Плазменная обработка материалов
..pdf1.2.РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ СЖАТОЙ ДУГИ
ИПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ
Электрическая мощность почти полностью превращается в тепловую и расходуется на нагрев плазмотрона (в основном теплонагруженных элементов – электрода и сопла), окружающей среды и обрабатываемого изделия:
Nд = Nп + Nо.с + Nи ,
где Nд – мощность сжатой дуги, Nд = Iд ид; Nп – мощность (теплота), поглощаемая плазмотроном, Nп = Nэ + Nс , Nэ , Nс – мощность, передаваемая электроду и плазмообразующему соплу соответственно; Nо.с – мощность, теряемая в окружающую среду; Nи – мощность, передаваемая обрабатываемому изделию.
Величина Nи для различных процессов достигает 55–80 % мощности сжатой дуги и определяется технологическими параметрами процесса ( Iд, uд, Qп, hс.и ), а также геометрическими параметрами плазмо-
трона ( dс, hс, hэ.с ). Величина Nп может составлять 20–45 % мощности
сжатой дуги. Потери в окружающую среду составляют 3–10 %. Мощность, передаваемая плазмотрону, идет на его нагрев. Для
обеспечения работоспособности плазмотрона это тепло необходимо 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:
Nк = Iд(uк − φк ) ,
Nа = Iд (uа + φа ) ,
Nс = кIдEс(lс + lк.с) ,
Nо.с = к1 IдEс.а lc.а ,
φк – работа выхода электрона из катода, эВ (для активированного вольфрама φк = 2,63 эВ); φа – работа выхода электрона из материала
11
анода, эВ; к = 0,1...0, 25 определяется составом и расходом плазмообразующего газа; к1 ≤ 0,1 определяется расстоянием от сопла до изделия,
составом и расходом плазмообразующего газа.
Мощность, передаваемая обрабатываемому изделию, или так называемая эффективная тепловая мощность сжатой дуги прямого действия, определяется при работе на прямой полярности:
Nи = Na + (0, 65 − 0,9)Iд [ Ес(lc + lк.с) + Ес.аlc.a ].
В случае плазменной струи
Nи = (0, 7...0,9)IдEс(lс + lк.с).
Эффективный КПД нагрева изделия плазмотронов прямого действия обычно составляет 60–80 %, а плазмотронов косвенного действия 30–40 % и определяется по формуле
ηи = Nи 100 %.
Nд
Примерныйтепловой баланс плазменной дугипредставлен на рис. 4.
Рис. 4. Тепловой баланс сжатой дуги прямого действия прямой полярности: N – подводимая мощность; Nк – мощность, передаваемая катоду; Nв и Nс – мощность, передаваемая внутренней стенке сопла и соплу; Nо.с – мощность, теряемая в окружающую среду; Nи – мощность передаваемая изделию
12
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Цели работы:
1.Ознакомление с конструкцией плазмотронов и вспомогательным оборудованием, основнымиспособами плазменной обработки материалов.
2.Изучение особенностей распределения энергии сжатой дуги
иплазменной струи при плазменной обработке материалов на прямой
иобратной полярности.
Методика проведения исследований
Распределение тепловой энергии сжатой дуги зависит от ряда факторов, определяемых
конструкцией плазмотрона: dэ – диаметра электрода; l – вылета электрода из цанги; dс – диаметра плазмообразующего сопла; hс – высоты канала сопла; lэ.с – расстояния от конца электрода до сопла; особенностей системы охлаждения теплонагруженных частей (элементов);
технологическими параметрами: Iд – сварочного тока; ид – напряжения на дуге; Qп – расхода плазмообразующего газа, способа подачи; lс.а – длины дуги (расстояния от среза сопла плазмотрона до изделия); состава плазмообразующего газа, полярности.
В настоящей работе исследуется влияние lк.с, lэ, dс, hс, Iд, Qп, lс.а на распределение тепловой энергии сжатой дуги. В качестве защитного
иплазмообразующего газов используется аргон. Работа выполняется на установке для измерения тепловых нагрузок на элементы плазмотрона
иизделие (рис. 5).
При проведении исследований используется базовый модуль универсального плазмотрона, разработанный на кафедре сварочного производства и технологии конструкционных материалов Пермского национального исследовательского политехнического университета, обеспечивающий работу на прямой и обратной полярности, имеющий автономную систему охлаждения электрода и плазмообразующего 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 вихревая система подачи плазмообразующего газа. Вкачестве
13
Рис. 5. Схема установки для измерения тепловых нагрузок на элементы плазмотрона и изделие: 1 – источник питания; 2 – плазматрон; 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
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 контролируются при помощи соответствующих приборов. Зная расход воды через охлаждаемый элемент и изменение ее температуры, можно определить тепловложение в этот элемент:
Nв = cS∆ T , |
|
где Nв – отводимая мощность, Вт; c |
– теплоемкость воды, |
с = 4190 Дж/кг град; S – расход воды, кг/с; |
∆ T – разность температур |
на выходе и входе в соответствующий элемент, ∆ T= Tвых− Tвх .
Для приобретения навыков проведения исследований рекомендуется использовать планирование эксперимента и математическую обработку полученных результатов. Параметры процесса, устанавливаемые при проведении исследований, представлены ниже.
