автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Закономерности взаимодействия теплового потока сжатой электрической дуги с технологическим объектом

На правах рукописи

А

0034ВЬ го г

Васильев Евгений Олегович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА СЖАТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 ЛЕН 2009

Санкт-Петербург - 2009 г.

003486757

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего про фессионального образования «Санкт - Петербургский государственный политехнический университет» (ГОУ «СПбГПУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Фролов Владимир Яковлеви

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: ООО «ВНИИЭСО».

доктор технических наук, профессор Башенко Всеволод Владимирович;

кандидат технических наук, Бурьяненко Владимир Дмитриевич

Защита состоится 2009 г., в/^Г часов на заседании диссертационног

совета Д.212.229.20 в Государственном образовательном учреждении высшего про фессионального образования «Санкт — Петербургский государственный политехни ческий университет» по адресу: Санкт Петербург, ул. Политехническая 29, Гл. здание, аудитория Щ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ «СПбГПУ». Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, про сим направлять по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая 29 СПбГПУ, отдел аспирантуры и докторантуры.

Автореферат разослан " 16 " 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.229.20 к.т.н., доцент

Курмашев А.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Широкое использование сжатой электрической дуги в технологических процессах металлообработки обусловлено высокой концентрацией теплового потока. Эта особенность горения сжатой дуги позволяет производить обработку металлов с максимальной скоростью, качеством и эффективностью при относительно небольших затратах. Обеспечение высокой эффективности электродуговой обработки металлов требует всесторонних исследований плазмы электрической дуги, позволяющие максимально учесть все многообразие физических процессов, протекающих в электродуговом разряде, и установить взаимосвязь между характеристиками рассматриваемого разряда и параметрами технологического объекта.

При таком применении свойств электрической дуги определяющую роль играют принципы управления тепловым и силовым воздействием на металл, определяемые механизмами передачи энергии от сжатой дуги в анодное пятно обрабатываемого изделия.

Различным аспектам решения задач исследования плазмы сжатой электрической дуги и разработки генерирующих ее плазмотронов посвящены работы Б.Е. Патона, H.H. Рыкалина, К.В. Васильева, B.C. Клубникина, H.A. Соснина, В.Я. Фролова и др. В то же время значительный вклад в моделирование плазменных процессов внесли М.Ф. Жуков, C.B. Дресвин, О.П. Солоненко, Н.К. Ши, Д.В. Иванов и др. Однако, отсутствие в литературе детального анализа характеристик сжатой электрической дуги и способов управления тепловым потоком и скоростным напором плазмы затрудняет развитие отрасли при разработке технологических процессов, выборе плазмотронов и установлении режимов работы оборудования.

Сложность экспериментальных исследований плазмы сжатой электрической дуги связана с интенсивностью процессов тепло- и массообмена, высокой степенью концентрации энергии и значительными градиентами основных величин, в том числе и температуры, что существенно ограничивает применение существующих методов диагностики ввиду значительной погрешности при обработке экспериментальных результатов.

Учитывая вышесказанное, необходимо поэтапное изучение характеристик сж\ той электрической дуги. Это позволит адекватно отразить процессы в сжатых дуга и учесть взаимосвязь параметров в системе «плазмотрон-заготовка» в широком дт пазоне выполняемых технологических операций с определением искомых режимо работы оборудования.

Цель и задачи работы. Повышение качества работы плазмотронов прямог действия путем установления закономерностей воздействия теплового потока и ско ростного напора сжатой электрической дуги на технологический объект.

Поставленная цель может быть достигнута посредством решения следующи основных задач:

1. Разработка методики и алгоритма расчета системы «плазмотрон-заготовка» учетом взаимосвязи сжатой электрической дуги и технологического объекта.

2. Выявление закономерностей влияния параметров плазмотрона на характери стики сжатой электрической дуги.

3. Определение количественных характеристик механизмов передачи энергии анодное пятно.

4. Разработка методики проведения экспериментальных исследований сжато' электрической дуги, имеющей высокие градиенты температуры и скорости поток плазмы.

5. Определение режимов работы плазмотронов, использующих сжатую дугу, условиях сварки, резки и других способов обработки металлов по критериальной за висимости устойчивости расплавленного металла ванны с учетом скоростного напо ра потока плазмы.

Методологическая основа исследований. Методологической основой диссер тационной работы явились фундаментальные положения теорий газодинамики, термодинамики и теплофизики для твердых, жидких и газообразных сред, а также общие представления связи теории с практикой, вытекающие из анализа процессов и достоверности получаемых результатов. Теоретические исследования плазмы сжатой электрической дуги базировались на численном решении уравнения баланса энергии, уравнений движения, уравнения неразрывности и уравнения электромаг-

нитной задачи методом контрольного объема, а исследования тепловых процессов на численном решении нестационарного уравнения теплопроводности тем же методом.

Достоверность результатов и выводов в работе обеспечивается обоснованным применением теоретических положений и определена путем сопоставления результатов расчета с результатами комплексных экспериментальных исследований. Результаты исследований обоснованы теоретически и подтверждаются практической реализацией электротехнологии.

Научная новизна. К основным научным результатам, полученным впервые и защищаемых автором, относятся:

1. Методика и алгоритм расчета системы «плазмотрон-заготовка», учитывающие взаимосвязи между сжатой электрической дугой и технологическим объектом.

