способ управления электрической дугой при термической обработке металла

Формула изобретения

1. Способ управления электрической дугой при термической обработке металла, включающий формирование дугового разряда в зазоре между катодом, размещенным в газоподающем сопле инструмента для электротермической обработки материалов и обрабатываемым материалом и обдув дугового разряда газовым потоком, отличающийся тем, что обдув дугового разряда осуществляют газовым потоком с высокой степенью турбулентности, для чего на вход газоподающего сопла инструмента для электротермической обработки материалов подают не менее двух спутных струй газа и обеспечивают им возможность свободно взаимодействовать друг с другом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения скоростей спутных струй газа поддерживают близкими друг другу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам управления электрической дугой и может быть использовано в процессах электродуговой обработки материалов.

Известен способ управления электрической дугой, включающий формирование дугового разряда в зазоре между катодом, размещенным в газоподающем сопле инструмента для электротермической обработки материалов, и обрабатываемым материалом и обдув начального участка дугового разряда тангенциально направленным газовым потоком (см. книгу. В.А.Достовалова, Газодинамическое управление термической плазмой. Владивосток: - Изд-во ДВГТУ, 2000, с.172-176).

Недостаток этого решения определяется тем, что фактически при его реализации имеет место обжатие дугового разряда закрученным вокруг него газовым потоком, т.е. уменьшение поперечного сечения дугового разряда, что снижает эффективность работ по формированию легирующих покрытий на поверхности деталей достаточно больших размеров, поскольку приводит к уменьшению размеров единовременно обрабатываемой рабочей зоны, и также повышению плотности энергии в анодном пятне, что приводит к разрушению поверхности при поверхностной термообработке.

Известен также способ управления электрической дугой, включающий формирование дугового разряда в зазоре между катодом, размещенным в газоподающем сопле инструмента для электротермической обработки материалов, и обрабатываемым материалом и обдув дугового разряда газовым потоком (см. книгу. В.А.Достовалова, Газодинамическое управление термической плазмой. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2000, с.134).

Недостаток этого решения определяется тем, что фактически при его реализации осуществлялся обдув начального участка дугового разряда газовым потоком, сформированным в кольцевой газовый кожух вокруг дугового разряда, при этом в результате такого воздействия фактически имеет место обжатие столба дугового разряда. Таким образом, при использовании инструментов, реализующих известный способ управления электрической дугой, имеет место уменьшение размеров площади поперечного сечения на рабочем участке столба дугового разряда, что вследствие повышения плотности энергии в столбе опасно разрушением (проплавлением, разрезанием) обрабатываемой поверхности, а если такая вероятность невелика (например, из-за повышенной термостойкости обрабатываемого материала), то снижается эффективность работ по формированию легирующих покрытий на поверхности деталей достаточно большой площади.

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является увеличение размеров площади поперечного сечения столба дугового разряда на его рабочем участке.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении производительности процесса формирования легирующего покрытия (за счет увеличения размеров площади поперечного сечения столба дугового разряда на его рабочем участке при одновременном уменьшении удельной плотности энергии в этой зоне дугового разряда) и тем самым обеспечении возможности обработки деталей, достаточно больших размеров, и расширения диапазона обрабатываемых материалов по их теплостойкости.

Поставленная задача решается тем, что способ управления электрической дугой, включающий формирование дугового разряда в зазоре между катодом, размещенным в газоподающем сопле инструмента для электротермической обработки материалов, и обрабатываемым материалом и обдув дугового разряда газовым потоком, отличается тем, что обдув дугового разряда осуществляют газовым потоком с высокой степенью турбулентности, для чего на вход газоподающего сопла инструмента для электротермической обработки материалов подают не менее двух спутных струй газа и обеспечивают им возможность свободно взаимодействовать друг с другом. Кроме того, значения скоростей спутных струй газа поддерживают близкими друг другу.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак “обдув дугового разряда осуществляют газовым потоком с высокой степенью турбулентности” обеспечивает возможность разделения канала дугового разряда на множество отдельных, одновременно существующих дуговых разрядов, что обеспечивает увеличение размеров площади рабочей зоны на контакте дугового разряда и обрабатываемого материала.

Признаки “на вход газоподающего сопла инструмента для электротермической обработки материалов подают не менее двух спутных струй газа и обеспечивают им возможность свободно взаимодействовать друг с другом” обеспечивают высокую эффективность процесса турбулизации газового потока.

Признак “значения скоростей спутных струй газа поддерживают близкими друг другу” определяет скоростной диапазон струй газа, при котором степень турбулизации максимальна.

