RU2256538C2 - Electric arc control method for treatment of metal - Google Patents

Abstract

FIELD: processes of electric arc treatment of materials.

SUBSTANCE: method comprises steps of forming electric arc discharge in gap between cathode arranged in gas supply nozzle of tool for treatment of materials and treated material; blowing electric arc discharge by means of gas flow of high turbulence degree; feeding at least two accompanying gas streams to inlet of gas supply nozzle of tool for treating materials with possibility of their free mutual interaction; sustaining almost the same speed values of gas streams.

EFFECT: increased area of cross section of electric arc discharge column in its working zone.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к методам управления электрической дугой и может быть использовано в процессах электродуговой обработки материалов.The invention relates to methods for controlling an electric arc and can be used in the processes of electric arc processing of materials.

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).A known method of controlling an electric arc, including the formation of an arc discharge in the gap between the cathode located in the gas supply nozzle of the tool for electrothermal treatment of materials, and the material being processed and blowing the initial portion of the arc discharge by a tangentially directed gas flow (see book. V.A. Dostovalova, Gas-dynamic thermal plasma control.Vladivostok: - Publishing house DVGTU, 2000, p.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.The disadvantage of this solution is determined by the fact that during its implementation there is a compression of the arc discharge by a gas flow swirling around it, i.e. a decrease in the cross section of the arc discharge, which reduces the efficiency of the work on the formation of alloy coatings on the surface of parts of a sufficiently large size, since it leads to a decrease in the size of the simultaneously processed working area, and also to an increase in the energy density in the anode spot, which leads to surface destruction during surface heat treatment.

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).There is also known a method of controlling an electric arc, including the formation of an arc discharge in the gap between the cathode located in the gas supply nozzle of the tool for electrothermal treatment of materials, and the material being processed and blowing the arc discharge by a gas stream (see book. V.A. Dostovalova, Gas-dynamic control of thermal plasma Vladivostok: DVGTU Publishing House, 2000, p.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.The disadvantage of this solution is determined by the fact that, during its implementation, the initial section of the arc discharge was blown by a gas stream formed in an annular gas casing around the arc discharge, and as a result of this effect, the compression of the arc discharge column takes place. Thus, when using tools that implement the known method of controlling an electric arc, there is a decrease in the size of the cross-sectional area on the working section of the arc discharge column, which, due to an increase in the energy density in the column, is dangerous to the destruction (penetration, cutting) of the treated surface, and if this probability is small (for example, due to the increased heat resistance of the processed material), the efficiency of the work on the formation of alloy coatings on the surface of the part decreases a sufficiently large area.

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является увеличение размеров площади поперечного сечения столба дугового разряда на его рабочем участке.The task to which the claimed solution is directed is to increase the size of the cross-sectional area of an arc discharge column at its working section.

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.The technical result obtained when solving the problem is expressed in increasing the productivity of the process of forming an alloy coating (by increasing the cross-sectional area of the arc column at its working area while reducing the specific energy density in this zone of the arc discharge) and thereby providing the possibility of processing large enough parts, and expanding the range of processed materials for their heat resistance.

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.The problem is solved in that the method of controlling an electric arc, including the formation of an arc discharge in the gap between the cathode located in the gas supply nozzle of the tool for electrothermal processing of materials, and the material being processed and blowing the arc discharge by a gas stream, is characterized in that the arc discharge is carried out by a gas stream with a high degree of turbulence, for which at least two satellite jets are fed to the inlet of the gas supply nozzle of the tool for electrothermal processing of materials gas and provide them an opportunity to communicate freely with each other. In addition, the velocity values of the satellite gas jets are kept close to each other.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".A comparative analysis of the features of the claimed solution with the signs of the prototype and analogues indicates the conformity of the claimed solution to the criterion of "novelty."

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.The features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks.

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.The sign “blowing the arc discharge is carried out by a gas stream with a high degree of turbulence” provides the possibility of dividing the channel of the arc discharge into many separate, simultaneously existing arc discharges, which provides an increase in the size of the working area at the contact of the arc discharge and the processed material.

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.The signs “at least two satellite jets of gas are supplied to the input of the gas supply nozzle of the tool for electrothermal processing of materials and enable them to freely interact with each other” provide high efficiency of the gas flow turbulization process.

Признак “значения скоростей спутных струй газа поддерживают близкими друг другу” определяет скоростной диапазон струй газа, при котором степень турбулизации максимальна.The sign “the values of the velocities of the satellite gas jets are kept close to each other” determines the speed range of the gas jets at which the degree of turbulization is maximum.

В основе предлагаемого способа управления электрической дугой положены следующие положения:The proposed method for controlling an electric arc is based on the following provisions:

- известно, что влияние турбулентности потока сказывается не только на изменении структуры и формы столба электрической дуги, но и на величине напряженности электрического поля;- it is known that the influence of flow turbulence affects not only the change in the structure and shape of the electric arc column, but also on the magnitude of the electric field strength;

- известно, что изменение напряженности электрического поля и длины дуги в турбулентном потоке пропорционально квадрату степени турбулентности;- it is known that a change in the electric field and the arc length in a turbulent flow is proportional to the square of the degree of turbulence;

- исследование закономерностей развития неустойчивости дуги показали, что имеется два ее вида: один - обусловленный воздействием магнитогидродинамичесих сил, а второй - обусловленный влиянием турбулентных пульсаций потока;- a study of the laws governing the development of arc instability showed that there are two types: one is due to the action of magnetohydrodynamic forces, and the second is due to the influence of turbulent flow pulsations;

