Исследование влияния электродов большого диаметра (более 2 мм) на свойства распыляющей струи при дуговой металлизации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СВАРКА

УДК 621.793.8

В.А.Роянов, Г.А.Мосиенко, В.В.Роянов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА (БОЛЕЕ 2 ММ) НА СВОЙСТВА РАСПЫЛЯЮЩЕЙ СТРУИ ПРИ ДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

Процесс электродуговой металлизации определяется распыляющей газовой струей [1,4], которая диспергирует жидкий металл расплавляемых дугой электродов, располагающихся внутри газового потока. Литературные данные о влиянии электродов на свойства струи противоречивы. Большинство исследователей утверждает, что газовый поток проходит между распыляемыми электродами ионизируется между торцами, чем обеспечивается стабильность дугового разряда [1]. Другие отмечают изменения в характере потока при обтекании электродов [2]. Отсутствуют данные о величине давления между торцами электродов, что не позволяет иметь полное представление об условиях плавления электродов и возможности использования порошковых проволок большого диаметра (более 2 мм) и получения покрытий, затрудняет разработку новых составов порошковых электродов. Проблема заключается в том, что порошковые проволоки состоят из металлической оболочки и шихты (порошки металлов и ферросплавов), которая может выдуваться газовым потоком и не вступать во взаимодействие с металлом оболочки, расплавляемым дугой [3] в процессе электродуговой металлизации.

В настоящей работе представлены результаты исследований свойств распыляющей воздушной струи при взаимодействии ее с моделью электрода, характера распределения давления газа между торцами электрода. Как правило, в современных металлизаторах для формирования распыляющей струи используют головки с соплами цилиндрической формы [4]. Рабочее давление 0,5... 0,6 МПа, расход 60... 150 м^/час. В исследованиях учитывали, что давление среды, в которую истекает распыляющий газ составляет Рп=0,1МПа, а давление на выходе из сопла 0,2 ...0,4 МПа [4] и на много превышает величину избыточного давления Ра=0,0893МПа что соответствует перепаду к сверхзвуковой скорости истечения [5]. Учитывалось также, что картина течения в сверхзвуковой струе, вытекающей из плоского или осесимметричного сопла, зависит от нерасчетности струи [6,7]:

п= Ра/ Рп

Она зависит также от угла раствора сопла, состояние среды куда вытекает струя, значений параметров потока на выходе из сопла. В современных металлизационных аппаратах используются осесимметричные (цилиндрические сопла, когда п значительно больше 2. Достаточной характеристикой дня газового потока может служить суммарное давление [6,8 ]:

Pi =Рст+Рдин > где Рст - статическое давление в потоке,

Рдин- динамическое давление или скоростной поток.

Причем Pcx внутреннее давление прямолинейно движущегося потока газа, которое покажет манометр, условно движущегося в направлении потока. Динамическое давление Рдан. которое способен произвести поток газа.

благодаря энергии движения. Сравнительно легко удается определить суммарное давление Р^, для этих целей используют насадки, диафрагмы, трубки Вентури, Вамбера и Шрамль [8] доказали, что установка изогнутой трубки по схеме рис. 1 позволяет с достаточной степенью точности измерять суммарное давление. В исследованиях определяли величину Р^ используя для этих целей изогнутые медицинские иглы. Принятая схема замеров представлена на рис. 2, позволяет определить величину Р^ в различных участках межэлектродного промежутка (центре и периферийных зонах). В установке для исследований (рис.3) предусмотрено смещение иглы вдоль и поперек торцов электродов.

» 1

3 2

Рис.1. Принципиальная схема измерения суммарного Ре давления потока газа. 1 - изогнутая трубка; 2 - стенки трубы; 3 - поток газа.

Рис.2. Схема замеров Ре в распыляющей струе и межэлектродном промежутке.

1 - модели электродов; 2 - распыляющая струя; 3 - полая игла; 4 - фиксатор;

5 - торцы электродов; 6 - зазор между электродами.

