Способ электродуговой обработки изделий и устройство для его осуществления

 

Способ электродуговой обработки изделий включает формирование первичного дугового разряда между одним из нескольких электродов к источникам питания с падающей характеристикой, и изделием с формированием плазмы и перемещение области дугового разряда относительно изделия при ограничении области дугового разряда обрабатываемой зоной изделия. На поверхности обрабатываемой зоны формируют зону совместного существования катодных пятен, величину разрядного тока в которой поддерживают в пределах между величиной среднего тока на одно катодное пятно и величиной разрядного тока на один электрод. Последующие дуговые разряды поддерживают катодными пятнами из зоны их совместного существования. Катодные пятна могут также формироваться на изделии в области первичного дугового разряда. Устройство для электродуговой обработки содержит экраны, расположенные у электродов и выполненные в соответствии с математической зависимостью, связывающей из выполнения с соотношением площадей зоны совместного существования катодных пятен и области дугового разряда. Изобретение позволяет увеличить скорость и улучшить качество обработки длинномерных изделий путем повышения стабильности горения дугового разряда. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технике электродуговой обработки изделий, в частности к способам электродуговой обработки длинномерных изделий в вакууме и устройствам для осуществления этих способов.

В настоящее время существует проблема качественной обработки изделий от окалины, загрязнений перед нанесением на них покрытий. Существующие технологические процессы подготовки изделий для нанесения на них покрытий осуществлялись в основном, химическими и механическими способами, которые являются трудоемкими, малопроизводительными, а их осуществление приводит к загрязнению окружающей среды.

В последнее время появились другие способу обработки изделий.

Известен способ электродуговой очистки поверхности металлических изделий и устройства для его осуществления (SU, A, N 935141), в котором на поверхность металлического изделия, помещенного в камеру, воздействуют дуговым разрядом при давлении газовой среды 10² 10⁴ Па. Воздействие дуговым разрядом на очищаемую поверхность производят в импульсном режиме с частотой импульсов 10 100 Гц и энергией в каждом импульсе 0,5 60 Дж.

Применение для очистки поверхности изделия импульсного дугового разряда дает возможность регулировать температуру на поверхности очищаемого изделия за счет изменения частоты импульсов и энергии в каждом из импульсов, что позволяет интенсифицировать процесс очистки.

Однако в таком способе электродуговой очистки не достигается равномерность очистки по всей площади изделия из-за сложности контроля положения катодных пятен импульсного разряда на определенном участке поверхности, в особенности, если очищают длинномерные изделия. Это приводит к наличию на поверхности длинномерного изделия неочищенных участков и неравномерному разогреву изделия. Для реализации такого способа необходимы конструктивно сложные устройства.

Известны способы электродуговой обработки изделий и устройства для их осуществления (заявка ЕПВ N 90. 308. 105/7), в которых обрабатываемое изделие и по крайней мере один электрод подключают к источнику питания с падающей внешней вольтамперной характеристикой, после чего при давлении среды ниже 10 Па между обрабатываемым изделием, по крайней мере, одним электродом с помощью системы возбуждения дуги возбуждают дуговой разряд с формированием перемещающейся, по крайней мере, на катоде плазмы и ограничивают область перемещения плазмы дуги обрабатываемой зоной изделия и/или поверхностью электрода. Длинномерные изделия перемещают относительно электродов и/или электроды относительно изделий, а для повышения производительности обработки увеличивают число электродов.

Перекрытие зон обработки длинномерного изделия в данном способе достигается последовательной обработкой изделия несколькими электродами, установленными один относительно другого с возможностью перекрытия зоны обработки каждого из дуговых разрядов зоной обработки по крайней мере одного другого дугового разряда.

В данном способе катодные пятна от двух электродов, создающих перекрытие зон обработки на поверхности обрабатываемой зоны изделия, в каждый момент времени существуют в разных областях поверхности обрабатываемой зоны изделия, вследствие чего не создается зон совместного существования катодных пятен, возбуждающих и поддерживающих горение разряда на электродах.

Для лучшего понимания данного способа (прототипа) приводится схема (фиг. 1), поясняющая создание перекрывающихся зон обработки на трехэлектродной системе без образования зон совместного существования катодных пятен, на фиг. 2 вид по стрелке D на фиг. 1, где а'в', a''в'' перекрывающиеся зоны обработки от электродов первого ряда и электродов второго ряда, АВ и CF - области дугового разряда электродов первого и второго рядов.

При большом количестве электродов, каждый из которых имеет свою систему возбуждения дуги. Процесс очистки протекает нестабильно, возможно самопроизвольное погасание дуги на одном или нескольких электродах, что отрицательно сказывается на производительности процесса очистки и качестве очистки поверхности.

