Совершенствование конструкций плазмотронов и технологии плазменной обработки металлов на обратной полярности

На нынешнем рубеже веков специалисты ведущих стран мира обращают серьезное внимание на оценку достижений сварочной науки и техники, а также на выбор приоритетных и перспективных направлений развития сварки и родственных технологий в интересах промышленного производства XXI века [1−3]. Делается попытка выработки стратегии развития сварочной науки и сварочного производства, а так же оценки рынка сварочной техники на ближайшие 10−20 лет. Практика показала, что не все из применяющихся ныне конкретных сварочных технологий перспективны в разрезе требований XXI века, а ряд из них уже достигли технологического потолка [1,4].

Перспективным направлением совершенствования сварочных технологий является разработка и внедрение процессов с использованием высококонцентрированных источников энергии, в том числе и плазменных технологий [1−7]. Благодаря уникальным качествам сжатой дуги и плазменной струи как источников нагрева обрабатываемой зоны, плазменные технологии утверждаются в арсенале других методов сварки в самостоятельный вид. Плазменная струя и сжатая дуга обеспечивают не только тепловое, но и мощное силовое воздействие на зону обработки. Удачное сочетание высокой мощности и концентрации энергии в сжатой дуге с возможностью использования широкой гаммы сварочного и вспомогательного оборудования, разработанного для дуговых способов сварки, предполагает перспективность использования плазменной сварки для производства ответственных конструкций [4−8]. Такие качества, как сравнительная простота и доступность оборудования, низкая стоимость [9], широкие технологические возможности [10−13], высокое качество сварных соединений из различных металлов позволяют плазменной сварке на данном этапе успешно конкурировать с другими способами.

Практическое использование плазменных технологий в развитых странахСША, Англии, Германии, СССР началось с середины 60-х годов. По ряду направлений отечественные разработки опережали западные. Исследованием плазменных технологий и разработкой оборудования для их практической реализации занимался ряд центров в СССР, а позднее в СНГ — ИЭС им. Е. О. Патона, ВНИИЭСО, ВНИИАвтоген, Ленинградский политехнический институт, УПИ, отраслевые институты. Такие крупные ученые сварщики как Д. А. Дудко, А. В. Петров, Д. Г. Быховский, Ю. С. Ищенко, А. И. Акулов, B.C. Клубникин, Н. А. Соснин и др. участвовали в разработке теоретических основ плазменных технологий и технологических рекомендаций их практического применения. В совершенствовании технологий и оборудования плазменной обработки металлов, в частности, на форсированных режимах принимала и принимает участие кафедра сварки ПермГТУ.

В настоящее время разработан и успешно применяется ряд технологических процессов и установок, основанных на использовании низкотемпературной плазмы [10, 13 — 15]. Среди них плазменная и микроплазменная сварка, резка, наплавка, плазменное напыление покрытий, металлизация, плазменное поверхностное упрочнение деталей и другие. Использование сварочных технологий позволяет значительно повысить производительность процессов и получить ряд дополнительных преимуществ, например: финишное плазменное поверхностное упрочнение позволяет на 50 — 400% продлить срок службы изнашивающихся деталейнапыление поверхностных слоев деталей, работающих в сложных условиях, обеспечивает получение свойств не достижимых другими технологиямиплазменная сварка проникающей дугой позволяет повысить производительность в 1,5−2 раза при 100% качестве швов, снизить стоимость выполняемого погонного метра в 2 — 6 разплазменная сварка плавящимся электродом позволяет доводить скорость сварки и наплавки до сотен метров в часплазменная сварка постоянным током на обратной полярности решает проблему сварки алюминиевых сплавов.

Однако суммарный объем использования плазменных технологий до настоящего времени не велик и не превышает 5% от общего объема сварочного производства. На европейском рынке сварочного оборудования объем продаж оборудования для плазменной сварки и резки в период 19 952 000 г. г. не превышал 4% [2,7].

Это объясняется несколькими причинами: отсутствием доступных надежных технологических рекомендаций для практического использования плазменных технологий, сложностью, низкой надежностью и повышенной стоимостью предлагаемого промышленностью оборудования.

