Выравнивающее свойство сварочной ванны Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 85 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1957 г.

ОХЛАЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ В КОНУСЕ РАСПЫЛА ПРИ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЫЛЕНИЕМ

А. Ф. КРУПИН, Г. П. БОЙКОВ (Представлено проф. докт. техн. наук А. Н. Добровидовым и проф. докт. техн. наук Г. И. Фукс)

Исследование температуры частиц в конусе распыла при металлизации распылением имеет большое практическое значение и представляет теоретический интерес.

Первоначальные сведения о температуре частиц в момент удара их о металлизируемую поверхность носили чисто качественный характер. Лишь позднее температура частиц в конусе распыла была определена экспериментально калориметрическим методом [1, 2], с помощью оптического пирометра [3 и др.], термопарой [4] и по форме частиц после удара их о полированную стальную пластину [5]. Трудность решения задачи связана с тем, что размеры частиц металла, по данным различных исследователей, находятся в пределах от 0,001 до 0,015 мм [2, 6], и время полета их от очага плавления до поверхности металлизируемого изделия колеблется в пределах от 0,002 [6] до 0,003 сек [7].

Экспериментальные методы исследования температуры частиц в конусе распыла позволяют определить лишь среднюю температуру металлических частиц, без указания их размера. Полученные при этом различными авторами результаты измерений разноречивы, о чем свидетельствуют данные табл. 1, и поэтому мнения исследователей о механизме слоеобразования и о природе сил сцепления частиц в металлизационных слоях также расходятся.

Таблица 1

Автор и источник Метод измерения температуры Материал Способ металлизации Температура частиц при ударе

Н. В. Катц [2] Калориметрический Сталь Электрический 0,55-0,80 Ц-р1)

А. Ф. Троицкий [1] Расчетно-кало-риметрический Сталь Электрический 0,85—0,95 W)

Г. А. Иоанниди [3] Оптический Сталь Электрический 820-1167°С

Л. В. Красниченко [5] По форме частиц Сталь Электрический t пл

Т. Терстон [4] Термопарой Различные материалы Газовый Хпл

Нами сделана попытка решить этот вопрос теоретически для любых размеров частиц металла, имеющих место при электрометаллизации. При этом за исходные данные приняты имеющиеся в литературе величины размеров частиц, времени полета частиц, а также значения теплофизиче-ских характеристик материалов.

tко — температура кристаллизации, Хпл — температура плавления металла.

21. И-;в. ТПИ, т. НГ>.

Физическая картина процесса

Под воздействием тепла вольтовой дуги в металлизационном пистолете происходит плавление стальных электродов, металл которых служит материалом для требуемого покрытия. В момент плавления жидкая масса металла распыливается свободной струей воздуха на мельчайшие частички, которые под действием сил поверхностного натяжения стремятся принять форму шара. Жидкая частица, вылетая из очага плавления металлизацион-ного пистолета, начинает резко охлаждаться в основном за счет лучеиспускания.

Постановка задачи

Стальной шар диаметром 21^—5 микрон при температуре ¿0=155О°С в начальный момент времени помещается в воздушное пространство и охлаждается в течение времени полета тЯОуг=0,002—0,003 сек.

Для расчета охлаждения стального шара принимаем следующие данные [8]:

коэффициент теплопроводности Ь=25 /скалам час град, коэффициент температуропроводности а—0,025 м2/час, коэффициент излучения материала С=4,2 ккал\м2яас °К4. Влиянием конвекции на процесс охлаждения шара пренебрегаем.

Основные обозначения

Тт

вт —--критерий безразмерной переменной температуры;

Тс

Т

80 = —---критерий безразмерной начальной температуры;

Тс

ц П

Нь—-—--критерий Кирпичева;

--критерий Фурье;

0.с1— —--критерий безразмерного лучистого потока на поверхности те ла

Яс

— радиус металлической частицы, м; х —время от начала охлаждения, сек;

— расчетный интервал времени, час; Т — абсолютная температура тела, °К;

^ —температура тела по стоградусной шкале, °С;

тп — число, показывающее сколько интервалов времени х1 прошло от

начала охлаждения; |хп — характеристические числа, полученные из уравнения —^ [9].

Для того, чтобы произвести требуемый расчет, воспользуемся выражением для прогрева „тонкого* шара [10, стр. 89], которое можно представить в критериальной форме

е^во + з-лг/^.Е (1)

1=1

Так как критерии Кирпичева, Фурье и безразмерного лучистого потока являются характеристиками как нагрева, так и охлаждения, то, изменяя

знак перед произведением этих критериев на обратный, сведем задачу на . нагревание к задаче на охлаждение. Тогда выражение (1) перепишется так:

1—т

= в0 — З.Я/./^.Е (2)

¿=1

Производя замену критериев подобия через соответствующие им симплексы и комплексы, для расчета охлаждения шара получим окончательную формулу:

Ъ = 3. (3)

где

—({£)- <«>

лучистый поток от поверхности шара; ^ — расчетный интервал времени, .определяемый с помощью формул [10, стр. 63 и 100]

0,0155. То

= --(5)

и от <

да. а

5.(^1 — ^2)

ЫЗ + 2Ее ' ) ' (6)

Л=1

здесь <рт — действительная погрешность расчета.