2. Методика экспериментального определения температуры плазмы сжатой электрической дуги, имеющей значительные градиенты по сечению столба дуги, одновременно со скоростным напором плазмы на технологический объект.

3. Количественные характеристики передачи энергии в анодное пятно обрабатываемого изделия, описанные семейством тепловых потоков и скоростным напором, отражающие пространственные распределения параметров сжатой электрической дуги в широком диапазоне изменения конструктивных, технологических и внешних параметров системы.

Практической значимостью работы является повышение качества работы плазмотронов за счет изменения характеристик сжатой электрической дуги в зависимости от параметров технологической системы. Полученные результаты используются для расчета и разработки плазмотронов прямого действия в учебных материалах кафедры.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика и алгоритм расчета системы «плазмотрон-заготовка», учитывающая взаимосвязи между формируемой плазмотроном сжатой электрической дугой и технологическим объектом и критериальную зависимость теплового состояния металла.

2. Результаты теоретических исследований параметров сжатой элсктричсско! дуги при различных режимах ее горения.

3. Методика определения количественных характеристик передачи энергии i анодное пятно обрабатываемого изделия с помощью семейства тепловых потоков i скоростного напора, отражающих пространственные распределения параметро сжатой электрической дуги в широком диапазоне изменения конструктивных, тех нологических и внешних параметров системы.

4. Температурные распределения в технологическом объекте, которые совмести с разработанным критерием позволяют судить о соответствии выбранного режиме горения сжатой дуги стандартам металлургических процессов и, в конечном счете установить режимы работы плазмотронов, генерирующих сжатую дугу, в зависимо сти от выполняемой технологической операции с целью повышения качества их ра боты.

5. Методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая одно временно установить параметры, входящие в критериальную зависимость (скорост ной напор набегающего потока плазмы на расплавленный металл ванны), и темпе ратуру столба сжатой электрической дуги.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсужда лись на научно-технических конференциях и семинарах: всероссийских межвузов ских научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Россия, Санкт Петербург - XXXIV неделя науки СПбГПУ, 2006; Россия, Санкт-Петербург XXXV неделя науки СПбГПУ, 2007; Россия, Санкт-Петербург - XXXVI неделя нау ки СПбГПУ, 2008); третьей научно-технической конференции с международны участием (Россия, Новосибирск, 2007); восьмой Международной конференции «Пленки и покрытия - 2007» (Россия, Санкт-Петербург, 2007); девятой Международной конференции «Пленки и покрытия - 2009» (Россия, Санкт-Петербург, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 39 наименований. Полный объем диссертации -150 страниц, в том числе рисунков - 72, таблиц - 30.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дается краткое состояние проблем изучения и исследований сжатой электрической дуги, сформулированы цели и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена состоянию проблем изучения и исследований сжатой электрической дуги. Критический анализ литературных источников за последние три десятилетия не выявил однозначной взаимосвязи характеристик сжатой электрической дуги с параметрами плазмотрона и способами ее формирования, имея при этом значительный разброс результатов исследований у различных авторов.

Также на фоне освещенности качественного уровня процессов, протекающих в прианодном слое электрической дуги, выявлено отсутствие количественных характеристик передачи энергии в анодное пятно обрабатываемого изделия.

Экспериментальные исследования плазмы сжатой электрической дуги являются важным и сложным объектом исследований и диагностики. Сложность проведения измерений параметров сжатой дуги в большей мере связана с интенсивностью процессов тепло- и массообмена и высокой степенью концентрации энергии. Процессы в сжатой электрической дуге характеризуются значительными градиентами основных величин, в том числе и температуры, что существенно ограничивает применение существующих методов экспериментальных исследований ввиду значительной погрешности при обработке экспериментальных результатов.

Существующие сведения о тепловых и силовых характеристиках сжатой электрической дуги, являющиеся основным инструментом воздействия на обрабатываемое изделие, не позволяют в полной мере использовать их при решении теоретических и технологических задач сварочного и других производств, так как взаимосвязь параметров дуги с тепловым потоком и скоростным напором устанавливает закономерности нагрева и формирования сварочной ванны или реза заготовки.

Таким образом, на основании критического анализа состояния исследований в области электротехнологий, использующих в качестве инструмента сжатую дугу, определен ряд задач, позволяющих повысить качество работы плазмотронов прямого действия со сжатой электрической дугой.

Во второй главе разработана методика расчета системы «плазмотрон-заготовка», блок-схема которой представлена на рис. 1, учитывающая взаимосвязи между формируемой плазмотроном сжатой электрической дугой и технологическим объектом и критериальную зависимость теплового состояния металла анода и ее алгоритм.

Данная методика включает в себя модель сжатой электрической дуги, построенную с использованием основных уравнений баланса и электромагнитной задачи (1). Система линейных алгебраических уравнений (1) решалась одним из известных численных методов - методом контрольного объема - с использованием пакета МаЛСас!. В результате математического моделирования

Внешние, геометрические и технологические параметры Оп.Оф,С2, 1, с!с, С. и др. в зависимости от технологической операции

Расчет характеристик сжатой дуги г, /,4..; с использованием уравнении баланса

Рассек тепяоеого потока и скоростного напора сиыпоО электрической дуги

Нагрев заготовки е услоеиях различных технологических процессов

Анатя критерия устойчивости расълзеяенхого

получены пространственные распределения температу-

Рис. 1. Блок-схема расчета ры (рис. 2), скорости, давления скоростного напора на- системы «плазмотрон-

заготовка»

бегающего потока плазмы на анод и другие параметры

плазмы электрического разряда для различных режимов его горения, которые по зволяют установить взаимосвязь между характеристиками сжатой дуги и параметрами технологической системы.

