реферат. Выпускная квалификационная работа бакалавра
 Скачать 2.61 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Институт металлургии, машиностроения и транспорта Кафедра «Теория и технология сварки и материалов» Работа допущена к защите Заведующий кафедрой __________ С.Г. Паршин «___» ________ 2019 г. ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА РАЗРАБОТКА ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ по направлению 22.03.02 Металлургия по образовательной программе 22.03.02_05 Металлургия сварочного производства Выполнил студент группы 43315/1 М.Е. Гошкодеря Руководитель, зав. кафедрой, д.т.н. С.Г. Паршин Консультант, ассистент А.С. Майстро Санкт-Петербург 2019 2 Содержание Введение ................................................................................................................. 4 1. Сведения о плазменных процессах ................................................................ 6 1.1 Плазма и ее свойства .................................................................................. 6 1.2 Классификация методов плазменной сварки ........................................... 6 1.3 Методы получения низкотемпературной плазмы ................................... 7 1.4 Оборудование ............................................................................................ 8 1.5 Виды источников плазмы ......................................................................... 9 1.6 Газы для плазменной сварки .................................................................. 13 1.7 Характеристики плазменного источника ............................................... 14 2. Плазменная наплавка ................................................................................... 16 2.1 Способы плазменной наплавки .............................................................. 16 2.2 Основы плазменной наплавки ................................................................ 18 2.3 Качество наплавки .................................................................................. 19 3. Конструкции плазмотронов для сварки и наплавок ................................... 22 4. Разработка конструкции плазмотрона для дуговой наплавки ................... 30 4.1 Требования к разрабатываемому плазмотрону ..................................... 30 4.2 Конструкция прототипа ........................................................................... 31 4.3 Элементы конструкции ............................................................................ 33 4.4 Проверка сборочного чертежа ................................................................ 41 Вывод .................................................................................................................... 43 Список литературы .............................................................................................. 44 3 РЕФЕРАТ На 50 страницах, 40 рисунка, 1 таблица ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ, ПЛАЗМА, ПЛАЗМЕН- НАЯ СВАРКА, ПЛАЗМЕННАЯ НАПЛАВКА. В данной работе представлен обзор, касающийся плазменного метода сварки и наплавки, а так же приведен результат разработанного плазмотрона для дуговой наплавки с комплектацией сопел разного диаметра, для выполне- ния разного типа работ. THE ABSTRACT 50 pages, 40 pictures, 1 tables PLASMA TORCH FOR ARC SURFACING, PLASMA, PLASMA WELD- ING, PLASMA SURFACING. This paper presents an overview of the plasma method of welding and surfac- ing, as well as the result of the developed plasma torch for arc surfacing with a set of nozzles of different diameters, to perform different types of work. 4 Введение Плазмотроны являются неотъемлемой частью установок для плазменной дуговой сварки, резки, наплавки, а так же плазменного напыления. Они име- ют различную сферу применения. Что бы понять, на чем основан процесс их применения, рассмотрим метод плазменной сварки. Плазменная дуговая сварка (plasma arc welding – PAW) аналогична ар- гонодуговой сварке вольфрамовым электродом в том, что в ней также исполь- зуется неплавящийся вольфрамовый электрод, чтобы создать дугу. Особен- ность заключается в том, что при сварке сжатой дугой действие инертного га- за в