Этот известный способ осуществляется с помощью устройства, содержащего по крайней мере один закрепленный на держателе электрод, соединенный посредством токоподвода с одним выводом источника питания, другой вывод которого подключен к обрабатываемому изделию, систему возбуждения дуги, средство для создания при горении дуги равной или близкой к нулю разности потенциалов электрического поля на поверхности обрабатываемой зоны изделия и/или рабочей поверхности, по крайней мере, одного электрода, электрически соединенного с источником питания и средство для ограничения перемещения плазмы дугового разряда зоной обработки изделия и/или рабочей поверхностью, по крайней мере, одного электрода.

Данное устройство позволяет очищать длинномерные изделия от окалины и других загрязнений.

Однако качество обработки и производительность такого устройства недостаточны для использования в промышленных условиях, поточных линиях, где требуются большие скорости обработки. Кроме того, недостатком существующих способов и устройств электродуговой обработки изделий является наличие собственной системы возбуждения дуги на каждом электроде, в силу чего при большом числе электродов возрастает вероятность выхода из строя систем возбуждения дуги из-за их большого количества, что влечет за собой погасание дугового разряда. Эти способы и устройства требуют также больших энергозатрат.

Для снижения энергозатрат и улучшения качества обрабатываемой поверхности разрядный ток между электродами распределяют таким образом, чтобы на каждом следующем по ходу перемещения изделия электроде ток был меньше, чем на предыдущем. На электродах с низким значением разрядного тока (I_α < 100 A) возрастает вероятность самопроизвольного погасания дугового разряда, что также снижает надежность способа.

Кроме того, в данном способе скорость перемещения изделия и/или электродов не может быть больше скорости самопроизвольного перемещения катодных пятен по поверхности изделия, которая заключена в интервале 0,05 1 м/с и зависит от материала обрабатываемого изделия.

Для реализации данного технического решения даже при низкой (<0,05 м/с) скорости обработки необходима конструктивно сложная установка с большим количеством электродов и систем возбуждения дуги, что экономически не оправдано.

Таким образом, известные способы и устройства имеют принципиальные ограничения по скорости и качеству обработки длинномерных изделий из-за нестабильности горения дугового разряда.

Задача изобретения разработка способа электродуговой обработки изделий, в котором за счет выбора технологических операций, обеспечивающих заданное распределение катодных пятен на поверхности изделий, достигались бы высокая надежность и устойчивость работы многоэлектродной системы, высокая скорость перемещения длинномерных изделий относительно многоэлектродной системы, превышающая скорость свободного перемещения катодных пятен по поверхности изделий, требуемое качество обработки изделий при минимальных энергозатратах.

Другая задача предлагаемого изобретения создание устройства для осуществления этого способа.

Задачи решаются тем, что в способе электродуговой обработки изделий, заключающемся в том, что обрабатываемое изделие и, по крайней мере, два электрода подключают к источникам питания с падающей внешней вольтамперной характеристикой, после чего при давлении среды ниже 10 Па между обрабатываемым изделием и по крайней мере одним электродом возбуждают первичный дуговой разряд с формированием перемещающейся по крайней мере на катоде плазмы, создают при горении дуги равномерное распределение тока на поверхности обрабатываемой зоны изделия и/или рабочих поверхностями по крайней мере двух электродов, перемещают область дугового разряда по заданной программе относительно изделия и/или изделие относительно этой области дугового разряда, ограничивают эту область дугового разряда обрабатываемой зоной изделия и рабочими поверхностями по крайней мере двух электродов, согласно изобретению на поверхности обрабатываемой зоны изделия в промежутке между по крайней мере двумя электродами формируют зону совместного существования катодных пятен, а последующие дуговые разряды между обрабатываемым изделием и электродами возбуждают и поддерживают катодными пятнами из зоны совместного существования катодных пятен, причем величина разрядного тока в зоне совместного существования катодных пятен не превышает величину разрядного тока на один электрод и не может быть меньше среднего тока на одно катодное пятно.

Создание на поверхности обрабатываемого изделия зон совместного существования катодных пятен приводит к повышению стабильности и надежности работы многоэлектродной системы в целом, улучшению качества обрабатываемой поверхности и увеличению скорости обработки. Эти зоны обеспечивают связь между дуговыми разрядами на соседних электродах через катодные пятна, находящиеся в них. В зоне совместного существования катодных пятен, объединяющей первый и второй электроды ток от каждого катодного пятна замыкается как в цепи первого электрода, так и в цепи второго электрода. Поэтому в случае самопроизвольного погасания разряда на каком-либо электроде, катодные пятна из смежной с ним зоны совместного существования катодных пятен возбуждают разряд на этот электрод. В таком варианте зона совместного существования катодных пятен является непрерывным источником возбуждения разряда на каждом последующем электроде, чем достигается стабильность работы и необходимое качество обработки поверхности. Размеры зон совместного существования катодных пятен выбирают из условия, чтобы количество катодных пятен в зоне совместного существования катодных пятен было больше единицы с учетом их равномерного распределения по поверхности изделия, а суммарный ток в зоне совместного существования катодных пятен от всех электродов, объединенных этой зоной, не превышал ток на каждый отдельный электрод.

