Full Text

Многообразие процессов плазменной обработки материалов определяет различие конструкций дуговых плазмотронов. Эксплуатационные возможности плазмотронов определяются эффективностью охлаждения теплонагруженных элементов: электрода и плазмообразующего сопла. Подавляющее большинство плазмотронов разработаны для работы на постоянном токе прямой полярности. Это объясняется тем, что на аноде дуги выделяется большее количество тепла, чем на катоде. Предельно допустимая нагрузка на лантанированный вольфрамовый электрод на переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности, при использовании постоянного тока, в десять раз ниже, чем на прямой полярности [1-3]. Однако в ряде случаев, например при сварке алюминиевых и магниевых сплавов, наплавке различных сплавов, необходимо использовать ток обратной полярности. Опыт показывает, что для обеспечения адекватной стойкости сечение вольфрамового электрода, при работе на обратной полярности тока, должно быть в девять раз больше, чем на прямой полярности. Стараются рассредоточить разряд по поверхности анода для снижения плотности теплового потока в анод. Эксперименты, проводимые с вольфрамовыми электродами различной конструкции (рис. 1), показали, что при токе 150 А и токе возбуждения 50 А они разрушались за время меньше 23 мин, а при токе 200 А - за 2-3 мин [2]. Это объясняется недостаточной теплопроводностью вольфрама. Эксперименты, проведенные с медными анодами (теплопроводность в три раза выше, чем у вольфрама) различной конструкции (рис. 2), показали, что конструкции 1 и 2 при токе 200 А и токе возбуждения 50 А быстро разрушались [2]. На электроде 3 активное пятно располагалось на кромке электрода, что приводило к аварийной работе плазмотрона (двойной дуге). Электрод конструкции 4 при токе 200 А имел ресурс 300 мин при 60 возбуждениях дуги. Рис. 1. Конструкции электродов-анодов из вольфрама Рис. 2. Конструкции медных электродов-анодов Считается, что рост ресурса анодов связан с увеличением размеров электродов и улучшением их охлаждения. Предложен анодный узел, состоящий из медной водоохлаждаемой державки и вольфрамовой вставки (рис. 3) [3]. d, мм 6 6 8 D, мм 12 17 25 Рис. 3. Конструкция комбинированного анода Высокая стойкость анода обеспечивается качественным соединением меди с вольфрамом и системой водяного охлаждения. Наилучшие результаты достигались при осадке расплавленной меди на вольфрамовую вставку. Стойкость таких анодов достигает 100-300 ч при рабочем токе до 400 А при 100-500 включениях. При высоких эксплуатационных характеристиках имеется существенный недостаток - сложность изготовления и невозможность восстановления при отработке ресурса или аварийном выходе из строя. С целью повышения стойкости электрода и расширения технологических возможностей плазменной резки были разработаны плазмотроны с полым медным электродом (рис. 4) [4-6]. Они состоят из полого внутреннего электрода-анода, завихрителя и сопловой части. Рис. 4. Принципиальная схема плазмотрона с медным полым анодом: 1 - полый внутренний электрод; 2 - завихритель; 3 - сопловая часть; 4 - дуга; 5 - металл; 6 - струя плазмы; 7 - балластное сопротивление; 8 - контактор; 9 - подача охлаждающей воды; 10 - подача воздуха Отличительной особенностью полых электродов является интенсивное перемещение опорного пятна дуги по сильно охлаждаемой цилиндрической поверхности электрода, которое осуществляется под действием газового циклона, создаваемого тангенциальными отверстиями в завихрителе и наличием соленоида на внешней поверхности плазмотрона. При этом обеспечивается стабильное положение столба дуги по оси полости электрода и не допускается локальный нагрев электрода и сопла. Интенсивное охлаждение обеспечивает длительный срок службы электродов. К недостаткам плазмотронов с полым электродом можно отнести необходимость использования источников питания сварочного тока с напряжением холостого хода Uxx 300…500 В. Рабочее напряжение составляет порядка Uд 150 В [4, 6]. Плазмотроны с полым электродом из-за наличия соленоида имеют повышенные габариты и массу. Совершенствование конструкций электродов-анодов для работы плазмотронов на токе обратной полярности, обеспечивающих длительный ресурс работы при упрощении устройства, является актуальной задачей. Стойкость электродов определяется скоростью эрозии, которая зависит от свойств материалов электродов, их геометрии, рода