Колебания мощности электрической дуги в различных типах плазматронов с различными источниками питания. Оценка влияния колебаний мощности плазмотрона на прогрев частиц порошка в плазменном потоке. Мероприятия по улучшению качества плазменных покрытий.
Аннотация к работе
Измерительная система установки позволяет синхронно фиксировать колебания тока дуги, напряжения дуги, колебания давления плазмообразующего газа в разрядной камере плазмотрона, в сопле, на расстоянии 6·10-3м от разрядной камеры плазмотрона и в сопле на расстоянии 4·10-3 м от среза сопла плазмотрона, температуры и скорости, а также яркости плазменного потока на расстоянии 6·10-3 м от среза сопла плазмотрона. I - датчик давления, 2 - датчик давления, 3 - источник питания плазмотрона, 4 - стабилизированный источник питания датчиков давления, 5 - осциллограф H117, 6 - плазмотрон, 7 - датчик яркости плазменного потока, 8 - термопара, 9 - трубка Пито, 10 - клемная коробка, 11 - усилитель. Исследования влияния колебаний электрических параметров дуги на технологические свойства плазменной дуги проводились для, широко распространенных, плазмотронов с газовихревой стабилизацией дуги ПП-25, РП-6 с трансформаторным источником питания ИПН 160/600, РП-6 с тиристорным источником питания АТЕРЗ 200/460, плазматрон ГН-5 со стабилизацией дуги уступом и источником питания ИПН 160/600, плазмотрон с межэлектродными вставками ЭДП-159 и АТЕРЗ 200/460. Осциллограммы изменений напряжения - U, тока дуги-I, мощности, потребляемой плазмотроном - N, давления в разрядной камере плазмотрона - P для плазмотрона РП - 6 с тиристорным источником питания АТЕРЗ - 200/400. Осциллограммы изменений напряжения - U, тока дуги-I, мощности, потребляемой плазмотроном - N, давления плазмы в разрядной камере плазмотрона - Рк, давления плазмы на срезе сопла плазмотрона - Рс, для плазмотрона ГН-5 с установкой УПУ-3Д.Характер этих колебаний связан с колебаниями напряжения источника питания, типом плазмотрона, а также с колебаниями дуги. Данный вид колебаний параметров дуги плазмотрона не приводит к созданию ударных волн в пределах линейных размеров плазмотрона и расстоянии от плазмотрона до подложки и не приводит к диспергированию частиц порошка.
Введение
Тенденции развития техники приводят к росту удельных нагрузок на детали машин, что требует применения современных технологий, позволяющих повысить качество новых и восстанавливаемых изделий. Для деталей, подверженных эксплуатационным изнашивающим воздействиям и коррозии, это может быть обеспечено путем создания покрытий с помощью прогрессивных технологий, к числу которых относят плазменное напыление [1]. Оно характеризуется малым термическим воздействием на напыляемую основу высокой производительностью (до 8 кг/ч и более), экономичностью, наиболее широкой номенклатурой напыляемых материалов по сравнению с другими методами создания покрытий. Однако, плазменное напыление имеет ограничения в использовании, к числу которых относятся: недостаточная когезионная и адгезионная прочность покрытия, остаточные растягивающие напряжения для большинства покрытий, отрицательно влияющие на сопротивление усталости и ограничивающие толщину покрытий, пористость и др. Возможный путь устранения данных недостатков и повышения эффективности технологии плазменного напыления заключаются в совершенствовании инструмента создания покрытий - плазмотрона, плазменной струи, стабильности технологического процесса напыления [2].
Статья посвящена исследованию характеристик плазматрона. влияющих на качество плазменных покрытий и содержит результаты экспериментальных и теоретических исследований.
