автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование стабилизированной и сжатой электрической дуги для сварки и резки металлов

Введение.

1. Обзор литературы

1.1 Плазменная резка металлов.

1.2 Электродуговая сварка металлов.

1.3 Параметры электрической дуги.

1.4 Математическое описание процессов электрической дуги.

1.5 Структура электрической дуги.

1.6 Методы исследования плазмы электрической дуги.

1 Электрическая дуга как физическое явление известна уже около двухсот лет и нашла широкое применение во многих технологических процессах используемых в различных отраслях промышленности от машиностроения до медицины. Столь широкое применение электрического разряда обусловлено разнообразием физических явлений протекающих в электрических дугах, которые могут быть использованы при реализации разнообразных технологических процессов. Наиболее часто электродуговой разряд используется в технологических процессах связанных с обработкой металлов.

Использование электродугового разряда в технологических процессах металлообработки связано с широкими возможностями и высокой эффективностью сжатых и стабилизированных электрических дуг. При таком применении основными свойствами электрической дуги, играющими решающую роль в технологическом процессе, являются интенсивное тепловое и динамическое воздействие на металл. Эти особенности дуги позволяют проводить обработку металлов с максимальной скоростью, качеством и эффективностью при относительно небольших затратах. Обеспечение высокой эффективности электродуговой обработки металлов требует разработки новых технологических систем и устройств, для чего необходимо проводить всесторонние исследования плазмы электрической дуги, позволяющие максимально учесть все многообразие физических процессов протекающих в электродуговом разряде и установить связь между параметрами электродугового разряда и параметрами технологической системы.

Актуальность проблемы. Широкое применение плазмы электрической дуги в технологиях металлообработки и создание новых технологий различного назначения вызывает необходимость подробного изучения процессов протекающих в электрической дуге с учетом взаимодействия ее с электродами и технологическим объектом. Появление и интенсивное развитие автоматизированных электродуговых систем, а также развитие технологий экологического назначения делает перспективными попытки получения параметров электрической дуги теоретическим и экспериментальным путем.

Электрические дуги обладают сложной структурой, в соответствии с которой, в них могут быть выделены зоны, по характеру преобладающих процессов, при этом установление связи между этими зонами остается достаточно сложной и неопределенной задачей. Изучение приэлектродных областей и столба электрической дуги, и установление связи между ними, позволяет получить основные характеристики электродугового разряда как инструмента электротехнологии и элемента электротехнологической системы, что дает возможность для создания новых технологических устройств и оптимизации уже существующих. Кроме того, такое рассмотрение позволяет получить информацию об условиях взаимодействия электрической дуги с элементами электротехнологической системы (катод, источник питания) и обрабатываемым изделием (анодом в случае дуги прямого действия).

При изучении приэлектродных областей необходимо учитывать отклонения плазмы от термодинамического равновесия, т.к. влияние электродов, их кристаллической структуры, теплового состояния и теплофизических свойств приводит к нарушению равновесия, что может существенно сказываться на па

6 ' раметрах столба электрической дуги, при рассмотрении которого также следует учитывать нарушение термодинамического равновесия. К настоящему времени вопросы отклонения плазмы электродугового разряда атмосферного давления от термодинамического равновесия относительно плохо изучены, что делает актуальным выявление факторов приводящих к нарушению равновесия, определение состава и параметров плазмы в неравновесных условиях.

Существующие на сегодняшний день экспериментальные методы определения параметров электрической дуги отличаются сложностью, что ограничивает возможности их применения для создания новых и оптимизации существующих технических устройств и технологических процессов, и делает трудно реализуемым их использование для определения параметров дуги в динамическом режиме, для осуществления эффективного управления технологическим процессом. Вместе с этим экспериментальные исследования являются наиболее надежным способом проверки данных получаемых экспериментальным путем.

Все это определяет актуальность проведения исследований электрических дуг используемых в технологических процессах металлообработки.

