Słowa kluczowe: plazma iskry elektrycznej, powłoki, materiały konstrukcyjne, rejestracja kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych

Transkrypt

1 Wojciech NAPADŁEK Krzysztof RUTYNA BADANIA LABORATORYJNE REJESTRACJI KINETYKI SZYBKOZMIENNYCH PROCESÓW FIZYCZNYCH ZACHODZĄCYCH W CZASIE ODDZIAŁYWANIA PLAZMY ISKRY ELEKTRYCZNEJ Z POWŁOKAMI OSADZONYMI NA PODŁOŻU ZE STOPÓW Fe C, Al, Ni STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki rejestracji efektów uzyskanych w procesie oddziaływania impulsowej plazmy iskry elektrycznej na warstwę powierzchniową stopów na bazie Fe C, Al oraz na powłoki tlenkowe i lakierowe osadzone na nich. Stwierdzono, że krótkotrwały impuls elektryczny (milisekundowy), generujący plazmę łukową wywołuje korzystne zjawisko ablacji, powodującej usuwanie nawarstwień. Przy wielokrotnym oddziaływaniu impulsowym można uzyskać efekty modyfikacji warstwy powierzchniowej zbliżonej do technik laserowych. Istotnymi parametrami wpływającymi na efekt końcowy modyfikacji jest wartość napięcia wyładowania, kształt oraz odległość elektrody od modyfikowanego elementu. Słowa kluczowe: plazma iskry elektrycznej, powłoki, materiały konstrukcyjne, rejestracja kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych dr inż. Wojciech NAPADŁEK wnapadlek@wat.edu.pl Wydział Mechaniczny Wojskowa Akademia Techniczna dr inż. Krzysztof RUTYNA krutyna1@op.pl PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 245, 2010

2 274 W. Napadłek, K. Rutyna 1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA STANOWISKA GENERACJI PLAZMY ISKRY ELEKTRYCZNEJ Stanowisko generacji plazmy iskry elektrycznej zbudowane w WAT składa się ze stanowiska podstawowego/wykonawczego oraz z układu ładowania (rys. 1). Zespół sterowania układu ładowania Stanowisko podstawowe Zespół energetyczny układu ładowania Rys. 1. Stanowisko laboratoryjne do generowania plazmy iskry elektrycznej

3 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 275 Urządzenie przeznaczone jest do prac laboratoryjnych i może pracować tylko w warunkach laboratoryjnych. Jest zasilane z sieci przemysłowej, jednofazowej 230 V, 50 Hz. Część układu podstawowego/wykonawczego ma wydzieloną komorę technologiczną (pulpit roboczy rys. 1, 2, 4). Schemat funkcjonalny całego stanowiska przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Schemat funkcjonalny stanowiska generowania plazmy iskry elektrycznej 1.1. Przeznaczenie stanowiska i ogólny opis techniczny Stanowisko generacji plazmy iskry elektrycznej służy do modyfikacji powierzchni metalowych. Efekt modyfikacji uzyskuje się w wyniku krótkiego oddziaływania iskry elektrycznej z obrabianą powierzchnią. Następuje wówczas bardzo szybkie nagrzewanie i topnienie warstwy powierzchniowej, a następnie w wyniku przewodzenia ciepła w głąb materiału, szybki proces stygnięcia powodujący przechodzenie stopionego materiału w stan stały, niekiedy amorficzny. Proces modyfikacji powierzchni obrabianego materiału jest przeprowadzany na stanowisku podstawowym (rys. 1) w komorze technologicznej (rys. 1, 4). W skład stanowiska podstawowego wchodzi ponadto komora generatora impulsu wysokonapięciowego. Generator zbudowany jest na bazie układu dwóch baterii wysokonapięciowych kondensatorów o pojemności C = 100 nf. Kondensatory ładowane są do napięcia ±30 kv i zwierane przy pomocy iskiernika wyzwalanego impulsem sterującym. W wyniku tego na elektrodzie pojawia się napięcie o podwojonej wartości napięcia ładowania kondensatorów. Następuje wówczas przebicie pomiędzy elektrodą i powierz-