Состояние исследований и актуальность работы
Элементом, определяющим качество и эффективность технологического процесса плазменного напыления, является электродуговой плазмотрон [3 ,4], так как стабильность технологических параметров напыления зависит от процессов, происходящих при прогреве газа и частиц напыляемых материалов. Проблемой, также, является достижение необходимого качества плазменных покрытий, обеспечивающего их использование при динамических, в том числе ударных, и знакопеременных нагрузках [5].
Эффективность прогрева газа, а, следовательно, и частиц порошка, определяется [6,7] стабильностью параметров горения электрической дуги. Столб дуги колеблется с различной частотой, меняется длина столба. Изменение параметров электрической дуги (тока, напряжения) ведет [8,9] к появлению значительных колебаний потребляемой плазмотроном электрической мощности, а вследствие этого к неравномерному прогреву газа в плазматроне. Знание температуры, и технологических параметров пульсирующей плазменной струи необходимо для повышения качества плазменных покрытий. Значительное количество работ посвящено исследованиям пульсаций в электродуговой плазме [10,11], однако, в основном рассматриваются высокочастотные колебания, модуляция дуги и практически не рассматриваются вопросы крупномасштабных, низкочастотных колебаний мощности электрической дуги и связанных с этим технологических параметров плазматрона.
Постановка задачи и цели исследования
В настоящей работе проводились, в целях повышения эксплуатационных свойств покрытий, исследования крупномасштабных низкочастотных колебаний параметров электрической дуги и их влияние на технологические характеристики процесса плазменного напыления. Высокочастотные колебания не рассматривались, так как самостоятельные колебания параметров дуги с частотой 50 - 60 КГЦ не оказывают [ 9 ] заметного влияния на температуру в скорость плазменного потока.
Методика проведения экспериментов
Экспериментальные исследования крупномасштабных колебаний проводились с помощью экспериментальной установки рис.1. Измерительная система установки позволяет синхронно фиксировать колебания тока дуги, напряжения дуги, колебания давления плазмообразующего газа в разрядной камере плазмотрона, в сопле, на расстоянии 6·10-3м от разрядной камеры плазмотрона и в сопле на расстоянии 4·10-3 м от среза сопла плазмотрона, температуры и скорости, а также яркости плазменного потока на расстоянии 6·10-3 м от среза сопла плазмотрона. Все измерения проводились с применением магнитоэлектрического осциллографа Н117. Регистрация вышеуказанных параметров осуществлялась вибраторами осциллографа на светочувствительной ленте, с последующим определением величин по тарировочным графикам. Применение многоканального осциллографа обусловлено возможностью наблюдать колебания всех параметров одновременно и рассматривать влияние одних параметров на другие показатели плазменной струи.
Измерение температуры оценивалось вольфрамо-рениевой термопарой BP 5/20 с диаметром спая 0,1·10- -3 м. Постоянная времени термопары составляла 3·10-3 , что позволяло регистрировать колебания температуры с частотой 100 Гц. Термопара располагалась по оси потока, на расстоянии L= 6 ?10-3 м от среза сопла плазмотрона, где температура потока недостаточна для ее оплавления.
Рис.1. Схема измерений колебаний напряжения, силы тока цуги, давления в разрядной камере плазмотрона и параметров плазменного потока. I - датчик давления, 2 - датчик давления, 3 - источник питания плазмотрона, 4 - стабилизированный источник питания датчиков давления, 5 - осциллограф H117, 6 - плазмотрон, 7 - датчик яркости плазменного потока, 8 - термопара, 9 - трубка Пито, 10 - клемная коробка, 11 - усилитель.
Колебания яркости плазменной струи фиксировались на расстоянии 5?10-3 м от среза сопла плазмотрона. В качестве датчика для регистрации яркости применяли фотодиод ФД-6Г, который работал в режиме фотоэлемента.
Оценки колебаний полного давления в плазменной струе производили вблизи термопары трубкой Пито с датчиком давления 2.