Цель работы. Установление связи между характерными зонами электрической дуги, выявление существенных механизмов взаимодействия электрической дуги с элементами технологической системы и технологическим объектом и их количественное и качественное описание на теоретическом уровне, с последующей экспериментальной проверкой полученных данных. Определение внешних характеристик электрической дуги и ее технологических свойств теоретическим и экспериментальным путем. Достижение этих целей предоставит дополнительную информацию необходимую для расчета и оптимизации параметров таких систем.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. Создать лабораторную установку - стенд для проведения экспериментальных исследований стабилизированной и сжатой дуги. 1

2. Экспериментально определить параметры, определяющие условия и характер взаимодействия дуги с элементами установки такие как: пространственное распределение температуры дуги Т(г,г), давление плазмы на поверхности анода Р, скорость плазмы электрической дуги V, ВАХ дуги 11(1), мощ

• ность поглощаемую анодом Ра и катодом Рк.

3. Провести теоретическое исследование условий взаимодействия электрической дуги с электродами и определить основные параметры приэлектрод-ных процессов.

4. Определить пространственное распределение параметров столба электрической дуги в приближении термодинамического равновесия, такие как: температура -плазмы Т(г,г), составляющие скорости плазмы У2(т,г) и Уг(г,2), давление плазмы Р(г,г), составляющие плотности тока Т2(г,г) и 1г(г,т), составляющие объемной электромагнитной силы Р2(г,т) и Рг(г,г).

5. Определить пространственное распределение параметров плазмы с учетом отклонения состояния плазмы дуги от термодинамического равновесия в соответствии с двух температурным приближением.

6. Обобщить экспериментальные и теоретические результаты определения параметров дуги, выявив наиболее существенные для реализации технологического процесса.

Научная новизна. Проведено комплексное исследование параметров электрической дуги как инструмента электротехнологии с учетом отклонения плазмы дуги от термодинамического равновесия. Уточнена роль на количественном и качественном уровне конвективного теплообмена в анодном пятне при осуществлении таких процессов как сварка и резка металлов. Предложена модель процессов теплообмена в анодном пятне.

Практическая ценность. Новые данные, полученные в ходе экспериментальных и теоретических исследований стабилизированных и сжатых дуг, дополняют уже имеющуюся информацию о физических процессах протекающих в электродуговом разряде и условиях его взаимодействия с электродами, расширяют представления о физике прианодных явлений, способствует дальнейшему изучению электродуговых систем с точки зрения реализации новых и оптимизации уже существующих технологических процессов. Полученные результаты могут быть использованы и в настоящее время используются для расчета, разработки и оптимизации плазменных электротермических установок.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований электрической дуги для сварки и резки металлов в диапазоне токов 1=50-И 25 А;

2. Результаты теоретического исследования приэлектродных явлений;

3. Результаты расчета параметров столба электрической дуги в равновесных условиях и в условиях отклонения плазмы дуги от термодинамического равновесия;

4. Результаты расчета теплового состояния металла анода.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректным применением теоретических положений, использованных при проведении расчетов и сопоставлением результатов расчета с результатами экспериментального исследования.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 5-ой Европейской конференции по термическим плазменным процессам (ТРР-5), 6-ой Европейской конференции по термическим плазменным процессам (ТРР-6).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Полный объем диссертации 230 - страниц, основного текста - 170 страниц, рисунков-115, таблиц-6.

Заключение.

Проведены исследования стабилизированных и сжатых электрических дуг и получены следующие результаты:

1. На основе проведенного анализа литературных источников выявлено современное состояние проблем изучения электродугового разряда в газе, определены пути решения актуальных задач исследования электрической дуги, сформулированы задачи диссертации.

2. Создана лабораторная установка - стенд для экспериментальных исследований стабилизированной электрической дуги.

3. Экспериментально исследован теплообмен на поверхности анода, пространственное распределение температуры электрической дуги, скорость плазмы и давление плазмы в точке торможения на аноде, вольтамперные характеристики газового разряда.

