ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения градиента температуры материала в зоне термического влияния (ЗТВ) при выполнении исследовательских или промышленных работ, связанных с термической обработкой металлов концентрированными потоками энергии.
В настоящее время, несмотря на продолжительную историю развития техники и технологий, отсутствует надежное аппаратурное оснащение, позволяющее с высоким временным и пространственным разрешением исследовать процессы, протекающие в материале при воздействии на него концентрированного потока энергии (КПЭ). Описание процесса взаимодействия КПЭ с металлом затруднено отсутствием явных зависимостей теплофизических параметров от температуры, а знание динамики изменения температуры материала в ЗТВ позволяет адекватно определять особенности тепло- и массопереноса, что необходимо для создания оптимальных режимов обработки материалов КПЭ.
Известные методы температурных измерений, как правило, относятся к измерениям температуры на однородно нагретой и плоской поверхности. Из известных методов наибольшее распространение получили различные пирометрические методы, основанные на регистрации и обработке теплового излучения и методы зондирования нагретой поверхности пробным лучом (по изменению коэффициента отражения пробного луча).
В работе (заявка на изобретение RU 2010128820 А от 12.07.2010) предложен способ измерения температуры нагретой поверхности по отраженному излучению пробного луча. Температура определялась путем сравнения интенсивности отраженного луча от исследуемой поверхности с интенсивностью этого же луча отраженного от поверхности с известной температурой. Недостатком этого методов является его сложность.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство, реализованное в способе (RU 2389985, Способ измерения температуры в зоне сварки), в котором измерение температуры осуществляется встроенными термопарами. Однако, указанным способ не подходит для измерения градиента температур в ЗТВ.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является возможность осуществления измерения градиента температур в ЗТВ, необходимого для контроля и управления технологическим процессом термической обработки материалов, что достигается тем, что в экспериментальном стенде для определения градиента температуры в ЗТВ с помощью термопар, расположенных в образце, образец разделен на две части, а стенд дополнительно содержит источник концентрированного потока энергии, установленный с возможностью перемещения над образцом с заданной скоростью и струбцину для прижатия двух половин образца друг к другу, причем в плоскости разреза одной из частей образца просверлены отверстия для установки в них термопар, а в плоскости разреза другой части выполнены соответствующие пазы для укладки термоэлектродных проводов таким образом, что расстояние от отверстий для каждой из них до обрабатываемой поверхности образца равно h=a+(n-1)(H-a)/N при n=1, 2, 3…N, где a - расстояние от поверхности образца до спая первой термопары - выбирается равным диаметру термопары, H - предельная глубина измерений, N - число термопар.
Схема экспериментального стенда модели приведена на фиг. 1. Схема установки термопар приведена на фиг. 2.
Экспериментальный стенд состоит из образца 1 с термопарами 2, источника концентрированного потока энергии (например - плазмотрона) 3 и струбцины 4. Образец 1 разделен на две части 5 и 6, причем в плоскости разреза части 5 образца 1 просверлены отверстия 7 для установки в них термопар 2, а в плоскости разреза части 6 выполнены соответствующие пазы 8 для укладки термоэлектродных проводов 9.
Пример выполнения экспериментального стенда:
Рабочий участок включает составной образец из стали 60Г с сечением 50 мм × 50 мм и длиной 100 мм. Образец 1 разрезался пополам в поперечном сечении. Хромель-алюмелевые термопары 2 зачеканивались в предварительно высверленных отверстиях 7 диаметром 0,5 мм и глубиной 0,5 мм в плоскости разреза части 5 образца 1. Отверстия 7 для термопар располагались на глубине 0,5; 1,0; 1,5; и 2,0 мм от поверхности с шагом 4 мм. в плоскости разреза части 6 образца 1 сделаны пазы 8, в которые укладывались термоэлектродные провода в алундовой изоляции 9 диаметром 1,2 мм. Затем обе половины образца прижимались друг к другу струбциной 4.
Перемещение плазмотрона 3 осуществлялось поперек образца 1 так, чтобы при упрочнении сечение с термопарами совпадало с плоскостью симметрии плазмотрона 3. Другими словами, сечение с термопарами делит плазменную струю плазмотрона 3 пополам. После осуществления обработки за один проход рабочий участок остывал на воздухе.
Собранный таким образом экспериментальный стенд позволял измерять температуру на различной глубине от поверхности при рабочих режимах упрочнения, обеспечивающих формирование ЗТВ с глубиной от 1,1 до 2,5 мм.
На фиг. 3. представлено изменение температуры во времени в точках установки термопар на глубине от 0,5 до 2,0 мм (кривая 1 - 0,5, кривая 2 - 1,0 мм, кривая 3 - 1,5 мм, кривая 4 - 2,0 мм) при плазменном упрочнении стали 60Г (N=36 кВт; V=240 мм/мин; G=1,8 г/с) Глубина ЗТВ на натурных образцах, упрочненных по аналогичным режимом составила 1,1 и 1,4 мм соответственно, что коррелируется с достижением температуры области аустенизации на этой глубине при эксперименте.