Исследования влияния колебаний электрических параметров дуги на технологические свойства плазменной дуги проводились для, широко распространенных, плазмотронов с газовихревой стабилизацией дуги ПП-25, РП-6 с трансформаторным источником питания ИПН 160/600, РП-6 с тиристорным источником питания АТЕРЗ 200/460, плазматрон ГН-5 со стабилизацией дуги уступом и источником питания ИПН 160/600, плазмотрон с межэлектродными вставками ЭДП-159 и АТЕРЗ 200/460.
Исследовался также медицинский плазмотрон («Плазменный скальпель»). Для исследований использовались установки плазменного напыления УПУ-ЗМ, УПУ-ЗД, установка типа АПР-402.
Результаты исследований и обсуждение результатов
Во всех исследованных плазмотронах и установках имели место крупномасштабные колебания (см. рис. 2 - рис. 5). На осциллограммах колебательные процессы представлены в относительных величинах (отнесены к максимальному отклонению измеряемого параметра)
Результаты анализа осциллограмм
№ Тип плазматрона Источник питания установки, Установка Колебания тока в % от МАХ Колебания напряжения в % от МАХ Колебания мощности, % Колебания давления в разрядной камере, % Колебания температуры, в плазменном потоке % Колебания давления в плазменном потоке ,% Колебания скорости в плазменном потоке, %
Частотный спектр колебаний крупномасштабных колебаний находился в пределах 100-300 Гц. Амплитуда колебаний мощности, тока и напряжения дуги, давления в каналах плазмотрона менялась в зависимости от вида плазмотрона и источника питания. Результаты анализа осциллограмм сведены в таблицу.
Рис.2. Осциллограммы изменений напряжения - U, тока дуги- I, мощности, потребляемой плазмотроном - N, давления в разрядной камере плазмотрона - P для плазмотрона РП - 6 с тиристорным источником питания АТЕРЗ - 200/400. Действующее напряжение и ток измеренные по приборам установки U=80В, I=160А. Максимальное давление, зафиксированное в разрядной камере плазмотрона Р=5?103ПА.
Рис.3. Осциллограммы изменений напряжения - U, тока дуги- I, яркости плазменной струи - R, давления в разрядной камере плазматрона - P (для плазмотрона РП-6 с плазменной установкой УПУ-3Д).
Рис.4. Осциллограммы изменений напряжения - U, тока дуги- I, мощности, потребляемой плазмотроном - N (для плазмотрона (ГН-5 со стабилизация дуги уступом), плазменной установки УПУ-3М).
Рис.5. Осциллограммы изменений напряжения - U, тока дуги- I, мощности, потребляемой плазмотроном - N, давления плазмы в разрядной камере плазмотрона - Рк, давления плазмы на срезе сопла плазмотрона - Рс, для плазмотрона ГН-5 с установкой УПУ-3Д.
Анализ причин, вызывающих низкочастотные колебания электрических параметров дуги, показал, что, как правило, колебания вызваны несовершенством источника питания. Небольшое (15-20%) снижение параметров питающего напряжения, по одной из фаз, способно вызвать существенные изменения мощности, потребляемой плазмотроном, а, следовательно, меняются и технологические свойства плазменной струи. Амплитуда колебаний зависит от источника питания и режимов работы плазмотрона. На рис.6, рис.7 представлены экспериментальные зависимости относительной амплитуды колебаний мощности, потребляемой плазмотроном, от режимов работы плазмотрона (средней потребляемой мощности, расхода и состава плазмообразующего газа). Из рис.6 видно, что увеличение средней мощности, потребляемой плазмотроном, снижает амплитуду колебаний. Увеличения расхода рабочего газа (см. рис.7) приводят к увеличению амплитуды колебаний мощности, особенно сильно увеличивается амплитуда с повышением расхода азота, что связано [12], видимо, с сильной турбулизацией потока и усилением процессов шунтирования дуги, которые суммируются с колебаниями, возникающими за счет колебаний питающего напряжения. Увеличение расхода рабочего газа ведет [13] к удлинению дуги, а в условиях пульсаций питающего напряжения, к усилению процессов шунтирования, что отражается повышением относительной амплитуды колебаний напряжения дуги.
