Применяемые газы для обработки материалов плазмой
Газовая среда в горелке для плазменной обработки материалов должна выполнять следующие функции:
1) защищать от окисления и охлаждать вольфрамовый электрод и сопло;
2) обеспечивать получение стабилизированной плазменной струи с необходимыми температурой и скоростью;
3) обеспечивать наилучшую теплопередачу к изделию;
4) при наплавке и напылении, обеспечивать транспортировку материала.
Иногда газы разделяют на плазмообразующие и защитные (транспортирующие). При раздельной подаче плазмообразующий газ подается в зону катода, а защитные или транспортирующие газы - в зону столба или факела плазмы.
Каждый газ проявляет себя по своему, имеет свои положительные и отрицательные свойства, наиболее эффективны для сварки смеси газов.
Для защиты катода и сопла от разрушения и перегрева наилучшим газом считается аргон, так как он химически инертен (не взаимодействует с катодом, не растворяется в нем) и имеет малую теплопроводность. Однако аргон малоэффективен для преобразования электрической энергии в тепловую.
Во-первых, напряженность поля дугового столба в аргоне меньше, чем в водороде, азоте, гелии: ЕАг≈ 0,8 В/мм; EN ≈ 2,0 В/мм; ЕН ≈ 10,0 В/мм (при I = 10 А). Следовательно, при одинаковом токе в аргоновой дуге выделяется на 1 мм ее длины меньше энергии IE, чем в других.
Во-вторых, объемное теплосодержание (энтальпия) аргоновой плазмы при температуре этой плазмы также значительно меньше, чем плазмы азота или водорода (для N2 -16; Ar - 3; Н2 -12 кВт/м3 при Т = 10000°С).
Однако температура плазмы существенно зависит от свойств плазмообразующего газа: для Аr и Не Тпл = 15000...25000°C, что в 3...4 раза выше, чем для N2 и Н2.
Подходящим газом для стабилизации дуги может быть азот (или воздух, содержащий до 78% азота), так как его энтальпия при Т = 10000°С в 5 раз больше энтальпии аргона и, кроме того, азот значительно дешевле.
С другой стороны, в воздухе и азоте вольфрамовый электрод разрушается интенсивнее, в то время как в среде аргона и гелия вольфрам достаточно стоек.
Гелий и водород при Т = 10000°С обладают большой теплопроводностью, всего в 2 раза меньшей, чем у меди, и лучше других газов преобразуют энергию дуги в теплоту. В случае применения их в чистом виде происходит быстрый нагрев и разрушение сопла, поэтому указанные газы применяют в смеси с аргоном. Например, добавки к аргону водорода в пропорции по объему 2:1 позволяют повысить тепловую мощность струи почти в 2 раза по сравнению со смесью аргон-азот в той же пропорции. Напряжение плазменной водородной дуги 100...120 В, что в 2...3 раза выше, чем дуги в аргоне. Водородная плазма - наилучший преобразователь энергии дуги в теплоту.
