Исследование электролитно-плазменного разряда с целью повышения эффективности его применения в сварочном и машиностроительном производстве

Сварка является одним из ведущих технологических процессов в производстве, связанном с изготовлением, ремонтом и восстановлением металлических изделий. Разработанные процессы сварки трением, газовой, термитной, дуговой, электрошлаковой, индукционной, лазерной, электроннолучевой находят свое применение в действующем производстве, но использование новых конструкционных материалов для изготовления деталей разнообразного назначения предполагает и разработку новых видов сварки и обработки металлов.

Таким нетрадиционным способом является электролитноплазменная обработка.

Электролитноплазменный разряд возникает в системе из двух электродов, погруженных в жидкую электропроводящую среду и подключенных к полюсам источника постоянного тока. Непременным условием существования разряда является неравенство площадей электродов и разряд горит на электроде с меньшей поверхностью, называемом «активным» .В данной работе исследовались, в основном, процессы при активном катоде, т. е. при подключении детали к отрицательному полюсу источника питаниякак наименее изученному, но обладающему,. на наш взгляд, большей практической значимостью. А.

Исследование электролитноплазменного разряда тем не менее не способствовало широкому применению его в действующем производстве и ограничивалось редким использованием для термической обработки деталей. :. '.

Широкому внедрению процесса препятствует, на наш взгляд, следующее:

— отсутствие данных по физическим параметрам разряда, не позволяющей объяснить различные моменты, его поведения;

— незначительные линейные размеры разряда вызывают значительные экспериментальные трудности при его исследовании и приводят к большому разбросу, а иногда и к противоречивости получаемых данных, что не позволяет разрабатывать новые технологии;

— отсутствие обоснованного подхода к выбору составов электролитов при разработке технологических процессов;

— ограниченность тенденции практической реализации, процесса, нахождения новых областей его применения.

Исходя из вышеизложенного вскрывается актуальность и практическая необходимость изучения процесса и разработки технологий электролитно-плазменной обработки в сварочном и машиностроительном производстве.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Исследование явлений и закономерностей процессов, протекающих при электролитноплазменной обработке металлов, разработка промышленных технологий и оборудования на их основе. л.

Для достижения поставленной цели необходимо: Провести систематические исследования по изучению характеристик разряда, распределения потенциала, параметров плазмы, баланса тепла.

Разработать физическую модель разряда, установить его вид на основе анализа энергетических и температурных характеристик.

Изучить основные закономерности диффузионного насыщения металлов, сварки, очистки поверхности сварочной проволоки и дета лей под сварку.

Разработать на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований технологические основы промышленного применения процесса.

Для реализации возможностей предложенной модели разряда и выработанных технологий разработать конструкции установок.

Изготовить и внедрить в действующее производство малосерийное и единичное оборудование.

Научная новизна работы.

— разработана методика микрозондирования газовой оболочки, позволившая оценить геометрические и энергетические характеристики разряда;

— впервые установлено, что электролитно-плазменный разряд представляет собой разряд необычного типа, генерирует неравновесную плазму (Те"Тг), что связано с интенсивной теплоотдачей в кипящий слой электролита при малых линейных размерах разряда;

— показано, что различный режим нагрева электрода связан с особенностями вольт-амперных характеристик процесса, которые также предопределяют возможности использования разряда в сварочном производстве;

— впервые показано, что слабая зависимость насыщения деталей при химико-термической обработке от полярности «активного» электрода связана с тем, что ответственными за насыщение являются нейтральные атомы. Зависимость скорости насыщения от состава электролита связывается с энергией связи в частицах, находящихся в газовой фазе электролитно-плазменного разряда;

— подтверждено, что при обработке в электролитной плазме скорость диффузии легирующих элементов выше, чем при традиционных методах обработки, что дало возможность разработать новые эффективные технологии с многократным сокращением времени обработки.

Практическая ценность работы На основе полученных результатов разработаны и оптимизированы процессы сварки, электролитноплазменной очистки сварочной проволоки и деталей под сварку, модификации поверхности для нанесения полимерных и других покрытий, электролитноплазменного сульфида-рования, борирования;

— разработано, создано и внедрено в производство малосерийное и единичное оборудование с суммарным экономическим эффектом 1 миллион 860 тыс. руб. в ценах 1990;91 гг.

Малогабаритность разработанного оборудования, отсутствие подготовительных операций зачистки деталей под сварку, очистки поверхности для химикотермической обработки, высокие экологические показатели позволяют процессу электролитноплазменной обработки занять достойное место в действующем производстве.

Автор выражает глубокую признательность заведующему лабораторией плазмохимии Института нефтехимического синтеза РАН доктору физикоматематических наук, профессору, Лауреату государственной премии Словецкому Д. И. за постоянное внимание к работе и ценные обсуждения.

Апробация работы.

Результаты данной работы заслушивались на: научнотехническом семинаре «Повышение надежности и долговечности деталей машин методами поверхностного упрочения» Челябинск, 1980 г., Всесоюзном научнотехническом семинаре «Опыт разработки и внедрения в производство негорючих закалочных сред» Волгоград, 1982 г., Всесоюзной научнотехнической конференции «Основные направления экономии и рационального^использования металла в автотракторостроении» Челябинск, 1984 г., Всесоюзной научной конференции «Износ в машинах и методы защиты от него» Брянск, 1985 г., Зональной научнотехнической конференции «Пути повышения качества и надежности инструмента» Рубцовск, 1985 г., Всесоюзной НТК «Развитие производственных сил Сибири и задачи ускорения НТП «Новосибирск, 1985 г., Научно-техническом семинаре «Опыт ЧАЗ по внедрению материалов и прогрессив-ных у. технологических процессов» Чебоксары, 1986 г., Всесоюзной научно-технической .конференции «Проблемы создания ресурсосберегающих технологий сварочного производства для предприятий Дальнего Востока и Сибири» КомсомольскнаАмуре, 1988 г., Краевой научнопрактической конференции молодых ученых и специалистов, Барнаул, 1988 г., Региональном семинаре «Прогрессивные разработки РПКТИ «Барнаул, 1990 г., совещаниях главных металлургов, Ташкент, 1991 г., Красноярск, 1992 г. Международной научнотехнической конференции «Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении, Рубцовск, 1994 г., Симпозиуме «Прогрессивные технологии в машиностроении», Рубцовск, 1995 г., Международной Научнотехнической конференции «Строительство и реконструкция в современных условиях», Рубцовск, 1997 г.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Основше закономерности электролитноплазменного разряда.

Явление нагрева металлических электродов до высоких темпера-температур при пропускании электрического тока повышенной плотности через электролиты было обнаружено еще в прошлом веке Е1].

Начиная с сороковых годов нашего века, нагрев металлов в электролите стал широко применяться 'для горячей механической и термической обработки металлов и сплавов 12−10]. Были выполнены исследования процессов при протекании тока через электролит при наличии парогазовой оболочки и нагрева электродов [3−19], а также разрядов между металлическим и электролитным электродами в воздухе И6]. Однако,.несмотря на достигнутое практическое использование и значительное число работ, посвященных исследованию плазменноэлектролитного нагрева, до настоящего времени нет единого мнения о механизме нагрева металлических электродов. Дело в том, что нагрев до высоких температур наблюдается не всегда, а лишь при определенных типах и концентрациях электролитов. Чаще нагрев наблюдается на катоде, хотя и на аноде нагрев осуществляется [9−123. Существуют такие режимы, когда вокруг электрода образуется сплошная газовая л оболочка, тем не менее нагрева его не происходит. Температура нагрева электрода заметно изменяется при сравнительно небольших изменениях состава электролита. Все эти явления не находят объяснения и в литературе практически не обсуждаются.

Для понимания механизма происходящих явлений необходимо определить тип разряда, механизм проводимости через оболочку, ее состав. Поскольку процесс при активном катоде имеет большее практическое значение, составу газовой фазы, в частности, присутствию и значению водорода в оболочке уделяется большое внимание. Так, например, ряд исследователей [2,3,323 считает присутствие водорода в оболочке необходимым условием обеспечения высокотемпературного нагрева, но полученный нагрев анода [7−12,223 а также нагрев электрода. в расплаве солей, где водород отсутствует, но примерно при тех же электрических параметрах, что и в растворах [463, вызывают сомнение о значении водорода для обеспечения нагрева актинцрго электрода. Спектральными исследованиями, проведенными рядом авторов [23−293, наличие водорода с его высоким уровнем потенциала ионизации (12,6 эВ) установлено только при обработке в растворах сильных кислот [25−273.

Многообразие взаимосвязанных факторов, влияющих на оболочку, незначительные линейные размеры ее, создающие экспериментальные трудности при измерений ее толщины, приводят к большому разбросу получаемых результатов-от 3 мкм до 1,2 мм [32−383 .Влияние основополагающего факторатемпературы поверхности также неоднозначно. По данным одних авторов [333 увеличение температуры детали от 400 °C до 750 °C приводит к уменьшению размеров оболочки от 0,025 см до 0,007 см, а других [343, при изменении температуры с 300 °C до 800 °C к увеличению ее от 0,04 мм до 0,3 мм. Наблюдается влияние температуры электролита.

Нет единого мнения о проводимости парогазовой оболочки. В [393 отмечено, что оболочка является диэлектрической и термоизоляционной, а проводимость осуществляется электрическим пробоем промежутка и носит импульсный характер. Другие исследователи считают, что газовый промежуток обладает собственной проводимостью за счет наличия в нем паров легкоионизируемых элементов, третьи [263 считают, что первоначально разряд проходит в виде отдельных разрядов — стримеров, вызывающих ионизацию атомов, эмиссию электронов и в дальнейшем может проходить по всей площади слоя стабильно или в виде отдельных микроразрядов [35]. Природа электрического разряда также не выяснена. Незначительные линейные размеры области, занятой разрядом, не позволяют провести точную диагностику плазмы, поэтому различные авторы приходят к выводу о развитии между электролитным и металлическим электродами искрового [41, 42,4−53, дугового [44,32,39], тлеющего [33] разряда.

В качестве доказательств характеристики разряда приводятся данные по эррозии поверхности,^ обнаруженным участкам падающей вольтамперной характеристики (ВАХ), отношению площадей анода и катода и т. д.Так, например, при изучении процессов оксидирования при повышенных напряжениях описано явление возникновения большого количества микродуг, перемещающихся по поверхности анода [473, или по [483 производят анодную обработку детали в режиме микродутовых и дуговых разрядов.