Таким образом, из сказанного следует, что, варьируя параметрами режима работы плазмотрона, можно снизить амплитуду пульсаций.
В работе [14,15] отмечается положительное влияние модуляции параметров плазменного потока на процесс напыления покрытий. В частности повышается прочность сцепления с подложкой и уменьшение пористости. Полученный эффект объясняется воздействием ударных волн на расплавленные частицы порошка в модулированной плазменной струе. В данной работе рассмотрена возможность возникновения ударных волн в плазмотроне или на дистанции напыления в условиях зафиксированных в экспериментах при импульсном подводе мощности с длительностью импульса порядка 10-2с и амплитудой (0.5-0,6)Nmax.
Считалось что импульсы давления в газе будут распространяться в виде бегущей волны, движущейся слева-направо и справа-налево от участка подвода тепла. Распространение волн давления (волн сжатия) может быть описано Римановским решением [16].
X=(u c)t F(u) (1) u=2/(k-1)·(c-c0)
Функция F(u) определяется из граничного условия, согласно которому при x=0 u = f(x)=u0sin(?t), (2) где X - координата волны, t - время, u - скорость волны, с, с0 - скорость звука и начальная скорость звука соответственно, ? - угловая скорость.
F(u) = (u c) ·1/? ·arcsin(?t), (3) отсюда X= (u c) · (t- 1/? ·arcsin(u/u0)) (4), или u = (sin ? (t - x/(u c)). (5)
Решение получено для колебаний конечной амплитуды и, в начальный момент времени, представляет собой импульс синусоидальной формы. Через некоторое время распространения импульса, в результате деформации волны за счет разности скоростей отдельных областей волны фронт ее будет становиться все более крутым, и волна, в некоторый момент времени, станет ударной. Приравнивая нулю производные DX/du и d2X/du2 найдем время и скорость, необходимые для преобразования волны в ударную волну. ?t = arcsin (u0/u) 1/ (6) u = c0//(k 1) ± (7) плазмотрон плазменный покрытие
По проведенным оценкам, скорость частиц газа на выходе из плазмотрона, при максимальном значении импульса электрической мощности, составляет ?1000 м/с. т.е. u0 =1000 м/с. Начальную скорость звука примем при средней температуре аргоновой плазмы 10000 К, что составляет ?1600 м/с. Скорость волны в момент образования ударной волны составляет ?864 м/с. Время, необходимое для получения такой скорости частицами газа составляет (оценено по формуле (6)) 8.9·10-3 с. При этом дистанция, на которой образуется ударная волна, составляет 17,83 м. Это при условии течения газа без диссипации энергии.
Таким образом, данный вид колебаний параметров дуги плазмотрона не приводит к созданию ударных волн в пределах линейных размеров плазмотрона и расстояния от плазмотрона до подложи. Так как эти дистанции намного меньше, полученных по оценкам. Импульсы давления. Распространяющиеся против течения плазмообразующего газа в область повышенного давления, уменьшаются встречным потоком более холодного и плотного газа. Они также не приводят к возникновению ударных волн, что подтверждается экспериментальными данными о колебаниях давления рабочего газа в транспортирующих каналах (Рис.8). Импульсы давления, распространяющиеся по каналу транспортировки порошка могут замедлять его движение, что должно затруднять подачу порошка именно в момент максимальной мощности плазмотрона и, следовательно, ухудшать качество покрытий. Данные предположения были проверены экспериментально, путем измерения плотности двухфазного потока порошок-транспортирующий газ в транспортирующем канале. Для этого использовалась система динамической регистрации расхода порошка, основанная на светопроницаемости двухфазного потока. Светопроницаемость оценивалась с помощью источника света и фотодиода, размещенных поперек прозрачного канала, транспортирующего порошок. Повышение плотности потока приводило к уменьшению освещенности датчика фотодиода, что уменьшало уровень электрического сигнала фиксируемого осциллографом Н117. Зарегистрированные колебания представлены на рис.8.
