Лабораторная работа № 1 (ЭХО-1)

Лабораторная работа № 1 (ЭХО-1)

ФИЗИК0-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ
РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Цель работы: изучить физические и химические основы процесса электрохимической размерной обработки (ЭХО) и ознакомиться с работой электрохимической установки; провести ЭХО образца и вычислить линейный съем металла.

Теоретическая часть
Общие сведения об ЭХО

Метод электрохимической размерной обработки, основанный на анодном растворении металла в проточном электролите, был предложен в 1928 году ленинградскими инженерами В.Н.Гусевым и Л.А.Рожковым (а.с. № 38384 от 31.05.28). Широкое применение метода в промышленности началось а 60-х годах с появлением серийно выпускаемых газотурбинных реактивных двигателей, имеющих лопатки турбины фасонной формы из материалов, трудно обрабатываемых механическим резанием.

При ЭХО (рис.1.1) обрабатываемая деталь, называемая электродом-заготовкой (ЭЗ), подключается к положительному, а электрод-инструмент (ЭИ) - к отрицательному полюсу источника постоянного тока напряжением U =10...20 В.

Электрохимическая размерная обработка относится к бесконтактным методам. Анодное растворение металла ЭЗ происходит при наличии межэлектродного зазора (МЭЗ) a=0,1....0,5 мм.

В межэлектродном промежутке (МЭП) со скоростью υ_э=5...30 м/с прокачивается рабочая жидкость— электролит, В качестве электролита применяют водные растворы солей, например NaCl, NаNO₃ или водные растворы кислот.

Под действием электрического тока происходит растворение материала электрода-заготовки, которая в итоге приобретает форму, соответствующую профилю ЭИ. Продукты анодного растворения уносятся потоком электролита.

Обработка поверхности Э3 проводится при перемещении ЭИ со скоростью V или при неподвижном ЭИ (υ =0).

В настоящее время ЭХО широко применяется на машиностроительных заводах при изготовлении лопаток турбин, компрессоров газотурбинных двигателей и других энергетических машин. Электрохимическим методом эффективно обрабатывают гравюры ковочных штампов, прессформ, колодцы, карманы, фасонные отверстия в различных деталях, снимаются заусенцы и скругляются кромки, проводится клеймение и маркирование, формообразуются наружные и внутренние фасонные поверхности деталей.

Метод ЭXО имеет ряд преимуществ по сравнению с механической обработкой резанием:

- отсутствие износа электрода-инструмента;

- незначительное силовое и температурное воздействие на обрабатываемую поверхность;

- слабая зависимость скорости съема металла от его прочностных характеристик;

- возможность одновременного повышения точности формообразования, снижения шероховатости обрабатываемой поверхности и увеличения скорости съема металла.

К недостаткам ЭХО относят повышенную энергоемкость (10...30 кВт×ч/кг) и сложность процесса, относительно высокую стоимость оборудования и оснастки, значительное время подготовки производства.

Метод ЭХО не является широко универсальным. Оборудование для ЭХО различных деталей составляет в машиностроении 1,5% от всего варка станков. Однако в цехах обработки лопаток турбин и компрессоров заводов авиадвигателестроения доля станков для ЭХО достигает 15-20%.

 

Наибольший экономический эффект обеспечивает применение электрохимической размерной обработки при изготовление деталей с объёмнофасонными поверхностями из

высокопрочных сталей и сплавов при серийном и массовом производстве.

Механизм процесса ЭХО

В растворе электролита молекулы соли и воды распадаются, т.е. диссоциируют, на положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы (рис.1.2). При включении электрического тока начинается направленное перемещение ионов.

Всякая электрохимическая реакция включает следующие три стадии:

1) перенос ионов и молекул к поверхности электродов;

2) электрохимическая реакция - разряд и образование ионов, атомов и молекул;

3) отвод прореагировавших частиц от места реакции.

Скорость процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии.

В первой стадии реакции к поверхности катода подходят ионы водорода, молекулыводы и катионы соли, например Nа⁺; и аноду -анионы соли, например Cl^-, и гидроксила ОН^-

Во второй стадии при ЭХО в водных растворах солей на катоде происходит реакция разложения молекул воды с выделением водорода

В водородных растворах NaNO₃, NH₄NO₃ на катоде вместо образования водорода или наряду с ним происходит реакция восстановления иона до .