После первоначального возбуждения дугового разряда по крайней мере на одном электроде последующие дуговые разряды на электроды возбуждают и поддерживают катодными пятнами из зоны совместного существования катодных пятен, расположенных между по крайней мере двумя электродами.

Такой способ не требует дополнительных энергозатрат на возбуждение последующих дуговых разрядов на электроды в случае погасания и/или после первоначального возбуждения дугового разряда. Способ способствует также повышению надежности, скорости обработки длинномерных изделий и улучшению качества обрабатываемой поверхности.

Разрядный ток в зоне совместного существования катодных пятен не превышает величину разрядного тока на один электрод и не может быть меньше среднего тока на одно катодное пятно, т. е. так чтобы в каждой зоне совместного существования катодных пятен одновременно находилось по крайней мере одно катодное пятно.

Это обеспечивает высокое качество обработки изделия и устойчивое существование катодных пятен в зонах их совместного существования.

Кроме того, задачи решаются тем, что в способе электродуговой обработки изделий, заключающемся в том, что обрабатываемое изделие и по крайней мере два электрода подключают к источникам питания с падающей внешней вольтамперной характеристикой, после чего при давлении среды ниже 10 Па между обрабатываемым изделием и по крайней мере одним электродом возбуждают первичный дуговой разряд с формированием перемещающейся, по крайней мере, на катоде плазмы, создают при горении дуги равномерное распределение тока на поверхности обрабатываемой зоны изделия и/или рабочих поверхностях по крайней мере двух электродов, перемещают область дугового разряда по заданной программе относительно изделия или/и изделие относительно этой области дугового разряда, ограничивают эту область дугового разряда обрабатываемой зоной изделий и рабочими поверхностями по крайней мере двух электродов, согласно изобретению на поверхности обрабатываемой зоны изделия в промежутке между, по крайней мере, двумя электродами формируют зону совместного существования катодных пятен, на поверхности обрабатываемой зоны изделия в области первичного дугового разряда генерируют катодные пятна, последующие дуговые разряды между обрабатываемым изделием и электродами возбуждают и поддерживают катодными пятнами из зоны совместного существования катодных пятен, причем величина разрядного тока в зоне совместного существования катодных пятен не превышает величину разрядного тока на один электрод и не может быть меньше среднего тока на одно катодное пятно.

В таком варианте способа катодные пятна, генерируемые в области первичного дугового разряда, обеспечивает процесс обработки длинномерных изделий, перемещающихся со скоростью, превышающей скорость свободного перемещения катодных пятен. Генерация катодных пятен компенсирует их вынос из области первичного дугового разряда быстро перемещающейся поверхностью обрабатываемого изделия. Тем самым достигается стабильность процесса обработки длинномерных изделий при любых скоростях.

Возможно в области первичного дугового разряда катодные пятна генерировать непрерывно.

Такой способ обеспечивает стабильность горения дуги и повышение качества обрабатываемой поверхности.

Возможно в области первичного дугового разряда генерировать катодные пятна импульсно-периодически с заданной частотой.

Такой способ генерирования катодных пятен дает экономию энергозатрат при сохранении стабильности горения дуги.

Кроме того, задачи решаются тем, что устройство для осуществления способа электродуговой обработки изделий, содержащее по крайней мере два закрепленных на держателе электрода, установленных попарно-симметрично относительно плоскости, перпендикулярной направлению перемещения изделия, соединенных посредством токоподводов с одним выводом источников питания, другой вывод которых подключен к обрабатываемому изделию, систему возбуждения первичного дугового разряда и генерирования катодных пятен и средство для ограничения перемещения плазмы дугового разряда зоной обработки изделия и рабочими поверхностями по крайней мере двух электродов, выполненное в виде экранов, установленных с зазором относительно изделия и электродов, защищающих части изделий, не подлежащих обработке и/или нерабочую часть электродов, причем участки этих экранов, непосредственно примыкающие к зоне обработки изделия и/или рабочей поверхности электродов, выполнены либо из жаропрочного материала, либо принудительно охлажденными, согласно изобретению площадь зоны совместного существования катодных пятен (S), площадь области дугового разряда одного электрода (Sd), расстояние между экраном и изделием (h), расстояние между экранами, параллельными наружным поверхностям электродов (D), радиус сопряжения поверхностей экрана при вершине угла v (R), длина образующей поверхности экрана, обращенной в сторону обрабатываемого изделия (l), угол между сопрягаемыми поверхностями экрана (ϕ), расстояние между экранами соседних электродов (x) связаны между собой следующим соотношением Такое взаимное расположение элементов устройства позволяет проводить очистку длинномерных изделий с необходимой скоростью и качеством обработки поверхности за счет формирования зон совместного существования катодных пятен.

