RU2257983C2

RU2257983C2 - Electric arc control process

Info

Publication number: RU2257983C2
Application number: RU2003128377/02A
Authority: RU
Inventors: В.А. Достовалов (RU); В.А. Достовалов; Д.В. Достовалов (RU); Д.В. Достовалов
Original assignee: Достовалов Виктор Александрович; Достовалов Демьян Викторович
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-08-10
Also published as: RU2003128377A

Abstract

FIELD: processes for controlling electric arc at treating materials, possibly in different branches of industry.

SUBSTANCE: process comprises steps of forming electric arc discharge in gap between cathode arranged in gas supply nozzle of tool for electrothermic treatment of materials and treated material; blowing electric arc discharge by gas flow with increased degree of turbulence; swirling gas flow before its ejection from gas supply nozzle of tool for electrothermic treatment. It provides increased surface area of cross section of arc discharge column in working zone.

EFFECT: possibility for treating sufficiently large-size parts.

1 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, placed in the gas nozzle of the tool for electrothermal treatment of materials, and the processed material and blowing the initial portion of the arc discharge 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 sufficiently large sizes, since it leads to a decrease in the size of the simultaneously processed working zone 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 осуществляется 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 is 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 на в этой зоне дугового разряда) и тем самым обеспечении возможности обработки деталей достаточно больших размеров и расширении 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 size of the cross-sectional area of the column of the arc discharge in its working area while reducing the specific energy density in this zone of the arc discharge) and thereby ensuring the possibility of processing parts of a sufficiently large size 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. Кроме того, газовый поток турбулизируют до его выхода из газоподающего сопла инструмента для электротермической обработки материалов.The problem is solved in that the method of controlling the 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 treated and blowing the arc discharge by a gas stream, is characterized in that the arc discharge is carried out by a gas stream with high degree of turbulence. In addition, the gas stream is turbulized before it leaves the gas nozzle of the electrothermal treatment tool.

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 material being processed.

Признаки второго пункта формулы обеспечивают повышение эффективности процесса турбулизации газового потока.The signs of the second paragraph of the formula provide an increase in the efficiency of the process of turbulization of the gas stream.

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, 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 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 показало, 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 pulsations of the flow;

- при переходе в область турбулентного режима обдува отмечено возрастание как локальной, так и технической напряженности электрического поля 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 electric field intensities and the appearance of arc column oscillations relative to the flow axis are observed, which, in turn, lead to an increase in the amplitude of the voltage pulsations.

На фиг.1 показана схема устройства, обеспечивающего реализацию заявленного способа; на фиг.2 показан поперечный разрез (А-А) через газоподающее сопло со стороны обрабатываемого материала.Figure 1 shows a diagram of a device that provides the implementation of the claimed method; figure 2 shows a cross section (aa) through 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, газоподводящий канал 3, турбулизатор 4. Кроме того, на чертеже показаны обрабатываемый материал 5, дуговой разряд 6, рабочая зона 7 дугового разряда 6, турбулентный газовый поток 8, зазор 9 между катодом 2 и обрабатываемым материалом 5, вставка 10.To implement the inventive 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, a gas supply channel 3, a turbulator 4. In addition, the drawing shows the material to be processed 5, arc discharge 6, working zone 7 of the arc discharge 6, turbulent gas flow 8, the gap 9 between the cathode 2 and the processed material 5, insert 10.

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 10. Катод 2 подключен к системе водяного охлаждения и источнику тока (на чертежах не показаны). Выбор материала вставки 10 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 10 должна быть изготовлена из вольфрама). Вставка 10 должна на 5-7 мм выступать наружу (за пределы газоподающего сопла 1). Газоподводящий канал 3 имеет кольцевое сечение, связан с зазором между катодом 2 и внутренней поверхностью газоподающего сопла 1. Он выполнен из металла и подключен к источнику газа (на чертежах не показан), при этом его выпускное отверстие размещено вокруг катода 2 с возможностью взаимодействия газового потока с турбулизатором 4.The gas supply nozzle 1 is made of metal with high thermal conductivity (copper), the cathode 2, located in the gas supply nozzle, is also made of metal with high thermal conductivity (copper), in the form of a cup facing the bottom to the surface to be pressed into, in the center of which is pressed (zirconium or hafnium) insert 10. 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 10 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 10 must be made of tungsten). Insert 10 should protrude 5-7 mm outward (outside the gas supply nozzle 1). The gas supply channel 3 has an annular cross section, connected with the gap between the cathode 2 and the inner surface of the gas supply nozzle 1. It is made of metal and connected to a gas source (not shown in the drawings), while its outlet is located around the cathode 2 with the possibility of gas flow interaction with turbulator 4.

Выбор газа для обдува столба дугового разряда 6 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).The choice of gas for blowing the arc discharge column 6 depends on the material of the surface to be treated (for example, air can be used to process materials based on iron and its alloys, it can be argon when processing titanium, aluminum, etc.).

Турбулизатор 4 выполнен в виде решетки, перекрывающей выпускное отверстие газоподводящего канала 3. Кроме того, турбулизатор 4 может быть выполнен в виде искусственной шероховатости внутренней поверхности газоподающего сопла 1 и внешней поверхности катода 2.The turbulator 4 is made in the form of a lattice overlapping the outlet of the gas supply channel 3. In addition, the turbulator 4 can be made in the form of artificial roughness of the inner surface of the gas supply nozzle 1 and the outer surface of the cathode 2.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.The claimed method is as follows.

Инструмент для электротермической обработки материалов размещают у поверхности обрабатываемого материала 5, включают в работу источник газа, систему водяного охлаждения катода 2 и источник тока (на чертежах не показаны). В результате касания обрабатываемой поверхности 5 вставкой 10 формируется дуговой разряд 6 в зазоре 9 между катодом 2 и обрабатываемым материалом 5 (вернее дуговой разряд 6 привязан к вставке 10 катода 2). На начальном этапе формирования дугового разряда 6 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 проходя через турбулизатор 4 приобретают высокую степень турбулентности.A tool for electrothermal processing of materials is placed near the surface of the material being processed 5, 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 5 with the insert 10, an arc discharge 6 is formed in the gap 9 between the cathode 2 and the processed material 5 (or rather, the arc discharge 6 is attached to the insert 10 of the cathode 2). At the initial stage of the formation of the arc discharge 6, it is advisable to use a well-known technique - to use the technological bar, i.e. a piece of metal 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 burns and other damage to the treated surface). The gas jets passing through the turbulator 4 acquire a high degree of turbulence.

В результате обдува дугового разряда 6 турбулентным газовым потоком 8 с высокой степенью турбулентности сплошной столб дугового разряда 6 разделяется (в рабочей зоне 7, т.е. на контакте с обрабатываемым материалом 5) на множество отдельных, одновременно существующих дуговых разрядов, что обеспечивает многократное увеличение размеров площади поверхности обрабатываемого материала 5, одновременно взаимодействующей с дуговым разрядом 6.As a result of the blowing of the arc discharge 6 by a turbulent gas stream 8 with a high degree of turbulence, the continuous column of the arc discharge 6 is divided (in the working zone 7, i.e., in contact with the processed material 5) into many separate, simultaneously existing arc discharges, which ensures a multiple increase the size of the surface area of the processed material 5, simultaneously interacting with the arc discharge 6.

Claims

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 processed material and blowing the arc discharge by a gas stream, characterized in that the arc discharge is carried out by a gas stream with a high degree of turbulence, when this gas stream is turbulized until it exits the gas supply nozzle of the tool for electrothermal processing of materials.