Плазменное поверхностное упрочнение металлов (стр. 2 из 17)
Влияние способа подачи газа (аргона) в сопло, геометрия сопла и катода на эффективный КПД нагрева и коэффициент сосредоточенности плазменной дуги
Геометрия сопла
по сечению сопла. При использовании сопла с фокусирующим газом коэффициент сосредоточенности увеличивается. От степени обжатия столба дуги зависят энергетические характеристики плазмотронов (напряжение дуги, эффективная тепловая мощность, концентрации теплового потока и др.), [26,27]Так сжатие дуги, горящей в аргоне при силе тока 150-200Д-А (за счет изменения диаметра сопла и его положения по длине вольфрамового катод а), привело к увеличению напряжения дуги и напряженности электрического поля в столбе дуги, рис,2.2.
Рис.2.2. Распределение теплового потока дуги g( r) по радиусу пятна нагрева малоамперной дуги в зависимости от степени сжатия [ 26]. 1-свободно горящая электрическая дуга;
2- незначительно сжатая электрическая дуга; 3- сжатая электрическая дуга
Исследования, проведенные Новокрещеновым М.М., Рыбаковым Ю.В., Бадьяновым Б.Н., Давыдовым В.А. показали, что на коэффициент сосредоточенности аргоновой плазменной дуги оказывают влияние добавки WF6, SF6, SiCl4, CCl4 и других газов. Так небольшая добавка (0,02-0,5 %) ВР3к аргону при одинаковых начальных условиях увеличивает эффективный КПД нагрева в среднем на 10-15 %, табл.2.2.
Влияние добавок галогенидов к плазмообразующеьу газу на коэффициент сосредоточенности и эффективный КПД нагрева.
Табл.2.2.
| Плазмообразующий газ | Эффективный КПД нагрева, % | Коэффициент сосредоточенности, см2 |
| ArAr + BF3Ar + CCl4Ar + WF6 | 60686670 | 11,614,513,815,2 |
Увеличение коэффициента сосредоточенности объясняется деионизирующим воздействием галогенов в периферийной области столба дуги, что приводит к уменьшению сечения области проводимости и к повышению температуры.
Известно положительное влияние галогенов на увеличение глубины проплавления при аргоно-дуговой сварке, что также связывается с эффектом контрагирования столба сварочной дуги. Проведенные автором эксперименты показали, что при плазменном поверхностном упрочнении в режиме дуги через слой галогенида,глубина уточненного слоя стали 45 увеличивается в 1,2-2,5 раза. Эффект увеличения глубины упрочнения тем выше, чем больше атомов галогена содержит флюсэ а также выше потенциал ионизации металла, входящего в соединение с галогеном, Галогены, увеличивающие глубину упрочненного слоя можно расположить в следующем порядке: фтор,->бром,->хлорэ->йод. Нанесение галогенов на поверхность металла связано с определенными трудностями, что ограничивает применение этого эффекта на практике.
При использовании импульсной плазменной струи старость нагрева поверхности металла при длительности теплового импульса в пределах 100 мкс, достигает 107 ºС\с, а скорость охлаждения 106 º С\с. При сокращении длительности импульса до 10 мкс, скорость нагрева и охлаждения увеличивается на порядок. Распределение теплового потока импульсной струи описывается кривой нормального распределения , а коэффициент сосредоточенности имеет несколько большее значение [8]
(2.11)
По концентрации теплового потока в пятне нагрева импульсные плазменные струи приближаются к электронному лучу и намного превосходят стационарные плазменные струи. Тепловые процессы при плазменном поверхностном упрочнении наиболее просто можно вычислить по известным аналитическим выражениям [7], которые представляют собой решение дифференциальных уравнений теплопроводности в линейной постановке при линейных граничных условиях.
Уравнение процесса распространения тепла в массивном полубесконечном теле от мощного быстродвижущегося нормально-распределенного источника нагрева, каким является плазменная струя, имеет вид [7,9]
(2.12)
гдеТ - температура нагрева;
у,z- ширина и глубина пятна нагрева;
t - время;
То - температура тела;
g - эффективная мощность плазменной струи;
λ,α - коэффициенты теплопроводности,температуропроводности;
υ - скорость перемещения источников.
Мгновенная скорость охлаждения:
(2.13)
W = dT/ dt
Уравнение распространения тепла для случая упрочнения плазменной дугой для точек, расположенных под центром анодного пятна, при скорости перемещения υ<3бм\чимеет вид [10]
(2.14)
r - радиус анодного пятна;
ξ - координата (глубина).
Расчет по уравнению (2.12 – 2.14) показывает, что температура нагрева материала регулируется в интервале от начальной температуры до температуры плавления, скорость охлаждения от 104 до 106º С\с.
При действии на поверхность полубесконечного тела теплового источника движущегося вдоль оси X, следует различать медленнодвижущийея, быстродвижу-щийся и импульсный источники тепла. Первый случай имеет место тогда, когда теплонасыщение успевает произойти раньше, чем пятно нагрева пройдет расстояние, равное радиусу пятна нагрева. При этом максимальная температура нагрева материала находится в центре пятна нагрева. По мере увеличения скорости перемещения теплового источника максимум температуры сдвигается к краю нагрева, в сторону, противоположную направлению перемещения теплового источника. Если тепловой источник движется с постоянной скоростью, то через определенный промежуток времени температурное поле вокруг движущегося источника стабилизируется. При упрочнении импульсной плазменной струей, время распространения теплового потока соизмеримо со временем воздействия плазменной струи на материал. В реальных условиях после прекращения действия теплового источника происходит выравнивание температуры. При этом в начальный момент времени, после прекращения действия происходит продвижение изотермы с фиксированной температурой в глубь материала и после достижения определенной глубиныZmaxимеет место, обратное перемещению данной изотермы [1,7]. Для одномерного случая температура любой точки материала на оси теплового источника, расположенного ниже плоскости Z= 0, определяется из выражения:
(2.15)
где Z-расстояние по оси;
ierfc - функция интеграла вероятности;
τим - длительность нагрева;
r- радиус пятна нагрева;
а, λ - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности. При0 < 1 <τим в уравнении (2.5)приводится к упрощенному виду [1,7]
(2.16)
Плотность энергии в пятне нагрева Wвыражается по следующей зависимости:
гдеgэф - эффективная тепловая мощность плазменной струи(дуги),
τ- длительность нагрева,
d - диаметр пятна нагрева.
С целью последующего вычисления протяженности по глубине зоны нагрева до температуры Тудобно использовать выражение для расчета температур в неявном виде, полученное при допущении τn››√at
(2.17)
где Z - глубина нагрева до температурыT(z,t);
Из выражения (2.17) можно получить простую формулу определения протяженности по глубине зоны нагрева до заданной температуры за счет плазменного
нагрева.
(2.18)
Z ≈ 2√aτим / π - Тλ /W
Для получения за один проход широкой упрочненной дорожки, при упрочнении применяют сканирование (магнитные или механические системы) плазменной струи (дуги) по поверхности в направление перпендикулярном поступательному перемещению. С целью упрощения модель для приближенной оценки парамет-ров сканирования можно представить в виде плоской задачи.
Известно, что в случае использования модели одновременного нагрева полу» бесконечного тела поверхностным тепловым источником с постоянной во времени интенсивностью, можно получить соотношении плотности мощностиgm, требуемой для достижения на поверхности максимальной температурыТтах