Далее реакция идет до образования аммиака NH₃,растворяющегося в электролите. Поэтому при ЭХО в этих электролитах выделение водорода значительно уменьшается по сравнению с растворами хлоридов (NaCl, KCl, NH₄Cl, и т.д.).

При ЭXО в водных растворах кислот на катоде восстанавливается катион Н⁺, так как он имеет более электроположительный потенциал, чем Nа⁺:

На аноде происходят процессы ионизации металла и выделения кислорода

; ; .

В третьей стадии реакции от поверхности катода отводится Н₂ от анода –Meⁿ⁺ и О₂. Необратимые реакции между анионами ОН^- и катионами Meⁿ⁺ c образованием нерастворимых гидроксидов происходят в потоке электролита

Это могут быть гедроксиды Fe(OH)₃, Fе(ОН)₂, Сr(ОН)₃, Ni(ОН)₂ и др. Твердый продукт анодного растворения, называемый на производстве шламом, представляет собой хлопьевидные частицы гидроксида размерами 1-5 мкм.

Выделившиеся на электродах газы и частицы шлама уносятся из МЭП потоком электролита.

Перенос реагентов в МЭП при ЭХО обуславливается:

1) молекулярной диффузией при наличии градиента концентраций молекул, атомов, ионов;

2) миграцией - движением частиц под действием электрического поля;

3) конвективной диффузией - под действием потока электролита.
Следовательно, в общем случае ток в электролите равен суше токов» определяемых этими тремя механизмами переноса

I=I_ДИФ+I_МИГР+I_КОНВ.

При течении потока электролита около твердой границы (рис.1.3) образуется вязкий пограничный слой по толщине б которого скорость потока электролита изменяется от нуля на стенке до значения V_э в ядре потока. Размер . Внутри пограничного вязкого слоя выделяют диффузионный слой δ_диф, на котором концентрация частиц изменяется от на стенке

до в потоке.
Считают, что . Значение δ~1 мкм, δ_ДИФ~0,1 мкм.

Внутри диффузионного слоя выделяют еще более тонкий двойной электрический слой толщиной ~ 0,001 мкм, в пределах которого происходит электрохимические акты катодной и анодной реакций.

За счет молекулярной диффузии осуществляется перенос анионов, катионов, молекул Н₂О к поверхности электродов и отвод продуктов электродных реакций в поток раствора электролита в пределах диффузионного слоя. Например, на поверхности анода концентрация ионов металла достигает максимального значения С`_ме. В толще раствора электролита концентрация ионов металла имеет меньшее значение. Градиент концентраций вызывает диффузионный ток, определяемый по закону Фика.

При режиме стационарной диффузии . С увеличением скорости потока электролита υ_э толщина вязкого пограничного δ и диффузионного δ_диф слоя уменьшается. При постоянном градиенте концентраций ионов это приводит к росту диффузионного тока.

Считают, что конвективная диффузия слабо влияет на перенос реагентов между электродами. За счет конвекции из межэлектродного промежутка удаляются продукты электрохимических реакций: газы и шлам. Поэтому конвективная составляющая J_конв в общем токе незначительна.

В основном потоке электролита, вне диффузионных слоев, преобладает миграционный перенос ионов. В электрохимии ток через электрохимическую ячейку определяют как миграционный ток, например, при плоскопараллельном межэлектродном промежутке.

, (1.1)

где U - найрянение на электродах; U_n- потери напряжения в приэлектродннх слоях на компенсацию электродных потенциалов, на налетах, окисных пленках; а - размер МЭЗ; S - площадь поверхности электрода; æ- удельная электропроводность электролита.

ОТЧЕТ

По лабораторной работе № I (ЭХО-1)

студентов (Ф.И.О., № группы) ________________________________________

__________________________________________________________________

 

Исходные данные

материал образца: сталь_________________________________________
материал электрода-инструмента_________________________________

площадь обрабатываемой поверхности образца S = 5 см²;
электролит - водный раствор _________, рН =_________, плотность

р =_________г/см³, концентрация _________ %, Т =_________°С;
загрязненность электролита _________ %;

давление электролита: Р_вх = 0,15...0,2 МПа (1,5...2 кгс/см2), Р_вых= 0,02...0,05 МПа (0,2...0,5 кгс/см²);
время обработки t = 1 мин;
начальный МЭЗ а₀= 0,5 мм.