Использование обратной полярности обеспечивает дополнительные преимущества для ряда плазменных технологий. Явление катодного распыления позволяет производить очистку поверхностей металлических заготовок, решает проблему качественной сварки алюминиевых и магниевых сплавов. Применение плазмотронов с кольцевым анодом делает возможным использование высокопроизводительной плазменной сварки и наплавки плавящимся электродом различных металлов. Ведение процессов на обратной полярности позволяет в широких пределах регулировать тепловое и силовое воздействие на зону обработки, глубину проплавления основного металла.

Уровень развития плазменных технологий, определяется степенью совершенства основного инструмента — плазмотрона — генератора энергии для конкретных технологических целей. Плазмотрон или плазменная горелка представляет собой достаточно сложный агрегат, предназначенный для возбуждения и стабилизации горения сжатой дуги, а так же управления ее параметрами в процессе сварки. Одним из главных сдерживающих факторов глубокого изучения технологий плазменной сварки и ее широкого промышленного использования является отсутствие простых и надежных плазмотронов, выпускаемых промышленностью. Можно отметить, что отечественная и зарубежная промышленность в основном предлагает плазмотроны для резки и напыления. Современные плазмотроны для сварки, предлагаемые производителями, отличаются сложным устройством значительными габаритами и массой, высокой трудоемкостью их изготовления и обслуживания, достаточно узкими технологическим возможностями.

Считается, что при работе на обратной полярности, плазмотроны испытывают повышенные тепловые нагрузки, что приводит к усложнению конструкций плазмотронов, увеличению их габаритов и массы [16 — 18]. Известные плазмотроны для работы на обратной полярности имеют низкую надежность. Отсутствие мощных, надежных, простых в эксплуатации и обслуживании плазмотронов сдерживает изучение и разработку плазменных технологий с использованием обратной полярности.

Внедрение плазменной сварки в производство, как правило, сопровождается разработкой оборудования по индивидуальному заказу или при наличии на предприятии разработчиков, специализирующихся на изучении плазменной сварки [19, 20].

Отсутствие универсальных однотипных плазмотронов, обеспечивающих заданные параметры сжатой дуги, обуславливает отсутствие единых, достоверных технологических рекомендаций к промышленному использованию.

Основными направлениями по совершенствованию конструкций и систем плазменных горелок являются: повышение стабильности зажигании дуги, повышение стойкости теплонагруженных элементов, комбинация различных способов стабилизации сжатой дуги для расширения диапазона регулирования энергетических параметров, снижение габаритов и массы, (плазмотронов), повышение надежности, использование модуляции плазмы и т. д.

Для обеспечения доступности плазменных технологий массовому потребителю необходимо наличие недорогого, надежного, простого в эксплуатации и обслуживании оборудования и надежных технологических рекомендаций.

Цель работы: Совершенствование конструкций плазмотронов и разработка новых технологий плазменной обработки металлов на обратной полярности.

Задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели, заключаются в следующем:

— оптимизация системы охлаждения теплонагруженных узлов плазмотронов на базе изучения особенности теплового баланса сжатых дуг при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности;

— исследовать особенности теплопередачи в изделие при плазменной обработке металлов на прямой и обратной полярности;

— оценить особенности тепловых процессов на электроде-катоде и электроде-аноде плазмотрона;

— разработать плазмотроны различного целевого назначения, сочетающие высокую мощность и надежность, широкие технологические возможности при минимальных габаритах и массе;

— исследовать процесс и разработать технологические рекомендации плазменной пайки алюминиевых сплавов низкотемпературными припоями;

— исследовать возможность плазменной резки металлов на обратной полярности и разработать оборудование и технологические рекомендации для практического применения.

На защиту выносятся следующие результаты:

— результаты исследования и теоретическое описание тепловых процессов в плазмотронах при работе на прямой и обратной полярности;

— конструкция плазмотронов для работы на обратной полярности;

— результаты исследования и технологические рекомендации по применению плазменной пайки алюминиевых сплавов низкотемпературными припоями;

— результаты исследований и технологические рекомендации по применению плазменной резки металлов на обратной полярности.