Температура газа в разряде приводится иногда как с обоснованным предположением, например, в работе [473 по положению максимума сплошного спектра было определено, что свечение соответствует Тн = 3000 °C. В других работах без аргументированных доводов температура газа в разряде оценивается величиной 7000°- 10 000 °C [38, 49, 52]. Зондирование межэлектродного промежутка, позволяющее дать информацию о природе протекающих процессов, широко не проводилось. Отдельные полученные данные показали. что в зоне газовой оболочки существует скачок потенциала до. 93−97% от приложенного напряжения [53.Данные о микрозондировании непосредственно газовой оболочки в литературе не обнаружены.

Большое количество данных приведено по результатам экспериментов с расположенным над поверхностью электролита активным электродом [43,9], но поскольку условия горения разряда, его энергетические характеристики значительно отличаются от параметров с погруженными в раствор электродами, полученная информации. не может быть непосредственно применена для изучения процесса.

Как отмечено, образовавшаяся газоплазменная оболочка имеет в ряде случаев нестабильный характер, выражающийся в пульсациях тока, напряжения и визуально наблюдаемая как наличие светящихся точек в оболочкеДлительность единичного импульса составляет 3,3. .5,3*10″ 4с [31]. Частота разрядов, приводимая различными авторами, колеблется от 30.70 разрядов в секунду [50,51] до 103.104 Гц т.

0 [37]. Граничные условия появления и исчезновения разряда, а. также зависимость от параметров процесса не приводятся. Более того, как правило, сравнение результатов разных авторов проводится без анализа реальных условий протекания процесса. В частности, не приводятся ВАХ, температура электродов, что не позволяет определить в какой области реализуется данное исследование.

Для процессов электролитноплазменной обработки важно знать температуру нагрева активного электрода. Она зависит от напряжения на ячейке [53], глубины погружен^ Г54], полярности электрода, его радиуса и других параметров [58,59]. Однако расчеты температуры по. задаваемым параметрам То отсутствуют. В работе [55] предлагается при решении задач о распределении температур в электроде брать То из экспериментов. Решается задача о тешюпроводимости в теле с разными граничными условиями: ' Т (И) = То или задается расчетное распределение тепловых потоков по высоте электрода [56]. Величину теплового штока, измеряемого калориметрическим методом, предлагается рассчитывать по начальной стадии нагрева электрода [57]. В этой стадии разность температур поверхности и центра электрода зависит от приложенного напряжения и геометрии электрода. Для расчета энергонапряженности процесса предлагается рассчитывать удельную энергию, вложенную в оболочку (газовый разряд) по формуле: гч".

2тйЗгШ, а =- (2), где и — напряжение на ячейкеИ — радиус анода- 11 — глубина погружения- % - удельное сопротивление оболочки (1 — толщина оболочки.

Однако очевидно, что эта же энергия расходуется и на нагрев электролита. Кроме того, в формулу введены толщина и удельное сопротивление оболочки, которые неизвестны. Их надо определять из независимых измерений.

Изучение спектра при электролитноплазменном разряде имеет большое значение для понимания механизма свечения $ процессов, происходящих в газоразрядной области, что привлекает внимание многих исследователей.

Конструкция электролитической ячейки у различных авторов во многом схожацилиндрический активный электрод с концевым погружением в электролит размещен в центре кольцевого электрода, снятие спектра проводилось либо из факела, выбрасываемого над поверхностью электролита, либо через окно, расположенное в боковой или донной части электролитической ванны [58−61 ].

Активный электрод подключался как к положительному, так и к отрицательному полюсу источника постоянного тока. В качестве электролитов использовались водные растворы щелочей, солей щелочных и щелочноземельных металлов, соляная и серная кислоты.

В результате анализа литературных данных установлено: — спектральное исследование ЭПР представляет значительные трудности изза малых размеров исследуемой области и низкой ф интенсивности свечения. Яркость линий при активном катоде выше, чем при активном аноде.

— полученные данные носят качественный характер и подтвержч дают результаты визуальных наблюдений. Так, в растворах, содержащих ион натрия, цвет разрядажелтый, калияфиолетовый, кальция-кирпичнокрасный и т. д. наряду с легко возбудимыми линиями щелочных металлов 7<10 эВ в разряде выявлены элементы с 7>10 эВН, С. При катодном процессе в спектре присутствуют линии материала электрода, при анодном выявлены линии только легкоокисляющихся элементовСи, А1.

1.2.СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Сварка, т. е. передача материалам энергии, достаточной для перевода их поверхностного слоя в жидкотекучее состояние для обеспечения сближения их на расстояние, сравнимое с размерами кри.

10 сталлической решетки свариваемых материалов (3.5*10 м), и создания монолитной структуры является одним из ведущих технологических процессов в производстве, связанном с изготовлением, ремонтом и восстановлением металлических изделий. Разработанные процессы сварки трением, газовой, термитной, дуговой, электрошлаковой, индукционной, лазерной, [62,633 находят свое применение в действующем производстве в зависимости от. поставленной технологической задачи, экономических и экологических показателей.

Существующие способы сварки условно делятся на сварку плавлением и сварку давлением, которая имеет следующие разновидности: контактная, газопрессовая, диффузионная, трением, ультразвуковая, взрывом и др. (64) и обеспечивает основные требования к сварочным процессам: сближение свариваемых деталей на расстояние действия межатомных сил, т. е. создание условий для взаимной диффузии элементов, в частности, для диффузионной обработки, обеспечиваемой основными параметрами процессаТ=0,5.0,7 Т^, давлениедостижение деформации поверхности конкретного металлаР= 5,.50 МПа, время- 5. 10 '-минут, средавакуум Р=10−1. 10~3Па, аргон, гелий.

Шероховатость поверхности 112= 2,5.80 мкм для твердых и мягких сплавов соответственно.

Имея широкую область применения для создания монолитной структуры как в системе металлметалл (56,65- 67), так и металлнеметалл (68- 69), обладая возможностью сваривания сложнопрофильных деталей, высокой производительностью, диффузионная сварка, тем не менеел требует наличия подготовительных операций: обеспечение высокой чистоты и класса шероховатости поверхности, создание вакуума или применение дорогостоящих инертных газов, автономного нагрева деталей, высокие требования к рабочему помещению и технике безопасности.

В рамках данной работы интерес представляют сварочные процессы, где передача энергии свариваемым материалам осуществляется потоком заряженных частиц, в частности, дуговая сварка.

Дуговой разряд характеризуется практически неограниченной силой тока. При и= Ю-50 В плотность тока в дуге может составлять 103- 10б А/см2 [70]. Неравномерность электрического поля в дуге может создавать градиент потенциалов в приэлектродных областях, вызванного тем, что в столбе дуги концентрация ионов примерно равна концентрации электронов 2 7ге, но из-за большой массы ионов скорость их в катодной области меньше, чем электронов, что создает повышенную напряженностьэлектрического поля на длине 2М0~7м до Е=107 В/м в отличие от столба дуги, где Е= 104В/м [71].

В приэлектродных областях температура газа значительно меньше, чем в столбе, т.к. газ контактирует с более холодной поверхностью расплава. Эти области разделяют на слой 1″ 10~6 м, прилегающий к расплаву и имеющий его температуру и ионизационный слой 10~5м с градиентом температур 108 К/м и напряженностью Е= 10б В/м. Бремя нахождения частиц в этой зоне %= 10~8 с. [72]. Считая дуговой разряд равновесной плазмой, тем не менее отмечают, что в переходных областях дуги температуры электронов и газа отличны, т. е.Т ИТ [73]. е Г.

Электрическая дуга как элемент цепи обладает ярко выраженной нелинейностью.т.е. между силой тока и напряжением нет пропорциональной зависимости вследствие т&го, что с изменением величины тока меняется сопротивление дуги, скорость струи паров, давление газов и т. д. Наиболее достоверные результаты можно получить при горении свободной дуги с неплавящимися электродами [74].

Обеспечение проводимости межэлектродного промежутка достигается приложенной разностью потенциалов, достаточной для ионизации. газа.

Поскольку в атмосфере дуги присутствует несколько элементов, введено понятие эффективного потенциала ионизации. При этом установлено ?75], что введение в разрядный промежуток даже незначительных добавок элементов с низким потенциалом ионизации, например, щелочных металлов, значительно снижает эффективный потенциал ионизации, Так, например, присутствие солей щелочных металлов в количестве 0,02- 0,04% обеспечивает плотность тока в катодном пятне до 5"to5 А/см2, уменьшает его площадь и коэффициент расплавления, что способствует стабилизации дуги [76].

Легкоионизируемые щелочные и щелочноземельные элементы также вводят в состав порошковых проволок, широко используемых для сварки [77]. Известен способ дуговой сварки в среде защитных газов с изменяемым составом подаваемых газов или их смесей с разным потенциалом ионизации [78].

На базе экспериментального и" теоретического материала построена математическая модель для расчета температуры нагрева свариваемых деталей [78−79], определена плотность мощности, которая составляет 108., 1010Вт/м2 [80], что позволило повысить к.п.д. процесса, расширить область его применения.

Отдельное место в сварочных процессах занимают вопросы сварки цветных металлов, требующие решения дополнительных задач. Так, при сварке алюминия возникает проблема удаления оксидной пленки, сняя тие которой осуществляется механическим или химическим путем [813, причем предпочтение отдается химическому, т.к. срок межоперационного хранения увеличивается с 3- 5 часов при механической очистке до 8 час при химической. Разрушение пленки возможно также в тлеющем разряде [82−84].

Интенсификация процесса сварки алюминия обеспечивается введением паров магния при Т=700°С [85] или предварительным оплавлением зон сварки [863. В работе [87] кроме того отмечено, что при сварке алюминия необходим ток в 1,2−1,5 раза больший, чем при сварке сталей, имеется вероятность образования пор и трещин. Предел прочности на разрыв 63,8.86,8 МПа.

Находят решение и вопросы сварки разнородных металлов, отличающихся по физикомеханическим свойствам, температуре плавления и т. д. Так, например, алюминий со сталью сваривается с помощью биметаллического сталеалюминиевого переходника [80], а сварку на-хлесточных соединений выполняют угловыми швами со стороны одноименных материалов [84]. Железо с медью сплавляется во всех отношениях [85−86], имея взаимную растворимость соответственно: Си -*• Fe до 8%, Fe — Си до 4%, но при сварке взрывом за счет мгновенной подачи и отвода тепла содержание каждого’металла в переходной зоне приближается к 50% [86].

Используют при сварке и электрохимические процессы. Так, по [88] заготовки включают в цепь питания в качестве катода, а сварку ведут за счет осаждения металла шва на кромках из расплава электролита, который включают в цепь посредством неплавящегося электрода.