 

 

Т а б л и ц a 1.1

№ п/п	Измеряемая физическая величина	Измерительный прибор	Класс точности, цена деления
	Плотность электролита
	Температура
	Кислотность
	Межэлектродный зазор
	Напряжение
	Сила тока
	Давление

 

Т а б л и ц a 1.2

№ опыта	J, А	U, в	а, мм
I0	IК	U0	Uк	а0	aк
θ
ε
Δ х
δ х

 

 

n=3; p=0,95; t=4,3; =

 

ε_a = t·S_a =

 

=

 

=

 

=

 

=

 

=

 

 

Выводы:_________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

 

ОТЧЕТ

По лабораторной работе № 4 (ЭЭО-1)

 

студентов (Ф.И.О., № группы) ________________________________________

__________________________________________________________________

 

1. Механизм электрической эрозии

 

2. Характеристики ЭИ и Э3:

материал ЗИ___________________________; d = _________ мм;

материал Э3___________________________; h = _________ мм.

3.Режим ЭЭО: полярность _________; скважность q = _________;

часто­та импульсов f = _________ кГц; рабочая среда _________.

4. Характеристики измерительных приборов

 

Таблица № 4.1

п/п	Измеряемая величина	Измерительный прибор	Класс точности, цена деления
	Диаметр ЭИ
	Толщина Э3
	Время
	Сила тока
	Напряжение
	Диаметр прошито­го отверстия

 

5. Результаты эксперимента Таблица №4.2

t, с
U, В
I, А

 

Диаметр прошитого отверстия d_OTВ = _____________________ мм.

Скорость υ_т =h/t = _______________________мм/мин.

 

Форма импульсов напряжения

 

 

ОТЧЕТ

ПЛАЗМА И ЕЁ СВОЙСТВА

Цель работы: изучить свойства плазмы, принципы работы плазмо­тронов и конструкцию плазмотрона постоянного тока.

Теоретическая часть

Общие свойства плазмы

При нагревании вещество проходит твердое, жидкое и газообразное состояния. Дальнейший его нагрев приводит к распаду молекул на атомы (диссоциация) и отрыву электронов от атомов (ионизация). При температурах 20 000 - 30 000 К и выше в газе нейтральные атомы практически все превращаются в ионы.

В общем случае плазма является смесью свободных электронов, положительных ионов, нейтральных атомов и молекул вещества.

Плазма является распространенным состоянием вещества в приро­де. Вокруг Земли расположена плазменная оболочка - ионосфера. Солн­це и звезды рассматриваются как гигантские образования плазмы. Плаз­ма наблюдается в канале молнии, электрической дуги искрового разряда.

Особые свойства плазмы и ее широкое распространение в приро­де дали возможность в отличие от нагретого газа назвать плазму четвертым состоянием вещества, возникающим при температурах 10000 К и выше.

К особым свойствам плазмы относят степень ее ионизации и ква­зинейтральность.

Степенью ионизации α называют отношение числа ионизированных атомов n_i к общему их числу n в единице объема: α= n_i/n. B зависимос­ти oт значения α различают слабо ионизированную (α - доли процен­тов, ионосфера), умеренно ионизированную (α - несколько процентов, в электрических разрядах) и полностью ионизированную плазму(α =100% при Т >10⁵К).

Определяющей свойством плазмы является ее квазинейтральность. Если, например, в плазме имеются электроны с концентрацией n_е, од­нозарядные ионы с концентрацией n₁, двухзарядные ионы с концент­рацией n₂ и т.д., то условие квазинейтральности записывается в виде

n_e=n₁+2n₂+3n₃+... (8.1)

В простейшем случае, когда плазма состоит из электронов, однозаряд­ных ионов и нейтральных атомов (например, водородная плазма) усло­вие квазинейтральности характеризуется приблизительным равенством концентраций электронов и ионов .

Квазинейтральность плазмы может нарушаться в достаточно малых объемах из-за теплого движения носителей зарядов. В этом случае электрическое поле, образовавшееся из-за избытка электронов или ионов, оказывается слабым и не может оказать заметного влияния на движение частиц в полном объеме, занимаемом плазмой. Размер таких сферических областей, в которых наблюдается самопроизвольное разде­ление зарядов, характеризуют дебаевским радиусом (радиусом экранирования, дебаевской длиной) r_д. Для однозарядных ионов при одина­ковой температуре всех компонентов плазмы на расстоянии r_д элект­рическое поле заряда электрона или иона экранируется (т.е. полнос­тью исчезает) частицами с противоположным зарядом. Значение дебаевского радиуса приближенно определяют по формуле

r_д≈ 7(Т/n)^1/2_, (8.2)

