряжение контроли­ руются при помощи соответствующих приборов. Зная расход воды через охлаждаемый элемент и изменение ее температуры, можно определить тепловложение в этот элемент:

NB= cSAT,

где NB - отводимая мощность, Вт; с - теплоемкость воды,

Дж/кг-град (4190); S - расход воды, кг/с; АТ - разность темпера­

тур на выходе и входе в соответствующий элемент,

*т = твых- т вх.

Для приобретения навыков проведения исследований реко­ мендуется использовать планирование эксперимента и матема­ тическую обработку полученных результатов. Параметры про­ цесса, устанавливаемые при проведении исследований:

14

При проведении экспериментов фиксировалось напряжение « э - напряжение дуги; иэс - падение напряжения на участке электрод - сопло; мси - падение напряжения на участке сопло - изделие (рис. 6). Известные падения напряжения и ток дуги по­ зволяют определить мощность соответствующего участка дуги и общую мощность сжатой дуги.

Рис. 6. Схема измерения напряже­ ний при работе: а - на прямой по­ лярности; б - на обратной полярно­ сти (/ - электрод-катод; 2 - элек­ трод-анод с вольфрамовой встав­ кой; 3 - плазмообразующее сопло; 4 - защитное сопло; 5 - электродо-

держатель)

Полученные результаты позволяют сравнить распределение тепловой мощности сжатой дуги при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности, оценить влияние полярности на изменение напряжения на дуге и падений напряжений на различ­ ных ее участках. Кроме того, можно сравнить тепловложение в плазмообразующее сопло с мощностью части столба дуги, рас­ положенного внутри плазмотрона, Рат= /д щл для работы на пря­ мой и обратной полярности.

Порядок проведения работы

1.Включается пускатель системы управления установки для плазменной сварки.

2.Открывается подача воды. Измеряется расход воды: Q\ -

через электродный узел плазмотрона; Q2 - через плазмо­ образующее сопло; <2э - через имитатор изделия.

15

3.Измеряется начальная температура воды.

4.Включается подача и устанавливается заданный расход плазмообразующего Q„и защитного газа Q3.

5.Устанавливается сварочный ток /д.

6.Включается сварочный ток (сжатая дуга). Измеряется на­ пряжение на дуге и ее участках.

7.Измеряется температура воды на выходе соответствую­ щей магистрали t\, t2, /3 .

8.Проводятся аналогичные измерения при изменении пара­

метров режима: /д, Q„, /са, данные заносятся в таблицу.

9. Проводятся аналогичные измерения при изменении dc, /э, Ис.

10.Данные измерений заносятся в таблицы.

11.Проводится расчет тепловой мощности введенной в эле­ менты плазмотрона и изделие.

12.Проводится расчет мощности сжатой дуги и части столба дуги, расположенного внутри плазмотрона Nas.

13.Определяется эффективный КПД режима т]и.

14.Определяется относительное тепловложение в плазмообра­ зующее сопло в зависимости от Nas.

15.Строятся график тепловложения в соответствующие эле­

менты плазмотрона и изделие и график TI„ при изменении параметров режима (см. рис. 7, 8, 9).

16.Строятся графики относительного тепловложения в плаз­ мообразующее сопло в зависимости от Уд г.

17.Проводятся исследования при работе на прямой и об­ ратной полярности.

18.Оформляются выводы о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Схемы плазменных горелок и разновидности способов плазменной обработки металлов.

2.Способы получения низкотемпературной плазмы.

3.Структурная модель плазменной дуги.

4. Распределение тепловой мощности плазменной дуги

иструи.

5.Особенности тепловложения в анод и катод плазмотрона.

6.Как рассчитывается тепловложение в изделие?