Как отмечено, легированные и высокоуглеродистые стали обнаруживают склонность к появлению холодных трещин. Повышение скорости нагрева при сварке приводит к увеличению степени неоднородности аустенита перед охлаждением и получению участков, обогащенных углеродом и легирующими элементами, что также приводит, к образованию трещин в районе сварного шва.

Процессы, протекающие в приэлектродных, в частности, катодных областях привлекают внимание многих исследователей, поскольку явления, происходящие на границе металлгаз и приводящие к преодолению потенциального барьера большим количеством электронов, являются одной из проблем электронной теории металлов. В настоящее время установлено, что температуры плавления и кипения. электродов не являются решающим фактором для зажигания дуги [88−903. Устойчивое горение дуги между стержневым анодом и вращающимся диском-катодом, где пятно не может быть значительно разогрето, говорит о том, что холодный катод не препятствует зажиганию дугового разряда. Тем не менее, расчетами Миткевича В. ФЛ913 установлено: чтобы обеспечить термоэлектронную эмиссию необходимо 1=1000 А/см2, которое возможно только при Тк= 3500.4000 К. По представлениям Н. Ленгмюра [92 ] электроны могут проходить через потенциальный барьер, искажаемый у катода полем высокой напряженности Е=10б.10т В/см, называемый электростатической эмиссией [93,94], но требуемые плотности тока на 2.3 порядка выше, чем реализуемые на практике. Предположение И. Слепяна, В. Вейцеля и др. [95−100], Г. Эккера [101] базируется на том, что ток в катодной области переносится в основном ионами, возникающими в результате термической ионизации, И. М. Гуревич и Б. М. Яворский [1023 теоретически показали возможность высвобождения электронов из металла за счёт энергии возбуждённых атомов, Л. Леб [1033 выдвинул гипотезу о существовании в области катодного пятна сильно перегретого пара ка-то да, обладающего металлической проводимостью и испускающего термоэлектроны. Но ни одна из приведённых гипотез не даёт полной картины явлений формирования дуги с холодного катода. В работе [1043 отмечено, что эффект Шоттки, объясняющий уменьшение работы выхода электрона под воздействием внешнего электрического поля, тем не менее даёт завышенные результаты. Попытки объяснить это расхождение привели к обнаружению тунельного эффекта [1053, где отмечено, что при повышеной напряжённости поля происходит не только понижение потенциального барьера, но и его сужение, что делает возможным прохождение электрона через потенциальный холм. Далее, рассматривая возможность фотоэлектронной и вторичной электронной эмиссии, подчеркивается, что незначительное время жизни в катодном пространстве ионов и возбужденных атомов («ЬМО-8 с) не может влиять на протекающие процессы, но дает возможность метастабильным атомам (1-МСГ3 с) достигать поверхности катода и вызывать вторичную эмиссию. Данные положения, объединяющие выдвинутые гипотезы и дополненные, являются, на наш взгяд, предпочтительнее.

При необходимости получения ограниченной области нагрева применяют плазменный нагрев, рассматриваемый как специфическое использование дуги в тех случаях, когда нельзя замкнуть электрическую цепь между свариваемыми металлами и электродами или когда это технически выгодно (106). Различные конструкции плазмотронов, использование широкого круга плазмообразующих газов, позволяет' выполнять различные технологические задачи по сварке и плавке металлов с к.п.д. до 80%.

Необходимость сварки тугоплавких и химически активных металлов привела к разработке сварки электронным лучом в Еакууме, где источником нагрева является кинетическая энергия быстрых электронов со скоростями до 1010 см/с, переходящая в тепловую при бомбардировке металла с интенсивностью до 1017−1018 е~/с. Реализуемая возможность фокусировки луча до минимальных пределов и величины ускоряющего напряжения до 100 ООО В позволяют локализовать пятно нагрева, производить мгновенную сварку без расплавления микроскопических’деталей. Но электронный луч требует применения специальных вакуумных камер с дистанционной системой управления. Высокие напряжения приводят к вредным излучениям, что требует принятия специальных мер для защиты персонала.

Для сварки прецизионных деталей в производстве точных установок, электроизмерительных приборов, радиои электроламп и т. д. разработаны способы стыковой микросварки как с нагревом сопротивлением без оплавления торцов, так и с оплавлением, используя энергию батарей с постоянным током (107). Описаны процессы микросварки, конструкции около 60 отечественных и зарубежных установок. Наблюдается тенденция дальнейшего развития процесса по пути унификации элементов и узлов сварочных машин, повышения производительности за счет снижения доли подготовительных операций, совершенствования технологии и автоматизации процесса (108).

Пределы технологических параметров: и = 36.3000 В С = 300.2000 мФ 1- = 10″ 3.10~4с 1 = до 4 * ю3 А/Мм2 V. = 2.90 см/с Р = 0,6.18 кГ/мм2 Л.

Характерные особенности искровой, а особенно дуговой сварки в большей степени проявляются при сваривании мелких деталей. Предъявляемые жесткие требования к чистоте поверхности, которая обеспечивается обезжириванием бензином или ацетоном с последующим травлением в специальныых составах, геометрии торцов, получаемых обрезкой или заточкой, соосностирихтовкой, прецизионным исполнением крепежных колодок и пазов, капиллярными трубками, водяной струей или магнитным полем, скорости сближения деталей двигателями, с точными характеристиками, в совокупности значительно усложняют технологию и требуют дополнительных затрат.

Итак, сварка как ведущий технологический процесс в силу многообразия разработанных способов является в большинстве случаев при изготовлении металлических деталей, конструкций технологически целесообразной, экономически выгодной, а иногда и единственно возможной. Но сварка различных по толщине, природе материалов создает дополнительные технологические трудности, требует^введения разнообразных подготовительных операций.

Однозначно не решены вопросы о процессах, протекающих в прич электродных областях дуги, первичные процессы ионизации разрядного промежутка.

Отдельным вопросом стоят экологические и медицинские проV блемы, поскольку комплексное воздействие вредных производственных факторов химической (сварочные аэрозоли, газы), физической (излучение дуги, электромагнитные поля, тепловое излучение) природы приводят к разнообразным заболеваниям сварщиков, загрязняют окружающую среду.

1.3. ОЧИСТКА МЕТАЛЛА В ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ПЛАЗМЕ.

Многообразие видов загрязнений, их удельная величинатребуемая степень очистки, технологическая оснащенность производства, экономические показатели приводят к одновременному существованию различных способов очистки, основные из которых: — механические (абразивный, дробеструйный, галтовочный, шлифование, крацевание и т. д.);

— химическиес использованием растворов химических соединений, активно взаимодействующих с поверхностью: щелочи, кислоты, фосфаты, органические соединения;

— электрохимическиес применением тех же компонентов, но при подаче напряжения порядка б- 12 В;

— ультразвуковыеприменяются те же компоненты с добавками поверхностноактивных веществ с наложением ультразвуковой частоты порядка 16- 22 кГц-. «.

— ионноев атмосфере инертного газа или воздуха при давлении 10~1 — Ю-2 мм.рт. столба. Разрядный токдо 50 мА при напряжении до 10 кВv.

— электролитноплазменныйв водных растворах различных соединений при U= 100- 150 В.

— л.

Институтом электроники АН УзССР разработан способ очистки с использованием устойчивого электродугового разряда в вакууме (ЭДВ0), без применения плазмообразующего газа. Энергия, выделяющаяся в катодных пятнах (до Ю^т/см2}вызывает взрывообразное испарение материала и удаление загрязнения. Шероховатость поверхности для цилиндрических деталей после ЭДВ0 находится в пределах Ra= 2,3−0,75 мкм, для плоских — Ra= 2,9−1,85 мкм по ГОСТ 2789–73 при.

64 удельной мощности разряда до 10 Вт/см, т. е.практически не меняется. При увеличении удельной мощности разряда до 1,5'107Вт/см2 класс шероховатости понижается до 6 класса и ниже. Скорость очистки -0,02 м/с. Удельные энергетические затраты колеблятся для различной толщины окалины от 0,5.0,67 кВт. ч/м2 для а=1.2 мкм до 1,3.7,7 кВт. ч/м2 для а=10.40 мкм. [109].

Отличаясь по механизму воздействия на обрабатыаемую поверхность, различные способы вследствие этого обеспечиают разную скорость и качество очистки.

Воздействие потока заряженных частиц на обрабатываемую поверхность способствует удалению различных загрязнений с металла. Описано большое число составов, применяемых для электролитноплазменной очистки. Здесь и однокомпонентные электролиты, представленные водными растворами сильных кислот, как например, по способу, разработанному фирмой ЮСС Энджинера энд Консалтенс (США), очистку проводят в 15−25% р-ре Н230д при 1= 54−75 тыс А/м2 или щелочные растворы, обезжиривание в которых производят при 1= 800−1000 А/дм2 [110], так и многокомпонентще. По [111] электролит содержит 1−30% хлорида или сульфата одновалентного металла и хлористое железо до насыщения. Чаще используются водные растворы сульфатов, карбонатов щелочных металлов [112]. Важно отметить, что несмотря на то, что в процессе очистки нагрев изделия не требуется, сохраняется тенденция к использованию высококонцентрированных растворов. А опасность нагрева до высоких температур исключают импульсной подачей напряжения, нагревая изделие до температуры ниже ока-линообразования [113].

Известны способы очистки как при катодном [114], анодном [115] процессах, так и при^{биполярной} обработке, где очищаемое длинномерное изделиелента последовательно проходит катодные и анодные зоны' [116]. Таким образом решается один из важнейших вопросов конструкциисхема токоподвода. Наиболее важным узлом электролитических установок является электролитная ванна, разнообразие конструкций которых очень велико, но высокая производительность процесса требует разработки конструкций электролитических ванн для широкой номенклатуры обрабатываемых деталей.

Как известно, детали, поступающие на сварку должны иметь в зоне наложения сварного шва достаточную степень очистки, т.к. наличие неметаллических, инородных включений, ржавчины и окалины приводит к ухудшению качества сварки, масляные загрязненияк ухудшению качества соединения и условий труда. Вследствие этого возникает необходимость В проведении дополнительных операций зачистки, галтовки, крацевания и обезжиривания деталей. Качеству поверхности сварочной проволоки также уделяется большое внимание. Разработаны разнообразные способы ее очистки: механический [117−1183, с, применением коронного разряда [1193, электрохимический [120−1233. И хотя поставленная цель достигается, применяемые V способы могут приводить к изменению линейных размеров проволоки, требуют использования сложных по составу электролитов и всегда являются дополнительной операцией. А.

Сравнительный анализ эффективности различных способов очистки приведён в табл. 1.1. [117,118,119−123].

Таблица 1.1.

Способы обработки.