где Т - температура плазмы n - концентрация электронов или ионов. Молния, например, имеет Т~2·10⁴ К; n~2,5·10¹⁹ см^-3; r_д= 10^{-7 см. Для сохранения квазинейтральности плазмы размеры дебаевских облас­тей, характеризуемых} r_д, должны быть значительно меньше размеров l объема, занимаемого плазмой, r_д<< l. Данное неравенство называ­ет критерием плазменного состояния. В связи с этим уточненное оп­ределение плазмы, данное основоположником учения о плазме И. Ленгмюром, звучит так, что ионизированный газ Называется плазмой, если де6аевская длина значительно меньше размеров объема, занимаемого газом.

 

Таким образом, плазмой называют ионизированный газ, в котором соблюдается условие квазинейтральности и отсутствует нескомпенсиро­ванный электрический заряд.

Источник электрической энергии передает энергию носителям то­ка - электронам. Ионы и нейтральные атомы приобретают энергию при столкновениях с электронами. Электрон по сравнению с ионами имеет значительно меньшую массу. Поэтому, чтобы электрону передать энер­гию ионам и атомам, он должен испытать большое число столкновений.

Электроны обладают более высокими кинетическими энергиями Е_е, чем ионы Е_iи нейтральные атомы Е_а, т.е. Е_е>>Е_i>>Е_а. Из-за раз­ницы энергий частиц в плазме различают три температуры: электрон­ную Т_е, ионную Т_i и атомную Т_а. Обычно Т_е>>Т_i>Т_а. Плазму, для ко­торой соблюдается это неравенство, называют неизотермической. Heизотермическая плазма наблюдается в тлеющем разряде.

Например, в газоразрядных лампах Т_е составляет несколько де­сятков тысяч градусов, Т_i и Т_а - одну - две тысячи градусов.

Неизотермическая плазма имеет место также в столбе электри­ческой дуги низкого давления при P≤0,01 МПа и J≤1 А.

Плазма, у которой Т_e=T_i=T_a называется изотермической. В этом случае газ находится в состоянии теплового равновесия, скорости частиц компонент распределены по закону Максвелла, характеристики плазмы (теплопроводность, электропроводность и др.) являются одно­значными функциями температуры изотермическая плазма наблюдается в атмосфере звезд, в различных видах пламени, в положительном стол­бе электрической дуги высокого давления (р≥Д0,1 МПа) при токах J≥5...10 А.

Различают низкотемпературную и высокотемпературную плазмы. Низкотемпературной плазму принято считать при Т≤10⁵ К. В ней возбуж­дение, ионизация и обратные процессы происходят во внешних элект­ронных оболочках атомов и молекул. Средняя энергия теплового дви­жения частиц не превышает энергии ионизации (~10 эВ). Низкотем­пературная плазма наблюдается при электрических разрядах в газе, в природных явлениях на Земле, в атмосфере Земли, во внешних оболочках звёзд.

Высокотемпературная плазма имеет Т≥10⁶ К. Энергия частиц Е≥10² эВ. Процессы возбуждения происходит во внутренних электрон­ных оболочках атомов и ядрах. Высокотемпературная плазма наблюда­ется на Солнце, звездах, в земных условиях - при термоядерных реакциях

Свойства плазмы существенно отличаются от свойств нейтральных газов. В этом важную роль играют следующие два фактора. Во-пер­вых, взаимодействие ионов и электронов в плазме определяются кулоновскими силами, которые с расстоянием уменьшаются медленнее, чем силы взаимодействия нейтральных частиц. Это приводит к тому, что одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Дальность кулоновского взаимодействия частиц позволяет рассматри­вать плазму как упругую среду, в которой легко возбуждаются и рас­пространяются различные колебания и волны. Во-вторых, плазма в от­личие от газа - диэлектрика является проводником электрического тока. Так, например, удельная электропроводность плазмы азота при давлении в положительном столбе Р = 0,1 МПа, температуре 15 000 К будет æ~10² Ом·см^-1. Для сравнения; удельная электропроводность графита при 300 К равна 1,2·10² См·см^-1, меди 5,8·10⁵ Ом·см^-1. По­этому электрические и магнитные поля оказывают на нее большое вли­яние.