4. Уточнена роль конвективного теплообмена электрической дуги с анодов в энергетическом балансе анодного пятна. Показано, что в диапазоне токов 50ч-100А основной формой привязки электрической дуги к поверхности анода является контрагированная форма. Переход контрагированной привязки к диффузионной происходит при токах дуги свыше 100А.

5. Разработана математическая модель прикатодных процессов с учетом теплового состояния металла катода. Проведены исследования прикатодных процессов электрической дуги атмосферного давления. Получены характеристики приэлектродной области. Показана необходимость корректного выбора коэффициентов характеризующих термоэмиссионные свойства материала катода. При совместном рассмотрении приэлектродных процессов и теплового состояния катода получено радиальное распределения параметров прикатодной области по поверхности катодного пятна.

6. Разаработана программа и проведены теоретические расчеты параметров столба электрической дуги. Анализ и обобщение результатов исследования позволили сделать вывод о приемлемости приближения термодинамического равновесия для расчета сильноточных дуг. В результате совместного рассмотрения процессов теплообмена в столбе дуги и металле анода рассчитана зависимость критерия Стантона от критерия Рейнольдса.

7. Рассчитан состав и переносные свойства плазмы электрической дуги с учетом отклонения от термического равновесия.

8. Разработана математическая модель и проведены расчеты столба электрической дуги и прианодной области с учетом нарушения термодинамического равновесия. В результате анализа и обобщения полученных данных рассчитаны ВАХ электрической дуги и радиальное распределение составляющих теплового потока в анод, что позволяет проводить анализ технологических процессов и элекментов оборудования используемого при резке и сварки металлов.

9. Предложен способ оценки режимов горения дуги, при которых скорость сварки максимальна, а давление на аноде минимально. Способ основан на анализе данных о тепловом состоянии анода, полученных в результате расчета теплового состояния металла анода нагреваемого движущейся электрической дугой.

Новые данные, полученные в ходе экспериментальных и теоретических исследований стабилизированных и сжатых дуг, дополняют уже имеющуюся информацию о физических процессах протекающих в электродуговом разряде и условиях его взаимодействия с электродами, расширяют представления о физике прианодных явлений, способствует дальнейшему изучению электродуговых систем с точки зрения реализации новых и оптимизации уже существующих технологических процессов. Полученные результаты могут быть использованы и в настоящее время используются для расчета, разработки и оптимизации плазменных электротермических установок, с целью увеличения надежности, эффективности и снижения затрат на их эксплуатацию.

В заключении автор выражает особую признательность научному руководителю профессору Дресвину Сергею Вячеславовичу и сотрудникам кафедры Электротехники и Электротехнологии профессору Яковлеву В. И., доценту Смородинову В.В., доценту Фролову В.Я. и доценту Нгуену Куок Ши за активное обсуждение полученных результатов и полезные рекомендации по теме диссертации.

1. Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. Изд. Машиностроение

2. Ленинградское отд-ие. 1987.

3. Быховский Д.Г. Плазменная резка. Режущая дуга и энергетическоеоборудование.

4. Башенко В.В., Соснин Н.А. Электросварочное оборудование плазменная i электронно-лучевая обработка. Ленинград 1989.

5. Коротеев А.С. Генераторы низкотемпературной плазмы. Изд. «Наука> Москва 1969.

6. Шоек П.А. Исследование баланса энергии на аноде сильноточных дуг, горящих в атмосфере аргона. //Современные проблемы теплообмена. Изд. Энергия. 1966.

7. Pfender Е. Thermal plasma-wall boundary layers.// Proc. Of Int. Symp. On Heat and Mass Trans. Under Plasma Conditions

8. M.Cao, M.I.Boulos, P.Proulx. Mathematical modeling of high-power transferred arcs.//J. App. Phys.-1994.-V76.-p.7757-7767

9. Генерация потоков электродуговой плазмы. Под ред. Накорякова B.E. Новосибирск. 1987.