Параметры производитрудоемэнерго-тельность кость затраты.

ОстаШеро-точхова-ное тость, загрязнение Н, мг м2 мкм.

Механический.

Галтовка.

Дробеструйный.

Электрохимический.

Ультразвуковой.

Вакуумно-дуговой.

Электро-литно-плазменный.

1,0 челчас кВтчас 0,7- 3.

1,5.

25 час т час 2.

СМ т т челчас кВтчас 1,5- 2 т.

35 мин кг час.

8,3.

РУб.

80 т дм' 2.

0, Обруб кг.

1,2−10.

Вт 2 да2.

0,5 кВ’час/м2 на 1 мкм. окалины по толщине кг.

0,02час.

РУ<5 кг.

0,8'Ю2 Вт дм2.

100 2,5.

1,7.

10 исходи.

2,1.

15 2,4.

Несмотря на то, что табличные данные не имеют единой размерности, тем не менее дают общее представление об эффективности про ¦ п цессов очистки, из которых явствует, что разработанные способы имеют узконаправленное действие: механические, вакуумно-.дуговые, электроэррозионные для удаления механических, труднорастворимых соединений, химические, электрохимические, ультразвуковые-для снятия загрязнений, слабо связанных с поверхностью. Длительность процессов, необходимость применения крупногабаритного, конструктивно сложного оборудования, экологические проблемы также ограничивают применение разработанных процессов в производстве.

Электролитноплазменная очистка, уступая по количеству остаточных загрязнений только очистке в вакууме, превосходя в то же время по скоростным, экономическим, экологичеким показателям, универсальности, по сравнению с другими способами имеет несомненное преимущество, но необоснованный выбор сред, недостаточная проработка технологических и конструкторских решений ограничивает широкое применение процесса в действующем производстве.

1.4 ХММЖОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ПЛАЗМЕ.

Как отмечено, в газовой оболочке присутствуют элементы, входящие в состав электролита, в виде нейтральных атомов, что следует из вида спектров излучения, ионов и, предположительно, радикалов. Реализуемая в разряде средняя напряженность поля порядка 104″ -105 В/см [37,1243 обеспечивает образование из электролита диффундирующего элемента и подвод его к обрабатываемой поверхности.

Показано, что коэффициент диффузии элементов в материал электрода существенно увеличивается за счет различных факторов воздействия плазмы на поверхность твердого тела. Таким образом, совокупность электрофизикохимических процессов, обусловленных цриродой электролитноплазменного разряда, позволяет проводить насыщение обрабатываемой поверхности элементами, участвующими в диффузионных процессах.

Так, например, при катодном процессе обработку стали проводят в водных растворах неорганических азотосодержащих соединений: нитратов, нитритов, солей аммония, а также в растворахорганических соединений, в частности карбамида, формальдегида [125,1263 в интервале температур Тн =600°.900°С. В результате насыщения за 2.10 мин глубина азотированного слоя достигает 0,2.1,0 мм.

Для анодного процесса характерно проведение его при Тн= 570−760°С, в качестве электролитов используются водные растворы аммиака и его солей [127−1303.

Скорость насыщения при анодном процессе практически соответствуетскорости насыщения при катодном процессе. — ^ • .

При введении в состав электролита углеродосодержащих* соединений возможно проведение процесса цементации, который являе-тся наиболее распространенным для электролитноплазменной обработки. В рассмотренных публикациях количество применяемых соединенийболее 100. Глубина слоя достигает 0,4.1,2 мм за 0,5.2 мин. Процесс значительно интенсифицируется, если при неизменных параметрах обработки использовать в электрической цепи источник постоянного импульсного тока с частотой 5 кГц и продолжительностьюимпульса 1,2 мс [1313. В качестве углеродосодержащих веществ в подавляющем большинстве случаев применяются органические вещества: органические кислоты, ацетон, спирты. Содержание основного вещества может колебаться в широких пределах. Так, например в [1313 содержание ацетона составляет 10.80%, в [6,1323 содержание этилового спирта меняется от 7,5 до 70%. Для увеличения электропроводности в электролит добавляют сильные кислоты или щелочи. Область рабочих температур для катодного процесса составляет 800°.1050^, для анодного процесса 600°.930° С.

При одновременном введении в электролит компонентов, содержащих углерод в составе органического соединения и азот в? виде аммонийной соли возможно проведение процесса нитроцементации.

Рабочая температура при катодном процессе 700., 950 °C, при анодном процессе- 600°.950°С.Скорость насыщения в разработанных составах электролитов для анодного процесса выше, чем для катодного. Так, при анодном процессе за 2−5 мин получают слой глубиной 0,7- 1,0 мм [39], при катодном за 4 мин.- 0,24 мм [133]-.

При наложении на постоянный ток высокочастотных колебаний или импульсов [134] процесс интенсифицируется до 4-х раз. — Возможно получение слоев глубиной 0,1.0,4 мм за 0,5. 1,0 мин.

В водных растворах вольфраматов с добавкой для увеличения электропроводности аммиака получают при катодном процессе диффузионные 'слои, содержащие до 30% вольфрама [131]. При анодном процессе в растворах вольфрамофосфорной кислоты с добавкой соляной кислоты при Тн=850°.1050°С за 3.8 мин обработки получают диффузионные слои глубиной до 0,2. 0,35 мм [135−136]. В растворах кислот, содержащих молибден, ванадий также описана возможность получения соответствующих диффузионных слоев [137].

Поскольку развитие электролитноплазменного разряда и нагрев до определенных температур осуществим для большой группы металлов и сплавов, естественно предположить возможность химикотермической обработки и разнообразных. сплавов цветных металлов многими элементами. Такие процессы непременно будут осуществляться в ближайшее время как наиболее перспективные для интенсификации насыщеия. Это обеспечивается специфичностью воздействия электролитно-плазменного разряда на вещество электролита и обрабатываемую поверхность .

Влияние различных факторов на интенсификацию процесса насыщения рассмотрим на примере борирования.

Насыщение стальных изделий бором проводится с целью получения твёрдого (до 2000 г/мм2) поверхностного слоя толщиной до 0,3.0,4 мм, обладающего высокой износоустойчивостью, особенно абразивной. «.

Разработанные в настоящее время технологии борирования в порошковых смесях, обмазках, расплавах, газах с применением печного, контактного нагрева, токами высокой частоты, лазером и др. позволяют проводить насыщение изделий бором со скоростями, усредненные значения которых приведены в табл. 1.2.

Все данные относятся к борированию среднеуглеродистых конструкционных сталей при Тн= 950° С.

Из данных, приведенных в таблице, взяв за основу скорость насыщения в расплаве, видно, что электролитическое расщепление насыщающего вещества и его подвод в зону обработки ускоряет процесс в 1,5 раза, лазерное воздействие на обрабатываемую поверхность и вещество в 2−3 раза, скоростной нагрев металла с изменением кристаллической решетки и разложением компонентовв 4−5 раз.

Таблица 1.2 Зависимость скорости насыщения изделий бором от способа обработки.

Способ обработки Основное насыщающее соединение Скорость насыщения мкм/мин.

Порошковый в4с 0,78.

Расплав На2В407 0,66.

Электролизный Ма2Вд0? 1,18.

Газовый В2Нб * 1,12.

Лазерный в, в4с 2,80.

ТВЧ — обмазка ВдС, Ыа2В407 3,70.

Многообразие разработанных технологий тем не менее не способствовало широкому применению борирования в промышленности в силу того, что процесс в ряде случаев токсичен, длителен, а отклонение от заданных технологических параметров приводит к повышенной хрупкости и скалыванию насыщенного слоя.

Из литературного обзора следует, что отсутствие единого подхода к выбору составов электролитов не может обеспечить быстрый выход на оптимальный вариант и зависит от точки зрения исследователя. Граничные значения компонентов в растворе определяются либо по отсутствию насыщения, либо по критерию растворимости или потери технологических свойств электролита и могут резко отличаться у различных авторов. Так, например, содержание этилового спирта в составе электролитов для цементации колеблется в разных работах от' 7,5% до 80%.

Заключение

о необходимом условии насыщения металла элементом из соединения, обладающего меньшим давлением паров, чем растворитель. подтверждено в ряде случаев, но в то же время имеются данные, противоречащие такому выводу.

Недостаточно исследован также вопрос о механизме образования и заряде частиц, ответственных за насыщение. Составы растворов для химикотермической обработки в случае анодных и катодных процессов не имеют принципиальных отличий.- Тем не менее, например, находящийся в составе аммиака азот обеспечивает азотирование, находящийся в составе кислот? Гвольфрамирование как при катодных, так и при анодных процессах.

Углерод, находящийся в четвертой группе периодической системы, не имеет тенденции преимущественного образования катионов или анионов, обеспечивает цементацию из широкой номенклатуры соединений.

Для сравнения интересны данные, полученные при ионном¦азотировании [ 138]. .&bdquo-Если деталь, подключенную к положительному полюсу (аноду), нагревать специальным нагревателем до температуры, равной температуре детали, подключенной к катоду, то скорость насыщения становится одинаковой.

1.5 ВЫВОДЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

На основании проведенного литературного обзора установлено: А.

1. Несмотря на возрастающий интерес к электролитноплазменной обработке металлов как к современному, прогрессивному способу обработки, процесс имеет незначительное распространение в производстве изза малой его изученности «отрывочности и в ряде случаев противоречивости полученных данных.

2. Комплекс сложных процессов, происходящих в газоплазменной оболочке, имеющей малые линейные размеры, вызывает большие экспериментальные трудности при его исследовании.

3. До настоящего времени не выяснен тип разряда, горящего в тонком газовом слое между'* электродами, одним из которых является обрабатываемый металл, вторымэлектропроводящая жидкостьнеизвестны параметры плазмы, неясны составы газовой фазы и тип частиц, ответственных за насыщение.

4. Нет ясности в механизме. нагрева электродов,' балансе тепла в плазме и электролите.

5. Ограничена тенденция решения производственных задач, разработки новых технологий.

6. .Перспективность данного вида обработки обусловлена легкостью создания активной газовой среды и воздействия на структуру и свойства обрабатываемого материала бомбардировкой направленным потоком заряженных частиц, регулируемым, в частности, возможностью плавного изменения температуры электрода от начальной до расплавления.

Именно эти особенности обеспечивают интенсификацию всех процессов электролитноплазменной обработки, в частности, очистку от всех видов загрязнений, термическую и химикотермическую обработку, сварку.

На основании вышеизложенного были конкретизированы этапы проводимой научноисследовательской и опытноконструкторской работы для обеспечения изучения явлений и процессов при электролитноплазменной обработке и разработки промышленных технологий и оборудования на их основе.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРЯДА ПРИ СВАРКЕ В ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ПЛАЗМЕ.