рС, (К, £ + К - - иг.„ + 9 + 1|_(А- УБЭ

аг аг аг аг г аг аг

<НУ(Р У У2) = ) + ц0

дг

<Ну(р УУг) = -^~ + сНу(цёгас! V,) + ц0 дг

^-(рУг) +—(грУг) = 0-УН дг г аг

ух Я

jxH

+ РЯг + К:

-УД

дг

±дж

аг д г

+ -

дг

аг дг

- О - УЭ/мЗ

Разработана методика определения количественных характеристик передачи энергии в анодное пятно обрабатываемого изделия с помощью тепловых потоков (рис. 3, рис. 4) и скоростного напора плазмы сжатой электрической дуги, отражающих пространственные распределения параметров сжатой

электрической дуги в широком Рис 2 расчетпое распределение температуры (тыс. К)

сжатой дуги (/=100 А; (/лл=3 л/мин; (/с=4.2 мм; /„ ,=15 мм,

диапазоне изменения входных параметров.

р, кВт/см

плазмообразующий газ - аргон)

д, кВт/см'

С=4 л/мин

■ G-3 п/мин

1-70 А Ч ,

G=2 Л'мии '

Рис. 3. Расчетные распределения плотности тепловых потоков в приаподной области (Спп=3 л/мин; </с=4.2 мм; £л=15 мм)

Рис. 4. Расчетные распределения плотности тепловых потоков в прианодной области (/=100 А; </с=4.2 мм; ¿„=15 мм)

В условиях контрагированной привязки электродугового разряда к аноду связь между электрической дугой и обрабатываемым изделием может быть осуществлена тепловым потоком. Вид приведенных графиков (рис. 3, рис. 4) позволяет установить их отличие от кривой, соответствующей распределению Гаусса. Данное обстоятельство может быть пояснено при разбиении теплового потока на составляющие. В суммарный тепловой поток основной вклад вносят электронная, конвективная и те-плопроводностная составляющие. Наиболее значимую роль в передаче энергии в

анодное пятно вносит электронная составляющая, определяемая следующим обра

..5 кТ е(р 1Т. зом: <?С=Х-—+~+ия). 2 е е

Как видно из ее определения, ее рост в большей мере связан с увеличение полного тока дуги, что отражено в таблице 1.

Таблица 1. Составляющие теплового потока сжатой дуги (С,ы=3 л/мни; </с=4.2 мм; Ьц=15 мм)

/>е, Вт ^-100, % Р Р„ Вт •^100, % Р

/=70 А 588 64.3 200 21.9

/=100 А 923 67.1 334 24.3

/=150 А 1422 69.1 531 25.8

Варьирование электронной составляющей теплового потока позволяет произво дить «грубое» управление проплавляющей способностью сжатой электрической дуги.

Однако изменение плотности и концентрации теплового потока может быт также осуществлено варьированием его конвективной составляющей (табл. 2), определяемой как: <?„ = рУ2Н .

Таблица 2. Составляющие теплового потока сжатой дуги (/=100 А; </с=4.2 мм; ¿()=/5.«.»)

Рс, Вт -2-100, % Р Р,'„ Вт -^100, % Р

011Л=2 я/мин 916 72.5 258 20.4

Оил=3 л/мин 923 67.1 334 24.3

Ош,=4 л/мин 928 64.6 418 28.3

Конвективная составляющая теплового потока в большей степени определяется аксиальной скоростью потока плазмы. Скорость же, наравне с механизмом магнито-газостатического ускорения, определяемого током, может быть изменена механизмом газостатического ускорения, определяемого расходом плазмообразующего газа при соответствующих размерах катодной камеры. Причем варьирование расхода не приводит к значительному изменению электронной составляющей.

Варьирование конвективной составляющей теплового потока позволяет производить «мягкое» управление проплавляющей способностью сжатой электрической дуги.

Температурные распределения в обрабатываемом изделии определялись решением нестационарного уравнения теплопроводности, где тепловой поток использован в качестве одного из граничных условий.

Далее представлены расчетные распределения температур в металле анода при варьировании тока дуги (рис. 5 - рис. 7) и расхода плазмообразующего газа (рис. 6, рис. 8, рис. 9).

