Підвищення ефективності плазмового напилення застосуванням електромагнітних дій - Автореферат

Виходячи з того, що високотемпературний газовий струмінь є продуктом взаємодії плазмоутворювального газу з електричною дугою, яка розміщена в межах дугового каналу генератора плазми, доцільним може бути використання магнітного керування положенням електричної дуги в плазмовому розпилювачі для впливу на просторове положення струменя плазми, який формується. магнітний керування газовий дуга розпилювач Враховуючи обмеженість літературних відомостей щодо застосування магнітного поля для керування просторовим положенням дуги в плазмотронах посередньої дії, проведення комплексу досліджень по виявленню взаємозвязку між місцеположенням дугового розряду в дуговому каналі розпилювача та просторовим положенням струменя плазми поза межами розпилювача, а також впливу цих факторів на структуру плями напилення і показники ефективності процесу, є актуальним. довести принципову можливість магнітного керування просторовими параметрами високотемпературного газового потоку та дослідити взаємозвязок місцеположення дуги в дуговому каналі із режимними параметрами роботи розпилювача та параметрами зовнішнього магнітного поля; При цьому отримані нові наукові результати: - вперше експериментально встановлено, що просторове положення струменя на виході плазмотрона з вихровою стабілізацією дуги відносно поперечних осей дугового каналу в умовах дії зовнішнього поперечного магнітного поля визначається просторовим положенням кінцевої ділянки стовпа та плями привязування дуги в дуговому каналі плазмотрона і залежить, в основному, від інтенсивності закручування вихідного плазмоутворювального газу, режимних параметрів горіння дуги, та напрямку індукції зовнішнього магнітного поля; показано, що існує прямий звязок між коефіцієнтом використання матеріалу при магнітному керуванні структурою гетерогенного потоку і якісними характеристиками покриття, зокрема пористістю матеріалу покриття та міцністю зчеплення покриття з основою: підвищення КВМ на 30 - 50 % знижує пористість на 26 - 40 % і підвищує міцність зчеплення покриття з основою на 23 - 52 %.В загальному випадку, область шунтування і частина стовпа дуги в плазмотроні з автогазодинамічною стабілізацією довжини дуги у всьому дослідженому діапазоні струмів (155 - 300 А) розміщується в зоні достатньо високих значень магнітної індукції ЗПМП (зовнішнього поперечного магнітного поля) ((5-49) ?10-3 Тл). Наявність вихідного закручування газу, яке використовується для фіксації катодної плями на активній вставці термохімічного катода і стабілізації дуги на осі дугового каналу вносить певні корективи у місцеположення вихідної ділянки дуги при дії поперечного магнітного поля. Зміна значення параметра кручення k (відношення значення осьової складової швидкості газового струменя до тангенційної складової швидкості) від 2 до 0,3, тобто зменшення співвідношення між осьовою та тангенційною складовими швидкості плазмоутворювального газу, в умовах дії поперечного магнітного поля переміщує площину, в якій лежить пляма привязування дуги, в напрямку закручування плазмоутворювального газу на кут від 30о до 75о, відповідно, відносно поперечних осей дугового каналу. Просторове положення вихідної ділянки стовпа дуги і зони привязування анодної плями визначається напрямком магнітної індукції зовнішнього магнітного поля та напрямком початкового закручування плазмоутворювального газу і змінюється на протилежне, відносно повздовжньої осі дугового каналу, при зміні напрямку ЗПМП. Нове асиметричне розміщення частини стовпа дуги і примусове привязування анодної плями на визначеній ділянці дугового каналу сприяє перебудові температурних і швидкісних полів потоку високотемпературного газу в межах дугового каналу, а витікання газового потоку із асиметричним температурним і швидкісним полем викликає несиметричне його розширення на виході із соплового отвору (відхилення струменя газу від повздовжньої осі дугового каналу розпилювача).Встановлено, що накладання на вихідну частину стовпа електричної дуги плазмотрона посередньої дії зовнішнього поперечного магнітного поля призводить до відхилення напрямку витікання високотемпературного газового струменя відносно повздовжньої осі дугового каналу в результаті виникнення суттєвої асиметрії розміщення дуги в межах дугового каналу. Показано, що просторова, відносно поперечних осей дугового каналу, орієнтація площини, в якій спостерігається відхилення плазмового струменя, залежить від напрямку магнітного потоку зовнішнього магнітного поля і, в меншій мірі, від інтенсивності початкового закручування газового потоку. Доведено, що область шунтування дуги у дослідженому діапазоні струму (155 - 300 А) розміщується в зоні достатньо високих (5 - 49 МТЛ) значень магнітної індукції керуючого зовнішнього магнітного поля (за умови розміщення магнітної системи в районі соплового отвору дугового каналу). Показано, що кут відхилення плазмового струменя відносно повздовжньої осі дугового каналу визначається параметрами режиму роботи генератора плазми і керуючої магнітної системи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Встановлено, що накладання на вихідну частину стовпа електричної дуги плазмотрона посередньої дії зовнішнього поперечного магнітного поля призводить до відхилення напрямку витікання високотемпературного газового струменя відносно повздовжньої осі дугового каналу в результаті виникнення суттєвої асиметрії розміщення дуги в межах дугового каналу.