Для решения поставленных задач исследования основных явлений при горении разряда между двумя электродами, одним из которых является свариваемый металл, а другим электропроводящая жидкость потребовалось создание ряда экспериментальных установок, обеспечивающих возможность изучения зависимости силы тока или температуры активного электрода от приложенного напряжения.

Экспериментальная установка представляла собой электролитическую ванну из винипласта объемом 3 л, заполненную электролитом с размещенными в ней электродами. Внешний электрод был выполнен из стали 12Х18Н9Т в виде кольца с внутренним диаметром 10 см и высотой 2 см. Внешняя поверхность кольца экранирована с помощью вини-пластовой обоймы так, что ток протекал только через внутреннюю поверхность. Активный центральный электрод из ст.12Х18Н9Т диаметром 0,5 см и длиной 5 см имел по оси отверстие диаметром 0,3 см и глубиной 4,8 см, в котором закреплялась хромельалюмелевая термопара для измерения температуры электрода. Масса активного электрода составляла 5,0 г. Диаметр спая термопары- 0,3 см. Глубина погружения электрода в электролит изменялась в ходе экспериментов от 0,2 до 0,6 см. В ряде случаев торцевая поверхность электрода закрывалась диэлектрическим экраном, выполненным в виде стержня, опирающимся на дно электролитической ванны.

Вторая термопара из хромелькопеля диаметром 0,4 см, помещенная в диэлектрический трубчатый экран., имела оголенный спай, располагавшийся в электролите на расстоянии 0,1−0,2 см от поверхности активного электрода. С ее помощью измерялась температура электролита за пределами парогазовой оболочки околоактивного электрода. Показания термопар регистрировались с помощью потенциометров КСП-4. Градуировка термопар проверялась путем нагрева горячих спаев в термостате, в первом случае до 1273К, а во второмдо 373К.

Начальная температура электролита перед. опытом, а также конечная его температура после опыта измерялась также ртутным термометром после тщательного перемешивания электролита.

Распределение потенциала в электролите измерялось подвижным электрическим зондом из вольфрама диаметром 0,06 см, погруженным в электролит на глубину 0,2 см. Он перемещался с помощью микрометрического винта от момента соприкосновения с активным электродом до внешнего электрода. Схема измерения позволяла регистрировать разность потенциалов между зондом и любым из электродов с помощью цифрового вольтметра Р-386 с внутренним сопротивлением более 100 кОм с пространственным разрешением 0,06 см. Рядом с зондом устанавливалась термопара для контроля температуры в точке зондирования.

Во всех экспериментах регистрировалось напряжение на электродах и средняя сила тока между ними с помощью стрелочных приборов класса 0,5. Напряжение на ячейке увеличивалось ступенчато через 5−10 В. Плотность тока рассчитывалась по величине тока и площади погруженного активного электрода. л.

2.1 Определение падения напряжения на разрядном промежутке.

По виду вольтамперных характеристик электролитноплазменного процесса можно выделить пять характерных областей: Первая область, в которой величина тока пропорциональна приложенному напряжению, простирается до напряжений 40−50 В. Температура электрода и электролита в этой области значительно меньше температуры кипения электролита. Распределение потенциала по радиусу межэлектродного зазора близко к теоретическому для радиальной геометрии:

Ро г2.

U = IIn — (1),.

2% г1 где: I — сила тока, р0 — удельное сопротивление электролитаTg,^- радиус внешнего и внутреннего активного электрода. ii ¦

Эта область, где температурные градиенты незначительны и теплота передается естественной конвекцией к свободной поверхности жидкости.

При дальнешем увеличении напряжения до 70−80 В наблюдается более медленное увеличение силы тока вплоть до максимального значения. Этовторая область характеристики, при которой температура активного электрода достигает температуры кипения воды. Перегрев становится достаточным для образования пара на поверхности нагрева. Усиливается интенсивность электролитически образуемого газа. л.

Сопротивление слоя электролитэлектрод увеличивается, однако большая часть напряжения попрежнему падает на электролите.

Третья область характеризуется неустойчивостью системы и связана с бурным кипением электролита и отдельными разрядами в разных точках электрода. Возросшее сопротивление оболочки вызывает увеличение выделения тепловой энергии. Электролит, нагретый до температуры насыщения, в дальнейшем незначительно увеличивает свою температуру, а подводимая энергия расходуется на парообразование и теплоотдачу в электролитнаступает пузырьковое кипение жидкости. Приэлектродная зона, состоящая первоначально из электролитически выделенного газа, пара, включает в себя и отдельные легкокипящие компоненты раствора.

При дальнейшем увеличении напряжения до 100−130 В сила тока уменьшается в несколько раз. Наблюдается образование сплошной оболочки, изолирующей активный электрод от электролита.

Это четвертая стадия процесса. Однако нагрев активного электродапятая стадия процесса начинается не в точке стабилизации разряда, -а при дальнейшем увеличении напряжения на 10−50 В, или в ряде составов электролитов, может>не наступить совсем.

Как отмечено в обзоре литературы и воспроизведено в данной работе, постепенное от нулевого значения увеличение напряжения постоянного тока на электролитической ячейке приводит к нелинейному изменению величины тока, что связано, отчасти, с перераспределением падений напряжения в межэлектродном промежутке. Образова.

•4 ние сплошной оболочки, Изолирующей активный электрод от электролита, переносит протекание реакций на границу электролитгаз, состав и свойства газовой фазы в режиме ЭПР определяются параметрами разряда, составом раствора, скоростью подвода частиц, градиентом концентраций, движением ионов в электрическом поде, температурой кипения входящих в состав раствора компонентов и т. д.

Графики, вольтамперных зависимостей строились с момента установления стационарного разряда, т. е. с напряжения, соответствующего началу четвертой стадии ВАХ ячейки. При дальнейшем увеличении напряжения происходит нагрев электрода, т. е. наступает пятая стадия процесса. Увеличение напряжения при катодном процессе прек.

Рис 2.1 Вольтампернотемпературная характеристика процесса.

Рис. 2.2 График зависимости и, В разрядного промежутка от 1, А при 3(1), 5(2), 10(3), 1556(4) концентрациях Ка2С03. Рис. 2.3 График зависимости мощности разряда от концентрации заряженных частиц.

— ращалось при достижении температуры электрода Тн=1200°С во избежании его оплавления. •.

Последующее снижение напряжения приводит к гистерезису кривых процесса. Область устойчивого горения разряда при этом простирается до существенно более низких значений напряжения, соответствующих началу четвертой стадии процесса. При этом происходит плавное снижение температуры образца и, наконец, при температуре Тн= 470 °C происходит схлапывание оболочки и прекращение разряда. ПоследоЕа-тельно наступают 3,2,1 стадии процесса, но ввиду того, что после нагрева изменилось состояние поверхности образца, повысилась температура электролитасовпадения точек с первоначальными значениями не наблюдается. Наблюдаемый гистерезис характеристики процесса [рис.2.1] объясняется тем, что разным ветвям его соответствует разная температура электрода. При отсутствии нагрева электрода, в пятой стадии процесса гистерезис отсутствует, что отмечено, например, на ВАХ разряда при анодном процессе в том же электролите- 15% Ыа2С03. Поскольку наибольший интерес в рамках данной работы представляет IV и V стадии процессадля сравнительных характеристик на последующих графиках были Еыделены только зоны с электролитно-плазменным разрядом. На рис. 2.2 представлены результаты экспериментов по режимам горения разряда в растворах 3,5,10,15 процентной концентрации Ка2С03 при Тэ= 30®-С.

Как показало измеренное нами распределение потенциала в межэлектродном промежутке с помощью зондов в режиме устойчивого эле-ктролитноплазменного разряда, основное падение напряжения происходит на узком слое вокруг активного электрода. Определение фактической величины падения напряжения на оболочке позволило установить зависимость силы тока от напряжения разряда. Поскольку велидо чина падения напряжения на электролите соответствует его омическому сопротивлению, то для каждого значения тока<�можно определить эту величину как произведение 1*11, где сопротивление оценивается по начальному наклону прямой ВАХ ячейки.

Тогда напряжение горения разряда д — и = Г. — и, р общ э где.

Побщ — величина напряжения на ячейке, В и.

— величина падения напряжения на электролите, В.

Для наглядности в табл. 2.1 приведена методика расчета значений для построения графиков зависимости силы тока от напряжения горения разряда (взята нижняя ветвь, характеризуемая большей протяженностью и стабильностью) на базе экспериментальных данных характеристик ячейки (рис. 2.1.).

Таблица 2.1.

Расчетные значения электрических параметров по данным характеристик ячейки (Я).

ДГЯ, В ир, в «ХРД 1 Г, В р' зонд.

80 2,2 18 62 2,2 60.

90 2,4 20 70 2,4 72.

100 2,8 24 76 2,8 75.

110 3,0 28 82 3,0 80.

120 3,4 30 90 3,4 93.

Поскольку построенные по расчетным данным графики соответствуют значениям, полученным на основе прямых измерений с помощью зонда, стационарно закрепленного в крайней, точке стабильности разоряла, в пределах погрешности измерения, разработанная методика ис-• пользовалась и далее, а координаты х, у переменены местами, как это принято в описании классических видов разрядов в литературе.

Из приведённых графиков видно, что повышение содержания соли в растворе увеличивает *не только его электропроводность, но и концентрацию заряженных частиц, т. е. электропроводность оболочки. Горение разряда при этом наблюдается при более низком напряжении, а плотность тока возрастает. Наглядную иллюстрацию «выше сказанному получаем, пересчитав данныеэкспериментов Зависимости мощности разряда от концентрации электролита. Соответсвующий график представлен на Рис 2.3. Полученная регрессионная формула имеет пренебрежительно малый коэффициент нелинейности, что позволяет говорить о практически линейной зависимости мощности разряда от концентрации заряженных частиц:

N (С)= 253.3 +9.39б*Х -0.03Т60*Х2 р

Полученные зависимости изменения силы тока от напряжения позволили представить их в графическом виде, получить регреосйонные формулы. Результаты воспроизводимы и соответствуют^изученной зависимости для классических видов разрядов — практически линейными к' > зависимостям величины напряжения разряда от концентрации заряжен* ных частиц и. потенциала ионизации легкоионизируемых компонентов, позволяет говорить о достоверности измерений, но изменение линейных размеров разряда, состояния поверхности, свойств электролита не 'позволяет в полной мере говорить о Еольт-амперных характеристиках разряда. Сложность получения ВАХ известна и при исследовании дуговых разрядов, т.к. затруднено фиксирование ряда параметров.