Рис. 5. Расчетное распределение температуры ( С) в металле анода (Х18Н9Т) под действием сжатой дуги (/=70 А; Сп.,=3 л/мин; (/с=4.2 мм; £л= 15 мм)

О ТоГ 20Г 30

Рис. 6. Расчетное распределение температуры (°С) в металле анода (Х18Н9Т) под действием сжатой дуги (/=100 А; С„л=3 л/мин; </с=4.2 мм; /.,= 15 мм)

6. ми

0 Ш Ш Ш

Рис. 7. Расчетное распределение температуры (°С) в металле анода (Х18Н9Т) под действием сжатой дуги (/=150 А; ¿»„ ,=3 л/мин; (/с=4.2 мм; ¿л= 15 мм)

О 101 2оГ 30

Рис. 8. Расчетное распределение температуры (°С) в металле анода (Х18Н9Т) под действием сжатой дуги (/=100 А; С„л=2 л/мин; </с=4.2 мм; /-л=15 мм)

о ~ tof 231 зо1

Рис. 9. Расчетное распределение температуры (°С) в металле анода (Х18Н9Т) под действием сжатой дуги (/=100 А; <7ПЛ=4 л/мин; dc=4.2 мм; ¿,= 15 мм)

Здесь оценено влияние электронной (рис. 5 - рис. 7) и конвективной (рис. 6, рис. 8, рис. 9) составляющих на размеры и форму ванны расплавленного металла.

Однако получив необходимое температурное поле в металле анода следует принимать во внимание давление сжатой дуги на расплавленный металл ванны, определяемое скоростным напором набегающего потока плазмы.

Скоростной напор непосредственным образом входит в критериальную зависи-

мость устойчивости расплавленного металла ванны: phKg^+(p„„).

На основании температурных полей в металле анода определены области режимов, обеспечивающих заданную глубину проплавления (рис. 10).

р - область режимов, обеспечивающих заданную глубину проплавления

Va, м/ч

60"

Непровар

Проливание

'5. мм

Резка Сварка

Рис. 10. Область режимов, обеспечивающая заданную глубину проплавления стали Х18Н9Т

(/=100 А; </с=4.2 мм; ¿л=15 мм) Однако, даже находясь в искомой области, R,o.e. следует учитывать скоростной напор набегающего потока плазмы.

Так с увеличением толщины свариваемых встык заготовок методом плазменной сварки с проникающей дугой необходимо уменьшать давление скоростного напора набегающего потока плазмы, ибо нарушение критерия устойчивости

Рис. 11. Граница перехода

приведет к проливанию расплавленного металла. r г 1 режимов «резка»-«сварка»

стали Х18Н9Т (/=100 А;

dc=4.2 мм; £ ,=15 мм)

и 5. мм

Уменьшение последнего может быть осуществлено снижением конвективной составляющей теплового потока по отношению к общему (рис. 11).

В третьей главе разработана методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая одновременно установить параметры, входящие в критериальную зависимость (давление набегающего потока плазмы на расплавленный металл ванны) и температуру столба сжатой электрической дуги.

Рис. 12. Принципиальная схема экспериментальной установки

1 - источник сварочного тока (ВДУ-306); 2 - стенд с контрольно-измерительной аппаратурой; 3 -система охлаждения; 4 - система газоснабжения; 5 - устройство для проведения спектрального анализа плазмы электрической дуги и (или) фотоаппарат; 6 - устройство для определения скоростного напора дуги в анодном пятне; 7 - плазменная горелка; 8 - водоохлаждаемый анод; 9 - микрометрический винт; 10 - оптическая линза (объектив); 11 - сжатая электрическая дуга; 12 - экран; 13 - отверстия для размещения оптоволоконного кабеля; 14 - оптоволоконный кабель.

В соответствии с разработанной методикой проведения экспериментальных исследований повышена точность определения температуры столба дуги, определяемая значительными градиентами температурного поля в радиальном направлении (до 10 тысяч К на миллиметр) и относительно малыми размерами самой дуги (~5 мм), путем проецирования увеличенного в 36 раз изображения электродугового разряда на экран.

Таким образом, измерено пространственное распределение температуры сжатой электрической дуги, давление набегающего потока плазмы в области торможения на поверхности анода, а также мощность, поглощаемая анодом обрабатываемо-

13

го изделия. По измеренным значениям скоростного напора и температуры плазмы в прианодном слое найдено радиальное распределение аксиальной составляющей скорости плазмы в данной области.

Расхождение экспериментальных и расчетных результатов не превышает 12%, что позволяет судить о корректности постановки эксперимента, методики проведения экспериментальных исследований, а также об адекватности принятых расчетных методик, реализованных с использованием математических моделей, и, в целом, о достоверности результатов исследований характеристик сжатой электрической дуги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика расчета системы «плазмотрон-заготовка», учитывающая взаимосвязи между формируемой плазмотроном сжатой электрической дугой и технологическим объектом и критериальную зависимость теплового состояния металла.

2. В результате математического моделирования получены пространственные распределения температуры столба сжатой дуги, аксиальной и радиальной составляющих скорости плазмы, давления набегающего плазменного потока на анод и другие параметры плазмы электрического разряда, которые позволяют установить взаимосвязь между характеристиками сжатой дуги в широких диапазонах варьирования тока (70-150) А, расхода плазмообразующего газа (2-10) л/мин, диаметра сопла плазмообразующего газа (3.1-5) мм, длины дуги (9-15) мм и параметрами технологической системы, что позволило исследовать режимы горения дуги, имеющие место при сварке и резке металлов.

3. Разработана методика определения количественных характеристик передачи энергии в анодное пятно обрабатываемого изделия с помощью семейства тепловых потоков и скоростного напора, адекватно отражающих пространственные распределения параметров сжатой электрической дуги в широком диапазоне изменения конструктивных, технологических и внешних параметров системы.