газа, в котором осуществляется разряд, тока дуги, скорости газового потока и многих других факторов [7-10]. Авторами предложена новая конструкция электрода-анода плазмотрона (рис. 5). Медный электрод-анод плазмотрона 1 расположен внутри плазмообразующего сопла 2. Рабочий торец электрода выполнен сферическим. Радиус сферы равен половине диаметра электрода. В рабочем торце электрода выполнено глухое отверстие 3. Канал 4 плазмообразующего сопла 2 имеет диаметр dс, определяемый рабочим током. Системы водяного охлаждения плазмотрона и подачи плазмообразующего газа на схеме не показаны. Анод имеет прямое водяное охлаждение. В плазмотроне обеспечивалась тангенциальная подача плазмообразующего газа. Предполагается, что при работе плазмотрона будет обеспечено равномерное распределение анодного пятна по внутренней поверхности отверстия в рабочем торце электрода. Это обеспечит стабильное зажигание и горение плазменной дуги при напряжении холостого хода источника питания не выше 75 В и длительную работу электрода при достаточно больших значениях тока. Целью работы являлось исследование энергетических и эксплуатационных характеристик плазмотрона с предложенной конструкцией электрода-анода при работе на токе обратной полярности. Рис. 5. Схема плазмотрона с анодом с глухим отверстием в торце Для получения объективных результатов проводились сравнительные исследования работы плазмотрона с электродом-анодом с вольфрамовой вставкой и электродом-анодом предложенной конструкции (рис. 6). а б Рис. 6. Внешний вид анодов: а - с вольфрамовой вставкой; б - с глухим отверстием в торце Проводились исследования теплопередачи в плазмотрон и изделие при изменении тока дуги, диаметра плазмообразующего сопла, диаметра и глубины отверстия в торце анода (табл. 1). Таблица 1 Параметры режимов исследований* № п/п Параметр Значение 1 Ток дуги Iд, А 100, 150, 200, 250 2 Расстояние от плазмотрона до изделия hс-и, мм 5 3 Диаметр отверстия в торце анода d, мм 2, 4, 5 4 Диаметр плазмообразующего сопла dс, мм 4, 5, 6 5 Расход плазмообразующего газа Qп, л/мин 2,5 6 Расход защитного газа Qз, л/мин 5 Примечание. *Остальные параметры не изменялись. На первом этапе определили соотношение размеров отверстия в торце анода и плазмообразующего сопла, при котором обеспечивалось надежное зажигание плазменной дуги на изделие и стабильное горение при напряжении холостого хода источника питания Uхх = 75 В. Стабильная работа плазмотрона обеспечивалась при диаметре отверстия d = (0,75…1,0)dс; глубина h1 = (1,0…1,3)d, а зазор h2 между рабочим торцом электрода и внутренней плоской поверхностью сопла h2 = (0,2…0,3)dс. Теплопередача в плазмотрон и изделие определялась калориметрированием по методике, описанной в работах [11, 12]. Кроме того, фиксировалось падение напряжения на дуге и ее участках (рис. 7). Рис. 7. Схема измерения значений напряжения при работе плазмотрона: 1 - электрод-анод; 2 - плазмообразующее сопло; 3 - защитное сопло Весь массив результатов и их обработка в данной статье не представлены. Ниже показаны результаты исследования на повышенном токе, как наиболее характерные. Результаты исследований показали близкие значения падений напряжения на дуге и ее участках при работе плазмотрона с обеими конструкциями анода (табл. 2). Отмечается небольшое превышение падения напряжения на дуге и участке электрод-сопло, а также мощности дуги при работе плазмотрона с анодом с отверстием в торце. Теплопередача в плазмотрон и изделие также выше (на 1,5-3 %). Таблица 2 Падение значений напряжения и теплопередача в плазмотрон и изделие № п/п Параметр Значение 1 dс, мм 4 5 6 2 I, А 200 200 200 3 *Uэ-с, В 21,2 20,3 18,7 4 Uэ-с, В 21,7 21,3 19,2 5 *Uэ-и, В 33,2 31,2 28,6 6 Uэ-и, В 33,5 32,0 29,0 7 *Pи, Вт 4530 4190 3531 8 Pи, Вт 4570 4240 3610 9 *Pпл, Вт 2147 2100 1885 10 Pпл, Вт 2200 2252 1900 11 *Рд, Вт 6640 6220 5720 12 Рд, Вт 6700 6400 5800 Примечание. *Анод с вольфрамовой вставкой. Таким образом, энергетические характеристики плазмотрона с анодом с отверстием в торце не уступают таковым при использовании анода с вольфрамовой вставкой. Для поддержания длительной непрерывной работы плазмотрона в заданном режиме требуется высокая стойкость анода. Одной из интегральных характеристик электродов плазмотрона является удельная эрозия, определяемая совокупностью процессов, происходящих в приэлектродной области и на поверхности рабочей