автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование электролитно-плазменного разряда с целью повышения эффективности его применения в сварочном и машиностроительном производстве

На правах рукописи

Терентьев Сергей Дмитриевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТНО - ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В СВАРОЧНОМ Ц МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

(J5.03.06 - Технология и машины сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Барнаул 1998 г.

Работа выполнена в Рубцовском индустриальном институте, Рубцовском проектно - конструкторском технологическом институте, Институте нефтехимического синтеза РАН.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В.Г.Плеханов

Научные консультанты - заведующий лабораторией ИНХС

РАН, доктор физико - математических наук, профессор, Лауреат Государственной премии Д.И.Словецкий кандидат технических наук, доцент В.П. Петров

Доктор технических наук, профессор

A.Е. Гончаров

Кандидат технических наук, с.н.с.

B.Г. Пинаев

Официальные оппоненты:

Ведущая организация - АО " Алтайский научно - исследовательский институт технологии машиностроения.

Защита состо и тс ¡У5■ /¿I 998 г.в/$часов на заседании диссертационного совета К 064.29.05 при Алтайском государственном техническом университете по адресу 656099 Россия, г.Барнаул - 99, пр-т Ленина,46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета. Автореферат разослан 1998г. Ваши отзывы (в одном экземпляре, заверенном печатью), просим направить в адрес университета на имя ученого секретаря.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Л.Н. ФридМан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сварка является одним из ведущих технологических процессов в производстве, связанном с изготовлением, ремонтом и восстановлением металлических изделий. Разработанные процессы сварки трением, газовой, термитной, дуговой, электрошлаковой, индукционной, лазерной, электронно - лучевой и т.д. находят свое применение в действующем производстве, но использование новых конструкционных материалов, технологий для изготовления деталей разнообразного назначения предполагает и разработку новых видов сварки и обработки металлов.

Таким нетрадиционным способом является электролитно - плазменная обработка.

Электролитно - плазменный разряд возникает в системе как минимум из двух электродов, погруженных в жидкую электропроводящую среду и подключенных к полюсам источника постоянного тока. Непременным условием существования разряда является неравенство площадей электродов и разряд горит на электроде с меньшей поверхностью, называемого "активным". В данной работе исследовались, в основном, процессы при активном катоде, т.е. при подключении детали к отрицательному полюсу источника питания, как наименее изученному, но обладающему, на наш взгляд, большей практической значимостью.

Проведенные исследования электролитно - плазменного разряда тем не менее не способствовали широкому применению его в действующем производстве и ограничивались редким использованием для термической обработки деталей.

Широкому внедрению процесса препятствует, на наш взгляд, следующее:

- отсутствие данных по физическим параметрам разряда, не позволяющих об'яснить различные моменты его поведения;

- незначительные линейные размеры разряда вызывают экспериментальный трудности при его исследовании и приводят к большому разбросу, а иногда и к противоречивости получаемых данных, что ограничивает процесс разработки технологий для действующего производства;

- отсутствие "обоснованного подхода к выбору составов электролитов при разработке технологических процессов;

- ограниченность тенденции практической реализации процесса, нахождения новых областей его применения.

Исходя из вышеизложенного вскрывается актуальность и практическая необходимость дальнейшего изучения процесса и разработки технологий электролитно - плазменной обработки в сварочном и машиностроительном производстве.

' "" Айробаиля работы.- -Результаты данной работы заслушивались на: научно - техническом семинаре "Повышение надежности и долговечности деталей машин методами поверхностного упрочнения" Челябинск, 1980г., Всесоюзном научно - техническом семинаре "Опыт разработки и внедрения в производство негорючих закалочных сред" Волгоград, 1982г. Всесоюзной научно - технической конференции "Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении, Челябинск, 1984г. Всесоюзной научной конференции "Износ в машинах и методы/защиты от него" Брянск, 1985г., Зональной научно-технической конференции "Пути повышения качества и надежности инструмента" Рубцовск, 1985 г., Научно - техническом семинаре "Опыт ЧАЗ по внедрению материалов и прогрессивных технологических процессов", Чебоксары, 1986 г., Всесоюзной научно - технической конференции "Проблемы создания ресурсосберегающих технологий сварочного производства для предприятий Дальнего Востока и Сибири". Комсомольск - на - Амуре, 1988г., Краевой научно - практической конференции молодых ученых и специалистов "Барнаул, 1988г., Региональном семинаре "Прогрессивные разработки РПКТИ" Барнаул, 1990г, Совещаниях главных металлургов, Ташкент - 1991г., Красноярск - 1992г., Международной научно - технической конференции "Проблемы автоматизации технологии в машиностроении, Рубцовск, 1994 Симпозиуме "Прогрессивные технологии в машиностроении "Рубцовск, 1995г. Научно - практической конфе-ренци "Научнотехническое творчество аспирантов и ППС", Бийск, 1995г. Всесоюзной НТК "Развитие производственных сил Сибири и задачи ускорения НТП ".Новосибирск, 1995г. Международной научно - технической конференции "Строительство и реконструкция в современных условиях" Рубцовск, 1997г.

Целью данной работы является исследование явлений и процессов при электролитао - плазменной сварке и обработке металлов, разработка промышленных технологий и оборудования на их основе.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Провести систематические исследования по изучению характеристик разряда, распределения потенциала и баланса тепла.

2. Рассчитать физические параметры разряда, установить его вид на основе анализа электрических и температурных характеристик. • =-

3. Изучить основные закономерности сварки, очистки сварочной проволоки, деталей под сварку, химико - термической обработки металлов, провести металлографические исследования.

4. Разработать на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований технологические основы промышленного применения процесса. .

5. Для реализации исследованых возможностей процесса и выработанных технологий разработать конструкции, изготовить и внедрить в действующие производства малосерийное и единичное оборудование:

Научная новизна.