4. На основании разработанной методики передачи энергии в анодное пятно получены температурные распределения в технологическом объекте, которые совместно с предложенным критерием устойчивости расплавленного

металла ванны позволяют установить искомые режимы работы плазмотронов, генерирующих сжатую электрическую дугу, в соответствии со стандартами металлургических процессов, для реализации технологической операции для конкретного изделия.

5. Разработанная методика проведения экспериментальных исследований позволяет одновременно установить параметры, входящие в критериальную зависимость (давление набегающего потока плазмы на расплавленный металл ванны), и температуру столба сжатой электрической дуги.

6. Повышена точность измерения температуры столба дуги, определяемая значительными градиентами температурного поля в радиальном направлении (до 10 тысяч К на миллиметр) и относительно малыми размерами самой дуги (~5 мм), путем проецирования увеличенного в 36 раз изображения электродугового разряда на экран, причем расхождение экспериментальных и расчетных результатов не превышает 12%.

7. Установлено, что в диапазоне изменений скоростного напора сжатой электрической дуги (30-600) Па и температуры плазмы (8000-12000) К в прианодном слое, радиальное распределение аксиальной скорости плазмы в той же области достигает своих максимальных значений на оси (60-230) м/с и по мере удаления от оси ниспадает до 0.

8. Повышено качество работы плазмотронов прямого действия путем установления закономерностей воздействия теплового потока и скоростного напора сжатой электрической дуги на технологический объект.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК России

1. Васильев, Е. О. Повышение эффективности работы установки для плазменной сварки металлов / В. Я. Фролов, Е. О. Васильев, И. Coco // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - № 2(78). - С. 119-125.

Публикации в других изданиях

2. Васильев, Е. О. Моделирование параметров электрической дуги в условиях плазменной сварки металлов / В. Я. Фролов, Д. В. Иванов, М. В. Дубов, Е. О. Васильев // Электротехника, электромеханика и электротехнология / ЭЭЭ-2007: материалы третьей научно-технической конференции с международным участием. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. - 2007. - С. 199-204.

3. Васильев, Е. О. Оценка влияния испарения металла анода на параметры электрической дуги при плазменной сварке металлов / Е. О. Васильев, В. Я. Фролов // Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «XXXVI Неделя науки СПбГПУ». - СПб: Изд-во СПбГПУ. -2007.-С. 63.

4. Васильев, Е. О. Исследование параметров сжатой электрической дуги / В. Я. Фролов, Д. В. Иванов, С. Ю. Грачев, Е. О. Васильев, И. Coco // Пленки и Покрытия-2009: труды 9-й Международной конференции. - СПб: Изд-во СПбГПУ. - 2009. - С. 288-297.

В работах, выполненных в соавторстве, вклад автора заключался в постановке проблемы, разработке методов и их решения, а также построении математических моделей (статьи 1, 2, 4), в разработке методики экспериментальных исследований (статьи 1, 4). В статьях 1, 2 вклад автора в объем изданий составляет 30% и 50% соответственно, в статьях 3,4 вклад между авторами распределен равномерно.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 11.11.2009. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 5148b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение

1. Анализ процессов и состояние исследований в области технологий использующих сжатую электрическую дугу

1.1. Создание и развитие способа плазменной сварки и резки металлов

1.2. Классификация и характеристика основных способов плазменной сварки

1.3. Параметры электрической дуги

1.4. Методы исследования плазмы электрической дуги и их критический анализ

Актуальность работы. Наряду со стабилизированной электрической дугой, известной как физическое явление уже более двухсот лет и нашедшей широкое применение в различных отраслях промышленности от машиностроения до медицины, сжатая дуга успешно используется во многих технологических процессах, таких как сварка и резка металлов, наплавка и модификация поверхностей. Столь широкое применение сжатой электрической дуги обусловлено разнообразием физических явлений протекающих в ней, которые могут быть использованы при реализации вышеописанных технологических процессов, связанных с обработкой металлов.

Использование сжатия плазмы электродугового разряда в технологических процессах металлообработки связано с широкими возможностями и высокой эффективностью сжатых электрических дуг. При таком применении основными свойствами электрической дуги, играющими решающую роль, являются интенсивное тепловое и динамическое воздействие на металл. Эти особенности-дуги позволяют производить 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 наиболее близкую к реальности связь между характеристиками рассматриваемого разряда и параметрами технологической системы.

Различным аспектам решения задач исследования плазмы сжатой электрической дуги и разработки' генерирующих ее плазмотронов посвящены работы. Б.Е. Патона, H.H. Рыкалина, К.В. Васильева, B.C. Клубникина, H.A. Соснина, В:Я; Фролова и др. В то же время значительный вклад в моделирование плазменных процессов внесли М.Ф. Жуков, С.В. Дресвин, О.П. Солоненко, Н.К. Ши, Д.В. Иванов и др. Однако нельзя не отметить недостаточную изученность характеристик сжатой электрической дуги, что отражено при проведении критического анализа литературных источников, посвященных способам формирования и методам исследования плазмы сжатых электрических дуг.

Известно, что параметры сжатой электрической дуги зависят от целого ряда факторов - геометрических, технологических и внешних параметров оборудования. Но, в то же время, критический анализ выявил неоднозначную взаимосвязь характеристик сжатой электрической дуги с параметрами плазмотрона и способами ее формирования. Вместе с тем нельзя не отметить значительный разброс результатов исследований у различных авторов.

