解曉梅
【摘要】等離子弧具有溫度高、能量集中、氣氛可控和沖擊力大等特點,在機械行業(yè)中得到越來越廣泛的應用。本文以提高等離子弧加工質(zhì)量為目的。利用紋影法對等離子射流的流場進行了實驗研究,分析了等離子工作電流、氣體流量對等離子射流的影響,從而對提高等離子弧噴涂質(zhì)量具有一定的指導作用。
【關鍵詞】等離子??;噴涂;熱焓
等離子噴涂層是通過向流經(jīng)弧室的惰性氣體與高溫電弧發(fā)生熱交換所得到的等離子射流中注入粉末這一過程而得到的。在此過程中,粉末顆粒經(jīng)過等離子射流加熱,熔化,并高速撞擊到工件上,而形成致密的涂層。由此可見,等離子射流是連接粉末與工件的紐帶,是涂層賴以形成的基本條件。在這一射流區(qū)域中,粉末顆粒將發(fā)生復雜的物理化學變化,并且工件表面狀況(表面溫度,氧化膜的形成等)也將受其影響。因此,等離子射流是形成涂層的關鍵所在。如何利用這種熱源提高涂層質(zhì)量,首先必須對等離子射流的特性加以研究,但是由于等離子射流的高溫、高速特點,因此研究起來較為困難。過去有人用探針法和光譜法對等離子射流進行了研究。我們知道,位于等離子流場中的探針將對流場產(chǎn)生影響,從而影響精度,而光譜法雖然精度高,但設備昂貴,且測量時間很長。為了更簡潔、迅速、直觀地得到等離子射流的流場信息,本實驗利用紋影法對等離子射流流場進行實驗研究。如圖1是等離子射流的彩色紋影照片,其中刀口平行射流軸線,因此該照片反映的是垂直軸線方向的氣體密度梯度變化。由圖可見,其射流可簡化成圖2形式。
如果忽略射流出口與噴咀壁之間的邊界層,則此邊界層隨離開射流孔距離的增加而增加,一直到0點處。邊界層覆蓋了整個射流,致使射流整個呈倒錐形,并在射流出口處有一射流核心區(qū)。整個射流呈湍流態(tài),湍流脈動很歷害。按照湍流射流理論,可將流型簡單地劃分成如圖2所示的幾個區(qū)域,其中包括初始段,擴展段以及射流核心三部分,下面對其進行詳細分析。
一、射流核心分析
首先我們分析射流初始端。如果設射流出口截面溫度、速度、濃度分布均勻,按照湍流射流理論,射流存在一溫度、速度、密度均為常數(shù)的一個三角形區(qū)域,且稱為射流核心或“勢錐”。顯然該“勢錐”的諸參數(shù),如溫度、速度及幾何尺寸等應該與射流出口的溫度、速度及幾何尺寸有關,而湍流理論認為勢錐的幾何尺寸只決定于噴咀的幾何尺寸,及來流的擾動或Re數(shù)。
對于等離子射流,我們發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)的湍流射流并不完全一樣,而是有其本身的特點。首先,在氣流量不變的條件下提高等離子弧的電功率,射流變長、變粗。這是因為電功率提高,等離子射流出口的平均熱焓和速度提高,因而在攝影條件不變的情況下,也就是在照片感光度與曝光時間不變的條件下,由于熱焓的提高,而導致等溫線向前移動,從而使得射流變長。但這并不意味著射流核心尺寸一定增大,湍流度增大,使得射流變粗。因此提高電功率,電弧射流所表現(xiàn)的特性與湍流理論相似。
其次,當固定電流不變,提高氣流量時,弧柱變長,變粗。但實際上,電弧隨氣流量增大,冷卻加強,從而使射流出口平均熱焓降低。而這種射流變長與變粗的現(xiàn)象主要歸結于以下幾點。
(一)氣流量的增大,導致陰極和陽極之間的電弧被吹出噴咀部分增大,輻射增大,而顯得射流又粗又長;
(二)當電流不變,而氣流量變化時,功率有所增加,因此射流熱焓降低不是很快。
另外,還有一點,即氣流量增大以后,是否會使等離子體偏離局部熱力學平衡狀態(tài)更嚴重。關于這一點,有待于進一步深入研究??傊?,當電流不變,氣流量增大后,射流核心的平均熱焓降低,速度增高,導致Re數(shù)增高,使射流變粗。
二、射流邊界的分析
我們知道,紋影照相反映的是流場的密度變化,而影響氣體密度的主要因素是壓力、溫度和氣體的組成成份。同時由湍流射流理論可知,對于不等溫氣體射流,其理想等離子體密度Pr≈0.7即射流的速度邊界層厚度與溫度邊界層厚度之比約為0.7??梢姷入x子射流與低溫氣體射流相似,即射流熱量擴散比動量擴散要快。另一方面,對紋影儀而言,其反映密度變化的靈敏度如果轉(zhuǎn)化成馬赫數(shù)變化的話為M=0.2。而轉(zhuǎn)化成溫度變化,則只需幾度。因而可以說圖1中反映的射流邊界是溫度或熱焓邊界,而相應的速度邊界要比其更窄一些。圖3示出了不同功率下射流的邊界,其中參數(shù)為:工作氣流量Q=2.2m3∕h,(a)I=225A,(b)I=275A,(c)I=325A。
三、射流濃度邊界層分析
由于對于噴涂來說,射流中的氣體成份變化對飛行中的顆粒有影響,因此必須考慮濃度邊界層的變化。傳統(tǒng)的湍流射流理論中,物質(zhì)擴散主要由Schmit數(shù)表示。Sc=0.70.75與Pr數(shù)基本相同,即質(zhì)量擴散與熱量的擴散相類似。因此可近似認為濃度邊界與熱焓邊界相同。
參考文獻:
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