Под действием электрического поля в плазме возникает электри­ческий ток. Электроны и ноны перемещаются в противоположных направ­лениях и испытывают между собой многочисленные столкновения. По­стоянный ток в плазме образуется, в основном, потоком электронов. Ионы считаются практически неподвижными.

 

На электрон действует си­ла F=eE, ускоряющая его в электрическом поле напряженностью Е,и сила сопротивления движению электрона F_ТР=m_еυν (υ - скорость дви­жения потока электронов; ν - число столкновений за 1 с), возни­кающая из-за столкновений электрона с ионами и нейтральными атома­ми.

Из условия равновесия этих сил определяется скорость потока электронов в плазме V и затем плотность тока по формуле

(8.3)

где е, n_е - заряд и концентрация электронов; æ - удельная элект­ропроводность плазмы. Таким образом, ток в плазме подчиняется за­кону Ома.

Если на нейтральный газ магнитное поле заметного воздействия не оказывает, то при наложении магнитного поля свойства плазмы су­щественно изменяются. Это происходит из-за влияния магнитного по­ля на движение заряженных частиц.

Известно, что на заряженную частицу в магнитном поле действу­ет сила Лоренца, которая вынуждает частицу вращаться по окружнос­ти или по винтовой линии с осью вращения, направленной вдоль сило­вых линий напряженности магнитного поля. Создаваемые вращением электронов и ионов круговые токи уменьшают действие на плазму внеш­него магнитного поля и создают силу, сжимающую струю плазмы.

На рис.8.1 условно показан поперечный разрез плазменной струи в магнитном поле с магнитной индукцией В. Траектории движения электронов отмечены ларморовскими окружностями. Движение частиц внутри струи плазмы не создает результирующего тока, так как через каждую точку проходят частицы в противо­положных направлениях. На границе пото­ка все частицы движутся в одну сторону, что приводит к появлению в тонком поверх­ностном слое тока J. Взаимодействие этого тока с магнитным полем приводит к появлению силы, сжимающей струю плазмы: .

Эта сила удерживает струю плазмы от расширения, уравновешивая давление внут­ри плазмы , где к - посто­янная Больцмана; n_m - концентрация час­ тиц компоненты газа. Условие равновесия записывается в виде

Плазмообразующие газы

Энергетические возможности плазменной струи в значительной ме­ре определяются видом применяемого плазмообразующего газа. Плазмообразующая среда переносит тепловую энергию, а также может вносить значительную добавку тепла за счет экзотермических реакций, происходящих при взаимодействии плазмы с веществом, Наиболее часто в качестве плазмообразующих газов применяют аргон, водород, азот, воздух, кислород, гелий и их смеси.

Важной характеристикой плазмообразующего газа является его теплосодержание(эн­тальпия), показывающее сколько энергии не­сет единица объема газа при определенной температуре. Двухатомные газы при одной и той же температуре Т имеют более высокое теплосодержание Н, чем одноатомные (рис.8.2). Эта особенность объясняется следующим об­разом. При диссоциации (область 1) и иони­зации (область 2) молекул и атомов газа в столбе дугового разряда происходит погло­щение энергии.

 

 

При воздействии на обраба­тываемую поверхность и охлаждении диссоциированного газа поглощенная энергия выде­ляется в виде теплоты. Двухатомные газы вследствие прохождения про­цессов диссоциации и ионизации поглощают, а следовательно, и выде­ляют больше энергии по сравнению с одноатомными, которые поглощают и выделяют только энергию, равную энергии ионизации атомов. По­этому, если требуется меньший нагрев поверхности обрабатываемой детали, то применяют однотомные газы.

Энтальпия плазмообразующего газа зависит от температуры и рас­хода газа. Регулируют энтальпию плазмы также путем применения сме­сей газа.

Плазмотроны и их типы

Низкотемпературную плазму получают в устройствах, называемых плазмотронами, или генераторами плазмы. Существует много различных схем и конструкций плазмотронов. Среда них наибольшее применение получили однодуговые плазмотроны постоянного тока и высокочастотные плазмотроны.

Различают дуговые плазмотро­ны постоянного тока с вынесенной (рис.8.3) и внутренней дугой.

В плазмотронах первого типа, которые называют плазмотронами прямого действия, электрическая дуга 1 горит между электродом-катодом 2 и обрабатываемой заго­товкой - анодом 5. Разрядная ка­мера 4 охлаждается водой. Плазмообразующий газ 3 подается соосно с катодом. Область энерговыделения плазменной струи расположена ближе к обрабатываемой поверхности. Плазмотроны прямого действия применяют для сварки, наплавки, резки токопроводящих материалов.