4 276 W. Napadłek, K. Rutyna chnią obrabianego materiału (rys. 1, 4). W zależności od rodzaju obrabianego materiału i rodzaju elektrody, zalecane jest ustawianie odległości pomiędzy elektrodą i powierzchnią obrabianego materiału od 0,5 do kilku mm. Stanowisko składa się z dwóch podzespołów obudowanych oddzielnie i usytuowanych na wspólnym stole. Są to: generator impulsu wysokonapięciowego i komora technologiczna. Obydwa podzespoły umieszczone są w obudowach z tworzywa sztucznego w oplocie z siatki miedzianej. Obudowy te zabezpieczają użytkownika przed bezpośrednim kontaktem z elementami podłączonymi do wysokiego napięcia oraz ograniczają oddziaływanie pola elektromagnetycznego na otoczenie. Obudowa generatora impulsu wysokonapięciowego jest zamocowana na stałe, natomiast komora technologiczna jest otwierana na zawiasach. Po podniesieniu obudowy komory technologicznej, zostaje włączona blokada uniemożliwiająca włączenie wysokiego napięcia. Do zasilania kondensatorów i wyzwalania iskiernika służy układ zasilania i sterowania. 2. FOTOGRAFOWANIE PROCESU ODDZIAŁYWANIA ŁUKU ELEKTRYCZNEGO Z MATERIĄ POKRYTĄ ABSORBEREM LUB BEZ ABSORBERA W POWIETRZU Rejestrację kształtów formowania i przemieszczania się obłoku plazmy w wyniku oddziaływania np. plazmy laserowej lub łuku elektrycznego z warstwą wierzchnią materiałów konstrukcyjnych oraz powłok technologicznych, prowadzi się z użyciem najnowocześniejszych technik pomiarowych, takich jak: fotografia kadrowa (kamery elektronowooptyczne), fotografia z wykorzystaniem matryc CCD z krótkim czasem ekspozycji, klasyczna fotografia z wykorzystaniem MCP pełniącego rolę szybkiej migawki, czy najbardziej aktualna od 2009 roku fotografia cyfrowa wykorzystująca impulsowe laserowe podświetlenie jako krótką migawkę (Shuter time) [1-5]. Stanowisko laboratoryjne do fotografowania procesu oddziaływania promieniowania laserowego z materią składało się z kamery V12 z optyką, lasera półprzewodnikowego 810 nm z układem zasilania i synchronizacji podświetlenia, lasera YAG Nd 3+ 1,06 μm oddziałującego energią 400 mj przez 4 ns w badaną materię oraz przenośnego komputera PC nadzorującego proces rejestracji obrazu. Światło lasera półprzewodnikowego doprowadzone do tarczy zostało poprzez światłowód z optyką kształtującą powierzchnię pola obserwacji o średnicy około 5 cm. Na rysunkach 1 4 przedstawiono schemat funkcjonalny stanowiska badawczo-pomiarowego do wykonywania szybkiej fotografii wraz z elementami synchronizacji eksperymentu oraz jego fotografię.

5 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 277 Zautomatyzowany system pomiarowy jest przeznaczony do fotografowania wybranej fazy w czasie trwania eksperymentu, gdy mamy do czynienia z pojedynczym zdarzeniem przebiegającym w bardzo krótkim czasie. Obraz kształtu formowanego i przemieszczającego się obłoku plazmy łuku elektrycznego oddziałującego z materią był rejestrowany na matrycy CCD kamery Phantom V12, następnie przez zespół sterowania przekazywany do pokładowego systemu akwizycji danych. System pomiarowy pracował w synchronicznym reżimie z dedykowanym podświetleniem. Synchronizację fotografowania kolejnych faz procesu zapewniał układ sterujący lasera półprzewodnikowego. Na rysunku 3 przedstawiono schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego do wykonywania szybkiej fotografii oddziaływania łuku elektrycznego z tarczą pokrytą absorberem i bez absorbera wraz z elementami synchronizacji eksperymentu oraz jego elementy w rzeczywistości (rys. 4). ZASILACZ LASERA PÓŁPRZEWODNIKOWEGO 810 nm ŚWIATŁOWÓD GENERATOR IMPULSÓW HV LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY PODŚWIETLENIE ELEKTRODA UKŁAD STERUJĄCY KAMERA V 12 TARCZA AL EKRAN ZASILACZ GENERATORA SYNCHRONIZACJA REJESTRACJI OBRAZU UKŁAD WYZWALANIA Rys. 3. Schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego do wykonywania szybkiej fotografii oddziaływania łuku elektrycznego z tarczą pokrytą absorberem i bez absorbera Iskiernik Elektroda HV Światłowód prowadzący wiązkę oświetlającą z optyką Badana próbka Klatka Faradaya Rys. 4. Fotografia stanowiska pomiarowego do wykonywania szybkiej fotografii oddziaływania łuku elektrycznego z materią pokrytą absorberem i bez absorbera