Это достигают образованием области дугового разряда со следующими свойствами: каждая точка поверхности, принадлежащая данной области, находится в прямой видимости рабочих поверхностей, по крайней мере, двух электродов. В этих областях одновременно существуют катодные пятна, ток от которых замыкается, по крайней мере, на два электрода.

На фиг. 1 схематично изображено создание в прототипе перекрывающихся зон обработки на 3-электродной системе без образования зон совместного существования катодных пятен; на фиг. 2 вид по стрелке D на фиг. 1; на фиг. 3 схематично формирование зон совместного существование катодных пятен, поясняющее осуществление способа электродуговой обработки изделий согласно изобретению; на фиг. 4 схематичное изображение устройства, поясняющего пример осуществления способа электродуговой обработки длинномерных изделий цилиндрической симметрии согласно изобретению; на фиг. 5 схематичное изображение устройства, поясняющего пример осуществления способа электродуговой обработки длинномерных плоских изделий согласно изобретению.

Примеры осуществления изобретения.

Рассмотрим сущность различных вариантов способа электродуговой обработки изделий, более детальное описание которых будет дано при рассмотрении принципа работы реализующего данный способ устройства.

Формирование зон совместного существования катодных пятен поясняет фиг. 3, на которой схематически изображена двухэлектродная система в сечении полуплоскостью, проходящей через ось симметрии в случае обработки длинномерных изделий цилиндрической симметрии и плоскостью, перпендикулярной плоскости изделий и параллельной направлению перемещения изделий в случае обработки плоских длинномерных изделий. Приняты следующие обозначения: SS' поверхность изделия, АВ область дугового разряда первого электрода, FC область дугового разряда второго электрода, СВ зона совместного существования катодных пятен, поддерживающих дуговой разряд на первом и втором электродах.

Способ электродуговой обработки изделий, согласно первому варианту, заключается в том, что обрабатываемое изделие 1 (фиг. 4) помещают в вакуумную камеру (на чертеже не показана), подсоединяют это изделие 1 и по крайней мере два электрода 2 и 3, охватывающих это изделие 1, к источникам 4 и 5 питания и при давлении среды ниже 10 Па возбуждают между изделием 1 и электродом 2 первичный дуговой разряд, используют источники 4 и 5 питания с падающей внешней вольтамперной характеристикой. Возбуждение первичного дугового разряда осуществляют путем инжекции в межэлектродный промежуток небольшого количества плазмы, формирующей проводящий канал между изделием 1 и электродом 2, например, методом разведения контактов между изделием 1 и системой 6 возбуждения первичного дугового разряда. Режим горения дуги устанавливают путем регулирования нагрузочной характеристики источника 4 питания.

При горении дуги создают равномерное распределение тока по поверхности обрабатываемой зоны изделия 1 и рабочим поверхностям электродов 2, 3. Это может быть достигнуто путем соединения изделия 1 с источниками 4 и 5 питания с помощью двух токоподводов 7 и 8, подключенных к изделию 1 симметрично относительно его зоны обработки и к одному из выводов источников 4, 5 питания, а также путем соединения электродов 2, 3 с источниками 4, 5 питания посредством аналогичных симметрично подключенных токоподводов 9, 10 и 11, 12.

В частных случаях реализации данного варианта способа необходимо либо, как описано выше, создавать равномерное распределение тока по поверхности обрабатываемой зоны изделия 1 и по рабочим поверхностям электродов 2 и 3, либо в зависимости от конкретной решаемой задачи, только на поверхности изделия 1 или только на рабочих поверхностях электрода 2, 3.

По заданной программе осуществляют направленное перемещение дугового разряда относительно изделия 1. При этом вслед за этим дуговым разрядом по поверхности обрабатываемой зоны изделия 1 направленно перемещаются катодные пятна, обеспечивая обработку этого изделия 1 по заданной программе.

Возможен также другой случай реализации первого варианта предлагаемого способа, который отличается от предыдущего тем, что при горении дуги по крайней мере на два электрода 2 и 3 по заданной программе осуществляют перемещение изделия 1 относительно области дугового разряда.

Возможно также сочетание рассмотренных выше случаев реализации первого варианта способа электродуговой обработки, которое характеризуется тем, что при горении дуги создают как перемещение области дугового разряда, так и изделия 1, обеспечивая принудительное перемещение катодных пятен. На практике данный случай используется сравнительно редко, так как для его осуществления необходимо более сложное устройство.

Кроме того, ограничивают область перемещения дугового разряда обрабатываемой зоной изделия 1, например, посредством экранов 13 и 14 и рабочими поверхностями по крайней мере двух электродов 2 и 3.

Катодные пятна дуги, горящей при давлении среды ниже 10 Па, включая чисто вакуумный разряд, непрерывно самопроизвольно перемещаются по поверхности изделия 1. Это зачастую нежелательное свойство дуги низкого давления используется в способе для достижения положительного эффекта равномерной или иной, обусловленной заданной программой, обработки поверхности изделия.