Используя соотношения (3—6), производим следующие операции:

1. Определение расчетного интервала времени. Согласно формуле (5) х, = 15,2* 10~8час.

2. Определение температуры шара по истечении первого расчетного ^интервала времени т1в

Согласно формуле (3)

и = и — Ъ . Чы = 1465°С.

Тогда лучистый поток, действующий на протяжении второго расчетного интервала времени т1=15,2.10~8 час будет

Ч* = С (А±Ш*ЛА _ 384 - Юз

V 100 / м*-яас

3. Оценка приближения расчета.

Подставляя в неравенство (6) соответствующие числовые значения, шолучим <рт < 0,29. Таким образом погрешность вычислений при выбранном расчетном интервале времени т1=15,2.10-8 час составит менее 29%.

Желая вести расчет с большей степенью точности, задаемся меньшим значением расчетного интервала времени т1 = 3,47.10~8 час. Тогда

= 3' 1 = 1530°С;

V 100 ✓ мКчас

Подставив вместо соответствующих выражений правой части неравенства (6) их значения получим срт< 0,043, т. е. погрешность расчета при выбранном расчетном интервале времени составляет менее 4,3%. Считая

такую погрешность допустимой, для дальнейших вычислений окончательно^ принимаем ti = 3,47.10~8 час.

4. Определение температуры шара по истечении второго такого же отрезка времени от начала прогрева. Согласно формуле (3)

t2 = to- 3 • (q*+qa) = 15Т2°С.

X * /?

Тогда лучистый поток, действующий на протяжении третьего отрезка-времени будет

Ясг^С 425-1СР .

V 100 / мКчас

Зная значение ^я, определяем температуру в конце третьего такого же отрезка времени tj

Ь = to — 3. . + <7,2 + ?f3) = 1494°С.

Л* Jx

Аналогично находим t4t ¿5, t& и т. д. Результаты расчета наносим на график t—f(%) (фиг. 1). Здесь же приведены результаты подобных расчетов: для частиц диаметров в 1 и 15 микрон.

VC 1550 1500

то

1300

1200

two

Í000

900

600 700

0,0005 0,001 Время в сек 0,002 0,003

Фиг. 1. Изменение температуры частиц в зависимости от времени

Для того, чтобы определить температуру исследуемой частицы в конце полета, на оси абсцисс находим значения т = 0,002 сек и х = 0,003 сек и из этих точек восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с соответствующими кривыми t—f(%).

Проведенный расчет температуры частиц в конусе распыла позволяет сделать следующее заключение.

Температура частиц в момент удара их о металлизуемую поверхность хорошо согласуется с экспериментальными данными различных авторов (табл. 1 и фиг. 1).

Проведенные теоретические исследования дают возможность отчасти объяснить те расхождения в экспериментальных данных, которые имеют место в различных работах. Из анализа кривых становится очевидным, что на результаты экспериментальных данных оказывают большое влияние как размеры частиц, так и время их полета, которые, в свою очередь, зависит от режимов металлизации.

Проведенный расчет не является окончательным, так как при исследовании не была учтена скрытая теплота кристаллизации металла, которая до некоторой степени замедляет скорость охлаждения частиц.

Предлагаемый метод исследования может быть рекомендован для ^практических целей в качестве первого приближения.

ЛИТЕРАТУРА

■1. Троицкий А. Ф. Теоретические основы покрытия металлических изделий сталью. Диссертация, Москва, 1952.

2. Катц Н. В., J1 и н н и к Е. М. Электрометаллизация. Сельхозгиз, 1953.

3. Электрометаллизация при ремонте изношенных автодеталей (краткое руководство). Воениздат Народного Комиссариата обороны, 1945.

4. James Е. Cllne, R. Т. Thurston and J. Wulff, Determination of the Temperature of Sprayed Metal Particles, Welding Journal, 1950, Vol 25, № 7.

5. КрасниченкоЛ. В. и ЩиржецкийМ. H. К вопросу образования металлы--зационных слоев. Журнал технической физики, том XXV, вып. 5, 1955.

6. Г^рфункельС. Л. и Бердников М. П. Теория и практика металлизации распылением. Гизлегпром, 1940.

7. Каган Ф. Л. Руководство к лабораторным работам по восстановлению боевых машин. Издание Академии бронетанковых и механизированных войск Красной Армии, 1946.

8. Немчинский А. Л. Тепловые расчеты термической обработки. Судпромгиз, 1953.

9. Лыков А. В. Теория теплопроводности. Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1952.

10. Бойков Г. П. Прогрев тел под действием лучистого тепла (диссертация). Томский ¿политехнический институт, 1955.