- разработана методика микрозондирования газовой оболочки, позволившая оценить геометрические и энергетические характеристики разряда;

- впервые установлено, что электролитно-плазменный разряд представляет собой разряд необычного типа, генерирует неравновесную плазму (Те Тг), что связано с интенсивной теплоотдачей в кипящий слой электролита при малых линейных размерах разряда;

- доказано, что различный режим нагрева электрода связан с особенностями вольт-амперных характеристик процесса, который также предопределяет возможности использования разряда в сварочном и машиностроительном производстве;

- впервые показано, что слабая зависимость интенсивности насыщения деталей при химико-термической обработке от полярности "активного" электрода связана с тем, что ответственными за насыщение являются нейтральные частицы. Зависимость скорости насыщения от состава электролита связывается с энергией связи в частицах, находящихся в газовой фазе электролитно-плазменного разряда,

-подтверждено, что при обработке в электролитной плазме скорость диффузии легирующих элементов выше, чем при традиционных методах обработки, что дало возможность разработать новые составы электролитов и эффективные технологии с многократным сокращением времени обработки.

Практическая денность работы.

- на основе полученных результатов разработаны и оптимизированы процессы сварки, электролитно - плазменной очистки, модификации поверхности для нанесения, полимерных и других покрытий, электролитно - плазменного сульфидирования, борирования с высокими экологическими показателями;

- разработано, создано и внедрено в производство малосерийное и единичнре оборудование с суммарным экономическим эффектом . 1 млн. 860 тыс. руб. в ценах 1990 - 91 гг. 1

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, в том числе 7 изобретений.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из вве-' дения, четьгрех глав, выводов, библиографии (156 наименований) и .

приложения, содержит 137 страниц машинописного текста включая 36 рисунков и 20 таблиц.

Основное содержание работы.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Основные закономерности'электролитно - плазменного разряда. , г

В проведенном анализе публикаций показано, что несмотря на достигнутое практическое использование процесса и значительное число работ, посвященных йсследованию электролитно - плазменного разряда, нет единого мнения о механизме нагрева электродов, о составе газов в оболочке и роли водорода для обеспечения высокотемпературного нагрева.

Толщина газоплазменной оболочки (длина разряда) имеет большой разброс у различных авторов - от 3 мкм до 1,2 мм. Нет единого мнения о проводимости оболочки и о природе электрического разряда, считая его искровым, дуговым, тлеющим. Температура газа в разряде колеблется у различных авторов от 3000° С до 10000" С.

Выяснение затронутых, а также сопутствующих им вопросов позволит решать как теоретические, так и практические проблемы изучения и применения электролитно - плазменного разряда.

Совокупность проанализированных работ позволяет сделать следующие выводы:

- несмотря на возрастающий интерес к электролитно - плазменному разряду как к современному, прогрессивному способу обработки, процесс имеет незначительное распространение в производстве из - за его малой изученности, отрывочности, а в ряде случаев, и противоречивости полученных данных;

- нет ясности в типе разряда, неизвестны параметры плазмы;

- отсутствует или крайне ограничена тенденция решения конкретных производственных задач.

1.2. Сварочные процессы.

Из всего многообразия технологий сварки в рамках данной работы представлены процессы, где передача энергии свариваемым материалам осуществляется потоком заряженных частиц, в частности, дуговая и микродуговая сварка, осуществляемая при напряжениях 10 у.50 В и практически с неограниченной силой тока - до 106 А/см2 . Считая дуговой разряд равновесной плазмой, тем не менее отмечено, что в переходных областях дуги температура электронов и газа отличны. Установлено, что введение в разрядный промежуток даже незначительных добавок элементов с низким потенциалом ионизации, способствует стабилизации горения дуги. Тем "не менее однозначно не освещен'ы процессы, протекающие' в приэлектррдных областях дуги, первичщле процессы ионизации .

разрядного промежутка . Разработаны и широко применяются процессы микросварки прецизионных деталей с применением электронного луча, нагревом сопротивлением или энергией конденсаторных

батарей^ ~ Но предъявляемые жесткие требования к чистоте поверх--------------------

ности, геометрии торцов, точности исполнения крепежных колодок в совокупности усложняют технологию и требуют дополнительных затрат.

Отдельным вопросом стоят экологические и медицинские проблемы, поскольку комплексное воздействие вредных производственных факторов химической (сварочные аэрозоли, газы) и физической природы (излучение дуги, электромагнитные поля, тепловое излучение) приводят к различным заболеваниям сварщиков, загрязняют окружающую среду.

1.3. Очистка металлов в электролитпой плазме.

Проведенный сравнительный анализ различных способов очистки показал, что, отличаясь по механизму воздействия на обрабатываемую поверхность, они обеспечивают разную скорость очистки и ее качество. Данные, взятые из различных источников, по удельным энергозатратам, трудоемкости, шероховатости и скоро-стиочистки показывают, что электролитно - плазменная очистка, уступая по количеству остаточных загрязнений только вакуумной очистке, в то же время имеет высокие показатели по остальным параметрам, но необоснованный выбор рабочих сред, конструкторских и технологических решений препятствуют широкому внедрению процесса ЭПО в производство.

1.4. Химико - термическая обработка в электролитной плазме.

Проведенный анализ существующих технологий диффузионной

обработки показал необходимость ее проведения для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и инструмента. Оценка влияния различных факторов, интенсифицирующих диффузию, проведена автором на основании усредненных данных по скоростям насыщения, взятых из различных источников, но относящихся к среднеуглеродистым сталям при Т„ = 950°С. В результате анализа установлено, что по сравнению с борированием в порошках или расплавах электролитическое расщепление насыщающего вещества и подвод его в зону обработки ускоряет процесс в 1,5 раза, лазерное воздействие на обрабатываемую поверхность - в 2 - 3 раза, скоростной нагрев металла ТВЧ с изменением кристаллической, решетки и разложением компонентов насыщающей среды - в 4-5 раз. Тем не менее, многообразие способов ХТО не обеспечивает широкое применение их в промышленности из - за длительности, токсичности процессов, крупногабаритности оборудования.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному изучению вольт - ампер - температурных характеристик процесса (рисунок 1), микрозондированию разрядного промежутка, спектральным исследованиям и расчету собственных параметров плазмы. ' '' '

В результате установлена зависимость параметров процесса от концентрации заряженных частиц (рисунок 2), удовлетворительно описываемая уравнением:

Ир (с) = 253.3 + 9.34х + 2.38 • 10"2х2

и имеющая пренебрежительно малый коффициент нелинейности.