Плазмотроны с внутренней дугой (рис.8.4) называют еще струй­ными плазмотронами, или плазмотронами косвенного действия. Плазма образуется в электрической дуге 1 между корпусом разрядной камеры 2, являющейся анодом, и катодом 3. В разрядную камеру подается плазмообразующий газ 4. В технологии машиностроения струйные плаз­мотроны применяются для напыления покрытий, нагрева и резки мате риалов.

Одним из существенных недостатков дуговых плазмотронов явля­ется эрозия электродов, сопел. Продукты эрозии загрязняют плазму. Поэтому, если к плазменной струе предъявляются повышенные требова­ния по чистоте, то принимают безэлектродные высококачественные индукционные (ВЧИ) плазмотроны.

 

Во ВЧИ плазмотроне (рис.8.5) плазмообразующий газ 1 вводится в разрядную камеру 2 и нагревается вихревыми токами с помощью индуктора 3, питаемого от высокочастотного генератора 4. Струя плазмы 5 направляется на обрабатываемую поверхность заготовки 6.

В данной работе в качестве генератора низкотемпературной воз­душной плазмы используется однодуговой плазмотрон постоянного то­ка с самоустанавливающейся длиной дуги.

Порядок проведения работы

Подготовка к эксперименту

1. Изучить теоретическую часть.

2. Ознакомиться с описанием установки.

3. Изучить правила техники безопасности (см.приложение I).

Проведение эксперимента

1. Включить общее электрическое питание на силовом щите,

2. Включить вентиляцию.

3. Включить систему охлаждения плазмотрона.

4. Нажать на пульте кнопку "Сеть".

5. Установить ручку "Расход воздуха" в среднее положение.

6. Установить ручку "Ток дуги" в среднее положение.

7. Нажать кнопку "Воздух".

8. Нажать кнопку "Плазмотрон".

9. Поджечь плазмотрон путем короткого замыкания электродов.

10. Управляя ручками "Расход воздуха" и "Ток дуги", добиться устойчивого горения дуги плазмотрона.

11. Записать в отчет соответствующие напряжение дута U_Д си­лу тока J.

Оформление отчета

1. Записать одно из определений плазмы и перечислить ее основ­ные свойства.

2. Зарисовать схему рабочей части исследуемого плазмотрона и обозначить его основные элементы.

3. Записать значения напряжения дуги U_Д и силы тока J, соот­ветствующие устойчивому горению дуги.

4. Зарисовать струю плазмы, выходящую из плазмотрона, и отме­тить характерные участки.

Контрольные вопросы

1. Какое состояние вещества называется плазменным?

2. В чем заключается квазинейтральность плазмы.

3. Что называется дебаевским радиусом экранирования?

4. Какая плазма называется изотермической, неизотермической, высокотемпературной, низкотемпературной?

5. Перечислите основные свойства плазмы.

6. Какие типы плазмотронов Вы знаете?

7. Расскажите о проведенном эксперименте.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА

(краткое описание)

Назначение установки

Установка предназначена для получения плазменной струи с по­мощью электродугового струйного плазмотрона постоянного тока, a также изучения характеристик плазмотрона и плазменной струи.

Технические характеристики

1. Максимальный рабочий ток, А 24.

2. Напряжение горения дуги, В 50.

3. Максимальная мощность плазмотрона, кВт 1,3.

4. Потребляемая мощность, кВт 2,4.

5. Плазмообразующий газ воздух.

6. Расход воздуха, см³/мин 5·10³

Конструкция установки

В комплект плазменной установки входят: плазмотрон, источник постоянного тока (выпрямитель ВУ-110), система подачи плазмообразующего газа и пульт управления с контрольно-измерительными прибо­рами.

Вид сверху на плазменную установку представлен на рис.8.6. Все узлы установки скомпонованы в сварном корпусе. Его верхняя текс­толитовая панель служит пультом управления.

На пульте установлены плазмотрон, измерительные приборы (вольтметры и амперметр), кноп­ки управления и сигнальные лампы. На передней стенке корпуса рас­положены ручки для регулирования тока дуги и расхода воздуха.

Плазмотрон

Плазмотрон (рис.8.7) состоит из катодного узла 1, изолятора 2 и анодного узла 3, которые образуют дуговую камеру плазмотро­на.