Также следует коснуться механизмов передачи энергии от сжатой дуги в анодное пятно обрабатываемого изделия. Достаточно хорошо отражен физический смысл процессов, протекающих в этой области. Однако он представлен на качественном уровне и выражается с помощью критериальных зависимостей. Выявлено отсутствие четких рекомендаций к количественному переходу от плазмы электрической- дуги к семейству тепловых потоков, передающих энергию обрабатываемому изделию.

Переходя к экспериментальным исследованиям, следует отметить, что плазма сжатой электрической дуги является достаточно сложным объектом исследований и диагностики. Сложность проведения измерений параметров сжатой дуги в большей мере связана с интенсивностью процессов тепло - и массообмена и высокой степенью концентрации энергии. Свой вклад вносит и то, что процессы в сжатой электрической дуге характеризуются значительными градиентами основных величин, в том числе и температуры, что существенно ограничивает применение существующих методов экспериментальных исследований ввиду значительной погрешности при обработке экспериментальных результатов; а также сложности самой обработки.

К настоящему времени при разработке оборудования параметры сжатой дуги определялись путем проведения многочисленных экспериментов для данной конкретной технологической операции, причем исследования ограничивались технологическим результатом. Одним из основных определяемых параметров являлась температура плазмы электрической дуги. Однако интегральная температура не дает полной картины процессов, имеющих место в электродуговом разряде.

Учитывая вышесказанное, безусловно, нет обобщенной методики расчета параметров сжатой электрической дуги, а также экспериментальных исследований, позволяющих адекватно отразить процессы в сжатых дугах, учитывающих взаимосвязь параметров в системе «дуга-заготовка».

Изложенное выше подтверждает необходимость комплексного подхода к решению задачи по исследованию плазмотронов прямого действия со сжатой электрической дугой.

Целью работы является решение задачи, заключающейся в повышении качества работы плазмотронов прямого действия путем установления закономерностей взаимодействия теплового потока и скоростного напора сжатой электрической дуги с технологическим объектом. Поставленная цель может быть достигнута посредством решения основных задач, имеющих место в данной работе:

• Разработать, алгоритм и методику расчета системы «плазмотрон-заготовка» с учетом взаимосвязи сжатой электрической дуги и технологического объекта.

• Установить закономерности влияния параметров плазмотрона на характеристики сжатой электрической дуги.

• Определить количественные характеристики механизмов передачи энергии в анодное пятно.

• Разработать методику проведения экспериментальных исследований сжатой электрической дуги, имеющей высокие градиенты температуры и скорости потока плазмы.

• Установить режимы работы плазмотронов, использующих сжатую дугу, в условиях сварки, резки и других способов обработки металлов по критериальной зависимости устойчивости расплавленного металла ванны с учетом скоростного напора потока плазмы.

Научная новизна. К основным научным результатам, полученным впервые и защищаемых автором, относятся:

• Алгоритм и методика расчета системы «плазмотрон-заготовка», учитывающая взаимосвязь между сжатой электрической дугой и технологическим объектом.

• Методика экспериментального определения температуры плазмы сжатой электрической дуги, имеющей значительные градиенты по сечению столба дуги, одновременно со скоростным напором плазмы на технологический объект.

• Количественные характеристики передачи энергии в анодное пятно обрабатываемого изделия, описанные семейством тепловых потоков и • скоростного напора, отражающие пространственные распределения параметров сжатой электрической дуги в широком диапазоне изменения конструктивных, технологических и внешних параметров системы.

Практической ценностью диссертационной работы является повышение качества работы плазмотронов за счет изменения характеристик сжатой электрической дуги в зависимости от параметров технологической системы. Полученные результаты используются для расчета и разработки плазмотронов прямого действия в учебных материалах кафедры.

Методологическая основа исследований. Методологической основой диссертационной работы явились фундаментальные положения теорий газодинамики, термодинамики и теплофизики для твердых, жидких и газообразных сред, а также общие представления связи теории с практикой, вытекающие из анализа процессов и достоверности получаемых результатов. Теоретические исследования плазмы сжатой электрической дуги базировались на численном решении уравнения баланса энергии, уравнений движения, уравнения неразрывности и уравнения электромагнитной задачи методом контрольного объема, а исследования- тепловых процессов на численном решении уравнения теплопроводности тем же методом.

Достоверность результатов и выводов в работе обеспечивается обоснованным применением теоретических положений и определена путем сопоставления результатов расчета с результатами комплексных экспериментальных исследований.

Результаты исследований обоснованы теоретически и подтверждаются практической реализацией электротехнологии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Россия, Санкт-Петербург - XXXIV неделя науки СПбГПУ, 2006; Россия, Санкт-Петербург -XXXV неделя науки СПбГПУ, 2007; Россия, Санкт-Петербург - XXXVI неделя науки СПбГПУ, 2008); третьей научно-технической конференции с международным участием (Россия, Новосибирск, 2007); восьмой международной конференции «Пленки и покрытия - 2007» (Россия, Санкт-Петербург, 2007); девятой международной конференции «Пленки и покрытия - 2009» (Россия, Санкт-Петербург, 2009).