Проводя допустимую ана^гию с зажиганием и развитием ' сварочнойдуги, формирование электролитноплазменного разряда можно представить следующим образом: поверхность электрода обладает шероховатостью, площадь микровыступов в. среднем составляет: s = 1-ю~6см2[139].

При подаче напряжения ток первоначально проходит. по вершинам микровыступов, вызывая их нагрев и испарение. Электролит отбрасывается от электрода, т. е. систему>можно рассматривать как обкладки конденсатора, удаляющиеся друг от друга. Используя формулу Сена Л. А. оценим. максимальную величину напряженности поля в момент зажигания разряда:

Е =3' 108 * U * R~2//3' S~2//3 'а~1//з, mas О где ио-нацряжение, В;

Н-сопротивление, Ом;

S-площадь микронеровностей, см2- a-ускорение, см/с2;

Етах=3″ 108*150″ 50−2//3″ (10~5)~2//з" (106)~2//з=3,31 МО11В/см 4 Эта напряженность много больше, чем необходимо для мощной электростатической эмиссии электронов из любого материала катода, т. е. обеспечения ионизации газового промежутка.

Ввод компонентов раствора в оболочку может осуществляться как направленным движением ионов под действием приложенного напряжения, так и в нейтральной формеразлагающихся в дальнейшем термолизом или под воздействием электрического разряда. Высокая напряженность электрического поля способна вызвать ионизацию частиц, находящихся в газовой фазе. Присутствие их в оболочке, особенно легкоионизируемых элементов, однозначно доказано спектральным методом и может быть обнаружено даже визуально по цвету оболочки. Так, при горении разряда в растворе солей калия оболочка окрашивается в фиолетовый цвет, в присутствии солей натрияв желтый и т. д.

С целью выяснения значения величиныпотенциала ионизации ,. легкоионизируемого элемента для зажигания и существования электро-литноплазменного разряда были приготовлены два ряда растворов с одноименным анионом, но различными катионами в концентрациях, соответствующих примерно равной удельной электропроводности- 0,20,25 Ом-1*см-1. Значения минимального напряжения для формирования разряда в условиях пленочного кипения жидкости, т. е. создания-стабильной газоплазменной оболочки вынесены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Зависимость напряжения зажигания разряда отпотенциала ионизации.

Электролит Катион ф, эВ ^зазкиг" .

Н2ЗО4 Н+ 12,6 70.

Ш4)2БОл ин- 10,4 60.

На оБ0. Ыа+ 5,14 55.

2 Д Л ,.

• к2зо4 К+ 4,34 50.

НС1 Н+ 12,6 70.

Ш .01 ' Щ 10,4 50 ИаС1 5,14 50.

КС1 к+ 4,34 47.

На рис. 2.4, 2.5 представлены полученные, результаты табл. 2.2 в графическом виде. Из этих данных видно, что чем ниже потенциал ионизации элемента, входящего в состав электролита, тем ниже напряжение зажигания разряда. Другими словами, падение напряжения на оболочке должно быть достаточным для ионизации находящегося там элемента/Чем ниже его потенциал ионизации, тем «при меньших напряжениях газовая оболочка станет электропроводной. Установленная зависимость для электролитноплазменного разряда соответствует известной зависимости температуры температуры столба дуги постоянного тока в воздухе от ионизационных потенциалов металлов, входящих в состав электродов-. Отклонение точек в растворах аммонийных солей объясняется участием аммония в газонаполнении оболочки.

В то же время резкое отклонение от установленной зависимости в растворе соли СаС12 (линия 5, Рис. 2.4) объяснено нами «высаливанием» соединения на поверхности катода с резким изменением свойств ячейки. Исследованы электрические параметры. разряда в зависимости от температуры электролита (табл 2.3).

Таблица 2.3.

Тэ И (В) КА).

23 100 1,5.

90 1,2.

80 1,1.

30 90 1,8.

80 1,7.

70. 1,5.

40 80 2,5.

70 2,2.

60 2,0.

60 70 2,8.

65 2,5.

60 2,4.

Ярко выраженной закономерности обнаружить не удалось, вследствие того, что повышение температуры неоднозначно влияет на электропроводность, вязкость, поверхностное натяжение раствора. Установлено лишь то, что при Тэ<30°С требуется повышенная мощность зажигания разряда, а при Тэ>80°С—процесс становится неустойчивым изза образования паровых пузырей значительных размеров,. препятствующих созданию сплошной оболочки. Оптимальная Тэ = 30°-40° С.

Влияние тока и полярности процесса на напряжение разрядного" промежутка представлена на рис. 2.6. В 10% растворе N82002 произведена обработка образцов, где диаметр, глубина погружения, марка стали, шероховатость, температура и скорость по-подачи электролитапостоянные. Кривая 1- при анодном процессе, 2-при переменном токе г= 50 Гц, 3- при катодном процессе.

Промежуточное положение кривой 2 определенно указывает на периодическое существование анодного и катодного процессов, т.к. р смена полярности за 1-=2* 10 с. достаточна для формирования оболочки (1-= 10~л с). Смена полярности сказывается на крайней неустойчивости оболочки, разбрызгиванием электролита, колебаниями показаний приборов. Тем не менее, не отмечено принципиальных отличий горения разряда при переменном токе. Проведенные разовые эксперименты по зажиганию разряда от источника питания с г= 2400 Гц показали принципиальную возможность осуществления процесса, внешне протекающего спокойно. Интересен тот факт, что время существования каждой фазы I = 5*10~4с, т. е. все еще достаточной для формирования оболочки, а отсутствие пульсаций, присущих процессу при 50 Гц говорит о том, что газовая оболочка не успевает схлаповаться. Кроме того, повторное зажигание разряда. облегчено остаточной термоэлектронной эмиссией и остаточной ионизацией разрядной области. безо.

1 1 г ©-у* А с /6 п®г Г X 1а о/ 7/ /а <// /? л /у®- /ь.

7 / <г#.

•. ? — к 7 1 V и.

9о ео.

50 ф о 'О ф /-П. к V 3.

Электрические параметры процесса в зависимости от потенциала ионизации.

Рис. 2.4-сульфат-ион, Рис. 2.5-хлор-ион.

11,8.

120 0.

1 • о 1— У^ г.

— о 1—) 3.

НО л.

3,/и.

Рис. 2.6. Зависимость электрических параметров процесса от полярностианодный (I), переменный (2), катодный (3).

2.2. ВОЛЬТТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА.

Зондирование межэлектродного промежутка и результатам расчетов показали, что часть вкладываемой мощности расходуется на электролите.

Рассмотрение системы металл-газ-пар-электролит-металл, формирующейся при зажигании разряда ставит задачу выяснения распределения вкладываемой мощности в электролитической ячейке с целью изучения процесса, увеличения эффективности обработки. Взяв за основу экспериментальные данные (рис. 2.1.)"полученные по методике, описанной в гл. 2, произведен расчет полной мощности разрядя и удельной — на единицу площади активного электрода.

Зависимость разности температур активного электрода и кипения электролита от удельной мощности разряда приведена на рис. 2.7. (кривая 2) в водных растворах углекислого натрия и азотнокислого аммония. Здесь же приведена кривая 1, соответствующая зависимости разности температуры вдлиндрического тела, нагреваемого электрическим током и температуры кипения в большом объеме недогретой воды от удельного теплового потока с поверхности, заимствованная из [1403. Она имеет немонотонный характер, обусловленный сменой режима теплоотдачи. При разности температур тела и кипения жидкости < б К теплообмен обусловлен естественной конвекциейпри > б К, но <30- .50 К — пузырьковым кипениемот 50 до 200 К — частично пленочным кипениемразвитое' пленочное кипение наступает только при перепадах температур выше 210 К, т. е. при температуре тела выше. 480 К. Сравнение с экспериментальными данными, полученными в плаз.

Рис. 2.7.График зависимости АТ от удельной мощности тепловогопотека q. менноэлектролитном разряде, показывает, что наступление соответствующих режимов теплоотдачи происходит при тех же перепадах температур электрода и электролита, что и для теплоотдачи от тел при кипении чистой водыв большом объеме с недогревом. Однако необходимые для этого плотности тепловых потоков, рассчитанные по полной мощности разряда, примерно вдвое превышают соответствующие плотности тепловых потоков, обеспечивающие такие же перепады температур при теплоотдаче нагреваемых нитей в ®-оде в условиях кипения с недогревом в большом объеме.

Такое различие связано с особенностями плазменноэлектролитического процесса, в котором нагрев электрода происходит вследствие протекания электрического тока через электролит и слой пара. При этом часть мощности, вкладываемой в' эту зону, может не приходить на электрод, а расходоваться на поддержание разряда в оболочке. Для. выяснения деталей процессов было проведено исследование теплового баланса в стационарном плазменноэлектролитном процессе. При этом оказалось, что баланс тепла сводится с точностью 1525%, что, повидимому, соответствует реальной погрешности определения потерь на нагрев и особенно испарение электролита. Наилучшая точность баланса получена для пленочного кипения, которое характеризуется высокой устойчивостью разряда (15%). Хуже была устойчива вость при нормальном электролизе вследствие газовыделения и парообразования вблизи электроданаиболее неустойчивым был режим горения разряда без нагрева электрода (переходный режим от пузырькового к пленочному кипению).

Систематический характер разности энергий, пошедших на нагрев и испарение электролита и вложенных в, ячейку, позволяет заключить, что дело не в погрешностях их измерения. Он может быть связан либо с потерями тепла через электрод, либо с завышением мощности разряда. Тот факт, что разбаланс увеличивается по мере увеличения флу-ктуаций (устойчивости режима), свидетельствует о справедливости последнего утверждения. Пульсации тока разряда, связанные с образованием пузырьков газа и пара, приводят к снижению средней мощности разряда. Это подтверждается детальными исследованиями этой фазы процесса. Оценки теплоотдачи от электрода в окружающую среду путем конвекции показали, что энергия, расходуемая этим путем, не превышает 5−6%.

Таблица 2.3.

Баланс тепла при электролизе и плазменноэлектролитном • нагреве катода (диаметр 0,4 см при равном погружении в электролит- 15%-ный раствор Иа2С03 в воде).

1Д и, В Ш*1- 105Дж СУ*ДТ 105Дж Опара 105Дж 0нА+0пара Режим АОпара.% от*дг А0н 1 2 3 4 5 6 'Г 8 9.

1,4 64 0,95 0,60 0,26 0,91 356 электро- 27.

3,0 62 1,61 0,96 «0,44 0,87 356 лиз 27.