16

Лт Л

Рис. 7. Тепловложение в электрод и плазмообразующее сопло при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности, dc= 6 мм. h2C= 1мм; а -О п=4,1 л/мин; 6 -Q n= 1,4л/мин. Ряд 1-N-,- полярность прямая; Ряд2 - Nc - полярность прямая; Ряд 3 - Ал,- полярность обратная; Ряд 4 -N c - полярность обратная

Рис. 8. Зависимость мощности части столба дуги, расположенного внутри плазмотрона, от тока дуги при Q„ = - 4,7 л/мин; а - А,с = 1мм, б - Аэс=3 мм. Ряд 1- ас = 3 мм, полярность прямая; Ряд 2 - dc =4 мм, полярность прямая; Ряд 3 - ас - 6 мм, полярность прямая; Ряд 4 - dc= 3 мм, полярность обратная; Ряд 5 - 4 = 4 мм, полярность обратная; Ряд 6 -d c = 6 мм, полярность обратная

7.Как определяется эффективный КПД процесса сварки плавлением?

8.Как рассчитываются потери тепла в сопло?

9.Какими способами можно определять распределение теп­ ловой мощности плазменной дуги и струи?

10. Какие параметры влияют на распределение тепловой энер­ гии плазменной дуги и струи?

11.Основные элементы плазмотронов.

12.Приборы для измерения расхода воды и газов.

13.Как рассчитывается тепловложение в элементы цепи плаз­ мотрон - изделие по результатам измерения?

14.Как влияет полярность на распределение тепловой мощ­ ности сжатой дуги?

15.Что такое плазма, параметры плазменной дуги и струи?

Библиографический список

1. Эсибян Э.М. Плазменно-дуговая аппаратура / Э.М. Эсибян. - Киев: Техника, 1971. - 164 с.

2.Быховский Д.Г. Энергетические характеристики плаз­ менной дуги при сварке на обратной полярности / Д.Г. Бы­ ховский, В.М. Беляев // Автоматическая сварка. - 1971. - № 5. -

С.27-30.

3.Петров А.В. Плазменная сварка /А.В. Петров // Итоги науки и техники. Сер. Сварка / ВИНИТИ. - 1980. - Т. 12. -

С.53-67.

4.Щицын Ю.Д. Влияние полярности на тепловые нагрузки

плазмотрона / Ю.Д. Щицын, О.А. Косолапов // Сварочное про­ изводство. - 1997. —№ 3. - С. 23-25.

5.Щицын В.Ю. Влияние полярности на тепловложение

всопло плазмотрона / В.Ю. Щицын, В.М. Язовских // Сварочное производство. - 2002. - № 1. - С. 17-19.

2.ПЛАЗМОТРОНЫ

Центральным звеном плазменных установок является плаз­ менная горелка (плазмотрон), обеспечивающая возбуждение и стабилизацию горения плазменной дуги. Многообразие про­ цессов плазменной обработки материалов определяет различие

19

конструкций плазмотронов. Плазмотроны отличаются техноло­ гическими возможностями и насыщенностью техническими решениями.

Факторы, влияющие на конструктивные особенности плаз­ мотронов, можно представить в виде разветвленной схемы (рис. 10). На схеме показаны определяющие факторы, которые включают в себя множество дополнительных ветвей.

За период практического применения плазменной сварки (около 40 лет) разработано большое количество конструкций плазмотронов (дуговых) (см. патентную литературу МКИ В23К9/00; 9/16; 10/00; 15/00; 16/00; 28/00).

По способу получения электрического разряда плазмотро­ ны делятся на дуговые и высокочастотные.

В общем виде основными элементами дуговых плазмотронов являются: электрододержатель с электродом (катод или анод); ка­ мера для плазмообразования, плазмообразующее сопло, форми­ рующее сжатую дугу или плазменную струю; изолятор их разде­ ляющий; вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего, защитного газов и охлаж­ дающей жидкости. При разработке плазмотронов должны учиты­ ваться не только основные факторы (см. рис. 10), но и целый ряд других, таких 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:

-достаточная мощность и широкий диапазон регулирования сварочных параметров;

-создание оптимальных характеристик сжатой дуги и обес­ печение их постоянства в процессе работы;

-обеспечение многократного, стабильного возбуждения сжатой дуги (плазменной струи);

-надежность и значительный ресурс работы отдельных эле­ ментов плазмотрона;

-простота конструкции, обслуживания и эксплуатации;

20