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 39 наименований. Полный объем диссертации -150 страниц, в том числе рисунков - 72, таблиц - 30.

Заключение

Проведены исследования сжатой электрической дуги и получены следующие результаты:

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

2. Разработана методика расчета системы «плазмотрон-заготовка», учитывающая взаимосвязи между формируемой плазмотроном сжатой электрической дугой и технологическим объектом и критериальную зависимость теплового состояния металла.

3. В результате математического моделирования получены пространственные' распределения температуры столба сжатой дуги, аксиальной и радиальной составляющих скорости плазмы, давления набегающего»плазменного потока на анод и другие параметры плазмы электрического разряда, которые позволяют установить взаимосвязь между характеристиками сжатой дуги в широких диапазонах варьирования тока (70-150) А, расхода плазмообразующего газа (2-10) л/мин, диаметра сопла плазмообразующего газа (3.1—5) мм, длины дуги (9-15) мм и параметрами технологической системы, что позволило исследовать режимы горения дуги, имеющие место при сварке и резке металлов.

4. Разработана методика определения количественных характеристик передачи энергии в, анодное пятно обрабатываемого изделия, с помощью семейства тепловых потоков ,и. скоростного напора^ адекватно отражающих пространственные распределения параметров, сжатой электрической дуги в широком диапазоне изменения конструктивных, технологических и внешних параметров системы.

5. На основании разработанной методики передачи энергии в анодное пятно получены температурные распределения в технологическом объекте, которые совместно с предложенным критерием —^ > + {р) устойчивости расплавленного металла ванны позволяют установить искомые режимы работы плазмотронов, генерирующих сжатую электрическую дугу, в соответствии со стандартами металлургических процессов, для реализации технологической операции для конкретного изделия.

6. Разработанная методика проведения экспериментальных исследований позволяет одновременно установить параметры, входящие в критериальную зависимость (давление набегающего потока плазмы на расплавленный металл ванны), и температуру столба сжатой электрической дуги.

7. Повышена точность измерения температуры столба дуги, определяемая значительными градиентами температурного поля в радиальном направлении (до 10 тысяч К на миллиметр) и относительно малыми размерами самой дуги (~5 мм), путем проецирования увеличенного в 36 раз изображения электродугового разряда на экран, причем расхождение экспериментальных и расчетных результатов не превышает 12%, что позволяет судить о корректности постановки эксперимента, методики проведения экспериментальных исследований, а также об адекватности принятых расчетных методик, реализованных с использованием математических моделей, и, в целом, о достоверности результатов исследований характеристик сжатой электрической дуги.

8. Установлено, что в диапазоне изменений динамического напора сжатой электрической дуги (30-600) Па*и температуры плазмы (8000-12000) К в прианодном слое, радиальное распределение аксиальной скорости плазмы в той же области достигает своих максимальных значений на оси (60-230) м/с и по мере удаления от оси ниспадает до 0. I

9. Повышено качество работы плазмотронов прямого действия путем установления закономерностей воздействия теплового потока и скоростного напора сжатой электрической дуги на технологический объект.

Новые данные, полученные в ходе экспериментальных и теоретических исследований сжатой электрической дуги, дополняют уже имеющуюся информацию о физических процессах, протекающих в электродуговом разряде, расширяют представления о физике прианодных явлений и способствуют 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 повышения их эффективности.

В заключении автор выражает особую признательность научному руководителю профессору Фролову Владимиру Яковлевичу и сотрудникам кафедры Электротехники и Электротехнологии профессору Дресвину C.B., профессору Гагарину А.П., доценту Иванову Д.В. и доценту Грачеву С.Ю. за активное обсуждение полученных результатов и полезные рекомендации по теме диссертации.

1. Gerdien Н., Lotz А. Wiss. veroft., Siemens Konzern, 1922, 2, S. 489-506.

2. Gage R.M. The plasma-arc torch: A new research tool. Electr. Manufact., 1960, 65, N 1, p. 144-146.

3. Рыкалин H.H., Кулагин И.Д., Николаев А.В. Тепловые характеристики взаимодействия плазменной струи с нагреваемым телом. Автомат, сварка, 1963, №6, с. 3-13.

4. Васильев К.В. Дуговая резка алюминиевых сплавов в струе аргоноводородной смеси. — Свароч. пр-во, 1958, № 4, с. 32-34.

5. Васильев К.В. Плазменно-дуговая резка. М.: Машиностроение, 1974. 111 с.

6. Петров А.В., Славин Г.А., Вербицкий В.Г. Исследование тепловой эффективности процесса сварки сжатой дугой тонколистового материала. -Свароч. пр-во, 1967, № 2, с. 6-8.

7. Дудко Д.А., Лакиза С.П. О новых возможностях сварки высокотемпературной дугой, сжатой газовым потоком. Автомат, сварка, 1960, № 11, с. 38-^-6.

8. Cooper С.Н., Palermo J., Browning J.A. Recent development in plasma welding. -Weld. J., 1965, 44, N 4, p. 268-276.

9. Быховский Д.Г. Плазменная резка. Режущая дуга и энергооборудование. Л.: Машиностроение, 1972. 167 с.

10. Малаховский В.А.Плазменная сварка. М.: Высш. шк., 1987. 80 с.