Напряжение зажигания разряда практически линейно зависит от потенциала ионизации наиболее легкоионизируемого элемента, что соответствует закономерностям для известных типов разрядов.

Сравнение рассчитанных тепловых потоков при различных параметрах процесса с "классической" кривой зависимости разности температур цилиндрического тела, нагреваемого проходящим электрическим током в большом об'еме воды от удельного теплового потока (рисунок 3) позволило установить, что наступление соответствующих режимов теплоотдачи происходит при тех же перепадах температур электрода и электролита, что и для теплоотдачи от тел при кипении воды. Однако необходимые для этого плотности тепловых потоков, рассчитанные по полной мощности разряда примерно вдвое превышают соответствующие плотности тепловых потоков по сравнению с "классической" кривой.

Микрозондирование оболочки, проведенное с помощью зонда, перемещаемого реверсивным двигателем со скоростью 0,0036 см/мин, позволило установить, что длина разряда зависит от приложенного напряжения, графическая зависимость которой представлена на рисунке 4. Кроме того, удалось выявить области катодного и анодного падений потенциалов, что в свою очередь подтверждено и спектральными исследованиями: яркость линий легко-ионизируемых элементов Иа - 5889,95/5895,92А, Са-4226,4289А, К -7664,9; 7699А неравномерна по интенсивности на длине разряда, что указывает на существование областей концентрации положительно заряженных частиц.

По полученным экспериментальным данным произведен расчет параметров плазмы. Установлено, что при Р = 1 • 105 Па в электролите #а2СОз -15% концентрации и Тэ=25 С, при {/р=150В и плотности тока » = 3 • 104А/м2 длина разряда составляет Ь=1 • Ю-4 м. Длина свободного пробега электрона / = 5,6 • 10~7 м. Напряженность электрического поля Е = 1,5 • 106 В/м. Средняя скорость теплового и упорядоченного движения электронов: Уг = 105 м/с;

Vy = 7,3 • 105м/с. Концентрация электронов: пе = 2,6 • 1017м~3. Температура электронов: Те = 1,4104К. Дебаевский радиус равен: Дц = 6 • 10~1См. Значительное превышение длины разряда по сравнению с радиусом Дебая говорит о квазинейтральности плазмы, т.е. концентрация ионов равна концентрации электронов = пе.

Проведенные расчеты относительной разности температур АТ/Те и относительной разности удельной энергии AW/W позволили установить, что Те » Тг, что указывает на неравновесность разряда.

Третья глава посвящена исследованию возможностей применения электролитно-плазменного разряда для сварки и обработки поверхности металлов.

Концевая сварка образцов проводилась на разработанной установке УСТ-1 (рисунок 5), обеспечивающей механическое закрепление свариваемых деталей в зажим, подключенному к отрицательному полюсу источника питания. Погружение на глубину 5... 10 мм в проточный электролит - 20 % К2СО3 осуществлялось вручную с помощью реечного механизма.

Практическое применение нашел процесс сварки хромель - алю-мелевых (ХА) и хромель- Копелевых (ХК) термопар 0,15-0,20 мм.

Для подбора оптимальных параметров сварки реализован план полнофакторного эксперимента. Определены рабочие интервалы для каждого из значимых параметров для сварки ХА-и ХК-термопар с учетом действетствующих стандартов, предписывающих отклонение ЭДС от табличных значений не более 0,16 мВ, что составляет 4...5 К.

Полученные апроксимирующие зависимости описываются регрессионными формулами типа:

F(NP) = —1, 95 + 0,1469х — 0,4г2

Отличительной особенностью установки для сварки прутков-УСП-1 (рисунок 6) являлось то, что подача электролита в зону обработки осуществлялась с помощью спреера. Смена насадок спреера позволяла регулировать размеры струи, т.е. обеспечивать требуемые размеры области сварки.

Фотографии полученных микроструктур свариваемых пар Fe-Fe и Fe-Cu представлены на рис. 7. Обращает на себя внимание специ-* фияеское воздействие электролитной плазмы на обрабатываемый металл: отсутствие границы перехода одной свариваемой части в другую в паре Fe-Fe, что приводит, как известно, к максимальной прочности сварного шва, и соотношение железной и медной составляющей в сварном шве 50- 50 % , что характерно для сварки взры-, вом. Микротвердость медной матрицы в зоне расплава, отличается от микротвердости медного образца и составляет 2430 МПа и •1518 МПа соответственно.

. Аналогично отличаются микротвердости и стальных участков в зоне переплава и в зоне термического влияния- 4857 МПа и 2698 МПа соответственно.

Для получения качественного сварного шва необходима высокая степень чистоты поверхности как сварочной проволоки, так и свариваемой детали. Технологические возможности способа позволяют производить зонную очистку крупногабаритных деталей только в области наложения сварного шва.

Как известно, сваривание сталей, особенно высоколегированных, сопровождается образованием термических напряжений, приводящих к ухудшению качества сварного шва. Ранее отмечено, что плавное снижение напряжения ведет к постепенному уменьшению температуры образца. Это значит, что непосредственно после сварки температура детали может быть постепенно снижена по любой заданной программе, что полностью снимает термические напряжения и улучшает качество сварного шва.

