Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие широкое применение в различных областях промышленности нашли генераторы низкотемпературной плазмы. Наибольшее распространение плазмотроны получили в сварочном производстве.
Дальнейшее их использование в производство выдвигает задачи совершенствования существующих и создания новых плазмотронов , отвечающих комплексу повышенных требований к надежности и работоспособности. Решение этих задач тесно связано с проблемой повышения ресурса основных элементов плазмотрона- электрода и сопла, находящихся в непосредственном контакте с плазмой разряда и работающих в экстремальных условиях по уровням тепловых потоков, температур и плотностей тока. Ресурс элементов особое значение имеет при работе плазмотрона на предельных режимах, так-как при этом сильно возрастает тепловая нагрузка на них. При больших значениях тока к разрушению элементов могут также привести пульсации электрических параметров сжатой дуги, зависящие от многих факторов (расхода газа, тока дуги, конструкции узлов, характеристики источника питания и т.д.).
Следовательно, возникает важная для практики задача- увеличение ресурса работы плазмотрона при изменении технологических параметров.
Диссертация выполнена в соответствии с планом НИР ИФТПС по теме 1.11.5.2 "Разработка методов и способов определения свойств конструкционных и высокопрочных материалов и новых технологий для повышения прочности, долговечности машин и конструкций при одновременном снижении материалоемкости" (N гос. регистрации 01900035499 ) и хозяйственным договором "Исследование и разработка установки воз-
душно-плазменной резки металлов" (N гос.регистрации 01890081961) от 29.10.1991г.
Цель работы. Установить взаимосвязь.динамики разрушения ответственных элементов плазмотронов с технологическими параметрами их эксплуатации и предложить техническое решение, повышающее ресурс плазмотронов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать методику оценки стабильности горения сжатой дуги и установить влияние режимов работы плазмотрона на характеристики рассеяния электрических параметров;
экспериментальное исследование влияние режимов работы плазмотрона на разрушение его элементов с одновременной регистрацией электрических параметров;
решить температурную задачу для составного катодного узла и оптимизация значений тока и диаметра катода:
установить влияние конструктивно-технологических факторов на температурное состояние катода и сопла;
на основе результатов исследований разработать промышленный плазмотрон для сварки тонкостенных труб малого диаметра. .
Научная новизна. Расширены технологические возможности плазмотрона, обеспечивающие стабильность горения сжатой дуги, на основе совершенствования его конструктивных особенностей, включающие следующие новые результаты:
разработана методика для оценки стабильности горения сжатой дуги с помощью созданной экспериментальной установки на базе автоматизированной системы управления, информационно-измерительной системы АСП-2 и источника питания АПР-403;
установлена закономерность изменения стабильности горения
сжатой дуги, характеризуемая величиной коэффициента вариации по току от технологических параметров обработки и конструктивных особенностей плазмотрона;
экспериментальным путем установлен механизм разрушения вольфрамового катода и выявлены условия, повышающие его ресурс на основе анализа динамики выхода присадок из катода;
определены оптимальные режимы работы плазмотрона, обеспечивающие максимальную стабильность горения дуги и повышающие ресурс его работы при больших значениях тока;
на основе обобщения исследований стабильности горения сжатой дуги при изменении технологических параметров и разрушения элементов плазмотрона создан плазмотрон для сварки тонкостенных труб малого диаметра.
Практическая ценность и реализация работы. Создана экспериментальная установка, позволяющая по изменению стабильности горения сжатой дуги диагностировать плазмотроны с учетом их конструктивного исполнения.
Результаты проведенных исследований использованы при разработке новых плазмотронов для плазменной обработки материалов в ИФТПС ЯНЦ СО РАН и ИТФ СО РАН. Всего разработано около 10 плазмотронов различного назначения, обеспечивающих выполнение технологических операций или научных исследований.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых и специалистов ИФТПС СО АН СССР (Якутск, апрель 1990г.) и заседании рабочей группы научного совета АН СССР по проблеме "Физика низкотемпературной плазмы" в Иркутском научном центре СО АН СССР (Иркутск, июнь 1991г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 публикациях и 2 авторских свидетельствах на изобретение.
Структура и обьем работы. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, включая 4 таблицы, 54 рисунков, список изпользованной литературы из 110 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений.
В первой главе проведен анализ состояния проблемы, выявлена степень ее изученности. На основании обзора теоретиче.ских и экспериментальных работ отмечены основные вопросы по физическому механизму разрушения сопла и электрода плазмотронов. Сформулированы цель и задачи работы.
Во второй главе описаны разработанная и созданная экспериментальная установка, методика оценки стабильности горения сжатой дуги и представлены результаты исследования по влиянию режимов работы плазмотрона на.характеристики сжатой дуги
В третьей главе приведены результаты исследований по динамике процессов на катодах и в прикатодной области, расчета распределения температуры по длине стержневого вольфрамого электрода и сопоставления экспериментальных результатов с данными, полученными рассчет-ным путем по предложенной формуле для оценки диаметра электрода в зависимости от тока дуги.
В четвертой главе приведены результаты разработки промышленного плазмотрона, предназначенного для сварки тонкостенных труб. Рассмотрены условия, при которых обеспечивается длительная эксплуатация плазмотрона.