11. Генераторы низкотемпературной плазмы. Коротеев А.С., Костылев A.M., Коба В.В. и др. -М.: Наука, 1969. 128 с.

12. Шоек П.А. Исследование баланса энергии на аноде сильноточных дуг, горящих в атмосфере аргона. // Современные проблемы теплообмена. М.: Энергия, 1966. с. 110-139.

13. Е. Phender, 'Thermal plasma-wall boundary layers' in Heat and mass transfer under plasma conditions: proceedings of the 1st international symposium on heat and mass transfer under plasma conditions in £esme, Turkey (1994) 223-235.

14. Cao, M.; Proulx, P.; Boulos, M. I.; Mostaghimi, J. Mathematical modeling of highpower transferred arcs. // J. App. Phys. 1994. v. 76, p. 7757-7767.

15. Генерация потоков электродуговой плазмы. Под ред. Накорякова В.Е. Новосибирск: ИТФ, 1987. 14 с.

16. Теория термической электродуговой плазмы: в 2-х ч.. 4.1. Методы математического исследования плазмы / Жуков М.Ф., Урюков Б.А., Энгелынт B.C., Лелевкин В.М. и др. Акад. наук СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теплофизики. Новосибирск: Наука, 1987. — 287 с.

17. В. М. Лелевкин, Д. К. Оторбаев. Экспериментальные методы и теоретические модели в физике неравновесной плазмы / Отв. ред. Ж. Ж. Жеенбаев; АН КиргССР, Ин-т физики. Ф.: Илим, 1988. - 251 с.

18. Ю. А. Пластинин. В сб. «Физическая газодинамика ионизированных и химически реагирующих газов». М.: «Наука», 1968. 513 с.

19. Физическая газодинамика и теплообмен. Отв. ред. А.С. Предводителев, М.: Наука, 1968. 129 с.

20. Энерг. ин-т им. Г.М. Кржижановского. М., 1973-1978. Вып. 42. Физическая газодинамика плазмы. - 1975.

21. Физика и техника низкотемпературной плазмы. Под общей редакцией С.В. Дресвина. М., Атомиздат, 1972. 352 с.

22. Митчнер М., Кругер Ч. Частично ионизированные газы. М.: Мир, 1976. -496 с.

23. Лучистые потери аргоновой плазмы и излучательная модель непрерывных оптических разрядов. Козлов Г.И., Кузнецов В.А., Масюков В.А. // ЖЭТФ. 1974. Т. 66. № 3. С. 954-964.

24. Гольдфарб В:М., Дресвин С.В. Оптическое исследование распределения температуры и,электронной'концентрации в аргоновой плазме // ТВТ. 1965. - Т.З, N 3. - С.333-339:

25. Финкельбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.:ИЛ, 1961.370 с.

26. Малаховский В.А., Стихии В.А. Влияние параметров режима сварки на технологические свойства сжатой дуги. Свароч. пр-во, 1980, № 10, с. 20-22.

27. Ерохин A.A. Силовое воздействие дуги на расплавляемый металл. Автомат, сварка, 1979, № 7, с. 21-26.

28. Селяненков В.Н. Методы экспериментального определения силовых характеристик потока плазмы сварочной дуги. Автомат, сварка, 1980, № 10, с. 28-30.

29. Белов Ю.М., Гольдфарб В.М., Ильина Е.В. Характеристика короткой аргоновой дуги с плавящимся стальным анодом. — Физика и химия обраб. материалов, 1972, № 5, с. 127-128.

30. Glickstein S.S. Temperature measurements in a free burning arc. Welding J., 1976, 55, № 8, p. 222-229.

31. Shaw C.B. Diagnostic studies of the GTAW arc. Welding J., 1975, 54, № 2, p. 113-124.

32. Шоек П.А. Исследование баланса энергии в аноде сильноточных дут, горящих в атмосфере аргона // Современные проблемы теплообмена. М.: Энергия, 1966, с. 110-139.

33. Боженко Б.Л., Сысоев Ю.С., Заяров Ю.В., Скоробогатов A.B., Акулов А.И., Шепелев А.Ф., Ронский B.JI. Радиальное распределение в столбе стабилизированной плазменной« дуги удельной мощности тепловложения. -Свароч. пр-во, 1989, № 8, с. 34-35.

34. Соснин H.A., Федотов Б.В. Формирование ванны и тепловая обстановка при плазменной сварке проникающей дугой. Свароч. пр-во, 1989, № 9, с. 19-20.

35. Ерошенко Л.Е., Прилуцкий В.П., Замков В.Н. Видеоспектральная методикаисследования сварочной дуги в аргоне. Автомат, сварка, 1994', № 7-8, с. 6-8.

36. Госмен А.Д., Пан В.М., Ранчел А.Х. и др. Численные методы исследования течения вязкой жидкости. — М.: Мир,1 1971. 267 с.

37. H.A. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. Плазменные технологии. Сварка, нанесение покрытий, упрочнение. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. 406 с.

38. Теоретические основы сварки. Под ред. Фролова В.В. М.: «Высш. школа», 1970, 592 с.

39. Диагностика низкотемпературной плазмы / A.A. Овсянников, B.C. Энгелыпт, Ю.А. Лебедев и др. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994. - 485 с. - (Низкотемпературная плазма. Т.9).