СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF ELECTROARC SURFACE TREATMENT OF METAL WORKS

Предлагаемый способ относится к области металлургии, а именно к электродуговой обработке поверхности металлических изделий в вакууме, и может быть использован на предприятиях черной и цветной металлургии, а также в машиностроительных отраслях производства.
Известны способы и устройства электродуговой обработки поверхности металлических изделий (авт. св. № 122.603, № 224.716, № 367.980, № 1.113.106, № 1.189.618; патенты РФ № 2.012.694, № 2.021.391, № 2.064.524, № 2.068.029, № 2.074.903, № 2.135.316, № 2.144.096, № 2.165.474, № 2.170.283, № 2.195.517; патенты США № 4.950.377, № 4.971.667, № 5.246.741; патенты Великобритании № 2.055.939, № 2.164.359; патент Франции № 2.403.860; патент ЕР № 0.175.538; патенты WO № 92/6.965, № 93/13.238, № 97/00.106, № 99/28.520; «Физика плазмы», 11978, 4(4), с.425-428; Ивановский Р.Ф. и др. «Ионно-плазменная обработка материалов», М., «Радио и связь», 1986, с.156-158 и др.).
Общим недостатком вышеперечисленных способов и устройств для электродуговой обработки металлических изделий является то, что обработка сопряжена с большими энергопотерями, низкой производительностью и низким качеством обработки. Все это связано с тем, что очистка металлических изделий осуществляется катодными пятнами электродугового разряда, которые движутся по очищаемой поверхности хаотически, если межэлектродное расстояние в несколько раз превышает длину свободного пробега частиц плазмы дуги.
С целью упорядочения движения катодных пятен по поверхности обрабатываемого изделия, например, во время электродуговой очистки (плазменная электродуговая очистка металлических изделий, ж. «Металлургия», 2005, №4, с.44), движением катодных пятен управляют с помощью магнитных полей (патент РФ №2.195.517).
Однако наложение внешнего магнитного поля на электродуговой разряд существенно увеличивает энергопотери, так как приводит к увеличению падения напряжения в дуговом разряде (Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме, М., «Наука», 1970, с.250). Поэтому энергетически более выгодным способом управления перемещением катодных пятен является способ, в котором не применяется внешнее магнитное поле.
Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемому является «Способ обработки поверхности изделия дуговым разрядом в вакууме и устройство для его осуществления» (патент РФ №2.145.643, С23С 14/02, 1998), которые и выбраны в качестве базовых объектов.
-3
Согласно известному способу электрод (анод) располагается около поверхности обрабатываемого изделия (катода) в вакуумной камере при давлении 10-10 мм ртутного столба. Между электродом и обрабатываемым изделием поджигают электрический разряд. Обработку (поверхностную закалку или очистку от оксидов и других загрязнений) осуществляют катодными пятнами при движении их по поверхности изделия.
С целью сокращения энергозатрат и достижения высокого качества обработки изделия движение катодных пятен необходимо организовать таким образом, чтобы исключалось повторное и тем более многократное движение катодных пятен по уже обработанной поверхности изделия.
Этого можно добиться, если движение катодных пятен по поверхности обрабатываемого изделия организовать за счет перемещения анода относительно изделия или изделия относительно анода, как это реализовано в известном способе, выбранном в качестве базового объекта.
Однако даже в этом случае реализация известного способа сопряжена с большими энергопотерями, низкой производительностью и низким качеством обработки.
Технической задачей изобретения является снижение энергозатрат на обработку поверхности металлических изделий электродуговым способом, повышение качества обработки и производительности.
-3
Поставленная задача решается тем, что способ электродуговой обработки поверхности металлических изделий, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на том, что размещают в вакуумной камере обрабатываемое изделие, подают на него отрицательный потенциал, устанавливают над поверхностью обрабатываемого изделия электрод, подают на него положительный потенциал, возбуждают между ними электрическую дугу и перемещают изделие относительно электрода или электрод относительно изделия, отличается от ближайшего аналога тем, что создают в вакуумной камере давление в диапазоне 10-10 мм ртутного столба, устанавливают межэлектродное расстояние между электродом и ближайшей точкой поверхности обрабатываемого изделия в пределах 2,0-70,0 мм, что соответствует длине свободного пробега частиц плазмы дуги при используемом диапазоне давления в вакуумной камере, и поддерживают электрическую дугу и указанный зазор в процессе всей обработки поверхности изделия.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
По предлагаемому способу для достижения минимальных энергозатрат, максимального качества обработки поверхности изделия и высокой производительности необходимо для каждого уровня давления в вакуумной камере минимизировать величину межэлектродного зазора или расстояния от электрода (анода) до ближайшей точки поверхности обрабатываемого изделия.
Известно (Куликов В.П. «Технология сварки плавления», Минск, изд. «Дизайн ПРО», 2000, с.22), что электрический разряд имеет три характерных области: катодную, столб разряда и анодную. В каждой из этих областей выделяется энергия, равная произведению тока разряда на величину падения напряжения в этих областях разряда.