Поиск наиболее эффективных параметров очистки проводился в широком диапозоне изменений как состава электролита, так и его концентрации. Исходя из выдвинутых в работе требованиям к электролиту - наличие элемента с низким потенциалом ионизации, нетоксичностью, доступностью- для последующих экспериментов были выбраны соли Л^агСОз и (ЛГН^гБО^ в низких концентрациях-С=5...10 % , исключающих нагрев изделия в процессе очистки при затратах удельной мощности N = 0,5кВт/см2 при использовании N02СОз и мощности N = 0,ЗкВт/см2 при (ЫН^БО^.

Изучение зависимости интенсивности очистки от приложенного напряжения при катодном и анодном (рис. 8)процессах показало, что эффективность катодной очистки в среднем в 2 раза превышает анодную. Область рабочих напряжений - 80-120В.

При проведении экспериментов по очистке было отмечено, что в процессе удаления загрязнения вследствие воздействия разряда на поверхность металла происходит изменение поверхностного рельефа.

В работе исследовано изменение микроконфигурации поверхностных слоев металла (Л„) в зависимости от удельной электропроводности раствора (X), мощности разряда (Лр) и времени обработки (<) и сравнено с известными способами механической и электрохимической модификации поверхности, применяемых для увеличения адгезии при нанесении полимерных, лакокрасочных и металлических покрытий. Критерием оценки служило усилие отрыва нанесенного резинового покрытия на обработанную поверхность грибка по ГОСТ 22.209.79. Реализован план полного многофакторного эксперимента с последующей апроксимацией результатов по методу наименьших квадратов при 'максимальном технологическом изменении одного значимого ф&ктрра и построены графики, наглядно

представляющие зависимость характеристик разряда от каждого из факторов (рисунки 9-10).

При разработке процессахульфвдированиябыло взято за основу установленная для электролитно-плазменного разряда зависимость напряжения зажигания разряда от потенциала ионизации, концентрации, а также положение о интенсивности разрушения соединения (иона) в зависимости от энергии связи в частице, которое подтверждено проведенными экспериментами (рисунок 11).

Применение электролитов разработанных составов-10-15 % М^а03 + 10% (ЛГЯ4)2504 и 10-15% М»2520з + 15%АГЯ4С/ для сульфидирования режущего инструмента позволило повысить его износостойкость в 1,5-2, 5 раза. Процесс требует затрат удельной мощности N = 0,32 — 0,41кВт/см2 и расхода серы из раствора 0,3 — 0,6 • 10~5г/см2 обрабатываемой поверхности.

В разработанных составах электролитов, содержащих борфто-ристый аммоний - N Н^ВРз, тетраборнокислый натрий - Ка^В^Ог и карбид бора В4С после осуществления процесса борирования проведенный рентгеноструктурный анализ показал наличие боридных фаз ГеВ, Ре-гВ. Глубина слоя, полученная при I/ = 110—120В и токе / = 2,6А при Т„ = 900 — 950°С на армко- Ре и ст. 50 при t = Юмин. составила 0,11-0,14 мм, что в 3-10 раз превышает скорость насыщения по сравнению с традиционными способами обработки.

В четвертой главе приведены результаты реализации разработанных технологических процессов в сварочном и машиностроительном производстве с приведением фотографий установок и схем с описанием их конструкции и принципа работы. .

Установка для сварки термопар УСТ-1 позволяет обеспечивать сварку одной или нескольких термопар или любых микропроволок ручным погружением с помощью реечного механизма в электролитическую ванну с проточным электролитом.

Автоматы для очистки сварочной проволоки (рисунок 12) в процессе перемотки ее с бухты на бобину со скоростью 45- 60 м/мин выполнены в нескольких модификациях: с одной или двумя электролитическими ваннами. Управление процессом осуществляется с пульта. При включении двигателя тянущего устройства и начале движения проволоки одновременно подаваемое напряжение обеспечивает очистку поверхности проволоки от всех видов загряз, нений в процессе прохождения ее через электролитическую ванну. Намотанная на бобину проволока готова для проведения сварочных работ. Кроме того, микроскопический налет соли ТУагСОз, определенный гравитометрическим и химическим методами составляет 0,03..0,05% от массы основного металла, что соответствует нормам оптимального введения щелочных добавок для стабилизации горения дуги.

Установки сульфидирования режущего инструмента (ри-; сунок 13) работают со следующей последовательностью выполнения технологических операций: заточка инструмента, закрепление его в специальном зажиме с одновременным обеспечением электрического контакта с отрицательным полюсом источника тока, погружение в электролит на глубину 10 мм, включение напряжения и =г 120,..150В на время I = 60...90 с, отключение напряжения и снятие готового к работе инструмента. Увеличение стойкости сульфи-дироваяного в электролитной плазме инструмента составляет 1,52,5 раза по сравнению с серийными.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований изучена специфическая форма неравновесного разряда - распределенного пленочного разряда с низкой температурой газа, но высокой температурой электронов, достаточной для ионизации газа и обеспечения его проводимости, т.е. Те » Тг.

2. Изучение электрических и температурных характеристик процесса, с учетом потенциалов ионизации основных элементов, проведение спектральных, хромато-масс-спектральных исследований позволило установить тепловой баланс процесса, содержание веществ в газовой фазе, ответственных за зажигание и горение разряда.

3. Проведение послойного химического, рентгено - структурного и металлографического анализов позволило установить наличие диффузионных слоев за 1-5 мин обработки, что в несколько раз превышает по скорости насыщения традиционные способы ХТО.

4. Специфичность воздействия электролитной плазмы на свариваемый металл позволяет получать своеобразные структуры сварного шва как однородных так и разнородных металлов.

5. Зондирование межэлектродного промежутка, давшее данные о распределении потенциала, позволило разработать конструкции электролитических ванн с наименьшими потерями подводимой мощности, основы применения электролитно - плазменного разряда в сварочном и машиностроительном производстве.