2. Показано, що просторова, відносно поперечних осей дугового каналу, орієнтація площини, в якій спостерігається відхилення плазмового струменя, залежить від напрямку магнітного потоку зовнішнього магнітного поля і, в меншій мірі, від інтенсивності початкового закручування газового потоку.

3. Доведено, що область шунтування дуги у дослідженому діапазоні струму (155 - 300 А) розміщується в зоні достатньо високих (5 - 49 МТЛ) значень магнітної індукції керуючого зовнішнього магнітного поля (за умови розміщення магнітної системи в районі соплового отвору дугового каналу).

4. Встановлено, що зміна параметра кручення (відношення значення осьової складової швидкості потоку газу до тангенційної складової швидкості) від 2 до 0,3 переміщує на 30о - 75о площину, в якій розміщується пляма привязування та радіальна ділянка стовпа дуги і здійснюється, в подальшому, відхилення потоку високотемпературного газу на виході із дугового каналу розпилювача.

5. Показано, що кут відхилення плазмового струменя відносно повздовжньої осі дугового каналу визначається параметрами режиму роботи генератора плазми і керуючої магнітної системи. Встановлено, що кут відхилення плазмового струменя b (в одну сторону від вихідного положення) зростає з підвищенням магнітної індукції в електромагніті (від 18 до 49?10-3 Тл ) і струму дуги ( від 130 до 200 А) і зменшується при підвищенні тиску плазмоутворювального газу (від 0,3 до 0,5 МПА). При цьому максимальний кут відхилення плазмового струменя повітряної плазми (в обидві сторони від осі дугового каналу) в дослідженому діапазоні зміни режимних параметрів сягає 11о - 12о.

6. Експериментально доведено, що перехід на плазмоутворювальну суміш повітря із вуглеводневим газом (пропан-бутаном) несуттєво зменшує кут відхилення плазмового струменя bs порівняно із плазмоутворювальним повітрям. Збільшення витрати пропан-бутану (від 0,2 до 0,3 м3/год) зменшує кут відхилення плазмового струменя на 15 %. Максимальний кут відхилення плазмового струменя суміші повітря із вуглеводневим газом (в обидві сторони від осі дугового каналу) у дослідженому діапазоні зміни режимних параметрів становить 10° - 11°.

7. Показано, що зовнішнє поперечне магнітне поле посередньо, через зміну просторового положення високотемпературного газового потоку відносно дисперсної складової, впливає на форму і розміри плями напилення при плазмово-дуговому нанесенні покриття.

8. Доведено, що суміщення площин подавання дисперсного матеріалу і відхилення плазмового струменя впливає на геометричні характеристики плями напилення, збільшуючи її площу у поперечному перетині на (15 - 41)%, площу в плані на (10 - 35) % і обєм на (23 - 50) % за рахунок зростання коефіцієнта використання матеріалу (КВМ) у 1,2 - 1,5 рази (залежно від продуктивності напилення, гранулометричного складу дисперсної фази і фізико-хімічних властивостей матеріалу, що напилюється).

9. Показано, що існує прямий звязок між коефіцієнтом використання матеріалу при магнітному керуванні структурою гетерогенного потоку і якісними характеристиками покриття, зокрема пористістю матеріалу покриття та міцністю зчеплення покриття з основою: підвищення КВМ на (25 - 50) % знижує пористість на (20 - 30) % і підвищує міцність зчеплення покриття з основою на (35 - 46) %.