В обработке поверхности изделий используется только катодная область разряда, которая может существовать самостоятельно без других областей разряда в так называемых коротких дугах (Раховский В.И. «Физические основы коммутации электрического тока в вакууме». М., Наука, 1970, с.254). При этом реализуется минимально возможное в дуге при данных условиях падение напряжения, равное катодному падению напряжения, а следовательно, минимальные энергозатраты в дуге.
-3
-3
Таким образом, при прочих равных условиях минимум энергозатрат на поддержание дугового разряда реализуется при обработке поверхности металлических изделий катодными пятнами коротких дуг. Если учесть, что по данным многочисленных исследований протяженность катодной области составляет порядка длины свободного пробега электрона, которая в диапазоне давлений 10-10 мм ртутного столба составляет 7×10 - 70 мм, то с целью достижения минимальных энергозатрат длина дуг при обработке поверхности металлических изделий в указанном диапазоне давлений не должна превышать указанных размеров (Успехи физических наук, т. 125, вып.4, 1978, с.694).
-3
Следует заметить, что реализовать на практике межэлектродные зазоры величиной 7×10 мм в дуговом разряде очень трудно, поэтому за минимальное межэлектродное расстояние следует принять 2,0 мм (Раховский В.И. «Физические основы коммутации электрического тока в вакууме», М., Наука, 1970, с.200-202), которое можно просто реализовать в производстве. Задавать его меньше 2,0 мм не имеет смысла, так как это дает незначительный энергетический выигрыш, но существенно усложняет при этом задачу технического обеспечения такого зазора.
-3
Следовательно, минимальные энергозатраты на поддержание электрической дуги в диапазоне давлений 10-10 мм ртутного столба можно реализовать при межэлектродном расстоянии, примерно равном длине свободного пробега частиц плазмы дуги, то есть в диапазоне 2,0-70,0 мм.
В экспериментах по электродуговой очистке изделий («Металлические страницы», 2005, №10, с.2) было замечено, что при уменьшении межэлектродного расстояния движения катодных пятен по поверхности обрабатываемого изделия становятся более упорядоченными. Это замечено и в электросварке (Неровный В.М., Ямпольский В.М. «Сварочные дуговые процессы в вакууме», М., Машиностроение, 2002), что с уменьшением длины дуги легче управлять катодными пятнами путем перемещения электродов или изделия.
-3
Поэтому уменьшение межэлектродного расстояния в диапазоне давлений 10-10 мм ртутного столба до 2,0-70,0 мм позволяет более эффективно управлять перемещением катодных пятен по поверхности обрабатываемого изделия, не применяя для этих целей внешнее магнитное поле, которое увеличивает энергозатраты в дуговом разряде.
Экономическая эффективность улучшения качества обработки (очистки) поверхности стальных изделий с помощью предлагаемого способа подтверждена экспериментально на установках АОЗТ «Кластер» (г.Санкт-Петербург).
-2
-2
Электродуговой очистке подвергались горячекатаные металлические полосы толщиной 3,0 мм, шириной 250 мм и длиной 2000 мм. Давление в вакуумной камере во время экспериментов было 10 мм ртутного столба. Ток в дуговом разряде между графитовым электродом и металлической полосой (поверхности были параллельны) составил порядка 600 ампер. При длине дуги 100,0 мм и токе 600 ампер падение напряжения составило порядка 25,4 вольта, что соответствует выделяемой мощности в дуге 15 250 ватт. При уменьшении межэлектродного расстояния (длины дуги) до величины 7,0 мм, что при данном давлении в вакуумной камере примерно соответствовало длине свободного пробега частиц в вакууме при давлении 10 мм ртутного столба, падение напряжения в дуге при токе 600 ампер упало до 17,2 вольта, что соответствовало выделяемой в дуге мощности 10 320 ватт. Сравнение результатов обработки (очистки) поверхности стальной полосы от оксидов показало, что при равном времени обработки (3 секунды) качество очистки при короткой дуге (7 мм) оказалось выше, чем при длинной дуге (100 мм), а энергозатраты на очистку при короткой дуге (7 мм) уменьшились на 4 920 ватт, то есть на 32,3%. Качество очистки поверхности стальной полосы улучшилось за счет того, что при сокращении длины дуги катодные пятна перемещались по очищаемой поверхности более упорядоченно, то есть следовали за движением электрода. При данной дуге катодные пятна двигались по очищаемой поверхности хаотически, что приводило к большим потерям энергии. С уменьшением длины дуги увеличилась и производительность на 15-20%.
Таким образом, предлагаемый способ электродуговой обработки поверхности металлических изделий по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает снижение энергозатрат на обработку поверхности металлических изделий, повышение качества обработки и производительности.
Высокая эффективность предлагаемого способа полностью подтверждена экспериментами.