2,5 61 0,64 0,42 0,19 0,95 392 30.

1,6 62 0,94 0,59 0,26 0,90 356- 28.

3,1 61 0,58 0,33 0,21 0,92 370 27.

2,2 54 1, 94 1, 03 0,68 л 0,88 355 35.

0,8 116 0,47 0,13 0,24 0,79 380 Плазма 51.

0,9 98 0,58 0,16 0,33 0,85 379 57.

0,75 120 0,25 0,09 0,12 0,84 377 48.

0,75 110 0,49 0,10 0,27 0,76 372 55.

1,6 110 0,44 0,21 0,18 0,89 370 41.

1 2 3 4 5 6 7 8 9.

0,9 130 0,41 0,22 0,21 1, 05 743 Плазма с 51 нагревом электрода.

1,6 90 0,66 0,34 0,41 1, 13 830 62.

1,6 85 0,96 0,40 0,50 0,94 864 52.

0,6 130 0,42 0,28 0,22 1,07 711 52.

2,2 120 1,00 0,59 0,55 1,14 734. 55.

Излучением электрода может уноситься даже, при максимальном нагреве не более 5% приходящего теплового потока. Несущественное влияние этих факторов на баланс тепла подтверждается и характером полученных зависимостей, так как увеличение температуры электрода не приводит к увеличению разбаланса (см. таблицу 2.3). В режиме электролиза на испарение электролита и газовыделение при Т= 355 372 К расходуется 27−35% мощности. При возникновении разряда эта доля увеличивается до 40−60% при Тш= 373−393 К и остается неизменной при дальнейшем разогреве электрода (Тщ= 710−860 К).

Полученные данные о балансе тепла, малые времена достижения стационарного нагрева электрода (< Юс) (рис. 2.8, 2.9, 2.10), а также подобие кривой зависимости. перепада температур между активным электродом и электролитом .от плотности теплового потока соответствующей кривой для теплоотдачи при «кипении (рис. 2.7) позволяют сделать вывод: тепловой режим активного электрода устанавливается в основном в результате двух процессовнагрева его протекающим электрическим током (бомбардировка заряженными частицами, ускоренными электрическим полем) и теплоотдачи при кипении к окружающему электролиту. При этом могут устанавливаться различные режимы кипения-, пузырьковое, переходный режим и развитое пленочное кипение.

Мощность, подводимая к электроду, определяется вольтамперной характеристикой разряда. Последние отличаются для различной полярности активности электрода, что и обеспечивает различные закономерности нагрева анода и катода, не находившие ранее разумного объяснения. Сложный характер кривой кипения (рис. 2,7) позволяет объяснить и различный характер нагрева электрода одного и того же знака, но и различных как по химическому составу, так и па* концентрации электролитов.

Если в переходной зоне между нормальным электролизом и установлением разряда, когда происходит перераспределение падения напряжения, сопровождающееся снижением тока, плотность теплового потока в электрод не превышает критического значения, режим теплоотдачи соответствует пузырьковому кипению с большой эффективностью, и электрод не нагревается (рис. 2.8), хотя стационарный разряд горит в паровой оболочке.

При дальнейшем увеличении напряжения плотность теплового потока в электрод увеличивается, несмотря на некоторое падение тока (рис. 2.9). Вследствие разницы в вольтамперных характеристиках нагрев катода начинается при меньших напряжениях (120 В), и зона разряда нагрева уже, чем в анодном процессе. В этом случае требуется увеличение напряжения (до 190 В), и только после этого возникает скачкообразный нагрев анода. Это объясняется тем, что по превышении критической плотности теплового потока скачком устанавливается пленочный режим кипения, коэффициент теплоотдачи падает, и электрод разогревается до температур, соответствующих пленочному кипению. Дальнейшее увеличение напряжения может привести к увеличению температуры электрода вплоть до его плавления. Снижение Я.

Рис 2.8 ВТХ процесса при активном катоде.

15% Иа2С03.

Рис 2.9 ВТХ процесса при активном аноде- 15% Ыа2'С03. рис. 2.ю.ВТХ процесса при активном аноде-15% Ш4Ш3 напряжения при установившемся пленочном кипении приводит к снижению плотности теплового потока и к соответствующему снижению температуры электрода. Так продолжается до момента срыва пленочного кипения, соответствующего минимальной плотности теплового потока (473 К). При срыве происходит переход к пузырьковому кипению, коэффициент теплоотдачи резко возрастает и ¦ температура электрода падает. Этим различием в характере теплоотдачи и определяется гистерезис в вольтамперных характеристиках разряда и нагрева электродов. Хотя следует подчеркнуть, что само по себе скачкообразной* изменение температуры электрода не изменяет резко характеристик разряда.

Иная ситуация наблюдается, если критический тепловой поток достигается уже в стадии перехода от режима электролиза к плазмен-ноэлектролитическому. Нагрев при этом-соответствует режиму развитого пленочного кипения. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к увеличению нагрева, темп которого определяется видом вольт-амперной характеристики разрядавплоть до температур, близких к температуре плавления. Последующее снижение напряжения в этом случае не приводит к гистерезису в вольтамперных характеристиках и нагреве электрода, так как процесс происходит в том же режиме пленочного кипения. При низких тепловых потоках, соответствующих перепаду <200К, происходит срыв режима кипения с переходом в пузырьковое, и температура электрода скачком падает почти до температуры кипения электролита. Такой режим более-, предпочтителен для нагрева изделий, так как позволяет плавно изменять их температуру в широком интервале без риска, перегрева или плавления. Следует иметь в виду, что коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости зависит от большого числа. факторов, которыми являются: материал и шероховатость поверхности, величина поверхностного натяжения жидкости, загрязнение поверхности, перемешивание жидкости, диаметр электрода и его ориентация относительно жидкости, наличие растворенных газов, наличие электрических полей, температура жидкости вдали от нагреваемого электрода и др. Этими факторами может объясняться наблюдаемая нами в ходе экспериментов некоторый разброс получаемых результатов.

При плазменноэлектролитическом нагреве проявляются особенности, связанные с нагревом тела за счет электрического разряда, протекания электрического тока в оболочке. Они не могут быть связаны с наличием электростатических полей, как предполагалось ранее, так как для существенного’изменения теплоотдачи требуются напряженности п&ля на несколько порядков больше величин, реализуемых вблизи активного электрода. Исходя из вышеизложенного можно заключить, чтотепловой баланс процесса в режиме стационарного длительного горения разряда складывается из следующих составляющих: на нагрев электрода затрачивается 50.60% мощности, рассчитанной по электрическим параметрам процесса и измеряемой температуре образцана нагрев и испарение электролита расходуется 30.45% мощности, определенной по падению напряжения в слое электролита,, повышению его температуры и уменьшению объемаколичественные оценки потерь на излучение и теплопроводность затруднены, поскольку деталь погружена в слой электролита. Ориентировочные значения- 5.10%.

Подобие явлений, наблюдаемых при плазменноэлектролитическом нагреЕе и теплоотдаче от нагреваемых тел при кипении жидкости в большом объеме, позволяет по новому представить механизм нагрева. Электрод нагревается не столько за счет джоулевых потерь в нем, сколько за счет бомбардировки его поверхности потоком заряженных частиц, как это происходит в различных видах электрических разрядов. Этот тепловой поток компенсируется теплоотдачей от электрода в окружающий электролит, что вызывает его нагрев и испарение. Эффективность теплоотдачи зависит от ее режима, от этого зависит и температура поверхности электрода. Скачкообразные изменения режима от пузырькового к развитому пленочному при превышени максимальной (критической) плотности теплового потока вызывают скачкообразный нагревобратный переход при снижении плотности теплового потока меньше минимальной приводит к скачкообразному охлаждению электрода. Такое поведение температуры позволяет заключить, что температура газа в зоне горения разряда не превышает существенно температуры кипения электролита, иначе в любом режиме происходило бы не охлаждение, а нагрев электрода от горячего газа. Это приводит к специфической форме неравновесного разрядараспределенному пленочному разряду с низкой температурой газа, но высокой температурой электронов, достаточной для ионизации газа и обеспечения его проводимости [141], что в свою очередь подтверждено теоретическими расчетами при построении д физической модели разряда.

2.3 МЖРОЗОЦЦИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА РАЗРЯДА.

Как ранее отмечено (глава 2, рис. 2.1) вблизи. активного электрода (в зоне горения разряда) наблюдается скачок потенциала порядка 70.80%.Определение размеров зоны, влияние энергетических характеристик разряда на них представляется важной задачей-для изучения процесса, получения исходных данных для расчета параметров плазмы.

Микрозондирование оболочки, окружающей активный электрод в виду крайне малых линейных размеров, представляет большие экспериментальные трудности. Для увеличения пространственного разрешения использовался специальный зонд. Зонд представлял собой вольфрамо-' вую нить 50 мкм, залитую эпоксидной смолой с. оголенной только торцевой поверхностью. Далее зонд помещался в керамическую трубку 02 мм Выступающая из трубки часть зонда с изолированной смолой боковой поверхностью не превышала 5 мм. Керамическая трубка вставлялась во фторопластовую втулку 010 мм. Зонд, закрепленный во втулках, имел возможность поступательного перемещения через отверстия в боковой стенке электролитической ванны. и наружного кольцевого электрода к активному электроду до его касания торцевой поверхностью и обратно до выхода из газоплазменной оболочки.

Движение зонда осуществлялось с помощью реверсивного двигателя постоянного тока со скоростью 0,0036 см/мин. Запись результатов микрозондирования осуществлялась с помощью регистратора КСП-4. Электрические параметры процесса во время зондирования поддерживались постоянными (рис. 2.II)-Электролитическая ячейка представлена: «активный» электродгазоразрядный промежутоккипящий слой электролита-электролит при Тэ=25.30°С-" пассивный" электрод. Такое расположение зон позволяло с достаточной точностью фиксировать момент выхода автоматически двигающегося зонда из газоразрядной области, поскольку слой кипящего электролита характеризуется крайней нестабильностью, что сразу же фиксируется приборами, выражаемой в пульсациях показаний вольтметра и амперметра. «Зондирование осуществлялось следующим образом: зонд вручную размещался на расстоянии I мм от активного электрода. Выставлялось требуемое напряжение и зажигался разряд. Одновременно с включением автоматического перемещения зонда включалось движение ленты с самописцем. После прохождения слоя кипящего электролита показания приборов V стабилизировались, что позволяло фиксировать силу .тока и падение напряжения между зондом и электродом. Зная скорость движения зонда» и время его прохождения через газоплазменную оболочку до касания с электродом, определяли длину разряда. При переключении реверсивного двигателя на противоположное движение, зонд, при тех же электрических параметрах, двигался в обратном направлении до выхода из оболочки.