10. Теория термической электродуговой плазмы. Под ред. Жукова М.Ф. Новосибирск: Наука Сиб. Отд-ие. 1987.

11. Лелевкин В.М., Оторбаев Д.К. Экспериментальные методы и теоретические модели в физике неравновесной плазмы. Фрунзе: Илим. 1988.

12. Физическая газодинамика ионизированных и химически реагирующих газов. Отв. ред. A.C. Предводителев М: Наука 1968,

13. Физическая газодинамика и теплообмен. Отв. ред. A.C. Предводителев М: Наука 1968.i

14. Физическая газодинамика плазмы. Сб. трудов. Вып. 42. Москва 1975.

15. Физика и техника низкотемпературной плазмы. Под ред. Дресвина C.jÖ. М: Энергоатомиздат. 1972.

16. Гордеев В.Ф., Пустогаров A.B. Термоэмиссионные дуговые катоды. М: Энергоатомиздат. 1988.

17. Невский А.П., Шараховский Л.И., Ясько О.И. Взаимодействие дуги с электродами плазмотрона. Минск: Наука и Техника. 1982.

18. Физические основы термоэмиссионного преобразования энергии. / Под ред. И.П. Саханова.-М: Атомиздат.-1973.-374с.

19. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М. Наука, 1987.

20. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов. Изд-во «Наукова думка», 1981.

21. Жуков М.Ф., Аньшаков A.C., Дандарон Г.-Н.Б. //Приэлектроддые процессы и эрозия электродов. -Новосибирск: ИТ CQAH СССР, 1977.-С.61-84.

22. Зимин А.Н., Козлов Н.П., Поляков И.А., Хвесюк В.И. Динамика эрозии активированного катода. //Физика и химия обработки материалов.-1980.-№4.-С. 16-21.

23. Zhou X., Heberlein J., Pfender E. Model prediction of arc cathode erosion rate dependence on plasma gas and on cathode material. // Proc. Of the 39th Holm Conference on Electric Contacts, 1993.

24. Zhou X., Heberlein J., Pfender E. Theoretical study of factors influensing arctherosion of cathode. // Proc. Of the 38 Holm Conference on Electric Contacts, 1992.J

25. Бакшт Ф.Г., Рыбаков А.Б. Теория сильноточного полого катода. Препр./ ЛФТИ; №789. - Л.,1982. - 60 с.

26. Мичнер М., Кругер Ч. Частично ионизованные газы. М.:Мир, 1976.

27. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Изд. «Наука» Сиб. Отд-ие. Новосибирск: 1987.

28. Веселовский А.П., Фролов В .Я., Донской А.В. Электродугоконтактная резка металлов. С.-Пб. Энергоатомиздат. -1993.

29. Велихов Е.П., Ковалев А.С., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме. М: Наука, 1987. - 160 с.30. --Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. -М: Атомиздат, 1966. -200с.

30. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа. М: Наука. -1978. 416 с.

31. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. -М: Наука,-1974.-544 с.

32. Веденов A.A. Термодинамика плазмы. //Вопросы теории плазмы. -М:Госатомиздат, 1963 .-Вып. 1 .-с. 182-272

33. Русанов В.Д., Фридман A.A. Физика химически активной плазмы. -М:' Наука, 1984.-415 с.

34. Низкотемпературная плазма. ВО «Наука»: Новосибирск. Т. 11. 1993.

35. Жданов В.М., Алиевский М.Я. Процессы переноса и релаксации вjмолекулярных газах. -М: Наука, 1989-336 с.

36. Бакшт Ф.Г., Юрьев В.Г. Приэлектродные явления в низкотемпературной плазмы. //ЖТФ.-1979.-Т.49, №5.-С.905-944.