6. Изучение воздействия разряда на обрабатываемую поверхность позволило разработать технологические процессы очистки сварочной проволоки в процессе перемотки ее с бухты на сварочную бабину, зонную очистку деталей только в области наложения сварного шва, разработать технологию модификации поверхности для последующего нанесения полимерных и лакокрасочных покрытий , процессы химико-термической обработки со скоростями, в несколько раз превышающими традиционные способы.

7. На базе разработанных технологий проведено проектирование и изготовление малосерийного и единичного оборудования для сварки, очистки деталей под сварку, сульфидирования режущего' инструмента.

8. Изготовленное оборудование по разработкам автора внедрено на Алтайском тракторном заводе, Алтайсельмаше, Рубцовском

машиностроителном заводе, Чебоксарском заводе промтракторов,----

Челябинском тракторном, Волгоградском канатномзаводе, Семипалатинском метизно- фурнитурном заводе и т. д. с суммарным экономическим эффектом 1 млн 860 тыс. руб. в ценах 1991г.

9. Разработанные технологические процессы, внедренные на ряде предприятий страны, обладают высокими экологическими показателями вследствие того, что, во-первых - процессы сварки и обработки металлов проходят в водных растворах нетоксичных солей, что исключает образование вредных газообразных продуктов, и во-вторых, при прямом сливе в канализацию отработанного раствора имеющего щелочную реакцию, происходит нейтрализация производственных стоков, имеющих, как правило, кислую реакцию.

За разработку и внедрение технологий электролитно - плазменной обработки, действующие экспонаты которых демонстрировались на ВДНХ СССР в 1983 и 1988 годах, автор награжден двумя серебряными медалями и медалью "Изобретатель СССР".

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Терентьев С.Д., Сульфидирование деталей машин в электролитной плазме.// Тезисы научно - технической конференции //Повышение надежности и долговечности деталей машин методами поверхностного упрочнения. Челябинск, 1980г.

2. Терентьев С. Д., Плеханов В. Г., Крючков А. В. //Закалка изделий с нагрева электролитно-плазменным методом. Тезисы докладов научнотехнического семинара "Опыт разработки и внедрения в производство негорючих закалочных сред на водной основе. Волгоград, 1982г . с. 94.

3. Терентьев С. Д., Плеханов В. Г. //Разработка технологии электтролитно-плазменной обработки металлов. Тезисы докладов Всесоюзной научно- технической конференции// Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении. Челябинск, 1984г. с. 27. '

4. Словецкий Д. И., Терентьев С. Д., Плеханов В. Г //Исследование и разработка технологии упрочняющей электролитно-плазменной обработки. Тезисы Всесоюзной научной конференции "Износ в машинах и методы защиты от него" Брянск, 1985г. с. 18.

5. Терентьев С. Д. Сульфидирование инструмента в электрсР-литной плазме. ЭН ЦНИИТЭИ М, 1982 г. Т1 с. 19.

6. Терентьев С. Д. //Пути повышения качества и надежности инструмента. Зональная научно-техническая конференция г. Рубцовск, 1985г. с. 10.

7. Терентьев С. Д., Гайкалов А. В. //Химико-термическая обработка деталей машин и перспективы ее применения". Тезисы^

научно-технического семинараЖ Опыт ЧАЗ по внедрению материалов и прогрессивных технологических процессов" Чебоксары, 1986г. с. 21.

8. Словецкий Д. И., Терентьев С. Д., Плеханов В. Г. / Механизм электролитно-плазменного разряда". Теплофизика высоких температур. М, 1988г. Т. 24, N 2 с. 353 - 358.

9. Терентьев С. Д. /Интенсификация химико-термической обработки металлов" Электронная обработка материалов. Кишенев, 1992 г, N 2, с. 34 - 35.

10. Терентьев С. Д. /Перспективы разработки и промышленного применения электролитно- плазменной очистки сварочной проволоки". Всесоюзная конференция сварщиков. "Проблемы создания ресурсосберегающих технологий сварочного производства для Сибири и Дальнего Востока". Комсомольск-на-Амуре, 1988г. с. 12.

11. Терентьев С. Д. /Исследование, разработка и внедрение технологии сульфидирования инструмента в электролитной плазме" Тезисы докладов У-й краевой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Барнаул, 1983г. с. 20.

12. Терентьев С. Д. // Исследование процессов зонной очистки деталей под сварку. Тезисы регионального семинара "Прогрессивные разработки РПКТИ" Барнаул, 1990г.

13. Терентьев С. Д. /Анализ результатов промышленного использования автоматов очистки сварочной проволоки. Тезисы международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении" // Рубцовск, 1994г. с. 32.

14. Терентьев С. Д., Плеханов В. Г. /Очистка порошковых изделий в электролитной плазме. Тезисы симпозиума "Прогрессивные технологии в машиностроении". Рубцовск, 1995г.

15. Терентьев С.Д./Перспективы развития электролитно - плазменной обработки металлов/ Тезисы научно - практической конференции "Научно - техническое творчество аспирантов и ППС" Бийск, 1995г.

16. Терентьев С. Д. //Очистка металлов в электролитной плазме. Сборник научных трудов РИИ, 1994г.

17. Терентьев С. Д., Борисовский В. В. //Анализ физических характеристик электролитно- плазменного разряда при сварке металлов. Сборник научных трудов РИИ, Рубцовск, 1997г.

18. Терентьев С. Д., Плеханов В. Г., Черемных Т. С. /Разработка технологии сварки. Сборник научных трудов РИИ, 1997г.

19. Терентьев С.Д. // Анализ сварочных процессов в электролитной плазме. Тезисы докладов международной НТК "Строительство и реконструкция в современных условиях" //Рубцовск, 1997г.

20. Плеханов В. Г.; Терентьев С. Д., Гайкалов А. В. /Сульфи-дирование инструмента в, электролитной плазме. Тезисы докладов

"Пути повышения качества и надежности инструмента" Рубцовск, 1985г. с. 67.