В описываемом варианте способа за счет создания на указанных поверхностях равномерного распределения тока, обеспечивается, практически, равная вероятность нахождения электродных пятен дуги на всех участках обрабатываемой зоны изделия 1, ограниченной экранами 13 и 14. При этом электродные пятна движутся хаотически по всей поверхности данной зоны, обеспечивая равномерную обработку ее поверхности.

На поверхности обрабатываемой зоны изделия 1 в промежутке между двумя электродами 2 и 3 формируют зону совместного существования катодных пятен СВ. Это достигают посредством создания симметричного относительно плоскости симметрии электродов 2, 3 распределения электрических полей в пространстве между поверхностью обрабатываемой зоны изделия 1 и электродами 2, 3, а также благодаря использованию соответствующих форм экранов 13, 14 и соответствующих форм электродов 2 и 3, их взаимному расположению.

Катодные пятна из области воздействия первичного дугового разряда на первом электроде 2 за счет их сноса при движении изделия 1 и/или их свободного перемещения по поверхности изделия 1 попадают в зону совместного существования катодных пятен СВ электрода 2 и ближайшего с ним электрода 3, и возбуждают дуговой разряд на этот электрод 3. Затем пятна перемещаются по поверхности изделия 1 в зону совместного существования катодных пятен следующей паpы электродов: электрода 3 и ближайшего за ним электрода (на чертеже не показан), и возбуждают дуговой разряд на ближайшем электроде. Такой процесс последовательного возбуждения дугового разряда на электродах продолжается до тех пор пока дуговой разряд не загорится на все электроды. В дальнейшем стационарное и непрерывное горение дугового разряда на электродах обеспечивают катодными пятнами, находящимися в зонах совместного существования катодных пятен СВ. При случайном (самопроизвольном) погасании дугового разряда на одном из электродов дуговой разряд на этот электрод возбуждают катодными пятнами, находящимися в смежных с ним зонах совместного существования катодных пятен.

Разрядный ток в зоне совместного существования катодных пятен СВ не превышает величину разрядного тока на один электрод и не может быть меньше среднего тока на одно катодное пятно, т. е. так чтобы в каждой зоне совместного существования катодных пятен СВ одновременно находилось по крайней мере одно катодное пятно, т.е.

i_s≅I≅I_d, (2) где I ток в зоне совместного существования катодных пятен; I_d ток на один электрод; i_s средний ток на одно катодное пятно.

Таким образом обеспечивают высокое качество обработки поверхности изделия и устойчивое существование катодных пятен в зонах их совместного существования.

Способ электродуговой обработки изделий, согласно второму варианту, отличается от предыдущего тем, что на поверхности обрабатываемой зоны изделия 1 в области первичного дугового разряда генерируют катодные пятна с помощью системы 6 возбуждения первичного дугового разряда и генерирования катодных пятен.

Данный второй вариант способа применяют в случае, когда изделие 1 движется со скоростью, превышающей скорость свободного перемещения катодных пятен в области воздействия дугового разряда по крайней мере одного электрода 2, первого по направлению движения изделия 1. Операция способа генерирование катодных пятен компенсирует вынос катодных пятен из области воздействия дугового разряда поверхностью движущегося изделия 1, и обеспечивает устойчивость и непрерывность горения дугового разряда под электродами. Катодные пятна, сносимые изделием 1 в зоны совместного существования катодных пятен первого электрода 2 и второго электрода 3, второго электрода 3 и третьего электрода (на чертеже не показан) и т. д. последовательно возбуждают и в дальнейшем поддерживают стационарный дуговой разряд на электродах (рядах электродов).

Требуемая частота ν генерации катодных пятен заключена в интервале I_d ток разряда; i_s средний ток на одно катодное пятно; V разность скоростей перемещения изделия и средней скорости движения катодных пятен;
y -протяженность областей воздействия разряда и направлении перемещения изделия;
t характерное время размножения катодных пятен. Например, для I_d 500 A, V 1 м/с, i_s 20 А
y=10 см, τ=5·10^-4с, 7,4 с^-1≅ν≅ 500 c^-1
При генерации катодных пятен с частотой ν < 7,4 c^-1 дуговой разряд не стационарен, так как вынос катодных пятен из области дугового разряда не компенсируют их генерацией, а также последующим их размножением (делением), в результате чего дуговой разряд погасает.

При генерации катодных пятен с частотой 7,4 с^-1 ≅ ν ≅ 500 c^-1 их вынос из области дугового разряда полностью компенсируют их генерацией системой 6 генерации катодных пятен.

Увеличение частоты генерации ν > 500 с^-1 нецелесообразно ввиду экономии энергозатрат.

Возможен случай реализации второго варианта предлагаемого способа, когда генерацию катодных пятен осуществляют непрерывно, например, посредством воздействия струи плазмы от системы 6 генерации катодных пятен с на поверхность обрабатываемой зоны изделия.