Методы исследований. В работе использованы методики, включающие экспериментальные исследования и аналитические расчеты. Фиксирование параметров процессов и наблюдение за ними осуществлялось с помощью современной измерительной и регистрирующей аппаратуры. Использованы методы численного решения дифференциальных уравнений, описывающих интересующие процессы, с применением ПЭВМ по разработанным автором программам. Применялись методы планирования экспериментов, регрессионного анализа, оптимизации. Разработаны оригинальные методики определения теплового баланса сжатых дуг при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности.

Научная новизна работы:

— установлено влияние полярности на особенности энергетического балнса сжатых дуг, а именно: на распределение тепловых нагрузок внутри плазмотрона и дано теоретическое обоснование этого влияния;

— разработаны модели теплового баланса на электроде-катоде и электроде-аноде плазмотрона;

— установлено, что величина тепловой мощности передаваемой изделию плазменным потоком при работе на обратной полярности значительно больше, чем при работе на прямой полярности;

— установлена возможность суммарной теплопередачи изделию при работе на обратной полярности не ниже чем на прямой полярности;

— доказана возможность плазменной пайки алюминиевых сплавов низкотемпературными припоями;

— установлена возможность плазменной резки металлов на обратной полярности с комбинированной подачей газов, выполнена оценка энергетического баланса разработанного способа резки.

Практическая ценность и внедрение результатов работы:

— разработан плазмотрон для работы на обратной полярности, имеющий простое устройство, минимальные габариты и массу при высокой мощности и надежности позволяющий реализовать плазменную сварку на обратной полярности проникающей и непроникающей дугой цветных металлов и сплавов, плазменную пайку алюминиевых сплавов низкотемпературными припоями, плазменную резку с комбинированной подачей газов (патент России № 2 198 772);

— разработаны технологические рекомендации плазменной пайки алюминиевых сплавов низкотемпературными припоями, повышающие качество и производительность процесса;

— разработаны технологические основы и оборудование плазменной резки металлов на обратной полярности с комбинированной подачей газов, обеспечивающие высокую надежность при большом количестве включений, низкую стоимость при достаточной производительности.

Работа выполнялась в 1996 — 1998 г. г. в рамках единого заказ-нарядав 1998 — 1999 г.г. — межвузовской программы НТП МО и ПО РФ «Сварка и контроль», в настоящее время работа ведется по заказу ряда предприятий. За последние 3 года результаты работ внедрены на АО «Пермэнергоремонт», АО «Азот», г. Березники, Боткинское ФГУП.

Машиностроительный завод", Тамбовское ОАО «Машиностроительный завод им. Артемова», ОАО «Муромтепловоз» и др.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались: на Всероссийских конференциях молодых ученых: «Математическое моделирование физико-механических процессов», Пермь, 1997; «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 1998; на 15 и 17 НТК Пермского ВИ РВ «Пути и методы совершенствования систем и образцов ракетного вооружения, их эксплуатации и боевого применения», Пермь, 1997, 1999; на международной НТК «Сварка и родственные технологии: мировой опыт и достижения», Минск, 2001; на Всероссийских НТК: «Петровские чтения», к 100 -летию СПбГТУ, Санкт — Петербург, 1998, «Сварка и смежные технологии», Москва, 2000, «Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2001», Пермь, 2001, на НТК сварщиков Урала: 2000, 2001, 2002 г.г. Разработки демонстрировались на ряде всероссийских и международных выставок. Только за последние годы получены дипломы на международных выставках: «Высокие технологии, инновации, инвестиции», Ст. Петербург 2000 г., «Международная специализированная выставка сварочных технологий и оборудования «Экспо — Сварка — 2002», Москва 2002 г., получена золотая медаль «V Московского международного салона инноваций и инвестиций», Москва, ВВЦ, 2005 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в 34 печатных работах, получен 1 патент на изобретение, 1 положительное решение по заявке и подана 1 заявка на патент.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста, в том числе содержит рисунков 41, таблиц 26- список литературы включает 128 наименований.

В соответствий с поставленной целью содержание работы изложено в 4 главах.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященный анализу конструкций плазмотронов и их технологических возможностей.