В основе предлагаемого способа управления электрической дугой положены следующие положения:

- известно, что влияние турбулентности потока сказывается не только на изменении структуры и формы столба электрической дуги, но и на величине напряженности электрического поля;

- известно, что изменение напряженности электрического поля и длины дуги в турбулентном потоке пропорционально квадрату степени турбулентности;

- исследование закономерностей развития неустойчивости дуги показали, что имеется два ее вида: один - обусловленный воздействием магнитогидродинамичесих сил, а второй - обусловленный влиянием турбулентных пульсаций потока;

- при переходе в область турбулентного режима обдува отмечено возрастание как локальной, так и технической напряженности электрического поля дуги и появление колебаний столба дуги относительно оси потока, которые, в свою очередь, приводят к увеличению амплитуды пульсаций напряженности;

- при распространении струи в спутном потоке из-за торможения потока на кромке сопла образуется провал скорости, как в следе за телом; в следе также генерируется дополнительная вязкость, интенсифицирующая смешение (анализ многочисленных экспериментов и условий, в которых они производились, а также конструктивных особенностей различных устройств показывает, что наиболее сильное влияние оказывает начальная неравномерность распределения параметров (начальные пограничные слои));

- известно, что на срезе даже хорошо спрофилированного сопла (диаметр которого равен d) толщина пограничного слоя ( ) достаточно велика, т.е. 0,05d, тогда как при истечении из трубы с полностью развитым профилем значение =0,5d; так что, в общем случае, выполняется соотношение 0,05d 0,5d. При наличии спутного потока и по мере приближения его значения скорости (u₁) к скорости струи (u₂)(m=u ₂/u₁ 1) относительная роль пограничных слоев возрастает, т.к.вязкость, порождаемая разностью скоростей, убывает.

На фиг.1 показана схема устройства, обеспечивающего реализацию заявленного способа; на фиг.2 показан вид на поперечный разрез А-А газоподающего сопла со стороны обрабатываемого материала.

Для реализации заявленного способа используется инструмент для электротермической обработки материалов, содержащий газоподающее сопло 1, катод 2, размещенный в газоподающем сопле, газоподводящие каналы 3. Кроме того, на чертеже показаны обрабатываемый материал 4, дуговой разряд 5, рабочая зона 6 дугового разряда 5, турбулентный газовый поток 7, зазор 8 между катодом 2 и обрабатываемым материалом 4, вставка 9.

Газоподающее сопло 1 выполнено из металла с высокой теплопроводностью (меди), катод 2, размещенный в газоподающем сопле, выполнен также из металла с высокой теплопроводностью (меди) в виде стаканчика, обращенного “донышком” к обрабатываемой поверхности, в центр которого впрессована (циркониевая или гафниевая) вставка 9. Катод 2 подключен к системе водяного охлаждения и источнику тока (на чертежах не показаны). Выбор материала вставки 9 катода зависит от материала обрабатываемой поверхности (например, названный вариант ее выполнения пригоден для обработки материалов на основе железа и его сплавов, тогда как при обработке титана и некоторых других материалов, вставка 9 должна быть изготовлена из вольфрама). Вставка 9 должна на 5-7 мм выступать наружу (за пределы газоподающего сопла 1). Газоподводящие каналы 3 выполнены в виде металлических трубопроводов (не менее 2) и подключены к источнику газа (на чертежах не показан), при этом их выпускные отверстия размещены вокруг катода 2, как показано на фиг.2. Представляется целесообразным располагать центры выпускных отверстий газоподводящих каналов на двух окружностях, концентричных относительно катода 2.

Выбор газа для обдува столба дугового разряда 5 зависит от материала обрабатываемой поверхности (например, для обработки материалов на основе железа и его сплавов может использоваться воздух, при обработке титана, алюминия и т.п. это может быть аргон). Заявленный способ осуществляется следующим образом. Инструмент для электротермической обработки материалов размещают у поверхности обрабатываемого материала 4, включают в работу источник газа, систему водяного охлаждения катода 2 и источник тока (на чертежах не показаны). В результате касания обрабатываемой поверхности вставкой 9 формируется дуговой разряд 5 в зазоре 8 между катодом 2 и обрабатываемым материалом 4 (вернее дуговой разряд 5 привязан к вставке 9 катода 2). На начальном этапе формирования дугового разряда 5 целесообразно пользоваться известным приемом - использовать технологическую планку, т.е. кусок металла, электрически связанный с обрабатываемой поверхностью, на котором “зажигают” электрическую дугу, производят операции по стабилизации ее горения и только после стабилизации параметров дуги ее переводят на обрабатываемую поверхность (это позволяет избежать возможных “прожогов” и других ее повреждений обрабатываемой поверхности). Струи газа (в устройстве, показанном на фиг.2, число этих струй существенно больше двух) подают спутно (т.е. в одном направлении), придавая им значения скоростей, близкие друг другу (в идеале - равные, что легко обеспечивается при “запитывании” всех газоподводящих каналов 3 из одного газораспределительного коллектора (на чертежах не показан), и обеспечивают возможность их свободного взаимодействия друг с другом (т.е. не разделяют никакими перегородками). Такой выпуск газовых струй обеспечивает высокую степень турбулентности газового потока 7.

В результате обдува дугового разряда 5 турбулентным газовым потоком 7 с высокой степенью турбулентности сплошной столб дугового разряда 5 разделяется (в рабочей зоне 6, т.е. на контакте с обрабатываемым материалом 4) на множество отдельных, одновременно существующих дуговых разрядов, что обеспечивает многократное увеличение размеров площади поверхности обрабатываемого материала 4, одновременно взаимодействующей с дуговым разрядом 5.