Плазменная сварка

[Andrew]

Сущность способа

 

(1 - вольфрамовый электрод - катод; 2 - канал сопла; 3 - столб дуги; 4 - поток плазмы)

 

Плазма — ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000-30000° С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.

 

Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50-100 и более раз приводит к истечению плазмы со сверхзвуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл.

 

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение.

 

Дуговая плазменная струя — интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно использовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов, так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенного действия). Тепловая эффективность дуговой плазменной струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемещения горелки (скорости сварки или резки) и т. д. Геометрическая форма струи может быть также различной (квадратной, круглой и т. д.) и определяться формой выходного отверстий сопла.

 

Техника сварки

 

Питание дуги, как правило, осуществляется переменным или постоянным током прямой полярности (минуя на электроде). Возбуждают дугу с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения дуги прямого действия используют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом горелки.. Для питания плазмообразующей дуги требуются источники сварочного тока с рабочим напряжением до 120 В, а в некоторый случаях и более высоким; для питания плазматрона, используемого для резки, оптимально напряжение холостого хода источника питания до 300 В.

 

Плазменной струей можно сваривать практически все металлы в нижнем и вертикальном положениях, В качестве плазмообразующего газа используют аргон или гелий, которые также могут быть и защитными. К преимуществам плазменной сварки относятся высокая производительность, малая чувствительность к ко-лебаниям длины дуги, устранение включений вольфрама в металле шва. Без скоса кромок можно сваривать металл толщиной до 15 мм с образованием провара специфической формы. Это объясняется образованием сквозного отверстия в основном металле, через которое плазменная струя выходит на обратную сторону изделия. Расплавляемый в передней части сварочной ванны металл давлением плазмы перемещается вдоль стенок сварочной ванны в ее хвостовую часть, где кристаллизуется, образуя шов. По существу процесс представляет собой прорезание изделия с заваркой места резки.

 

Плазменной струей можно сваривать стыковые и угловые швы. Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно сваривать с отбортовкой кромок, при толщине свыше 10 мм рекомендуется делать скос кромок. В случае необходимости используют дополнительный металл. Для сварки металла толщиной до 1 мм успешно используют микроплазменную сварку струей косвенного действия, в которой сила сварочного тока равна 0,1-10 А.

 

Резка плазменной струей основана на расплавлении металла в месте реза и его выдувании потоком плазмы. Плазменную струю используют для резки металла толщиной от долей до десятков миллиметров. Для резки металла малой толщины используют плазменную струю косвенного действия. При повышенной толщине металла лучшие результаты достигаются при плазменной струе прямого действия. При резке даже углеродистых сталей во многих случаях она более экономична, чем газокислородная, ввиду высокой скорости и лучшего качества реза.

 

В зависимости от металла в качестве плазмообразующих газов можно использовать азот, водород, аргоно-водородные, аргоно-азотные, азото-водородные смеси. Использование для резки смесей газов, содержащих двухатомные газы, энергетически более эффективно. Диссоциируя, двухатомный газ поглощает много теплоты, которая выделяется на холодной поверхности реза при объединении свободных атомов в молекулу. В последнее время, когда появилась возможность использовать водоохлаждаемые циркониевые и гафниевые электроды, в качестве режущего газа стали использовать и воздух. Сварку и резку можно выполнять вручную и автоматически.

 

Микроплазменная сварка

 

1 — Вольфрамовый электрод; 2 — канал для подачи плазмообразующего газа; 3 — канал для подачи защитного газа; 4 — керамическое сопло; 5 — сопло плазмообразующего канала; 6 — присадочная проволока; 7 — свариваемые детали; П — плазмообразующий газ; З — защитный газ.

Сварка деталей малых толщин (5 — 0.2 мм) является сложной задачей при использований многих других методов сварки плавлением.