Во второй главе проведены сравнительные исследования теплового баланса и структуры сжатых дуг при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности для плазмотронов с автономной системой охлаждения теплонагруженных узлов.

В третьей главе проведен теоретический анализ теплового баланса на электроде-катоде и электроде-аноде плазмотронов, при работе на прямой и обратной полярности. Представлено описание конструкции разработанного плазмотрона для работы на обратной полярности и блока управления, обеспечивающего работу плазмотронов при использовании не специализированных сварочных выпрямителей. Выполнены исследования тепловых нагрузок на элементы разработанного плазмотрона с совмещенной системой охлаждения.

В четвертой главе проведены исследования и разработка новых технологий плазменной обработки металлов на обратной полярности:

— плазменной пайки алюминиевых сплавов низкотемпературными припоями.

— плазменной резки металлов на обратной полярности с комбинированной подачей газов.

Разработаны технологические рекомендации по практической реализации, разработанных способов.

5. Результаты исследования влияния полярности на тепловые нагрузки на плазмотроне с совмещенной системой охлаждения подтвердили факт повышенного тепловложения в плазмообразующее сопло при работе на прямой полярности в сравнении с работой на обратной полярности, установленный при исследовании плазмотронов с раздельной системой охлаждения элементов плазмотрона.

6. При работе плазмотрона на обратной полярности напряжение на дуге значительно выше, чем на прямой, и находится в пределах Ud оп ~ 1,2−1,5 ид пп. Причем падение напряжения на различных участках сжатой дуги при работе на прямой и обратной полярности при прочих равных условиях сильно различаются: падение напряжения части столба дуги, расположенной внутри плазмотрона значительно больше при работе на обратной полярности иэсо = (2,5 — 3,2) иэсп, а падение напряжения на внешней части столба дуги наоборот, больше при работе на прямой полярности исип — (1,2 — 1,4) исио. Главной причиной этого следует считать изменение степени сжатия дуги при смене полярности.

7. Теплопередача изделию при работе плазмотрона обратной полярности может обеспечиваться не ниже, чем на прямой полярности. Установлено, что тепловая мощность, передаваемая изделию плазменным потоком (/>"), составляет 55 — 85% всей мощности передаваемой изделию сжатой дугой. При работе плазмотрона на обратной полярности при одинаковых режимах величина Рп в 1,2 — 1,6 раз больше чем при работе на прямой полярности. Величиной Рп можно активно управлять изменяя параметры режима 1д, dc, Q".

8. Установлена принципиальная возможность и разработаны технологические приемы плазменной пайки алюминиевых сплавов низкотемпературными припоями. Разработанный плазмотрон обеспечивает высокое качество и производительность процесса катодной очистки от оксидной пленки поверхностей деталей из алюминиевых сплавов. Предложено два варианта выполнения пайки: пайка с предварительным лужением и пайка — «сварка». Разработанный способ пайки с лужением обеспечивает возможность пайки разнородных материалов. Плазменная пайка отличается простотой, высокой производительностью и качеством соединений. Предварительный подогрев деталей до 120 — 180 °C повышает производительность и качество процесса.

9. Разработан способ и оборудование плазменной резки металлов на обратной полярности с комбинированной подачей газов, обеспечивающие повышение надежности, снижение требований к качеству воздуха, большое количество включений, длительную работу плазмотрона при достаточной производительности. Установлено, что тепловая нагрузка на плазмотрон в разработанном способе не превышает 10% от полной мощности сжатой дуги, что сопоставимо по величине для воздушно-плазменной резки на прямой полярности.

10. Определены оптимальные режимы резки различных металлов в диапазоне толщин 10−40 мм. Установлено, что затраты энергии на погонный метр реза для этого способа в 1,5 — 2 раза ниже чем для традиционных способов. Количество включений достигает нескольких тысяч. Учитывая снижение затрат на электродные узлы и плазмообразующие сопла стоимость погонного метра реза для исследуемого способа в 1,5 — 2,5 ниже чем для ВПР с использованием плазмотронов с термохимическими катодами.