14
Значения параметров при исследовании распределения тепловой мощности сжатой дуги:
Iд, А |
50; 100; 150; 200; 250; |
|
Полярность |
прямая, обратная |
|
Qп, л/мин |
1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5 |
|
hc.и, мм |
5; 10 |
|
lэ, мм |
5; 10; |
15 |
hэ.с, мм |
1; 3; |
5 |
hс, мм |
3; 4 |
|
dс, мм |
3; 4; 6; |
|
Рис. 6. Схема измерения напряжений при работе: а – на прямой полярности;
б– на обратной полярности; 1 – электрод-катод; 2 – электрод-анод
свольфрамовой вставкой; 3 – плазмообразующее сопло; 4 – защитное сопло; 5 – электрододержатель
При проведении экспериментов фиксировалось напряжение иэ.и – напряжение дуги; иэ.с – падение напряжения на участке электрод – сопло, ис.и – падение напряжения на участке сопло – изделие (рис. 6). Известные падения напряжения и ток дуги позволяют определить мощность соответствующего участка дуги и общую мощность сжатой дуги. 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 различных ее участках. Кроме того, можно сравнить тепловложение в плазмообразующее сопло с мощностью части столба дуги, расположенного внутри плазмотрона, Pд.г = Iдuэ.с для работы на прямой и обратной полярности.
15
Порядок проведения работы
1.Включается пускатель системы управления установки для плазменной сварки.
2.Открывается подача воды. Измеряется расход воды: Q1 – через
электродный узел плазмотрона; Q2 – через плазмообразующее сопло; Q3 – через имитатор изделия.
3.Измеряется начальная температура воды.
4.Включается подача и устанавливается заданный расход плазмообразующего Qп и защитного газа Qз.
5.Устанавливается сварочный ток Iд.
6.Включается сварочный ток (сжатая дуга). Измеряется напряжение на дуге и ее участках.
7.Измеряется температура воды на выходе соответствующей ма-
гистрали t1, t2, t3.
8.Проводятся аналогичные измерения при изменении параметров режима: Iд, Qп, lс.а, данные записываются в табличной форме.
9.Проводятся аналогичные измерения при изменении dс, lэ, hс.
10.Данные измерений заносятся в таблицы.
11.Проводится расчет тепловой мощности, введенной в элементы плазмотрона и изделие.
12.Проводится расчет мощности сжатой дуги и части столба дуги, расположенного внутри плазмотрона Nд.г.
13.Определяется эффективный КПД режима ηи .
14.Определяется относительное тепловложение в плазмообразующее сопло в зависимости от Nд.г.
15.Строятся графики тепловложения в соответствующие элемен-
ты плазмотрона и изделие и ηи при изменении параметров режима
(см. рис. 6, 7).
16.Строятся графики относительного тепловложения в плазмообразующее сопло в зависимости от Nд.г (рис. 8, 9).
17.Исследования проводятся при работе на прямой и обратной полярности.
18.Оформляются выводы о проделанной работе.
16
Рис. 7. Тепловложение в электрод и плазмообразующее сопло при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности:
а – Qп = 4,7 л/мин; б – Qп = 1,4 л/мин; dc = 6 мм, hэс = 1 мм.
Ряд 1 – Nэ – полярность прямая; ряд 2 – Nc – полярность прямая; ряд 3 – Nэ – полярность обратная; ряд 4 – Nc – полярность обратная
17
Рис. 8. Зависимость мощности части столба дуги, расположенного внутри плазмотрона, от тока дуги при Qп = 4,7 л/мин: а – hэ.с = 1 мм; б – hэ.с = 3 мм. Ряд 1 – dc = 3 мм, полярность прямая; ряд 2 – dc = 4 мм, полярность прямая; ряд 3 – dc = 6 мм, полярность прямая;
ряд 4 – dc = 3 мм, полярность обратная; ряд 5 – dc = 4 мм, полярность обратная; ряд 6 = dc – 6 мм, полярность обратная
18
Рис. 9. Зависимость относительного тепловложения в плазмообразующее
сопло η с* = (Pc/Pд.г)100 % от тока дуги при Qп = 1,4 л/мин: а – hэ.с = 1 мм; б – hэ.с = 3 мм. Ряд 1 – dc = 3 мм, полярность прямая; ряд 2 – dc = 4 мм,
полярность прямая; ряд 3 – dc = 6 мм, полярность прямая; ряд 4 – dc = 3 мм, полярность обратная; ряд 5 – dc = 4 мм, полярность обратная;
ряд 6 – dc = 6 мм, полярность обратная
19
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 и струи.
5.Особенности тепловложения в анод и катод плазмотрона.
6.Как рассчитывается тепловложение в изделие?
7.КакопределяетсяэффективныйКПДпроцессасваркиплавлением?
8.Как рассчитываются потери тепла в сопло?
9.Какими способами можно определять распределение тепловой мощности плазменной дуги и струи?
10.Какие параметры влияют на распределение тепловой энергии плазменной дуги и струи?
11.Основные элементы плазмотронов.
12.Приборы для измерения расхода воды и газов.
13.Как рассчитывается тепловложение в элементы цепи плазмотрон – изделие по результатам измерения?
14.Как влияет полярность на распределение тепловой мощности сжатой дуги?
15.Что такое плазма, параметры плазменной дуги и струи?
Список литературы
1. Эсибян Э.М. Плазменнодуговая аппаратура. – Киев: Техника,
1971. – 164 с.
2. Быховский Д.Г., Беляев В.М. Энергетические характеристики плазменнойдугиприсваркенаобратнойполярности// Автоматическая сварка. –
1971. – №5. – С. 27–30.
3.Петров А.В. Плазменная сварка // Итоги науки и техники. Сер.
Сварка / ВИНИТИ. – 1980. – Т. 12. – С. 53–67.
4.Щицын Ю.Д., Косолапов О.А. Влияние полярности на тепловые нагрузкиплазмотрона// Сварочноепроизводство. – 1997. – №3. – С. 23–25.
5.Щицын В.Ю., Язовских В.М. Влияние полярности на тепловложение в сопло плазмотрона // Сварочное производство. – 2002. – № 1. –
С. 17–19.
20