При эксперименте электроды устанавливались под углом 30...35, как в промышленных металлизаторах ЭМ - 12, ЭМ - 13 и др. Угол скоса торцов моделировали с учетом данных в скоростной киносъемке, характера выработки электродов после завершения процесса и данных работы [2} на основании анализа влияния различных факторов на результаты замеров (колебания давления воздуха в сети, влажности, температуры и др.). Объем генеральной совокупности опытов составил N = 10... 15 [9]. По результатам опытов определяли среднее арифметическое значение X [9]:

Х^х,.*, , п

где пц - число близких 1 - х результатов ; п - число наблюдений; х| - получаемое значение .

Рис.3. Схема рабочей части установки для определения Ре .

1 - манометр; 2 - фиксаторы моделей электродов; 3 - транспортир; 4 - модели электродов; 5 - распыляющая система металлизатора; 6 - игла-индикатор; 7 - направляющая; 8 - мановакуметр; 9 - соединительные шланги.

Следует отметить, что отклонения при замерах не превышали 3-5 %. В процессе эксперимента определяли характер изменения величины Р^ по длине распыляющей струи без моделей распыляемых электродов и при наличии последних с различной величиной зазора между торцами. Диаметр моделей электродов принят 2,4 мм, что соответствует оптимальному диаметру порошковых проволок используемых в современных металлизаторах. Угол скоса торцов 30°, величина давления на входе распыляющей системы 0,5 ± 0,05 Мпа (оптимальное значение для промышленных установок). Диаметр распыляющего сопла 6,0 мм. На рис. 4 представлены графики давления по длине распыляющей струи без распыляемых электродов.

на ОЛЧ

олг

оло

м

019 0,14 ОН

ою т 0,06 йог

—и_ 1 -4— 1 Н-н- |' ! 1 — — —

1 ! ! 1 \] „

1 .! -4--1-1 !

ОХ 1

! ! \ I 1 1 ]

1 1 1 1 1

И Л- сро№

) . кЛ 1

«1 1 '

1 1 & аю МП г

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 См*

Рис.4. Характер изменения Ре по длине распыляющей струи (без электродов) при различных значениях давления на входе распыляющей системы (Рвход).

Не трудно усмотреть, что по мере удаления от среза сопла, величина Ру уменьшается с изменением давления на входе распыляющей системы. При

удалении от среза сопла на расстояние 30 мм сохраняется давление выше атмосферного. При больших значениях давления на входе в распыляющую систему имеет место пульсация давления, что вероятно, обусловленно скачками уплотнений. На рис. 5 представлены графики результатов замеров величины Р^ в зоне между торцами электродов при различных уровнях от оси сопла и в распыляющем потоке после электродов. Приведенные результаты исследований показывают:

1. Наличие электродов оказывает влияние на равномерность распределения Р^ в зоне расположения электродов. Между торцами электродов наблюдается снижение Р^.

2. Величина уменьшения суммарного давления газа между электродами зависит от величины зазора и обратно пропорциональна расстоянию между торцами электродов. При величине зазора до 0,5 мм минимальное значение Рг ниже атмосферного (рис.5), а при зазоре 1,0 мм близко к атмосферному приближенно равно 0,018 МПа. При зазоре 2 мм падение давления в межэлектродной зоне практически не наблюдается.

3. При отсутствии зазора между торцами электродов создается разряжение величина которого (в условиях эксперимента) достигает 0,044 МПа (рис.5).

4. При смещении точек замера от осевой линии торцов электродов "по

вертикали" к периферии наблюдается относительное повышение Р^ между торцами электродов, (рис.6). При отсутствии зазора между электродами в пределах площади торцов электродов величина суммарного давления изменяется от центра к внешней части в пределах 0,044...0,032 МПа (рис.5,6).

5. Длина зоны падения давления (разряжение) соответствует длине торцов

электродов незначительно превышая последнюю (как правило /т.э приближенно равно 2 йэ).