Рис.8. Осциллограммы колебаний тока дуги плазмотрона, давления газа, транспортирующего порошок и плотности двухфазного потока порошок-транспортирующий газ для плазмотронов РП-6 и ПП-25. I - ток дуги, P - давления транспортирующего газа, ? - плотность двухфазного потока.
А - РП-6 источник питания АТЕРЗ 200/460; Б - ПП-25 источник питания ИПН 160/600.
Из осциллограмм видно, что при минимальном уровне мощности имеет место некоторое увеличение плотности двухфазного потока, что свидетельствует об увеличении количества частиц порошка в потоке, а, следовательно, и расхода порошка. Наоборот, при максимальном уровне тока и напряжения расход порошка уменьшается. Таким образом, изменение расхода порошка, по проведенным оценочным измерения, составляет 15 - 23 % от максимальной величины. Повышение давление рабочего газа в каналах плазмотрона, в момент увеличения электрической мощности в импульсе, приводит к затруднению подачи напыляемого материала в плазменную струю и снижению эффективности использования тепловой энергии струи, так как значительное количество порошка подается в струю в момент минимальной электрической мощности дуги и относительно низких температурах газа.
Вывод
Экспериментально установлено, что: 1. В технологических плазмотронах имеют место крупномасштабные колебания технологических параметров плазмотрона.
2. Характер этих колебаний связан с колебаниями напряжения источника питания, типом плазмотрона, а также с колебаниями дуги. Колебания потребляемой мощности за период составляет от 50 до 100%.
3. Данный вид колебаний параметров дуги плазмотрона не приводит к созданию ударных волн в пределах линейных размеров плазмотрона и расстоянии от плазмотрона до подложки и не приводит к диспергированию частиц порошка.
4. Увеличение мощности плазматрона в процессе напыления приводит к уменьшению крупномасштабных колебаний в пламенной струе.
5. Увеличение расхода плазмообразующего газа увеличивает колебательные процессы в плазменном потоке.
6. Колебания технологических параметров плазмотрона затрудняет подачу порошка в плазменную струю, что может приводить к ухудшению качества покрытий, так как чередования прогретых и не прогретых частиц ведет к повышению пористости и снижению адгезионной и когезионной прочности. Применение электромагнитного клапана в канале транспортирующего порошок газа синхронизированного, например, с колебаниями тока дуги плазматрона, позволит уменьшить подачу порошка в периоды с минимальной мощностью дуги и тем самым повысить коэффициент использования порошка и качество покрытия.
Список литературы
1. Кадырметов, А. М. Технологический ряд прогрессивных плазменных и газотермических процессов. Обзор /А. М. Кадырметов // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 2008. - С. 119-136.
2. Ильин А.А. Исследование влияния технологических параметров плазменного напыления на структуру и адгезионную прочность титанового покрытия / А.А. Ильин , С.В. Бабин, Е.Н. Егоров // Москва. Технология легких сплавов, 2006 г. № 1-2, С. 202-207.
3. Ю.С.Борисов, Ю.А. и др. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1987 г. 587 с.
4. Хасуй А., Моригака О. Наплавка и напыление. М.: Металлургтя, 1985. С. 12-39.
5. Кадырметов А. М. Исследование процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий и пути управления их качеством /А.М. Кадырметов //Научный журнал КУБГАУ [Электронный ресурс], - Краснодар: КУБГАУ, 2012 №81(07)
6. Г.Ю.Даутов, В.Л.Дзюба, И.Н.Карп Плазмотрон со стабилизированными электрическими дугами, Киев: Наук. Думка., 1984. 315 с.