21. Околович Г. А., Салманов Н. С., Терентьев С. Д. /Повышение стойкости и надежности инструмента/ Тезисы докладов Всесо-------------------

юзной НТК " Развитие производственных сил Сибири и задачи ускорения НТП" Новосибирск, 1985г., с. 85.

22. Ясногородский И. 3. , Терентьев С. Д. /Состав для электролитического сульфидирования/ А. С. 931801 кл. С 23 С 9/10.

23. Словецкий Д. И., Терентьев С. Д . /Состав для электролитического сульфидирования стальных изделий/ А. С. 1140488 кл. С 23 С 9/10

24. Словецкий Д. И., Терентьев С. Д., Плеханов В. Г/. Способ электролизного борпрования А. С. 1165081 кл. С 23 С 8/40.

25. Грицевич П. М., Плеханов В. Г., Терентьев С. Д. / Устройство для электрохимической обработки А. С. 1328095 кл. В 23 Н 3/00.

26. Ясногородский И. 3., Терентьев С. Д. /Электролит для ни-троцементации стальных изделий А. С. 936639 С 23 С 9/16.

27. Терентьев С. Д., Словецкий Д. И., Плеханов В. Г. / Способ обработки порошковых изделий А. С. 1726134 кл. В 22АЗ/24.

28. Словецкий Д. И., Терентьев С. Д., Плеханов В. Г. /Способ очистки длинномерных стальных изделий А. С. 1231086 кл. С 25'А 3/06.

1

16* Л

/ ' к

/1 470^

/ гч

юо 80 ЬО

ii.fi

(а гомчом бо юзоэоюоио ■■

АО

А 0 4

д- А V /у

V

Рис Л ВАТХ процесса Рис.2 Зависимость параметров

процесса от концентрации заряженных частиц.

«да

юо гоо ¡во чщ

-150

¿01

Рис.3 ЗависимостьаТ от q Рис.4 Зависимость длины разрядного промежутка от и разряда.

л-.z.'i Микроструктуры СВ2?НЭГО СЭЗЛ1ЧеД'.Я пгры СТ.10- ст.10(1 кепного сплава MI- ст.10{2).

/о

ко

о

V 1 ... . Л..

У 4

0$

Rfl мкм

• { ^ятщщш

1

ъ

50 ш Цв О 0( Х Ом~!

Рис.8 Зависимость скорости очистки Рис.9 Зависимость шерохо

Г1рИ и анодном(а) ватости(Rtt) от электро-

проводности раствора (х)

процессах'

<ЯиПа

Ql MWM

Рис.10 Зависимость адгезии (у) от мощности разряда(Np)

sao юое> /№ яоо(£&

Рис.11 Зависимость глубины насыщения(Т) от энергии связи (G)

Рис.13 Установка сульфшшрования инструмента

/

м> 5У уу

Алтайский государственный технический

университет им.И.И.Ползунова Рубцовский индустриальный институт

На правах рукописи Терентьев Сергей Дмитриевич

УДК 621.791.72

V

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕШОГО РАЗРЯДА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В СВАРОЧНОМ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

А

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Плеханов В.Г.

Барнаул - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

.„ВВЕДЕНИЕ 4 ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Основные закономерности электролитно- плазменного разряда 4 10

1.2 Сварочные процессы 15

1.3 Очистка металла в электролитной плазме 23

1.4 Химико-термическая обработка в электролитной плазме 28

1.5 Выводы. Постановка задачи исследований 33

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРЯДА ПРИ СВАРКЕ В ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ПЛАЗМЕ

2.1 Определение падения напряжения на разрядном л промежутке 36

2.2 Вольт- температурные характеристики процесса 50

2.3 Микрозондирование и исследование спектра разряда 62

2.4 Анализ физических характеристик электролитно-плазменного разряда 6?

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА ПРИ. СВАРКЕ И ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ

3.1 Отработка различных вариантов сварки

3.2 Очистка сварочной проволоки и деталей под сварку

3.3 Модификация поверхности металла

3.4 Разработка процесса электролитно- плазменного сульфидирования

3.5 Разработка процесса электролитно- плазменного борирования

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СВАРОЧНОМ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

71

81 85

96

106

109

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

126

ПРИЛОЖЕНИЯ

137

5

• ('

ВВЕДЕНИЕ

Сварка является одним из ведущих технологических процессов в производстве, связанном с изготовлением, ремонтом и восстановлением металлических изделий. Разработанные процессы сварки трением, газовой, термитной, дуговой, электрошлаковой, индукционной, лазерной, электронно- лучевой находят свое применение в действующем производстве, но использование новых конструкционных материалов для изготовления деталей разнообразного назначения предполагает и разработку новых видов сварки и обработки металлов.

Таким нетрадиционным способом является электролитно- плазменная обработка.

Электролитно- плазменный разряд возникает в системе из двух электродов, погруженных в жидкую электропроводящую среду и подключенных к полюсам источника постоянного тока. Непременным условием существования разряда является неравенство площадей электродов и разряд горит на электроде с меньшей поверхностью, называемом "активным".В данной работе исследовались, в основном, процессы при активном катоде, т.е. при подключении детали к отрицательному полюсу источника питания- как наименее изученному, но обладающему,. на наш взгляд, большей практической значимостью.

А

Исследование электролитно- плазменного разряда тем не менее не способствовало широкому применению его в действующем производстве и ограничивалось редким использованием для термической обработки деталей. :. '

Широкому внедрению процесса препятствует, на наш взгляд, следующее:

- отсутствие данных по физическим параметрам разряда,не поз-

воляющей объяснить различные моменты, его поведения;

- незначительные линейные размеры разряда вызывают значительные экспериментальные трудности при его исследовании и приводят к большому разбросу, а иногда и к противоречивости получаемых данных, что не позволяет разрабатывать новые технологии;

- отсутствие обоснованного подхода к выбору составов электролитов при разработке технологических процессов;

- ограниченность тенденции практической реализации, процесса,

нахождения новых областей его применения.