- 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;- when passing into the region of the turbulent mode of blowing, an increase in both local and technical strengths of the electric field of the arc and the appearance of oscillations of the arc column relative to the flow axis, which, in turn, lead to an increase in the amplitude of the pulsations of tension, are noted;

- 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));- when the jet propagates in a confluent stream due to deceleration of the stream, a velocity dip is formed at the nozzle edge, as in the wake of a body; additional trace viscosity is also generated in the trace, which intensifies mixing (analysis of numerous experiments and the conditions in which they were carried out, as well as the design features of various devices, shows that the initial irregularity of the distribution of parameters (the initial boundary layers) has the greatest influence);

- известно, что на срезе даже хорошо спрофилированного сопла (диаметр которого равен d) толщина пограничного слоя (δ ) достаточно велика, т.е. δ ≥ 0,05d, тогда как при истечении из трубы с полностью развитым профилем значение δ =0,5d; так что, в общем случае, выполняется соотношение 0,05d≤ δ ≤ 0,5d. При наличии спутного потока и по мере приближения его значения скорости (u₁) к скорости струи (u₂)(m=u₂/u₁→ 1) относительная роль пограничных слоев возрастает, т.к.вязкость, порождаемая разностью скоростей, убывает.- it is known that even a well-profiled nozzle (whose diameter is d) is cut off, the thickness of the boundary layer (δ) is quite large, i.e. δ ≥ 0.05d, whereas when flowing out of a pipe with a fully developed profile, the value δ = 0.5d; so, in the general case, the relation 0.05d≤ δ ≤ 0.5d is satisfied. In the presence of a confluent stream and as its velocity (u ₁ ) approaches the jet velocity (u ₂ ) (m = u ₂ / u ₁ → 1), the relative role of the boundary layers increases, since the viscosity generated by the velocity difference decreases .

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.Figure 1 shows a diagram of a device that provides the implementation of the claimed method; figure 2 shows a view in cross section aa of the gas supply nozzle from the side of the processed material.

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.To implement the claimed method, a tool for electrothermal processing of materials is used, comprising a gas supply nozzle 1, a cathode 2 located in a gas supply nozzle, gas supply channels 3. In addition, the drawing shows the material being processed 4, arc discharge 5, working zone 6 of arc discharge 5, turbulent gas stream 7, the gap 8 between the cathode 2 and the processed material 4, insert 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.The gas supply nozzle 1 is made of metal with high thermal conductivity (copper), the cathode 2 placed in the gas supply nozzle is also made of metal with high thermal conductivity (copper) in the form of a cup facing “bottom” to the surface to be machined, in the center of which is pressed in (zirconium or hafnium) insert 9. The cathode 2 is connected to a water cooling system and a current source (not shown in the drawings). The choice of material for the cathode insert 9 depends on the material of the surface to be treated (for example, the named embodiment is suitable for processing materials based on iron and its alloys, whereas when processing titanium and some other materials, the insert 9 must be made of tungsten). Insert 9 should protrude 5-7 mm outward (outside the gas supply nozzle 1). The gas supply channels 3 are made in the form of metal pipelines (at least 2) and are connected to a gas source (not shown in the drawings), while their outlet openings are placed around the cathode 2, as shown in FIG. 2. It seems appropriate to place the centers of the outlet openings of the gas supply channels on two circles concentric with respect to the cathode 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.The choice of gas for blowing the arc discharge column 5 depends on the material of the treated surface (for example, air can be used to process materials based on iron and its alloys, it can be argon when processing titanium, aluminum, etc.). The claimed method is as follows. A tool for electrothermal processing of materials is placed at the surface of the material 4 being processed, a gas source, a cathode 2 water cooling system and a current source (not shown) are included in the operation. As a result of touching the treated surface with the insert 9, an arc discharge 5 is formed in the gap 8 between the cathode 2 and the processed material 4 (or rather, the arc discharge 5 is attached to the insert 9 of the cathode 2). At the initial stage of the formation of arc discharge 5, it is advisable to use a well-known technique - to use the technological bar, i.e. a piece of metal that is electrically connected to the treated surface, on which the electric arc is “ignited”, operations are performed to stabilize its burning and only after stabilization of the arc parameters is it transferred to the treated surface (this avoids possible “burn-throughs” and other damage to the treated surface). The gas jets (in the device shown in FIG. 2, the number of these jets is significantly greater than two) is supplied in a satellite (that is, in one direction), giving them speeds close to each other (ideally equal, which is easily ensured with “ feeding ”all the gas supply channels 3 from one gas distribution manifold (not shown in the drawings), and provide the possibility of their free interaction with each other (ie, not separated by any partitions). Such a release of gas jets provides a high degree of turbulence of the gas stream 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.As a result of the blowing of the arc discharge 5 by a turbulent gas flow 7 with a high degree of turbulence, the continuous column of the arc discharge 5 is divided (in the working zone 6, i.e., in contact with the processed material 4) into many separate, simultaneously existing arc discharges, which ensures a multiple increase the size of the surface area of the processed material 4, simultaneously interacting with the arc discharge 5.

Claims (2)

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.1. A method of controlling an electric arc during heat treatment of metal, comprising forming an arc discharge in the gap between the cathode located in the gas supply nozzle of the tool for electrothermal processing of materials and the material being treated and blowing the arc discharge with a gas stream, characterized in that the arc discharge is carried out with a gas stream with a high degree of turbulence, for which at least two tangential jets are fed to the input of the gas supply nozzle of the tool for electrothermal processing of materials gas and provide them an opportunity to communicate freely with each other. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения скоростей спутных струй газа поддерживают близкими друг другу.2. The method according to claim 1, characterized in that the velocity values of the satellite gas jets support close to each other.

Images