отверстии в сопле сварочной горелки сужает дугу. Это преимущество включает в себя большую концентрацию энергии (то есть, более высокую плотность энергии), более высокое, улучшенную стабильность дуги, более глубокую проникающую способность, более высокие скорости сварки и, как правило, более чистые сварные швы, поскольку вольфрамовый электрод не может случайно прикоснуться к заготовке, вызывая загрязнение. Плазма в PAW создается потоком инертного газа с низким объемом че- рез внутреннее отверстие горелки. Высокочастотная вспомогательная дуга, установленная между электродом и внутренним соплом, ионизирует газ и за- жигает дежурную дугу. Когда заготовка соединена со сварочной горелкой так, что она имеет противоположную полярность постоянному электроду, плазма притягивается к заготовке, и генерирование плазмы называется работой в ре- жиме первичной дуги. Преимущества и характерные особенности метода включают в себя: • Надежное зажигание дуги; • Концентрированная высокостабильная дуга при малых токах дуги с неболь- шой чувствительностью к изменениям длины дуги; • Высокая скорость сварки: до 400% выше, чем у обычного TIG; • Низкое тепловое воздействие; • Надежное проникновение с помощью метода «замочной скважины» (глубо- кого проплавления); 5 • Возможна стыковая сварка толстых материалов (8 мм) без использования наполнителей; • Сварка плавлением возможна даже в очень тонких материалах (0,1 мм); • Низкая выпуклость сварного шва и корневого валика. Это особенно полезно при сварке конструкций, которые будут подвергаться усталостной нагрузке, в дополнение к уменьшению работы, требуемой в других сварных швах, где в противном случае корневая кромка должна была бы быть отшлифована. Плазменная сварка аустенитной нержавеющей стали толщиной 5 мм обеспе- чивает выпуклость сварного шва около 0,3 мм и корневого валика около 0,2 мм; • Оценка качества сварки возможна во время сварки; • Высокое металлургическое качество по сравнению с обычными сварочными материалами TIG; • Гибкость, благодаря возможности выполнять сварку глубокого проплавле- ния и сварные швы с использованием одного и того же оборудования. Единственный большой недостаток плазменной дуговой сварки – это необходимое оборудование. Источники питания, газовые контроллеры и го- релки все сложнее и дороже, а горелки имеют тенденцию быть большими, что затрудняет управление при ручном использовании. Что касается газо- вольфрамовой дуги, плазменные горелки могут использоваться с некоторыми модификациями для резки [1]. На основе вышеизложенного, цель работы заключается в разработке универсальной конструкции плазмотрона, которая будет использоваться как для наплавки, так и для сварки материалов. 6 1. Сведения о плазменных процессах 1.1 Плазма и ее свойства Плазма часто считается четвертым состоянием материи. Остальные три – газ, жидкость и твердое тело. Плазма возникает, когда газ нагревается до высокой температуры и превращается в положительные ионы, нейтральные атомы и отрицательные электроны. Когда вещество переходит из одного со- стояния в другое, требуется скрытое тепло, чтобы превратиться в пар, и ана- логичным образом плазменная горелка подает энергию газу, чтобы превратить его в плазму. Когда плазма снова превращается в газ, выделяется тепло. Лю- бая сильноточная дуга состоит из плазмы, которая представляет собой не что иное, как ионизированный проводящий газ. Плазменный газ нагнетается через горелку, окружающую катод. Основной функцией плазменного газа является защита корпуса горелки от экстремального нагрева катода. Наиболее часто используется аргон и смеси вместе с ним (поскольку они не воздействуют на вольфрамовый или медный катод). Плазменная дуга состоит из плазменного газа электронной дуги и газов, используемых для за- щиты струйного столба [2]. 