В качестве системы 6 генерации катодных пятен используют, например, плазмотрон, который осуществляет две операции второго варианта способа, а именно: возбуждение первичного дугового разряда и генерирование катодных пятен. Это позволяет поддерживать горение дугового разряда в стационарном режиме.

Возможен случай реализации второго варианта предлагаемого способа, когда генерацию катодных пятен осуществляют импульсно-периодически, используя при этом в качестве системы 6 генерации катодных пятен импульсно-периодический лазер, который используют также и для возбуждения первичного дугового разряда. При этом значительно снижаются средние затраты энергии на генерацию одного катодного пятна.

В дальнейшем рассмотрим конкретный пример устройства, реализующего описанные выше варианты способов.

Устройство для электродуговой обработки, преимущественно очистки, длинномерных изделий 1 цилиндрической симметрии, например, прутков, содержит, по крайней мере, два соосно установленных принудительно охлаждаемых электрода 2 и 3 (фиг. 4) с соосными отверстиями для размещения обрабатываемого изделия 1.

Каждый электрод выполнен в виде пары зеркально симметрично установленных тел вращения, плоскость симметрии которых перпендикулярна направлению перемещения изделия, а ось вращения совпадает с осью изделия. Сечением тел вращения является пятиугольник неправильной формы, одна сторона которого параллельна плоскости симметрии. Между электродами 2 и 3 и изделием 1 установлены экраны 13 и 14, которые имеют форму цилиндрической симметрии.

При обработке плоских длинномерных изделий 1 (фиг. 5), например, полосы или листа, предпочтительно устанавливать электроды 2, 3, выполненные в виде пары зеркально симметрично расположенных призм, плоскость симметрии которых перпендикулярна плоскости изделия 1 и направлению его перемещения. Основанием призмы является пятиугольник неправильной формы, одна сторона которого параллельна плоскости симметрии.

Устройство снабжено источниками 4, 5 питания, системой 6 возбуждения первичного дугового разряда и генерации катодных пятен.

Устройство содержит также средство равномерного распределения тока на поверхности обрабатываемой зоны изделия 1, выполненное в виде двух токоподводов 7 и 8, подключенных к изделию 1 симметрично относительно зоны обработки и подсоединенных к отрицательному полюсу источников 4, 5 питания, а также средство для создания равномерного распределения тока на рабочей поверхности электродов 2 и 3, выполненное в виде токоподводов 9 12, электрически соединенных между собой, подсоединенных к положительному полюсу источников 4, 5 питания и подключенных к плоскостям электродов, перпендикулярных направлению перемещения изделия относительно их рабочей поверхности (фиг. 4 и 5).

Зеркально симметричные части каждого электрода 2, 3 установлены с возможностью перемещения один относительно другого для регулирования ширины зоны обработки.

Между электродами 2, 3 и изделием 1 установлены изолированные от электрической цепи экраны 13, 14, которые имеют форму цилиндрической симметрии.

Экраны 13, 14, установленные с зазором относительно изделия 1 и электродов 2, 3, защищают части изделия 1, не подлежащие обработке и/или нерабочую поверхность электродов 2, 3. Причем по крайней мере участки этих экранов 13 и 14, непосредственно примыкающие к зоне обработки изделия 1 и/или рабочей поверхности электродов 2 и 3, выполнены либо из жаропрочного материала, либо принудительно охлаждаемыми.

Каждый экран 13 и 14 имеет две сопрягающиеся поверхности, расположенные под углом ϕ с радиусом сопряжения R.

Такое выполнение экранов 13 и 14 является наиболее простым в конструктивном оформлении и одновременно весьма эффективным функционально, в связи с чем оно предпочтительно для практической реализации изобретения.

Поверхности экранов 13 и 14 параллельны поверхностям электродов 2 и 3: поверхности, обращенной в сторону изделия 1 и поверхности, перпендикулярной направлению перемещения изделия 1. В конкретных случаях реализации изобретения формы выполнения и место расположения этих экранов 13 и 14 могут быть различными. Так при обработке длинномерных изделий в виде полосового проката целесообразно электроды 2 и 3 с экранами 13 и 14 устанавливать по обе стороны обрабатываемого полосового проката. Геометрия и взаимное расположение экранов и электродов, обеспечивающая образование зон совместного существования катодных пятен СВ, поясняется фиг. 3.

Кроме того, задачи изобретения решаются тем, что в устройстве для осуществления способа электродуговой обработки изделий площадь зоны совместного существования катодных пятен S, площадь области дугового разряда одного электрода S_d, расстояние между экраном и изделием h, расстояние между экранами, параллельными наружным поверхностям электрода D, радиус R сопряжения поверхностей экранов при вершине угла v, длина образующей l поверхности экрана, обращенной в сторону обрабатываемого, изделия, угол v между поверхностями экрана, расстояние x между экранами соседних электродов связаны между собой следующим соотношением

Кроме того, длина образующей L поверхности электродов 2, 3 обращенной к обрабатываемому изделию 1 ограничена условием
, (5)
где d ширина зазора между поверхностями электродов 2, 3 и экранов 13, 14.