 

Малоамперная плазменная дуга, сформированная специальным плазмотроном с вольфрамовым электродом, имеет конусообразную форму с вершиной, обращенной к изделию. Такая форма ее обеспечивается конструктивными особенностями плазмотрона, правильным выбором плазмообразующего и защитного газов и их расходом. Наиболее часто в качестве плазмообразующего газа используется аргон. У нижнего среза сопла плазменная дуга существует только в струе аргона. По мере приближения к аноду (изделию) плазмообразующий и защитный газы перемешиваются и плазменная дуга горит уже в смеси этих газов. Чем ближе к аноду, тем больше в смеси содержится защитного газа. Если защитный газ имеет больший коэффициент теплопроводности, чем плазмообразующий, то степень сжатия дуги по мере приближения к аноду увеличивается, и она приобретает конусообразную форму (форму копья).

 

При правильно выбранном расходе плазмообразующего газа указанная форма малоамперной плазменной дуги образуется при использовании в качестве защитного газа аргоноводородной смеси (90% Аг + + 10% Н2), гелия, азота и углекислого газа. Если защитный газ аргон, то форма дуги цилиндрическая или слегка расширяющаяся в направлении к аноду. Такая же форма дуги сохраняется при ее существовании на токах больших 20 А, так как влияние защитного газа на сжатие дуги заметно ослабляется. Эффект сжатия дуги уменьшается и при увеличении расхода плазмообразующего газа более оптимального.

 

Особо тонкие металлы свариваются малоамперной дугой в импульсном режиме с формированием однополярных или разнополярных импульсов. Нагрев и плавление свариваемого металла происходит в течение импульса тока определенной длительности дугой прямой полярности. Во время паузы, когда ток в рабочей цепи питания плазменной дуги равен нулю, жидкий металл кристаллизуется и формируется сварная точка. Время импульса и паузы, а также скорость сварки выбираются таким образом, чтобы обеспечивалась определенная величина перекрытия кристаллизующихся точек.

 

Импульсная микроплазменная сварка значительно облегчает процесс получения качественного сварного соединения, поскольку позволяет таким образом подобрать амплитуду тока, длительности импульсов сварки и паузы, что прожоги свариваемого металла практически исключаются даже в случае остановки процесса или неравномерности его осуществления.

 

Разновидностью способа микроплазменной сварки в импульсном режиме является сварка разнополярными импульсами. В течение импульса тока прямой полярности свариваемым кромкам передается достаточное количество теплоты, которая обеспечивает их расплавление, образование сварочной ванны и, после ее кристаллизации, формирование сварной точки. В течение импульса тока обратной полярности в свариваемые кромки вводится меньшее количество теплоты, достаточное только для разрушения окисной пленки. За это время сварочная ванна охлаждается до полной или частичной кристаллизации. Следующий импульс тока прямой полярности создает сварную точку на определенном (в зависимости от скорости сварки) расстоянии от предыдущей. Перекрытие точек задается их размером и шагом.

 

Для сварки Al, Mg и их сплавов разработан процесс микроплазменной сварки на обратной полярности. Особенность способа состоит в том, что используются два источника питания. Один (ИП1) для непрерывного поддержания горения дежурной дуги между вольфрамовым электродом и медным соплом плазмотрона. Другой (ИП2) для питания основной дуги, горящей между медным соплом (анодом) и свариваемой деталью (катодом). Использование медного водоохлаждаемого сопла в качестве анода основной дуги позволяет исключать влияние тока обратной полярности основной дуги на вольфрамовый электрод, тем самым обеспечивается его высокая стойкость. Небольшой диаметр электрода обеспечивает устойчивое горение дежурной дуги на токах 2...5 А. При малых расходах плазмообразующего газа (0,2...0,8 л/мин) анодное пятно основной дуги размещается внутри канала сопла, а сжатие столба дуги на открытом ее участке и вблизи катода обеспечивается защитным газом, также как и при сварке на прямой полярности. Катодное пятно непрерывно блуждает по поверхности изделия и разрушает тугоплавкую оксидную пленку. Этот способ позволяет соединять AI и его сплавы толщиной в десятые и сотые доли миллиметра. Однако блуждание пятна приводит к получению широкого шва и большой зоны термического влияния.