1.2 Классификация методов плазменной сварки Существует три различных класса плазменной сварки в зависимости от текущего диапазона: • Микроплазменная сварка (0,1 – 25 А). Концентрированная дуга позволяет ей оставаться стабильной вплоть до тока около 0,1 А, что означает, что процесс можно использовать для сварки металлов толщиной до около 0,1 мм. Это де- лает процесс привлекательным, например, для аэрокосмической промышлен- ности. • Плазменная сварка на средних токах (25 – 150 А). В этом диапазоне метод более непосредственно конкурирует со сваркой TIG. Он подходит для ручной или механизированной сварки и используется в таких областях, как автомоби- 7 лестроение, для сварки тонколистовых материалов без искажения или недопу- стимых сварных соединений, как при сварке MIG, или для сварки труб на пи- воваренных заводах или молочных заводах. • Плазменная сварка глубокого проплавления (на больших токах) (> 150 А). Третий тип плазменной сварки получил свое название от «замочной скважи- ны», которая создается, когда стыковые кромки в стыковом сварном шве рас- плавляются при прорезании через них плазменной струи. Когда струя движет- ся вперед, расплавленный металл прижимается назад, заполняя соединение позади струи. Основные преимущества плазменной сварки заключаются в том, что ме- тод сварки глубокого проплавления можно использовать для стыковых свар- ных швов от примерно 3 мм до 7–8 мм. Глубокое проплавление дает гарантию полного проникновения; для сравнения, метод TIG подходит только для сты- ковых сварных швов толщиной до 3–4 мм. Соединения с более толстыми ма- териалами должны быть подготовлены с V или U соединением, а затем запол- нены наполнителем. Сварка глубокого проплавления не подходит для более тонких материа- лов толщиной менее 3 мм. В этих обстоятельствах процесс становится намно- го более похожим на сварку TIG. Снижение расхода плазменного газа до низ- кого уровня может привести к тому, что плазменная горелка может работать так же, как и обычная горелка TIG, что может быть полезно при изготовлении прихваточных или наплавочных швов. Основным преимуществом по сравне- нию с обычной сваркой TIG является прежде всего отличная стабильность ду- ги [3]. 8 1.3 Методы получения низкотемпературной плазмы Основным способом получения низкотемпературной плазмы, использу- емой для технологических целей, является создание электрического разряда между электродами в газах. Нейтральные и неионизированные газы обычно не проводят электрический ток, однако при высокой напряженности электриче- ского поля происходит ионизация газа, что является электрическим пробоем. Дело в том, что при прохождении электрического тока через ионизированный газ происходит нагрев газа до состояния термодинамического равновесия. На данный момент различают 4 типа самостоятельных разрядов: искро- вой, дуговой, тлеющий, коронный. Они изменяются в зависимости от давления газа, конфигурации элек- тродов и параметров внешней цепи. 1.4 Оборудование Для плазменной сварки/наплавки требуется следующее оборудование: • сварочная горелка; • источник питания; • генератор; • контрольное оборудование; • баллоны с газом; • оборудование для подачи порошка; • блок водяного охлаждения. 9 Рисунок 1 Общая схема сварочного поста Здесь применяются те же основные требования, что и к сварке TIG. Плазменные сварочные горелки обычно охлаждаются водой. Источник питания В плазменной сварке используется постоянный ток, а для алюминия и алюминиевых сплавов также переменный ток с характеристикой понижения, как и для сварки TIG. Напряжение холостого хода должно быть не менее 80 В. Высокочастотный генератор В принципе, назначение высокочастотного генератора такое же, как и при сварке TIG. Однако при использовании в плазменной сварке генератор 10 обычно не попадает на основную дугу. Вместо этого он поражает вспомога- тельную дугу как непередаваемую дугу с током, текущим между электродом и плазменным соплом. Другими словами, пилотная дуга может поддерживаться в воздухе. Когда горелка приближается к заготовке, главная дуга зажигается, а вспомогательная дуга гаснет. Контрольное оборудование Необходимое контрольное оборудование зависит от того, в какой степе- ни процесс сварки механизирован. Однако обычно автоматически контроли- руется предварительный и последующий поток защитного газа, генератора и вспомогательной дуги. Часто существует автоматическое управление, чтобы гарантировать, что дуга зажигается в чистом аргоне, после чего подача газа переключается на конкретный газ, который используется. 