Приведенные соотношения выбраны экспериментально.

В качестве системы 6 возбуждения первичного дугового разряда для реализации способа целесообразно использовать, например, поджигающий электрод.

Для реализации способа функции возбуждения первичного дугового разряда и генерации катодных пятен объединены одним средством 6, расположенным в области первого по направления движения изделия электрода 2.

Система 6 генерации катодных пятен в области разряда первого электрода 2 компенсирует вынос пятен из области разряда движущейся поверхностью изделия 1. На всех остальных электродах, следующих за первым, дополнительной генерации катодных пятен не требуется, поскольку их вынос из области дугового разряда каждого электрода компенсируется их поступлением из зоны совместного существования катодных пятен СВ, смежной с предыдущим (по ходу движения изделия 1) электродом.

Целесообразно в качестве системы 6 возбуждения первичного дугового разряда и генерации катодных пятен для реализации способа для осуществления непрерывного генерирования катодных пятен использовать плазмотрон, обеспечивающий кроме первичного возбуждения дугового разряда, поступление плазмы на поверхность обрабатываемого изделия 1. В этом случае пятна генерируется непрерывно с частотой, увеличивающейся с увеличением концентрации плазмы поступающей на поверхность изделия 1.

Целесообразно в качестве системы 6 возбуждения первичного дугового разряда и генерации катодных пятен для реализации способа для осуществления импульсно-периодической генерации катодных пятен использовать импульсно-периодический лазер, луч которого, кроме возбуждения первичного дугового разряда, в каждом импульсе генерирует на поверхности одно катодное пятно. В этом случае пятна генерируются импульсно с частотой генерации, равной частоте работы импульсно-периодического лазера.

Устройство работает следующим образом. При давлении среды в камере ниже 10 Па между электродами 2 и 3 (фиг. 4 и 5) и обрабатываемым изделием 1 с помощью системы 6 возбуждения первичного дугового разряда возбуждают дуговой разряд между первым электродом 2 и изделием 1, являющимся катодом. Величину тока дугового разряда регулируют посредством изменения нагрузочной характеристики источника питания 4.

Процесс очистки основан на том, что по обрабатываемой поверхности изделия 1 перемещаются катодные пятна дуги, в области которых температура достигает 3000 5000^oС. Катодные пятна двигаются со скоростью 10^-2 - 10² м/с, в зависимости от вида окалины и загрязнений поверхности изделия 1, и посредством теплового воздействия удаляют на пути своего движения окалину и загрязнения.

Благодаря симметричному подведению тока к изделию 1 и к электродам 2 и 3 на их поверхности даже при горении дуги поддерживается равномерное распределение тока, чем обеспечивается практически равная вероятность нахождения катодных пятен на всех участках обрабатываемой зоны изделия 1, включая зоны совместного существования катодных пятен СВ. Поэтому ток в зоне совместного существования катодных пятен СВ определяется формулой
(6)
Обозначения S и S_d даны в формуле (1).

Обозначения I и I_d даны в формуле (2).

Ток в зоне совместного существования катодных пятен пропорционален площади зоны совместного существования катодных пятен.

Для устойчивого горения дугового разряда под всеми электродами и получения высокого качества обработки поверхности изделия ток в зоне совместного существования катодных пятен устанавливается равным или большим среднего тока на одно катодное пятно, но не превышающим ток на один электрод.

В таблице приведены экспериментальные результаты, полученные при различной величине площади зон совместного существования катодных пятен. Результаты показывают, что при величине площади меньшей (0,3 0,37)S_d разряд неустойчив, поскольку среднее количество катодных пятен в зоне меньше единицы. При величине площади большей (0,3 0,37)S_d ухудшается качество обработанной поверхности, поскольку величина тока в зоне совместного существования катодных пятен больше тока на один электрод. Эксперимент показал, что при выбранной величине (0,3 0,37)S_d площади зон совместного существования катодных пятен дуговой разряд устойчиво горит даже при сильно пониженной величине разрядного тока (I≅75A), чего не было в прототипе.

Форма и взаимное расположение электродов 2, 3 и экранов 13, 14 обеспечивает практически полное удаление продуктов эрозии из области дугового разряда и зон совместного существования катодных пятен СВ и лишь незначительная их часть осаждается на поверхности экранов 13, 14 и электродов 2, 3, что обеспечивает высокую надежность и повышенный ресурс работы данного устройства.

Величина угла ϕ между сопряженными поверхностями экранов 13, 14 подобрана экспериментально и составляет 20 50^o. При углах v меньших 20^o разряд неустойчив, при углах v больших 50^o значительная часть эрозированной фракции будет осаждаться на экранах 13 и 14.