 

В настоящее время успешно осуществляется микроплазменная сварка алюминия на переменном токе. При этом способе между соплом и электродом плазмотрона непрерывно горит дежурная дуга постоянного тока. При подаче на вольфрамовый электрод положительного относительно изделия полупериода напряжения, между ними формируется сжатая дуга обратной полярности с нестационарным катодным пятном, разрушающим оксидную пленку. Затем на вольфрамовый электрод плазмотрона поступает отрицательный относительно изделия полупериод напряжения. При этом генерируется сжатая дуга с большой плотностью энергии, достаточной для осуществления сварки металлов, имеющих на поверхности тугоплавкие окисные пленки. При этом, так как по вольфрамовому электроду проходит только ток прямой полярности, разрушения его не происходит. Возможность раздельной подачи тока прямой и обратной полярности на вольфрамовый электрод является важным технологическим достоинством данного способа микроплазменной сварки.

 

Микроплазменной сваркой наиболее технологично выполняются стыковые, отбортованные и торцовые соединения. Качество сварного шва зависит от правильности подготовки кромок под сварку, точности сборки и качества применяемой оснастки. Стыковые соединения рекомендуются при толщинах 5 = 0,3...2,0 мм. При 5<0,3 мм технологичнее стыковые с отбортовкой. Торцовые соединения рекомендуются для всех толщин, так как при их выполнении отпадает необходимость в применении присадочной проволоки и подкладок. Нахлесточные и тавровые соединения не рекомендуются и их следует заменять на стыковые, торцовые и стыковые с отбортовкой.

 

Обратная сторона шва (со стороны корня) формируется либо гладкой технологической подкладкой, имеющей канавку овального, треугольного или прямоугольного сечения. Для получения стыковых соединений применяют, как правило, односторонние швы, выполняемые за один проход с полным проплавлением кромок на всю толщину свариваемого металла. В некоторых случаях, например, при сварке стыковых кольцевых швов, применяют многопроходную одностороннюю сварку. Первый проход выполняется на токе меньше номинального и служит для прихватки кромок соединяемых деталей, а следующим проходом осуществляют проплавление кромок на всю толщину.

 

Методом микроплазменной сварки можно выполнять соединение деталей во всех пространственных положениях. Хотя технологически наиболее просто выполняются швы в нижнем положении, особых затруднений в выполнении вертикальных, горизонтальных и потолочных швов не возникает, так как объем сварочной ванны небольшой, и расплавленный металл легко удерживается в ней за счет сил поверхностного натяжения.

 

К сборке деталей под сварку предъявляются повышенные требования. Разметка деталей допускается только мягким инструментом, наличие рисок, царапин и разрывов на свариваемых кромках не допускается. Свариваемые кромки тщательно рихтуются деревянным молотком и очищаются от загрязнений. Сборку осуществляют в прецизионных оправках. При сварке протяженных швов делаются прихватки длиной 3...5 мм.

 

Стабильность горения плазменной дуги и качество сварного соединения зависят от формы рабочей части электрода и положения его в канале сопла. Угол заточки рабочей части вольфрамового электрода должен выдерживаться в пределах 10... 15 градусов. Ось электрода должна точно совпадать с осью канала сопла, а сам электрод должен быть утоплен в канале сопла не более чем на 0,5 мм. При соблюдении данных требований длина факела плазмы при горении дежурной дуги должна быть не менее 1,5...2,0 мм.

 

Основная дуга возбуждается касанием факела дежурной дуги свариваемого металла. После зажигания основной дуги плазмотрон не перемещается до тех пор, пока на кромках не образуется сварочная ванна (при ручной сварке). После этого плазмотрон перемещается по стыку в направлении сварки. Угол наклона плазмотрона поддерживается в пределах 60...80° при ручной и 80...90° при автоматической (сварка углом вперед). Поперечные колебания плазмотрона не производят. Защитный газ подается еще в течение нескольких секунд после окончания процесса сварки и отключения основной дуги.