зоны электрода. Под действием мощного сосредоточенного источника тепла, каковым является приэлектродный участок дуги, происходит активный унос материала электрода путем испарения и разбрызгивания [7, 8, 13]. Скорость эрозии материала анодов при прочих равных условиях значительно ниже, чем катодов [7, 8, 13-15], но эрозионные процессы на аноде в целом изучены меньше, чем на катоде. Считается, что разрушение анодов определяется плотностью теплового потока через дуговое пятно [2, 7, 16, 17]. В работах [13, 18, 19] показано, что анодное пятно имеет форму правильного круга и плотность тока в нем достигает 103-105 A/см2. Исследования температуры в анодных пятнах дают значительные расхождения [2, 14, 20]. Отсутствие единой теории анодных процессов не позволяет обобщить имеющиеся опытные данные. Считается, что минимальный тепловой поток в анод обеспечивается при диффузной привязке дуги к электроду [2, 14]. Однако отмечается, что диффузная привязка дуги к электроду неустойчива. Любое возмущение потока газа, обдувающего дугу, неоднородность поверхности или наличие оксидов на ней могут перевести прианодный участок дуги в контрагированный режим. При этом возрастает плотность тока на аноде. Уменьшение скорости эрозии анода при контрагированном пятне дуги можно достичь снижением времени существования пятна или увеличением площади. Предположительно, наличие глухого отверстия оптимальных размеров в рабочем торце анода должно снизить плотность тока в анодном пятне за счет увеличения площади пятна привязки. Не исключается вероятность перемещения анодного пятна по внутренней поверхности отверстия, что снизит время привязки пятна к одному месту. Оценка скорости эрозии анода с отверстием в торце проводилась при работе плазмотрона на повышенных токах. Оценивали потерю массы анода при непрерывной работе на токе дуги 200 и 250 А в течение 1 и 2 ч. 1. Qв-изд = 2 л/мин; Qв-п = 1,5 л/мин; dс = 4 мм; dа = 4 мм; Qз = 4,0 л/мин; Qпл = 1,5 л/мин; обратная полярность; эрозия электрода при работе: 200 А - G = = m/Pt = 0,000 002 5 гВт/ч; 250 А - G = 0,000 002 2 гВт/ч. 2. Qв-изд = 3 л/мин; Qв-п = 1,5 л/мин; dс = 5 мм; dа = 5 мм; Qз = 4,0 л/мин; Qпл = 1,5 л/мин; обратная полярность тока; эрозия электрода при работе: 200 А - G = 0,000 001 7 гВт/ч; 250 А - G = m/Pt - 0,000 002 0 гВт/ч. В процессе экспериментов выполнялась визуальная оценка стабильности горения дуги и внешнего вида рабочей части анода после работы. В течение всего цикла стабильность работы не нарушалась. Внешний вид анода после работы показывает отсутствие привязки анодного пятна к локальному месту (рис. 8). Выполненные исследования показывают, что анод с глухим отверстием в торце нельзя рассматривать как классический полый электрод, в котором анодное пятно активно перемещается по внутренней цилиндрической поверхности. Иллюстрацией этого может служить быстрая эрозия рабочей части электрода при использовании его в качестве катода при работе плазмотрона на токе прямой полярности (рис. 9). а б Рис. 8. Анод с отверстием в торце до и после работы на обратной полярности при токах: а - 200 А; б - 250 А а б Рис. 9. Катод с отверстием в торце до и после работы на прямой полярности при токах: а - 200 А; б - 250 А, время работы 30 с Таким образом, медный электрод-анод плазмотрона для работы на токе обратной полярности, снабженный глухим отверстием оптимальных размеров в рабочем торце электрода, обеспечивает длительную и стабильную работу плазмотрона на токе обратной полярности. Удельная эрозия электрода-анода на повышенных токах не превышает 0,000 002 5 гВт/ч. Предположительно, наличие глухого отверстия оптимальных размеров в рабочем торце анода снизит плотность тока в анодном пятне за счет увеличения площади пятна привязки. Не исключается вероятность перемещения анодного пятна по внутренней поверхности отверстия, что снизит время привязки пятна к одному месту.

About the authors

Y. D Shitsyn

Perm National Research Polytechnic University

V. Y Shitsyn

Perm National Research Polytechnic University

S. D Neulybin

Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the RAS

R. G Nikulin

Perm National Research Polytechnic University

S. G Nikulina

Perm National Research Polytechnic University

K. P Karunakarah

Indian Institute of Technology

References

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 33

Refbacks

• There are currently no refbacks.