*

Исходя из вышеизложенного вскрывается актуальность и практическая необходимость изучения процесса и разработки технологий электролитно-плазменной обработки в сварочном и машиностроительном производстве.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование явлений и закономерностей процессов, протекающих при электролитно- плазменной обработке металлов, разработка промышленных технологий и оборудования на их основе.

л

Для достижения поставленной цели необходимо: Провести систематические исследования по изучению характеристик разряда,распределения потенциала, параметров плазмы, баланса тепла.

Разработать физическую модель разряда,установить его вид на основе анализа энергетических и температурных характеристик.

Изучить основные закономерности диффузионного насыщения

металлов, сварки, очистки поверхности сварочной проволоки и дета лей под сварку.

Разработать на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований технологические основы промышленного применения процесса.

Для реализации возможностей предложенной модели разряда и выработанных технологий разработать конструкции установок.

Изготовить и внедрить в действующее производство малосерийное и единичное оборудование.

Научная новизна работы.

- разработана методика микрозондирования газовой оболочки, позволившая оценить геометрические и энергетические характеристики разряда;

- впервые установлено, что электролитно-плазменный разряд представляет собой разряд необычного типа,генерирует неравновесную плазму (Те»Тг), что связано с интенсивной теплоотдачей в кипящий слой электролита при малых линейных размерах разряда;

- показано, что различный режим нагрева электрода связан с особенностями вольт-амперных характеристик процесса, которые также предопределяют возможности использования разряда в сварочном производстве;

- впервые показано, что слабая зависимость насыщения деталей при химико-термической обработке от полярности "активного" электрода связана с тем, что ответственными за насыщение являются нейтральные атомы. Зависимость скорости насыщения от состава электролита связывается с энергией связи в частицах, находящихся в газовой фазе электролитно-плазменного разряда;

- подтверждено, что при обработке в электролитной плазме скорость диффузии легирующих элементов выше, чем при традиционных методах обработки, что дало возможность разработать новые эффективные технологии с многократным сокращением времени обработки.

Практическая ценность работы На основе полученных результатов разработаны и оптимизированы процессы сварки, электролитно- плазменной очистки сварочной проволоки и деталей под сварку, модификации поверхности для нанесения полимерных и других покрытий, электролитно- плазменного сульфида-рования, борирования;

- разработано, создано и внедрено в производство малосерийное и единичное оборудование с суммарным экономическим эффектом 1 миллион 860 тыс. руб. в ценах 1990-91 гг.

Малогабаритность разработанного оборудования, отсутствие подготовительных операций зачистки деталей под сварку, очистки поверхности для химико- термической обработки, высокие экологические показатели позволяют процессу электролитно- плазменной обработки занять достойное место в действующем производстве.

Автор выражает глубокую признательность заведующему лабораторией плазмохимии Института нефтехимического синтеза РАН доктору физико- математических наук, профессору, Лауреату государственной премии Словецкому Д.И. за постоянное внимание к работе и ценные обсуждения.

Апробация работы.

Результаты данной работы заслушивались на: научно- техническом семинаре "Повышение надежности и долговечности деталей машин методами поверхностного упрочения" Челябинск, 1980г., Всесоюзном научно- техническом семинаре "Опыт разработки и внедрения в производство негорючих закалочных сред" Волгоград,1982г., Всесоюзной научно- технической конференции "Основные направления экономии и рационального^использования металла в автотракторостроении" Челябинск, 1984г., Всесоюзной научной конференции "Износ в машинах и методы защиты от него" Брянск, 1985г., Зональной научно- технической конференции "Пути повышения качества и надежности инструмента" Рубцовск,1985г., Всесоюзной НТК "Развитие производственных сил Сибири и задачи ускорения НТП "Новосибирск, 1985 г., Научно-техническом семинаре "Опыт ЧАЗ по внедрению материалов и прогрессив-ных

у.

технологических процессов" Чебоксары, 1986г., Всесоюзной научно-технической .конференции "Проблемы создания ресурсосберегающих технологий сварочного производства для предприятий Дальнего Востока и Сибири" Комсомольск- на- Амуре, 1988г., Краевой научно- практической конференции молодых ученых и специалистов, Барнаул, 1988г., Региональном семинаре "Прогрессивные разработки РПКТИ " Барнаул, 1990г., совещаниях главных металлургов, Ташкент, 1991 г., Красноярск, 1992г. Международной научно- технической конференции "Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении, Рубцовск, 1994г., Симпозиуме "Прогрессивные технологии в машиностроении", Рубцовск, 1995г., Международной Научно- технической конференции "Строительство и реконструкция в современных условиях",Рубцовск, 1997 г.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Основше закономерности электролитно- плазменного разряда

Явление нагрева металлических электродов до высоких темпера-температур при пропускании электрического тока повышенной плотности через электролиты было обнаружено еще в прошлом веке Е1].

Начиная с сороковых годов нашего века, нагрев металлов в электролите стал широко применяться 'для горячей механической и термической обработки металлов и сплавов 12-10]. Были выполнены исследования процессов при протекании тока через электролит при наличии парогазовой оболочки и нагрева электродов [3-19], а также разрядов между металлическим и электролитным электродами в воздухе И6]. Однако,.несмотря на достигнутое практическое использование и значительное число работ, посвященных исследованию плазменно- электролитного нагрева, до настоящего времени нет единого мнения о механизме нагрева металлических электродов. Дело в том, что нагрев до высоких температур наблюдается не всегда, а лишь при определенных типах и концентрациях электролитов. Чаще нагрев наблюдается на катоде, хотя и на аноде нагрев осуществляется [9-123. Существуют такие режимы, когда вокруг электрода образуется сплошная газовая

л

оболочка, тем не менее нагрева его не происходит. Температура нагрева электрода заметно изменяется при сравнительно небольших изменениях состава электролита. Все эти явления не находят объяснения и в литературе практически не обсуждаются.