 

При разработке технологии сварки любых металлов следует учитывать их исходные свойства. Например, низкоуглеродистые спокойные и полуспокойные стали успешно свариваются при использовании в качестве защитного газа аргоно-водородной смеси. Кипящие стали склонны к образованию пор, появляющихся в результате взаимодействия водорода с оксидами железа во время кристаллизации расплава сварочной ванны. Поэтому содержание водорода в защитном газе не должно превышать 3%.

 

Наиболее успешно микроплазменная сварка применяется при соединении деталей, выполненных из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса. Сварка этих материалов выполняется в жестких зажимных приспособлениях для обеспечения теплоотвода из зоны сварки и уменьшения коробления свариваемых деталей и сварного изделия.

 

---

Дополнительная информация:

Материал перенесен с сайта websvarka.ru «как есть». Если найдутся желающие внести правки в содержание статьи (исправить ошибки, неточность, внести актуальные дополнения), то сообщите - выдам права модератора на тему.

 

Изменено 21 января, 2015 пользователем Andrew

[Andrew]

Применяемые газы для обработки материалов плазмой

 

Газовая среда в горелке для плазменной обработки материалов должна выполнять следующие функции:

• защищать от окисления и охлаждать вольфрамовый электрод и сопло;
• обеспечивать получение стабилизированной плазменной струи с необходимыми температурой и скоростью;
• обеспечивать наилучшую теплопередачу к изделию;
• 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.

Изменено 21 января, 2015 пользователем Andrew

[Andrew]

Разделительная резка плазменной струей
 

1 — катододержатель; 2 — катод; 3 — корпус плазмотрона; 4 — межэлектродная вставка; 5 — сопло — анод; 6 — плазменный поток 7- изделие.
 
Среди всех видов плазменной обработки материалов плазменная резка получила наибольшее распространение, так как в современном машиностроении все шире применяются специальные сплавы, нержавеющие стали, цветные металлы и сплавы на их основе, для которых газокислородная или другие виды резки практически малопригодны. Плазменная резка обеспечивает более высокую производительность по сравнению с кислородной и при резке черных металлов и сплавов.
 
Сущность процесса плазменной разделительной резки заключается в локальном интенсивном расплавлении металла в объеме полости реза теплотой, генерируемой сжатой дугой, и удалении жидкого металла из зоны реза высокоскоростным плазменным потоком, вытекающим из канала сопла плазмотрона.
 
Одним из важнейших элементов плазмотрона, применяемого для резки, является сопло. Его конструкция и размеры определяют технические характеристики и режим работы плазмотрона. Кроме того, сопло является анодом при возбуждении вспомогательной (дежурной) дуги, которая обеспечивает возбуждение и формирование основной плазменной дуги, используемой для резки материала. Диаметр и длина рабочего канала сопла плазмотрона определяют его технологические возможности. Их размеры выбираются в зависимости от величины рабочего тока, состава и расхода плазмообразующего газа. При плазменной резке обычно стремятся применять сопла небольшого (3...5 мм) диаметра и большой (9...12 мм) длины. Однако следует иметь в виду, что для каждого значения тока существуют оптимальные размеры канала сопла, при которых обеспечивается стабильное формирование плазменной струи и максимальные технологические возможности процесса резки. Уменьшение диаметра сопла менее 3 мм нецелесообразно из-за уменьшения ресурса работы плазмотрона. Увеличение диаметра сопла при прочих равных условиях приводит к уменьшению сжатия столба дуги и уменьшению скорости резки. При этом увеличивается ширина реза и ухудшается его качество. Однако при этом стойкость и ресурс работы сопла растут, поскольку плотность тока в струе плазмы и тепловой поток в канале сопла снижаются.
 
Чем больше длина канала сопла, тем выше скорость истечения плазменной струи и лучше качество реза, так как при этом происходит увеличение тепловой мощности и температуры плазменной струи. Однако при очень длинных каналах (более 12 мм) надежность работы плазмотрона снижается из-за разрушения сопла тепловым потоком плазмы или образования двойной дуги. Оптимальная длина канала сопла должна быть больше диаметра сопла в 1,5...1,8 раза. Наилучшим материалом для сопла является медь.
 