6 278 W. Napadłek, K. Rutyna Rys. 5. Elementy układu podświetlenia rejestracji kadrowych laserem półprzewodnikowym CAVILUX HF, od lewej sterownik, głowica laserowa, oświetlacz, (czas podświetlenia ns) Na rysunku 5 przedstawiono elementy układu podświetlenia rejestracji kadrowych laserem półprzewodnikowym CAVILUX HF, od lewej sterownik, głowica laserowa, oświetlacz. Parametry układu akwizycji obrazu: oraz lasera lasera podświetlającego proces rejestracji wyszczególniono w pracy [6]. Periodyka impulsów oświetlacza laserowego 810 nm (impulsy realizujące migawkę kamery) Monoimpuls łuku elektrycznego Rys. 6. Synchronizacja czasowa systemu rejestracji obrazu

7 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 279 Na rysunku 6 przedstawiono synchronizację czasową systemu rejestracji obrazu. Wyniki rejestracji zostały archiwizowane w formie elektronicznej z możliwością ich dalszej obróbki wykorzystując specjalizowane oprogramowanie. 3. REJESTRACJA KADROWA ODDZIAŁYWANIA PROMIENIOWANIA LASEROWEGO Z BADANYMI PRÓBKAMI (TARCZAMI) W ATMOSFERZE POWIETRZA W FUNKCJI CZASU Na rysunkach 8 11 przedstawiono efekty oddziaływania łuku elektrycznego z materią pokrytą absorberem i bez absorbera w powietrzu w funkcji czasu, tj. licząc od momentu generacji iskry elektrycznej do zaniku plazmy. Przedstawiono fotografie (obrazy elektroniczne) zarejestrowane w eksperymencie laboratoryjnym przy zastosowaniu wiązki laserowej (λ = 810 nm) podświetlającej strefę obserwacji kamery do szybkiej rejestracji. Każdy impuls laserowy wykonywano w nowe miejsce na tarczy. Analizę prędkości fali uderzeniowej generowanej w powietrzu podczas eksperymentu bezpośrednio po ingerencji łuku elektrycznego w warstwę wierzchnią próbki w funkcji czasu, dokonano na podstawie wyłonionych interesujących nas kolejnych ekspozycji obrazów, które poddano matematycznej obróbce, wykorzystując oprogramowanie do analizy procesów balistycznych THEMA. Na rysunkach 12 i 13 przedstawiono przykładową charakterystykę prędkości fali uderzeniowej generowanej w powietrzu, oraz drogi pokonywanej przez tą falę w czasie bezpośrednio po ingerencji łuku elektrycznego w próbkę (blacha kwasoodporna obciążana przy napięciu wyładowania 40 kv i odległości elektrody od próbki 2 mm). Do przeprowadzenia wstępnych obliczeń i przedstawienia graficznej zależności prędkości fali uderzeniowej generowanej w powietrzu, oraz drogi pokonywanej przez tą falę w funkcji czasu, wykorzystano oprogramowanie do analizy procesów balistycznych THEMA. Fala uderzeniowa generowana w powietrzu podczas eksperymentu bezpośrednio po ingerencji łuku elektrycznego w ww. próbkę, pokonała drogę 4,1 mm w ciągu 5,7 µs, tzn. przemieszczała się z prędkością około 700 m/s. PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 245, 2010

8 280 W. Napadłek, K. Rutyna a) b) c) d) e) f) Rys. 8. Efekty oddziaływania łuku elektrycznego na próbkę (blachę) wykonaną ze stali węglowej pokrytej korozją przy napięciu wyładowania 40 kv w atmosferze powietrza, rejestracja wyglądu obszaru zjawiska po różnych czasach od momentu generacji plazmy iskry elektrycznej, czas ekspozycji podświetlającego promieniowania laserowego 100 ns, odległość elektrody od próbki 3 mm: a) po 6 µs; b) 12 µs; c) 18 µs; d) 30 µs; e) 60 µs; f) 72 µs