1.5 Виды источников плазмы Устройства, с помощью которых возможно создание потоков плазмы с широким диапазоном параметров, делят на два класса: • плазменные ускорители; • плазмотроны. Плазменными ускорителями называют устройства, образующим поток плазмы с высокой плотностью и энергией ионов. Скорость частиц при этом составляет более 195 м/с. Достижение в плазменных устройствах таких высо- ких значений основных параметров потока определяется тем, что в них ионы, также как в ускорителях заряженных частиц, ускоряются электромагнитным полем. Под плазмотронами понимают устройства для получения низкотемпера- турной плазмы, в которых электрическая энергия внешнего источника пита- ния преобразуется в ионизацию частиц рабочего вещества и энергию частиц плазмы. Получаемая в плазмотронах плазма имеет электронную температуру, не превышающую К, скорость ее частиц обычно не выше м/с, а энер- 11 гия ионов не более 10 эВ/нуклон. Вместе с тем высокая плотность частиц мо- жет обеспечить передаваемую потоком мощность до 10 МВт. Для получения плазмы, используемой в технологических целях, приме- няют плазмотроны, подразделяемые на дуговые и высокочастотные. В дуговых плазмотронах плазма с требуемыми характеристиками полу- чается при взаимодействии электрического дугового разряда, возбуждаемого между двумя электродами, с подаваемым в зону разряда под давлением плаз- мообразующим газом. Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из сле- дующих основных узлов: одного электрода (катода) или двух электродов (ка- тода и анода), разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего газа. По способу создания плазмы выделяют два типа дуговых плазмотронов: прямого действия с одним электродом и косвенного действия с двумя электродами, рис. 2. Рисунок 2 Плазменная струя прямого и косвенного действия 12 В плазмотроне прямого действия электрическая дуга возбуждается и устойчиво горит между катодом плазмотрона и поверхностью заготовки. Ра- бота такого плазмотрона возможна только при электропроводной заготовке, являющейся одним из полюсов (анодом) дугового разряда. Деталь разрядной камеры с отверстием, через которое истекает плазма, называется соплом плазмотрона. Вихреобразный поток плазмообразующего газа продувается че- рез сопло, отделяет электрическую дугу от его стенок и при этом сжимает ионизированную область дуги. Это приводит к повышению плотности потока ионов и, соответственно, повышению температуры в дуговом канале. Зажигание дуги между катодом и заготовкой в дуговых плазмотронах прямого действия осуществляется в два этапа. Это связано с тем, что постоян- ного напряжения между заготовкой и катодом недостаточно для первоначаль- ного электрического пробоя значительного по длине промежутка между ними. Поэтому на первом этапе осуществляют электрический искровой пробой меж- ду катодом и соплом за счёт высоковольтного разряда. В результате иониза- ции газа между ними зажигается дежурная электрическая дуга, которая иони- зирует поток газа, доходящий до заготовки. Только после этого происходит зажигание основной электрической дуги. Питание дежурной дуги после этого отключают. Обычно в плазмотронах прямого действия, использующих воздух в ка- честве рабочего газа, катод изготавливают из меди с центральной вставкой из гафния. Катод и вставка интенсивно охлаждаются водой по каналам. Катодное пятно располагается на поверхности гафниевой вставки, которая при высокой температуре покрывается проводящей электрический ток окисной плёнкой, предохраняющей вставку от дальнейшего окисления. За счёт нагрева до высо- кой температуры поступающего в плазмотрон газа его объём резко увеличи- вается, и он выходит из сопла плазмотрона со скоростью, многократно пре- вышающей скорость звука (в воздухе 331 м/с). В плазмотронах косвенного действия дуговой разряд осуществляется между анодом и катодом, являющимися элементами конструкции плазмотро- 13 на. Дуга электрически не соединяется с обрабатываемым изделием, а плаз- менный поток выдувается плазмообразующим газом на заготовку. При ис- пользовании таких плазмотронов возможна обработка неэлектропроводных материалов, но термический коэффициент полезного действия этих плазмот- ронов несколько ниже, чем плазмотронов прямого действия. Схема реализа- ции