10. Доведено, що при плазмовому порошковому напиленні із застосуванням керуючого магнітного поля як постійного напрямку, так і знакозмінного, відбувається зростання стійкості отриманого покриття до абразивного спрацювання (у конкретних випадках у 1,4 -1,9 рази).

1. Пащенко В. М. Вплив вуглеводневого компонента на енергетичні характеристики плазмових розпилювачів, що працюють на сумішах повітря з вуглеводнями / В. Н. Пащенко, С. П. Солодкий // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2003. - №11. - С. 64-68.

Здобувач брав участь у підготовці та проведенні експериментальних досліджень впливу вуглеводневого компонента плазмоутворювальної суміші на енергетичні характеристики плазмового розпилювача.

2. Пащенко В. М. Дослідження впливу геометричних та режимних параметрів плазмотронів із комбінованим підведенням енергії на температурні та швидкісні поля плазмового струменя / В. М. Пащенко, С. П. Солодкий // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2005. - № 2. - С. 72-79.

Здобувачем удосконалено методику обробки результатів дослідження параметрів струменя плазмотронів із комбінованим підведенням енергії.

3. Пащенко В. Н. Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покритий / В. Н. Пащенко, С. П. Солодкий // Автоматическая сварка. - 2006. - № 6. - С. 53-55.

Здобувачем запропонована схема експериментальної установки, розроблена методика і проведені дослідження впливу режимних параметрів роботи розпилювача та параметрів зовнішнього магнітного поля на просторове положення потоку повітряної плазми, узагальнені результати експериментів.

4. Пащенко В. М. Підвищення ефективності процесу повітряно-плазмового нанесення покриттів магнітним керуванням газопорошковим потоком / В. Н. Пащенко, С. П. Солодкий // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2006. - № 3. - С. 71-75.

Здобувачем досліджений вплив зовнішнього магнітного поля на коефіцієнт використання матеріалу та конфігурацію плями напилення.

5. Пащенко В. М. Проблеми ефективності захисних покриттів у інженерії поверхні машин та обладнання / В. М. Пащенко, В. Д. Кузнецов, С. П. Солодкий // Вісник національного технічного університета України ”КПІ”. - 2006. -№ 49. - С. 178-185.

Здобувачем досліджені особливості впливу зовнішнього поперечного поля на двофазні потоки з дисперсною складовою із матеріалів, що мають різні магнітні властивості; проведені експериментальні дослідження і узагальнені результати впливу зовнішнього магнітного поля на показники якості покриття в нерухомій плямі напилення.

6. Патент 70855 А Україна, МПК7 B05B7/22, H05H1/42. Спосіб введення порошку в плазмовий струмінь розпилювачів та пристрій для його реалізації / Кузнецов В. Д., Пащенко В. М., Солодкий С. П. заяв. 30.12.2003; опубл. 15.10.2004, Бюл. № 10.

7. Патент 34447 Україна, МПК8 B05B7/16, H05H1/26. Пристрій для формування газопорошкового потоку при плазмовому напиленні / Пащенко В. М., Кузнецов В. Д., Солодкий С. П., Свистун С. В. заяв. 18. 03.2008; опубл. 11 .08 .2008, Бюл. № 15.

8. Патент 34848 Україна, МПК8 B05B7/16, H05H1/26. Спосіб формування газопорошкового потоку при плазмовому напиленні / Пащенко В. М., Кузнецов В. Д., Солодкий С. П., Свистун. заяв. 18.03.2008; опубл. 26.08.2008, Бюл. № 16.

9. Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых научных работников, (Николаев, 28-31 октября 2003 г.) /УГМТУ.- Николаев: УГМТУ, 2003.-120 с.

10. Досконалість зварювання - комплексний підхід: тези доповідей Міжнародної науково -практичної конференції, (Київ, 15-17 травня 2007 р.) / НТУУ «КПІ». - К.: НТУУ «КПІ», 2008. - 84 с.

11. Зварювання та суміжні технології: матеріали IV Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів, (Київ, 23-25 травня 2007 р.) / НАН України, ІЕЗ ім. Є.О. Патона. - К.: ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2007. - 223 с.