9 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 281 a) b) c) d) e) Rys. 9. Efekty oddziaływania łuku elektrycznego na próbkę wykonaną ze stopu Al (PA6) z powłoką lakierową przy napięciu wyładowania 40 kv w atmosferze powietrza, rejestracja po różnych czasach od momentu generacji plazmy iskry elektrycznej, czas ekspozycji podświetlającego promieniowania laserowego 100 ns, odległość elektrody od próbki 2 mm: a) po 6 µs; b) 12 µs; c) 18 µs; d) 42 µs; e 80 µs

10 282 W. Napadłek, K. Rutyna a) b) c) d) e) f) Rys. 10. Efekty oddziaływania łuku elektrycznego na próbkę wykonaną ze stopu na bazie niklu (łopatka turbiny silnika odrzutowego samolotu z powłoką Alfin) przy napięciu wyładowania 40 kv w atmosferze powietrza, rejestracja po różnych czasach od momentu generacji plazmy iskry elektrycznej, czas ekspozycji podświetlającego promieniowania laserowego 100 ns, odległość elektrody od próbki 3 mm: a) po 6 µs; b) 12 µs; c) 18 µs; d) 24 µs; e) 30 µs; f) 36 µs

11 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 283 a) b) c) d) Rys. 11. Efekty oddziaływania łuku elektrycznego na próbkę wykonaną z blachy kwasoodpornej, przy napięciu wyładowania 40 kv w atmosferze powietrza, rejestracja po różnych czasach od momentu generacji plazmy iskry elektrycznej, czas ekspozycji podświetlającego promieniowania laserowego 100 ns, odległość elektrody od próbki 3 mm: a) po 12 µs; b) 18 µs; c) 24 µs; d) 30 µs [m/s] 700 XT Diagram T=0,0 ms [1E-3 ms] Rys. 12. Charakterystyka prędkości fali uderzeniowej generowanej w powietrzu w czasie bezpośrednio po ingerencji łuku elektrycznego w próbkę blacha kwasoodporna, napięcie wyładowania 40 kv, odległości elektrody od próbki 2 mm

12 284 W. Napadłek, K. Rutyna [1E-3 m] 40 XT Diagram T=0,0 ms [1E-3 ms] Rys. 13. Zależność drogi pokonywanej przez falę uderzeniową generowaną w powietrzu w czasie bezpośrednio po ingerencji łuku elektrycznego w próbkę blacha kwasoodporna, napięcie wyładowania 40 kv, odległości elektrody od próbki 2 mm 4. PODSUMOWANIE W pracy zaprezentowano wyniki eksperymentalnej diagnostyki kształtu formowania i przemieszczania się obłoku plazmy w wyniku oddziaływania plazmy łuku elektrycznego z różnymi materiałami, tj. stalą węglową pokrytą korozją, stopem Al (PA6) pokrytą powłoką lakierową, stalą kwasoodporną. Do rejestracji obrazu tych procesów zastosowano najnowocześniejszą technikę fotografii cyfrowej wykorzystującą matryce CCD z krótkim czasem ekspozycji, oraz po raz pierwszy w Polsce impulsowe laserowe podświetlenie dodatkowo skracające czas ekspozycji do 100 ns. Podczas badań wykorzystywano kamerę Phantom V12 z podświetleniem Cavilux HF pracującą z rozdzielczością 128x128 pix. i 240x120 pix., oraz częstotliwością repetycji fps i fps. Kamera wyposażona była we własną bardzo szybką pamięć o objętości 8 GB, rejestrowała obrazy pracując w cyklu zamkniętym nadpisując kolejne komórki pamięci z czasem repetycji równym 10 µs (18 µs) i czasem ekspozycji równym 200 ns, 350 ns. Wybrane parametry zapewniały możliwie najszybszą akwizycję obrazu przy możliwie najlepszej rozdzielczości. Z podświetleniem Cavilux istnieje możliwość osiągnięcia nowych funkcjonalności szybkiego zobrazowania. Umożliwia ono zobrazowanie szybszych procesów, niż możliwości rejestracyjne szybkich kamer, pozwalając zarejestrować obraz również na większych odległościach od układu rejestrującego. Ponadto wykorzystując jego parametry (λ = 810 nm, krótki czas impulsu laserowego) możemy zaobserwować przebieg procesu otoczonego wysoką tem-