37. Mackeown S.S. The cathode drop in an electric arc. //Phys. Rev.-1929.-V.34, №3.-p.611-614.

38. Бакшт Ф.Г., Рыбаков А.Б. Приэлектродный слой в низкотемпературной плазме. //ЖТФ,- 1986.-Т.54, №2,- С.297-306.

39. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах. /Жуков М.Ф., Козлов Н.П., Пустогаров A.B. и др. Новосибирск: Наука Сиб. Отд-ие. 1982.

40. Меккер Г., Финкельбург В. Электрические дуги и термическая плазма. -Изд-во иностр. лит., 1961.-370 с.

41. Benilov M.S., Marotta A. Á model of the cathode region of atmospheric pressure arcs. //J. Phys. D: Appl. Phys.-1995.-V.28.-p. 1869-1882.

42. Benilov M.S.//Phys.Rev. E48.-1993.-p.506-515.

43. Benilov M.S.//IEEE Trans. Plasma Sci.-1994.-V.22.-p.73-77.

44. Бруевич Ю.В., Назаренко И.П., Паневин И.Г. Физико-математическая модель прикатодного слоя аргоновой дуги высокого давления.

45. Прикладные исследования по динамике высокотемпературного газа. /М.: МАИ, 1990.

46. Hsu К.С. Pfender Е. Analysis of the cathode region of a free-burning high intensity argon arc. //J.Appl.Phys.-1983.-V.54, №7.-p.3818-3824.

47. Haidar J. Local thermodynamic equilibrium in the cathode region of a free burning arc in argon. //J. Phys. D: Appl. Phys.-1995.-V.28.-p.2494-2504.J

48. Голант B.E., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. -М.:-Атомиздат, 1974.-384 с.

49. Чекмарев С.П. Ионный кнудсеновский слой около слабоотрицательного абсорбирующего электрода и условие Бома. // ЖТФ.-1984.-Т.54, №3,-С.434-445.

50. Низкотемпературная плазма. ВО «Наука»: Новосибирск. Т. 10. 1993.

51. Haidar J. Non-equilibrium modeling of transferred arcs. //J. Phys. D: Appl. Phys.-l 999.-V.32.-p.263-272.

52. Hsu K.C., Etemadi K., Pfender E. Study of the free-burning high-intensity arc. //J. App. Phys.-1983.-V.54,№3.-p. 1293-1301

53. Haidar J., Farmer A.J.D. Large effect of cathode shape on plasma temperature in high-current free-burning arcs //J.Phys. D: Appl. Phys.- 1994.-V.27.-p.555-560.

54. Козлов Г.И., Кузнецов B.A., Масюков В.А. Лучистые потери аргоновой плазмы и излучательная модель непрерывных оптических разрядов. //ЖТФ.-1974.-Т.66, №3.

55. Гольдфарб В.М., Дресвин С.В. Оптические исследования распределения температуры и электронной концентрации в аргоновой плазме.//ТВТ.-1965.-Т.З.- №6.

56. P. Pavlovic, P. Stefanovic, V.Vujovic. Measurement of total heat flux distribution for normal impingement of air plasma jet on a flat plate Proc. Of Int. Symp. On Heat and Mass Trans. Under Plasma Conditions.

57. Devoto R.S. Transport coefficients of ionized argon.//The Phys. Of Fluids.-1973.-V5.-p,616-623.

58. Салангин А.А. Моделирование и исследование термически неравновесной аргоно-дуговой плазмы в электротермическом плазмотроне. Дис. на соискг— уч. степ. канд. тех. наук., науч. рук. Донской А.В. Псков, 1983.

59. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости (пер. с анг.). М: Энергоатоиздат. 1984.

60. Численные методы исследования течения вязкой жидкости. Госмен А.Д., Пан В.М., Ранчел А.К., Сполдинг Д.Б., Вольфштейн М М: Мир. 1972.

61. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. Изд.: Наука, 1967.

62. JI. Спитцер. Физика полностью ионизованного газа. (пер. с английского). М: «Мир» .1965.

63. Биберман JI.C., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. -М: Наука, 1982.