Катодный узел 1 плазмотрона содержит катододержатель 4 и сис­тему трубок для ввода плазмообразующего воздуха в дуговую камеру плазмотрона и воды для охлаждения катода. Катодом служит гафниевый стержень 5 диаметром 2,6 мм и длинной 8 мм, впрессованный в медный катододержатель 4. На наружной поверхности последнего выполнена двухзаходная винтовая нарезка глубиной и шириной 0,8 мм, с помощью которой создаётся закрученный поток воздуха в дуговом канале плаз­мотрона.

Закрученный поток газа в плазмотроне выполняет две функции; создает пониженное давление в области оси дугового канала, чем до­стигается пространственная стабилизация дуги, обдув дуги и защита стенок канала, а также перемещаем анодный конец дуги по поверхнос­ти анода, что существенно снижает его эрозию.

рис.8.7. Плазмотрон

Катододержатель 4 охлаждается водой. Вода из внешней водопро­водной магистрали по резиновым шлангам и через штуцер катодного узла 1 поступает во внутреннюю полость катододержателя 4, погло­щает тепло, выделившееся при работе плазмотрона, и направляется на слив.

Анодный узел 3 представляет собой охлаждаемое водой сопло. Его детали изготовлены из меди и соединены между собой пайкой. Угол конуса сопла составляет 60°, диаметр выходного отверстия равен 3 мм.

Между катодом и соплом устанавливается зазор 4 мм.

 

Система питания плазменной установки электрической энергией

Система электропитания установки, электрическая схема кото­рой приведена на рис.8.8, включает выпрямитель U, балластный во­дяной реостат R2, магнитные пускатели K1, К2, К3, автотранс­форматор Т, электродвигатель компрессора М, приборы измерения РА, PV1, PV2, предохранители F1, F2 и сигнальные лампы H1, Н2, Н3.

Измерительные приборы PA,PV1, PV2, кнопки управления S1-S6, сигнальные лампы Н1÷ Н3 выведены на пульт управления (см.рис.8.6).

Система электропитания установки работает в такой последова­тельности.

Плазменная установка питается от сети трехфазного переменно­го тока напряжением 380 В. При включении кнопки S1 "Сеть" напряже­ние через контакты К1: 1 ÷ K1: 3 магнитного пускателя K1 подается на выпрямитель U и загорается сигнальная лампа Н1. Отключается напряжение с помощью кнопки S2, лампа Н1 гаснет.

Плазмотрон Рис.8.8. Электрическая схема плазменной установка

При включении кнопки S5 "Плазмотрон" выпрямленный ток через предохранителе F1 и F2, контакты К3:1 и К3:2 магнитного пускателя К3, шунт R1 и балластный водяной реостат R2 подается на электро­ды плазмотрона. Одновременно загорается сигнальная лампа Н3. От­ключается

плазмотрон с помощью кнопки S6 или S2, при этом лампы Н1 и Н3 гаснут. Сила тока электрической дуги регулируется ручкой "Ток дуги" путем изменения сопротивления водяного реостата R2.

Система газоснабжения плазменной установки

Система газоснабжения предназначена для обеспечения плазмо­трона плазмообразующим газом - воздухом. Она содержит компрессор низкого давления с электродвигателем, автотрансформатор типа ЛАТР

и систему резиновых трубопроводов для подачи сжатого воздуха в ду­говую камеру плазмотрона.

Электрическая схема системы газоснабжения состоит (см.рис.8.8} из автотрансформатора Т, электродвигателя компрессора М, магнит­ного пускателя К2, кнопок управления S3, S4 и сигнальной лампы Н2.

Кнопки S3 и S4 служат для включения и отключения автотрансформатора Т. При включении кнопки S3 загорается лампа Н2.

Расход воздуха компрессора регулируется изменением скорости вращения двигателя М с помощью ручки "Расход воздуха", установлен­ной на передней стенке корпуса установки. При крайнем левом поло­жении ручки компрессор не работает. По мере вращения ручки по ча­совой стрелке растет напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, в результате чего увеличивается скорость вращения ком­прессора и повышается расход воздуха через дуговую камеру плазмо­трона. Изменением расхода плазмообразующего газа обеспечивается устойчивое горение электрической дуги и регулирование параметров плазменной струи - ее теплосодержания, диаметра и длины.

 

Порядок работы на установке

1. Изучить правила по технике безопасности.