13 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 285 peraturą, czy dużą energią oślepiającego światła pochodzącą od samego procesu generowania plazmy iskry elektrycznej. Istotną zaletą wykorzystania tego bardzo nowoczesnego systemu podświetlania jest także możliwość obserwacji i rejestracji wielu szczegółów zachodzących w bardzo krótkich czasach występowania różnych zjawisk fizycznych. Podczas badań podjęto również udaną próbę analizy prędkości fali uderzeniowej generowanej w powietrzu, tj. bezpośrednio po ingerencji łuku elektrycznego w próbkę. Do obliczeń wykorzystano kilka kolejnych rejestracji optycznych obrazów przebiegu zjawisk fizycznych występujących w czasie generacji plazmy iskry elektrycznej. Obliczeń dokonano na podstawie analiz szczegółów wyłonionych na interesujących nas kolejnych ekspozycjach, które poddano matematycznej obróbce wykorzystując demonstracyjne oprogramowanie do analizy procesów balistycznych THEMA. W wyniku przeprowadzonych eksperymentów zaobserwowano pewną prawidłowość w zobrazowaniu czasu trwania procesu. Dla próbek o wysokiej czystości czas trwania ekspozycji plazmy jest trzykrotnie krótszy w stosunku do procesu obserwowanego przy próbkach zanieczyszczonych np. korozją, pokrytych powłoką lakierową. Prawdopodobnie jest to wynikiem dłuższego podtrzymywania plazmy przez produkty zanieczyszczenia, odrywające się od obciążanej termicznie powierzchni próbek. Produkty te prawdopodobnie podlegają procesowi dynamicznego nagrzewania, topnienia, parowania (sublimacji), co korzystnie wpływa na podtrzymanie i wydłużenie procesu jonizacji, tym samym ma to wpływ na wydłużenie zjawiska generacji plazmy łukowej. Podobne zależności zaobserwowano przy obserwacji procesu ablacji laserowej. Zjawiska te będą jeszcze analizowane w kolejnych eksperymentach. LITERATURA 1. Jach K., Rutyna K., Świerczyński R., Ludwikowski K., Paszula J., Panowicz R., Szudrowicz M., Jamroziak K.: Laboratoryjne stanowisko do fotografowania bardzo szybkich procesów kamerami CCD. V Krajowa Konferencja PES-5, Kościelisko, czerwca, Janiszewski J., Rutyna K.: Impact Behaviour of Cu-Sn Frangible Bullets, 8 th Symposium on Weapon Systems, Brno, 1 5 maja Jackowski A., Płatek P., Rutyna K.: Badania balistyki końcowej pocisków kal. 5,56 45 mm z rdzeniami niezawierającymi ołowiu, Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej, Warszawa, 2/ Światło laserowe do zobrazowania szybkich procesów, 5. Kamera V12 system zobrazowania szybkich procesów,

14 286 W. Napadłek, K. Rutyna 6. Napadłek W., Rutyna K.: Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych zachodzących w czasie oddziaływania nanosekundowych impulsów laserowych powłokami i materiałami konstrukcyjnymi. Rękopis dostarczono dnia r. Opiniował: prof. dr hab. inż. Maciej Rafałowski THE LABORATORY INVESTIGATIONS OF FAST CHANGING KINETICS RECORDING OF PHYSICAL PROCESSES SETTING WHILE AFFECTING THE PLASMA ELECTRIC SPARK WITH COATS PLACED ON SUBSOIL FROM Fe C, Al, Ni Wojciech NAPADŁEK, Krzysztof RUTYNA ABSTRACT The results of recording effects got in the influence of pulsed plasma electric spark process on the alloys superficial layer on the base of Fe C, Al, Ni and on oxide and varnish coats placed on them. It was affirmed, that the short-lived electric impulse (miliseconds), generating curved plasma generates the profitable phenomenon of the ablation, causing removing accumulations. By multiple pulsed influence you can get modification of superficial layer effects similar to laser technique. Profitable parameters influencing the final effect of the modification is the power of tension discharge, shape and the distance of the electrode from the modified element. Dr inż. Krzysztof RUTYNA ukończył studia na Wydziale Elektroniki WAT w 1984 r. Od 1985 do 2009 r. pracownik naukowy Instytutu Optoelektroniki WAT. Jego zainteresowania zawodowe koncentrują się wokół zagadnień z zakresu diagnostyki bardzo szybkich procesów w warunkach silnych obciążeń dynamicznych. Jest autorem i współautorem kilkudziesięciu publikacji naukowo-technicznych opublikowanych w kraju i za granicą.