Наилучшее качество очистки и минимум энергозатрат достигают подбирая величину тока дугового разряда на каждом электроде 2, 3 и величину площади зон совместного существования катодных пятен СВ между каждой парой электродов.

Таким образом, предлагаемые способы электродуговой обработки и устройства для их реализации обеспечивают проведение экологически чистых технологических процессов очистки изделий от окалины, загрязнений и заусенцев, испарения различных материалов и нанесения из них покрытий, нагрева, сварки и резки различных изделий и любые другие виды электродуговой обработки в вакууме длинномерных изделий, движущихся с большими, до 1 3 м/c скоростями. Процесс очистки протекает стабильно, что обеспечивает высокое качество обрабатываемой поверхности.

Очищенные с помощью предлагаемых технических решений изделия имеют хороший товарный вид, повышается их коррозионная стойкость.

Предлагаемые способы и устройства могут послужить основой для разработки новых типов перспективного технологического оборудования для различных областей техники.

Изобретение может быть использовано в машиностроении, металлургии, электротехнике и электронной промышленности для очистки и активации поверхности перед нанесением покрытий, упрочнения или отпуска приповерхностного слоя, удаления заусенцев, сварки и резки изделий и т. д.

Формула изобретения

1. Способ электродуговой обработки изделий, заключающийся в том, что обрабатываемое изделие и по крайней мере два электрода подключают к источникам питания с падающей внешней вольтамперной характеристикой, после чего при давлении среды ниже 10 Па между обрабатываемым изделием и по крайней мере одним электродом возбуждают первичный дуговой разряд с формированием перемещающейся по крайней мере на катоде плазмы, создают при горении дуги равномерное распределение тока на поверхности обрабатываемой зоны изделия и/или рабочих поверхностях по крайней мере двух электродов, перемещают область дугового разряда по заданной программе относительно изделия и/или изделия относительно этой области дугового разряда ограничивают эту область дугового разряда обрабатываемой зоной изделия и рабочими поверхностями по меньшей мере двух электродов, отличающийся тем, что на поверхности обрабатываемой зоны изделия в промежутке между по крайней мере двумя электродами формируют зону совместного существования катодных пятен, а последующие дуговые разряды между обрабатываемым изделием и электродами возбуждают и поддерживают катодными пятнами из зоны совместного существования катодных пятен, причем величину разрядного тока в зоне совместного существования катодных пятен определяют соотношением
Id ≥ I ≥ i_s,
где I разрядный ток в зоне совместного существования катодных пятен;
i_s средний ток на одно катодное пятно;
I_d разрядный ток на один электрод.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности обрабатываемой поверхности обрабатываемой зоны изделия в области первичного дугового разряда генерируют катодные пятна.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в области первичного дугового разряда катодные пятна на поверхности обрабатываемой зоны изделия генерируют непрерывно.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в области первичного дугового разряда катодные пятна на поверхности обрабатываемой зоны изделия генерируют импульсно-периодически.

5. Устройство для электродуговой обработки изделий, содержащее по крайней мере два электрода, каждый из которых выполнен в виде пары закрепленных на держателе элементов, установленных зеркально-симметрично относительно плоскости, перпендикулярной к направлению перемещения изделий, и соединен посредством токоподвода с одним выводом источника питания, другой вывод которого подключен к обрабатываемому изделию, систему возбуждения первичного дугового разряда и генерации катодных пятен, средство для ограничения перемещения плазмы дугового разряда зоной обработки изделия и рабочими поверхностями по крайней мере двух электродов, выполненное в виде изолированных от электрической цепи экранов, имеющих форму двух поверхностей, сопрягающихся под углом, установленных с зазором относительно изделия и по меньшей мере двух электродов, защищающих части изделия, не подлежащие обработке, и/или нерабочую поверхность по крайней мере двух электродов, причем по крайней мере участки этих экранов, непосредственно примыкающие к зоне обработки изделия и/или рабочей поверхности по крайней мере двух электродов, выполнены из жаропрочного материала либо принудительно охлаждаемыми, отличающееся тем, что площадь зоны совместного существования катодных пятен, площадь области дугового разряда одного электрода, расстояние между экраном и изделием, расстояние между экранами, параллельными наружным поверхностям электродов, радиус сопряжения поверхностей экранов при вершине угла ϕ, длина образующей поверхности экрана, обращенной в сторону обрабатываемого изделия, угол между поверхностями экрана, расстояние между экранами соседних электродов связаны между собой следующим соотношением:

где S площадь зоны совместного существования катодных пятен;
S_d площадь области дугового разряда одного электрода;
h расстояние между экраном и поверхностью изделия;
D расстояние между экранами, параллельными наружным поверхностям электродов;
R радиус сопряжения поверхностей экрана при вершине угла ϕ;
l длина образующей поверхности экрана, обращенной в сторону обрабатываемого изделия;
v угол между поверхностями экрана;
x расстояние между экранами соседних электродов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6