Эксперименты по мйкрозондированию разрядного промежутка при активном катоде' и аноде позволили заключить, что длина разряда (толщина газовой оболочки) зависит от приложенного напряжения и увеличивается с его ростом. Результаты экспериментов приведены на рис. 2.12. Полученные данные согласуется с результатами измерения светящегося слоя оптическим методом. Определенны области приэлект-родных падений напряжения порядка 10. 15 В. Линейные размеры, ввиду малой протяжённости, с достаточной точностью не установлены, тем не менее наличие их существования подтверждено при исследовании спектра разряда.

Рис 2.12 График зависимости длины разряда (I) от напряжения (и).

Обращено внимание, что протяженность зоны разряда может быть искажена. поскольку зонд имеет размеры, сравнимые с измеряемыми длинами. В частности, в ряде случаев наблюдалось расхождение в результатах при движении зонда от электролита к электроду и обратно в пределах 5- 10%. Но поскольку у зонда работает только торцевая поверхность и результаты измерений воспроизводимыесть основания считать полученные данные фактическими.

При проведении, спектрального анализа использовались лабораторные установки как разработанные ранее, так и собственной конструкции. Принцип построения во многом схож: в электролитической ячейке расположены два электрода-, кольцевой наружный и внутренний цилиндрический стержень, гюдключенные к полюсам источника тока &bdquo-По схеме «а» (рис. 2.13)дно цилиндрической ванны изготавливается из тонкой прозрачной пленки. Световое излучение из зоны разряда проходит через пленку и, отраженное от зеркала, закрепленное под углом 45°поступает через конденсорную систему в регистратор спектра. По схеме «б» кольцевой электрод имеет паз, через который проходит световое излучение в регистратор. По схеме «в» в спектрограф поступает световое излучение из факела возбужденных газов, выбрасываемых над поверхностью электролита, образование которых возможно при повышенной мощности разряда. Необходимо отметить, что по схемам «а» и «б» в регистратор не попадут лучи ультрафиолетовой части спектра, поглощаемые водой, а по схеме «в», -ограничен диапазон изменения электрических характеристик разряда.

В разработанной в рамках данной работысхеме '^" -экспериментальной установке принципиальным отличием является то, что излучение разряда приходит на спектрограф ИСП-28, ИСП-51 через зеркало, установленное под углом 45° над поверхностью электролита. Такая.

27 Г ччЧч мв.

N ^ ^ ^ N ^ а.

Л © сз^ N 6.

— 7 ¦ /.

•-С, а г.

Рис 2.13. Схемы снятия спектра разряда. конструкция позволила максимально по интенсивности использовать излучение и фиксировать спектр разряда по его длине.

Анализ спектрограмм показывает, что. во всех электролитах, приготовленных на основе солей натрия, присутствует дуплет Na-5889,95/5895,92А, на основе солей кальцияCal- 4226,4289,4425, 4454А, KI- 7664,9−7699А, в кислых растворахН- 6565А .

Конструкция установки по схеме «г», позволяющая исследовать разряд по длине, позволила выявить неравномерность по" толщине и интенсивности спектральных линий, особенно заметно проявившейся на линии Na- 5889,95А. Более яркие линии металлов в катодной области указывают на существование областей приэлектродных падений потенциалов.

Высокая концентрация в разряде электронов высоких энергий в состоянии обеспечить существование частиц в нейтральной форме, дальнейшее существование которых зависит от их природывзаимодействующие с водой вторично переходят в раствор с образованием соответствующих соединений, а не взаимодействующиемогут выделяться как на электроде, так и в растворе в чистом виде. Так горение разряда в растворе AgN03 приводит к появлению в зоне обработки металлического серебра, а в растворе РеС13- появлению бурных хлопьев Ре (0Н)2.

•я.

2.4 АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕНН0Г0 РАЗРЯДА.

Изучение электролитноплазменного разряда изза его малых линейных размеров представляет. значительные трудности, вследствие этого встречающиеся в литературе данные имеют большой разброс значений и носят часто противоречевый характер. Расчет собственно параметров плазмы в известой автору литературе не встречается.

Для расчета параметров плазмы были взяты исходные значения: давление Р= 1*105 Па и температура t= 25° С в электролите 15% Na2C03, При напряжении горения разряда U= 150 В и плотности тока 1= 3*104А/м2 длина разряда составляла L= 10~4м, а напряженность электрического поля.

U 150 1 Л.

Е = — = -j = 1,5* Ю В/м.

L 10.

Длина свободного пробега электронов при давлении Р= 105 Па составляет 1= 5,6*10~7 м, тогда скорость упорядоченного движения v электронов определяется по формуле еЕ1.

Vy= -, где е — заряд электрона, m — масса электрона,.

2mV V — средняя скорость теплового движения электронов, равная:

8#Г / 8*1,38*10 *300.

V = V- = /-—-=105м/с. е % m 3,14*9,1*10 ~31.

Определив скорость упорядоченного движения электронов.

1,6*10~19 *1,5*10б *5,6*10~7 Ve= -:-: — = 7,3*10 м/с,.

2* 9,1*10−31 *105 найдем концентрацию электронов:

1 Зх1°4 17 з пе= — = —>- = 2,6*10 м-3 eV 1,6*10~19 *7,3*105 и температуру электронов:

V* % т (7,3*10) *3,14*9,1 *10~ у л.

Те= - = -:—-.—- = 1,4*10 К.

8к 8*1,38*10″ 23.

Для оценки квазинейтральности плазмы рассчитаем дебаевский радиус:

1*.

Ше / 1,38 *1,4 *10д б*101° м.

1^= V 4%епе V 4 *3.14 *1,6 *10″ 19 *2,6*1017 значительное превышение длины разряда по сравнению с радиусом Дебая говорит о квазинейтральности плазмы, т. е. концентрация ионов равна концентрации электронов? пе.

Показателем термического равновесия в системе служит равенство температур всех ее составляющих. Это равновесие устанавливается в результате столкновения электронов с тяжелыми частицамиионами и атомами.

При каждом столкновении электрон отдает свою избыточную энергию, полученную от электрического поля Е пропорционально отношению 2 т /т. Таким образом, для выравнивания температуры газа © & и электронов необходимо %а/(2те)= Ю5 соударений. В то же время электроны непрерывно получают энергию поля.

Поэтому установится или нет равенство температур электронов и газа будет зависеть от относительной разности температур ДТ/Т и относительной разности удельной мощности энергии.

АТ/Т «находится по формуле: е v2.

AT.

Т.

4 т е -*.

1е еЕ)'.

ЗкТ где: 1ееЕэнергия Ш, получаемая электроном на участке пробега 1е, а 3/2 М? еэнергия № теплового движения электрона, Для оценки равновесия в плазме определим еЛ.

3^е е 2 1,6×10 3.

— 19.

— 7×10×5,6×10 и AT 23×1,67×10.

— 27.

1, 38хЮ" 23×1, 4×1 О4 v.

5,6*10~7,5×106xj, 6×10~19)г Т.

4x9 х Ю" 31 (3/2×1, 38×10″ 23×1, 4хЮ4)2.

1, 05*10д" .

13,44×10−20)2 (2,9*10−19)2 1, 05×10'.

4180,6×10″ .

— 40 2221.

8,41*10~38.

Полученные данные указывают на неравновесность разряда, т. е. Т@>> Т. Расчеты подтверждаются тем фактом, что при изменении режимов (превышение критической плотности теплового потока или достижение его минимальной величины) происходит скачкообразный нагрев или охлаждение электрода. Такое поведение температуры позволяет заключить, что температура газа в зоне горения разряда не превышает существенно температуру кипения электрблита, иначе в любом режиме происходило бы не охлаждение, а нагрев электрода от горячего газа. Это приводит к специфической форме неравновесного разряда-распределенному пленочному разряду с низкой. температурой газа, но высокой температурой электронов, достаточной для ионизации газа и обеспечения его проводимости. 142].

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований' изучена специфическая форма неравновесного разряда-, распределенного пленочного разряда с низкой температурой газа, по высокой температурой электронов, достаточной для ионизации газа и обеспечения его проводимости, т. е. Те"Т&.

2. Изучение вольтамперных и вольттемпературных ХараКТерИйе с тик разряда, с учетом потенциалов ионизации основных элементов, проведение спектральных, хромат-омассспектральных исследований позволило установить тепловой баланс процесса, содержание веществ V в газовой фазе,' ответственных за зажигание и горение разряда.

3.Проведение послойного химического рентгеноструктурного и мателлогрзфического анализов позволило установить наличие диффузионных слоев за 1−5 мин. обработки, что. в несколько раз превышает по скорости насыщения при традиционных способах ХТО.

4. Совокупность проведенных исследований позволила разработать основы процесса сварки в электролитной плазме как однородных так и разнородных металлов.

5. Зондирование межэлектродного промежутка, давшее данные о распределении потенциала, позволило разработать конструкции электролитических ванн с наименьшими потерями подводимой мощности, основы применения электролитноплазменного разряда в сварочном и машиностроительном производстве.

6. Изучение воздействия разряда на обрабатываемую поверхность позволило разработать технологические шюцессы очистки сварочной проволоки в процессе перемотки ее с бухты на сварочную бабинузонную очистку деталей только в области наложения сварного шва, разработать технологию модификации поверхности для последующего нанесения полимерных и лакокрасочных покрытий со скоростями, в несколько раз превышающими традиционные способы.

7. На базе разработанных технологий проведено проектирование и изготовление малосерийного и единичного оборудования *для сварки, очистки деталей под сварку, сульфидирования режущего инструмента.

8. Изготовленное оборудование по разработкам автора внедрено на Алтайском тракторном заводе, Алтайсельмаше, Рубцовском машиностроительном заводе, Чебоксарском заводе промтракторов, Челябинском тракторном, Волгоградском канатном заводе, Семипалатинском метизнофурнитурном заводе и т. д. .¦ V.

9. Разработанные технологические процессы, внедренные на предприятиях страны, обладают высокими экологическими показателями вследствие того, что, вопервыхпроцессы сварки и обработки металлов проходят в водных растворах нетоксичных • солей и, во-вторых, при прямом сливе в канализацию отработанного раствора, имеющего щелочную реакцию, происходит нейтрализация производственных стоков, имеющих, как правило, кислую реакцию.

Разработанные в результате проведенных исследований технологические процессы и обородудование, внедренное в действующее производство экспонировались на ВДНХ СССР, за что автор был награжден двумя серебряными медалями ВДНХ СССР и медалью «Изобретатель СССР» [155,1563.