6. Величина суммарного давления в межэлектродном промежутке зависит от давления воздуха на входе в распыляющую систему Рвход. (рис.7). С уменьшением Рвход величина разряжения в межэлектродном промежутке уменьшается, что вероятно, связано с приближением к характеристикам ламинарного потока. С ростом Р„*од величина разряжения увеличивается.

Рис.5. Распределение Ре в межэлектродном промежутке в зависимости от величины

зазора. 1 - зазор равен 0; 2 - зазор - 0,5 мм; 3 - зазор -1,0 мм; 4 - зазор - 2 мм.

Полученные результаты прямых замеров суммарного давления в межэлектродном промежутке подтвердили дискретность распыляемого газового потока при его взаимодействии с электродами, наличие падения

Р,МПаг

"ТТЛ"

Рис.6. Распределение Ре в межэлектродном промежутке в зависимости от величины зазора (смещения от оси сопла 2 мм). 1 - зазор равен 0; 2 - зазор 0,5 мм; 3 - зазор I мм.

Рис.7. Влияние Р»ход на распределение Ре вдоль оси сопла (без зазора между электродами).

давления в межэлектродном пространстве, отсутствия прямого воздействия газового потока на межэлектродное пространство, а значит и дуговой разряд, что обеспечивает условия для плавления оболочки и шихты порошковых электродов с последующим формированием легированных частиц, обеспечивающих заданные свойства металлизационных покрытий.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика и установка, позволяющие производить прямые замеры величины суммарного (статическое + динамическое) давление газа в локальной зоне между торцами электродов большого диаметра (Оэ больше 2мм) используемых для дуговой металлизации.

2. Результаты прямого замера Р^ (при моделировании взаимодействия электродов и распыляющего потока) подтвердили наличие падения давления в межэлектродном промежутке и позволили установить характер распределения давления между торцами электродов. Наличие падения давления между торцами электродов (величина разряжения достигает 0,044... 0,016 МПа) подтверждает отсутствие прямого воздействия газового потока на торце электродов, а значит наличие физических условий для

плавления оболочки и шихты порошковых проволок большого диаметра, более 2, 4 мм.

3. Полученные данные позволяют с достаточной степенью точности использовать результаты исследований закономерностей плавления электродов при сварке порошковыми проволоками применительно к процессам дуговой металлизации.

Перечень ссылок

1. Процессы плавления и распыления материала при электродуговой металлизации /Вахалин В.А. Масленников С.Б. Кудинов В.В. и др. // Физика и химия обработки материалов .-1981 .- N3 - С 58-63.

2. Анализ методов управления параметрами напыляемых частиц при дуговой металлизации/Агеев В.А., Белащенко В.Е., Фельдман И.Э., Черноиванов В.И. //Сварочное пр-во.- 1989.- №12.- С. 30-32.

3. Походня И.К. Производство порошковой проволоки.-М: Машиностроение. - 1980 .- 87с.

4. Порошковая металлургия и напыленные покрытия / Под ред. Митина Б. С. - М. :

Металлургия, 1987.- 791с.

5. Гузов С. Г.Расчет истечения газов из круглых отверстий (сопел) применительно к практике газопламенной обработки металлов. // Труды ВНИИ автогенмаш.- М., 1956.-вып. 1 .-С. 27-30.

6. ГинзбургИ.П. Аэродинамика (краткий курс). -М.: Высшая школа, 1966.- 403 с.

7. Абрамович Г.М., Крашенинников С.Ю.,Секунов А.Н. Турбулентные течения при воздействии объемных сил и неавтомодельности.- М.: Машиностроение, 1975. -93 с.

8. ЗарембоК.С. Измерение газовых потоков.-Харьков, 1937.-347 с.

9. Айвазян C.Al Статистическое исследование зависимостей. - М.: Металлурги, 1968.- 228 с.

К