Для понимания механизма происходящих явлений необходимо определить тип разряда, механизм проводимости через оболочку, ее состав. Поскольку процесс при активном катоде имеет большее практиче-

ское значение, составу газовой фазы, в частности, присутствию и значению водорода в оболочке уделяется большое внимание. Так, например, ряд исследователей [2,3,323 считает присутствие водорода в оболочке необходимым условием обеспечения высокотемпературного нагрева, но полученный нагрев анода [7-12,223 а также нагрев электрода . в расплаве солей, где водород отсутствует, но примерно при тех же электрических параметрах, что и в растворах [463, вызывают сомнение о значении водорода для обеспечения нагрева актинцрго электрода. Спектральными исследованиями, проведенными рядом авторов [23-293, наличие водорода с его высоким уровнем потенциала ионизации (12,6 эВ) установлено только при обработке в растворах

сильных кислот [25-273.

Многообразие взаимосвязанных факторов, влияющих на оболочку, незначительные линейные размеры ее, создающие экспериментальные трудности при измерений ее толщины, приводят к большому разбросу получаемых результатов-от 3 мкм до 1,2 мм [32-383 .Влияние основополагающего фактора- температуры поверхности также неоднозначно. По данным одних авторов [333 увеличение температуры детали от 400°С до 750°С приводит к уменьшению размеров оболочки от 0,025 см до 0,007 см, а других [343, при изменении температуры с 300°С до 800°С к увеличению ее от 0,04 мм до 0,3 мм. Наблюдается влияние температуры электролита.

Нет единого мнения о проводимости парогазовой оболочки. В [393 отмечено, что оболочка является диэлектрической и термоизоляционной, а проводимость осуществляется электрическим пробоем промежутка и носит импульсный характер. Другие исследователи считают, что газовый промежуток обладает собственной проводимостью за счет наличия в нем паров легкоионизируемых элементов, третьи [263 счи-

тают, что первоначально разряд проходит в виде отдельных разрядов - стримеров, вызывающих ионизацию атомов, эмиссию электронов и в дальнейшем может проходить по всей площади слоя стабильно или в виде отдельных микроразрядов [35]. Природа электрического разряда также не выяснена. Незначительные линейные размеры области,занятой разрядом, не позволяют провести точную диагностику плазмы, поэтому различные авторы приходят к выводу о развитии между электролитным и металлическим электродами искрового [41 ,42,4-53, дугового [44,32,39], тлеющего [33] разряда.

В качестве доказательств характеристики разряда приводятся данные по эррозии поверхности,^ обнаруженным участкам падающей вольт- амперной характеристики (ВАХ), отношению площадей анода и катода и т.д.Так,например,при изучении процессов оксидирования при повышенных напряжениях описано явление возникновения большого количества микродуг, перемещающихся по поверхности анода [473, или по [483 производят анодную обработку детали в режиме микродутовых и дуговых разрядов.

Температура газа в разряде приводится иногда как с обоснованным предположением, например,в работе [473 по положению максимума сплошного спектра было определено, что свечение соответствует Тн = 3000°С. В других работах без аргументированных доводов температура газа в разряде оценивается величиной 7000°- 10000°С [38, 49, 52].Зондирование межэлектродного промежутка, позволяющее дать информацию о природе протекающих процессов, широко не проводилось. Отдельные полученные данные показали.что в зоне газовой оболочки существует скачок потенциала до. 93-97% от приложенного напряжения [53.Данные о микрозондировании непосредственно газовой оболочки в литературе не обнаружены.

Большое количество данных приведено по результатам экспериментов с расположенным над поверхностью электролита активным электродом [43,9], но поскольку условия горения разряда, его энергетические характеристики значительно отличаются от параметров с погруженными в раствор электродами, полученная информации . не может быть непосредственно применена для изучения процесса.

Как отмечено, образовавшаяся газо- плазменная оболочка имеет в ряде случаев нестабильный характер, выражающийся в пульсациях тока, напряжения и визуально наблюдаемая как наличие светящихся точек в оболочке- Длительность единичного импульса составляет 3,3. ..5,3*10"4с [31]. Частота разрядов, приводимая различными авторами, колеблется от 30..70 разрядов в секунду [50,51] до 103..104 Гц т

0 [37]. Граничные условия появления и исчезновения разряда, а. также зависимость от параметров процесса не приводятся. Более того, как правило, сравнение результатов разных авторов проводится без анализа реальных условий протекания процесса. В частности, не приводятся ВАХ, температура электродов, что не позволяет определить в какой области реализуется данное исследование.

Для процессов электролитно- плазменной обработки важно знать температуру нагрева активного электрода. Она зависит от напряжения на ячейке [53], глубины погружен^ Г54], полярности электрода, его радиуса и других параметров [58,59]. Однако расчеты температуры по . задаваемым параметрам То отсутствуют.В работе [55] предлагается при решении задач о распределении температур в электроде брать То из экспериментов. Решается задача о тешюпроводимости в теле с разными граничными условиями: ' Т (И) = То или задается расчетное распределение тепловых потоков по высоте электрода [56].Величину теплового штока,измеряемого калориметрическим методом, предлагае-

тся рассчитывать по начальной стадии нагрева электрода [57].В этой стадии разность температур поверхности и центра электрода зависит от приложенного напряжения и геометрии электрода. Для расчета энергонапряженности процесса предлагается рассчитывать удельную энергию, вложенную в оболочку (газовый разряд) по формуле:

гч»

2тйЗгШ

а =- (2),

где и - напряжение на ячейке; И - радиус анода; 11 - глубина погружения; % - удельное сопротивление оболочки (1 - толщина оболочки

Однако очевидно, что эта же энергия расходуется и на нагрев электролита. Кроме того, в формулу введены толщина и удельное сопротивление оболочки, которые неизвестны. Их надо определять из независимых измерений.

Изучение спектра при электролитно- плазменном разряд