64. Haidar J. Departures from local thermodynamic equilibriumin high-current free burning arcs in argon. //J. Phys. D: Appl. Phys.-1997.-V.30.-p.2737-2743. "

65. Козлов Н.П., Хвесюк В.И. К теории катодных процессов электрических дуг. //ЖТФ.-1971.-Т.41, №10.-С.2135-2150.

66. Reinmann K.-U. /Я. Phys. D: Appl. Phys. 1991. -V.24. pp. 493-518.

67. Stangeby P.C. // Phys.Fluids. 1984. -V.27. pp. 682-690.

68. Петров В.Г. Приэлектродная область с учетом перезарядки. //ЖТФ.-1973.-Т.43,№5.-С. 1083-1086.

69. Mackeown S.S.//Phys.Rev. 1929.- V.34. pp. 611-614.

70. Masao Ushio, Ding Fan, Manabu Tanaka. A method of estimating the space; charge voltage drop for thermionic arc cathodes. //J. Phys. D: Appl. Phys.1994.-p.561-566.J

71. Lowke J.J., Morrow R. //J. Phys. D: App. Phys. 1993. - V.26. pp. 634-642.

72. Zhou X., Heberlein J. Arc cathode erosion studies.//Proc. Of Int. Symp. On Heat and Mass Trans. Under Plasma Conditions.

73. Ровинский P.E., Самойленко М.Ф. Диффузия тория и разрушение электродов из торированного вольфрама в сильноточном разряде в ксеноне. //Радиотехника и электроника.-1959.-Т.4,№6.-С. 1018-1026.

74. Потапов А.В. Химическое равновесие многотемпратурных систем. //ТВТ.-1966.-Т.4,№1.-С.55-58.

75. Д. Исмаилова и др. Расчет электропроводности, теплопроводности и излучательной способности аргоновой плазмы. //Исследование электрической дуги в аргоне. Отв. ред. Ж. Жеенбаев. Изд. «Илим» Фрунзе 1966.

76. Назаренко И.П., Паневин И.Г. Упрощенный метод расчета электропроводности, электронной теплопроводности и термодиффузии -аргона. //ТВТ,-1989.-Т.27, №3.-С.482-489.

77. Shkarofsky I.P. /Canad. J. Phys. 1963. - V.41. pp. 1963.

78. Ступоченко Е.В. и др. В сб.: «Физическая газодинамика». Отв. ред. А.С. Предводите л ев. Изд-во АН СССР Москва 1966.

79. S. Dresvin, J, Amouroux, Nguen Quoc Shi. Análisis of deviation from thermal and ionization equilibrium in an argon plasma flow.// High Temperature Material Processes.-V.l, №3, 1997.

80. Non equilibrium calculation of an RF plasma torch produced by the axial cold ■ channel. S. Dresvin, J. Amouroux, Nguen Quoc Shi, D. Morvan //Proc. Of-5~— Conference on Thermal Plasma Processes. 13-16 July, 1998 St. Petersburg (Russia).

81. Бакшт Ф.Г., Иванов В.Г., Рыбаков A.B., Юрьев В.Г. Л.:ФТИ, 1985.

82. Веселовский И.С. Коэффициент рекомбинации в плазме при тройном столкновении. //ЖТФ.-1969.-Т.39,№2.-С.271-277.

83. Действие излучения большой мощности на металлы. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходько Ю.В.Изд.: Наука, 1970.

84. Кархин В.А. Тепловые основы сварки. Ленинград 1990.

85. Рыкалин Н.Н. Тепловые основы сварки. М: изд АН СССР 1947.1. Акт внедрениярезультатов диссертационной работы Крылова A.B. на тему «Исследование стабилизированной и сжатой электрической дуги длясварки и резки металлов».

86. Ген. директор ЗАО НПФ «ИТС» д.т.н, проф.1. М.В. Карасев