ГЛАВА 2
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Исследуемые материалы
Исследования проводились на низколегированных конструкционных сталях категорий Д32 и Д40 толщиной 6...12 мм. Указанные стали предназначены для корпусных конструкций кораблей и судов всех типов, классов и назначений [109,110]. Они обладают высокой пластичностью и удовлетворительной обрабатываемостью резанием.
Химический состав и механические свойства сталей приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Химический состав и механические свойства судостроительной стали
КатегорияД32Д40Степень раскисленияСпокойнаяХимический состав
(ковшовая проба), %Cmax
Mn
Simax
Pmax
Smax
Cumax
Crmax
Nimax
Momax
Almin
Nb
Timax0.18
0.9-1.6
0.5
0.035
0.035
0.35
0.20
0.40
0.08
0.015
Механические свойства при растяженииВременное сопротивление
Rm, МПа440 - 590510 - 650Предел текучести
ReH, МПа315390Относительное удлинение
А5, min, %2220 Химический состав сталей при проведении экспериментов определялся вакуумно-эмиссионным настольным спектроанализатором Belec compact lab.
При плазменной резке образцов в качестве плазмообразующей среды применяли кислород, воздух и азот технический, к которым добавляли воду из системы охлаждения сопла плазмотрона. Для сравнения выполняли резку образцов без добавления воды, а также с использованием смеси воздух+пропан-бутан.
При проведении экспериментов в качестве сварочных материалов применяли электродную проволоку сплошного сечения марки Св08А, флюсы ОСЦ45 и АН-348А.
2.2. Используемое оборудование и аппаратура
Плазменная резка деталей выполнялась на серийной машине "Кристалл ТПл-2,5" с источником питания АПР 401 и плазмотроном ПМР-74 с гафниевым катодом. Резка велась на прямой полярности. Расход воздуха, кислорода и азота определялся ротаметром РС-5, пропан-бутана - РС-3А, воды - мерной тарой. Для подачи в плазму воды изменена конструкция соплового узла плазмотрона (рис.2.1). Сопло состоит из двух отдельных конусных сопел, входящих друг в друга. Наружное сопло меньших размеров имеет внутри шесть тангенциальных канавок размером 0,15 х 0,93 мм, снаружи 24 радиальные канавки 0,1 х 0,3 мм для подачи воды. Часть воды из системы охлаждения плазмотрона поступает по тангенциальным канавкам в канал сопла (в струю плазмы), а по радиальным наружу вокруг сопла. Диаметр наружного и внутреннего сопла не равны между собой для обеспечения инжекции воды в струю плазмы. Таким образом, в плазмотрон без существенных переделок введено дополнительное наружное сопло, которое сопряжено внутренней конусной поверхностью с основным соплом. На внутренней и наружной поверхности сопла имеются пазы для прохода воды в зону плазмы. Использование такого сопла позволяет подавать воду из системы охлаждения внутрь общего канала, образованного совмещением двух сопел, и концентрично столбу дуги, создавая вокруг него водяную завесу.
Внутрь канала сопла вода подается с завихрением по часовой стрелке, т.е. в том же направлении, что и завихрение газа.
Вода, поступающая концентрично столбу плазмы, также частично испаряется и создает вокруг струи водопаровую завесу, ограничивая доступ атмосферного воздуха в зону резки. Образующиеся в процессе резки газы частично осаждаются водой. Общий вид плазмотрона с добавкой к воздуху воды показан на рис.2.2.
Исследования качества сварки проводились на вырезанных пластинах из сталей категорий Д32 и Д40 длиной 500 мм с использованием автомата АДС-1000. Сварка пластин толщиной 6...12 мм выполнялась одним швом на постоянном токе обратной полярности. Контроль качества сварки проводился визуально по внешнему виду шва и по поверхности излома после разрушения стыка.
Кинетика физико-химических процессов, протекающих в плазме дугового разряда и на выходе из плазменного факела обладает рядом специфических особенностей. Прежде всего, химические реакции в плазменной струе протекают и в основном заканчиваются на относительно небольшом участке канала наружного сопла плазмотрона. Скорость плазмохимических реакций зависит от характера течения газа в сопле плазмотрона. Характер течения влияет на величину коэффициента переноса в плазменной струе (коэффициенты диффузии, вязкости и теплопроводности), энергию в потоке газа и конфигурацию струи, скорость диссоциации, движение капель жидкости в струе газа, а также на скорость и степень её дробления.
Низкотемпературная плазма может находиться в состоянии локального термодинамического равновесия и химические процессы в ней могут быть равновесными или квазиравновесными. Конечный результат и характер
а б
Рис.2.1 Сопловой узел плазмотрона: а - для резки в плазмообразующей среде воздух + вода; б - для резки в плазмообразующей среде воздуха Рис.2.2 Плазмотрон ПМР-74 для резки в плазмообразующей среде
воздух + вода
химических превращений, происходящих при температурах в несколько тысяч градусов, в значительной степени определяется термодинамическими свойствами веществ, участвующих в реакциях на той или иной стадии. Каждую из этих стадий можно рассматривать как самостоятельную химическую реакцию со своими веществами и продуктами. Исходными веществами и продуктами реакции могут выступать, не только стабильные молекулы, но и лабильные промежуточные частицы - свободные радикалы, атомы, ионы. Устойчивые промежуточные вещества могут быть извлечены из плазмы и подвергнуты обычному химическому анализу. Для этого проводят закалку плазмы, заключающуюся в быстром охлаждении реакционной смеси, например водой, и последующий химический анализ воды. Этот метод не применим для измерения концентраций неустойчивых промежуточных веществ, атомов и радикалов, обладающих малой продолжительностью существования. Для их определения используют спектроскопические методы, обладающие малой инерционностью. Л.С. Полак, В.Д. Пархоменко, С.Н. Ганз, П.И. Сорока и др. при помощи спектроскопических методов в низкотемпературной плазме обнаружили ряд радикалов: NH; NH2; NO; NO2;