плазменной обработки с использованием плазмотронов косвенного дей- ствия получила название плазменной струи. Воздействие высоких температур на детали плазмотронов требует их интенсивного охлаждения и применения специальных термостойких материа- лов. Охлаждение обычно осуществляют водой по каналам, а в плазмотронах малой мощности – воздухом. В процессе работы электроды дуговых плазмотронов разрушаются. Происходит их эрозия, идущая интенсивно при высоких температурах. Даже такие тугоплавкие материалы, как вольфрам и графит, подвергаются при ду- говом разряде плавлению и испарению, особенно в зонах эмиссии электронов на катоде (катодных пятнах), где плотность электрического тока достигает , а температура 5000 К. Плазма дуговых плазмотронов в связи с эрозией электродов содержит частицы вещества электродов. Когда этот процесс по технологическим сооб- ражениям полезен, его инициируют (плазмотрон с расходуемыми электрода- ми). Мощность дуговых плазмотронов составляет – Вт; температура струи на срезе сопла 25000 – 30000 К; промышленное КПД 50 – 90 %. В каче- стве плазмообразующих веществ используют воздух, В основе работы высокочастотных плазмотронов лежит создание высо- котемпературных плазменных потоков в переменном электрическом поле. В зависимости от способа возбуждения высокочастотного газового разряда раз- личают индукционные, ёмкостные, факельные и коронные высокочастотные плазмотроны. 14 Для технологических целей наибольшее распространение получили ин- дукционные высокочастотные плазмотроны. Основными узлами устройства являются разрядная камера, выполненная в виде диэлектрической трубки, си- стема подачи рабочего вещества, источник высокочастотного электропитания, индуктор, подключённый к этому источнику энергии. Индукционный высоко- частотный плазмотрон является безэлектродным разрядным устройством, в котором плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Механизм ионизации атомов и молекул в нём, как и в дуговом плазмотроне, определяет- ся столкновениями с электронами. Отсутствие в разряде неоднородностей, ха- рактерных для дугового плазмотрона (катодные, анодные пятна и др.) делают высокочастотный разряд более стабильным. Сам разряд представляет собой плазму с неравномерным распределением температуры и проводимости по её объёму. Температура в центре разрядной камеры высокочастотного плазмотрона и на начальном участке плазменной струи достигает 104 К, а скорость истече- ния плазмы – м/с. Мощность потока может составлять 106 Вт, а КПД пре- образования энергии для разных высокочастотных плазмотронов достигает 50 – 80 % [4]. В таких плазмотронах, как и в рассмотренных выше дуговых плазмот- ронах, для термоизоляции разряда используется «закрутка» дополнительного газового потока. Газ подаётся в разрядную камеру по спиральным каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генери- руемую плазменную струю. Это позволяет применять для изготовления раз- рядной камеры плазмотрона материал со сравнительно низкой термостойко- стью. В высокочастотных плазмотронах могут быть использованы любые ра- бочие газы, в том числе и агрессивные. Поэтому плазмотроны этого типа нашли применение в основном в технологиях плазмохимии при создании но- вых веществ в химических реакциях, протекающих при очень высоких темпе- ратурах. 15 Очень близкими к индукционным высокочастотным плазмотронам по принципу получения плазмы и устройству являются сверхвысокочастотные плазмотроны. Преимущество сверхвысоких частот в основном связано с более высоким коэффициентом поглощения их в плазме. В этой связи эффективная передача энергии электромагнитного поля в плазму происходит уже при тем- пературе около 4000 К. Кроме того, использование сверхвысокочастотных плазмотронов позволяет получать сильно неравновесную плазму при давлени- ях, близких к атмосферному. Принцип работы высокочастотного ёмкостного плазмотрона основан на ёмкостной связи источника питания с проводящей зоной разряда между элек- тродами. Передача энергии в зону разряда с образованием плазмы осуществ- ляется с помощью ёмкостного тока, подаваемого на обкладки конденсатора. Образование плазменной струи осуществляется продувкой плазмообразующе- го газа [5]. |