7. Жданов С.К., Курнаев В.А. и др. Основы физических процессов в плазме и плазменных установках Учебное пособие. М: МИФИ, 2007 г., 372 с.
8. Дзюба В. Л., Корсунов К. А. Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы: Монография. - Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2007. -448 с
9. В.Е.Гутман Электродуговой плазмотрон как источник ударных волн. /В.Е. Гутман //Физика и химия обработки материалов, 1988, №3, С.136-138.
10. И.М. Закиров Исследование пульсаций в электродуговом плазмотроне / И.М. Закиров, Ф.Ф. Залялиева, Д.Б. Тимеркаева, Р.С. Тухватуллин // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2010. № 3
11. Б.Е.Мошкин Исследование пульсаций температуры струй дугового подогревателя / Б.Е.Мошкин // Теплофизика высоких температур, 1967, т.5, №1 С.100-105.
12. А.В Бразявичус Влияние режима течения газа на пульсацию электрических параметров дуги постоянного тока / А.В Бразявичус, В.П. Григарас //тез. Докл. Всесоюзная конф. По генераторам генераторам низкотемпературной плазмы, 1980, Новосибирск,v1.
13. М.Ф.Жуков, А.С.Аньшаков Электродуговые плазмотроны с межэлектродными вставками, 1981, 280с.
14. В.Е.Гутман Влияние модуляции плазменной дуги на адгезию и газопроницаемость порошковых покрытий / В.Е.Гутман //Физика и химия обработки материалов, 1986, №6. С.62-65.
15. Кадырметов, А. М. Технологические возможности и проблемные вопросы плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров /А.М. Кадырметов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - №8. - С. 79 -82.
16. К.Н Станюкович Нестационарное движения сплошной среды. М.: Наука, 1975. 645 с.
1. Kadyrmetov, A. M. Tehnologicheskij rjad progressivnyh plazmennyh i gazotermi-cheskih processov. Obzor /A. M. Kadyrmetov // Perspektivnye tehnologii, trans-portnye sredstva i oborudovanie pri proizvodstve, jekspluatacii, servise i re-monte: mezhvuz. sb. nauch. tr. Voronezh: VGLTA, 2008. - S. 119-136.
2. Il"in A.A. Issledovanie vlijanija tehnologicheskih parametrov plazmennogo napylenija na strukturu i adgezionnuju prochnost" titanovogo pokrytija / A.A. Il"in , S.V. Babin, E.N. Egorov // Moskva. Tehnologija legkih splavov, 2006 g. № 1-2, S. 202-207.
3. Ju.S.Borisov, Ju.A. i dr. Gazotermicheskie pokrytija iz poroshkovyh materialov. Spravochnik. Kiev: Naukova dumka, 1987 g. 587 s.
4. Hasuj A., Morigaka O. Naplavka i napylenie. M.: Metallurgtja, 1985. S. 12-39.
5. Kadyrmetov A. M. Issledovanie processov plazmennogo nanesenija i uprochnenija pokrytij i puti upravlenija ih kachestvom /A.M. Kadyrmetov //Nauchnyj zhurnal KUBGAU [Jelektronnyj resurs], - Krasnodar: KUBGAU, 2012 №81(07)
6. G.Ju.Dautov, V.L.Dzjuba, I.N.Karp Plazmotron so stabilizirovannymi jelektriche-skimi dugami, Kiev: Nauk. Dumka., 1984. 315 s.
7. Zhdanov S.K., Kurnaev V.A. i dr. Osnovy fizicheskih processov v plazme i plaz-mennyh ustanovkah Uchebnoe posobie. M: MIFI, 2007 g., 372 s.
8. Dzjuba V. L., Korsunov K. A. Fizika, tehnika i primenenie nizkotemperaturnoj plazmy: Monografija. - Lugansk: Izd-vo VNU im. V. Dalja, 2007. -448 s