Сопло и катод электрически изолированы друг от друга. Материал изолятора должен обладать следующими свойствами:

• высокой электрической прочностью, так как дежурная дуга возбуждается с помощью высоковольтного высокочастотного разряда осциллятора;
• высокой механической прочностью;
• высокой плотностью и непроницаемостью, так как через него проходят каналы для плазмообразующего газа и охлаждающей воды.

Генерируемая плазмотроном сжатая режущая дуга служит преобразователем электрической энергии в тепловую. Поэтому она как элемент электрической цепи характеризуется электрическими параметрами (током, напряжением), а как источник теплоты — тепловыми (температурой, теплосодержанием). Напряжение сжатой дуги зависит от конструктивных размеров плазмотрона (диаметра и длины канала сопла), от тока, состава и расхода плазмообразующего газа и расстояния от торца сопла до поверхности разрезаемого материала. Температура плазмы является исходным тепловым параметром плазмотрона. Она изменяется как по сечению столба дуги, так и вдоль ее оси. Температура, так же как и напряжение, зависит от многих параметров режима. Определяющими из них являются ток, состав и расход плазмообразующего газа, диаметр столба плазменной дуги (степень сжатия дуги).
 
Важным тепловым параметром сжатой дуги является ее теплосодержание (энтальпия), т.е. количество теплоты, содержащейся в единице объема или массы струи. Теплосодержание молекулярных газов (N2, Н2) на порядок выше одноатомных (Аг, Не), и их использование в качестве плазмообразующей среды в энергетическом отношении более выгодно. Кроме того, уменьшаются потери тепловой энергии на излучение в окружающую среду и в стенки сопла плазмотрона. Кроме перечисленных параметров сжатая дуга характеризуется скоростью течения потока плазмы. Благодаря термическому и механическому воздействию столб дуги проникает и погружается в толщу металла. За счет этого металл из полости реза выплавляется и выдувается.
 
В отличие от газокислородной резки, при которой пламя выделяет мало теплоты, имеет относительно низкую температуру и для врезания в металл требуется затратить некоторое время на местный подогрев разрезаемого металла до температуры его воспламенения в струе кислорода, плазменная дуга вследствие высокой температуры и скорости потока плазмы врезается в металл почти мгновенно вне зависимости от природы материала и его теплофизических свойств.
 
При оптимальном соотношении толщины разрезаемого металла, мощности сжатой дуги Р и скорости резки столб дуги проникает на всю толщину металла, и анодное пятно располагается в нижней его части. При этих условиях обеспечивается получение практически вертикальных кромок реза без грата. Увеличение скорости резки способствует фиксации анодного пятна выше уровня нижней плоскости реза, что приводит к отставанию фронта плавления в нижней части и сужению реза в ней. Чрезмерное увеличение скорости резки приводит к неполному прорезанию металла. При снижении скорости резки ниже оптимальной ширина реза в нижней части резко увеличивается.
 
Выбор плазмообразующего газа следует осуществлять исходя из особенностей и типа плазмотрона с вольфрамовым, гафниевым или другим типом катода. Аргон нецелесообразно использовать при плазменной резке как с точки зрения качества резки и ее производительности, так и из условий высокой стоимости аргона. Плазменная резка в среде технического азота является надежным, экономичным и высокопроизводительным процессамд и рекомендуется практически для резки всех конструкционных материалов. Так, при резке коррозионно-стойких сталей толщиной до 40 мм производительность примерно равна производительности процесса при использовании сжатого воздуха и в 2...3 раза выше, чем при использовании аргона. С увеличением толщины разрезаемого материала производительность резки при использовании азота выше, чем при использовании сжатого воздуха. Это достигается увеличением допустимой силы тока при заданных параметрах катода и сопла плазмотрона. Плазменная резка в воздушной среде обладает некоторыми преимуществами. К ним относятся: отсутствие затрат на производство плазмообразующего газа и увеличение производительности при резке углеродистых и низколегированных сталей. Недостатками процесса являются: низкая стойкость электродов из циркония и гафния и возможность насыщения поверхности реза газами, входящими в состав воздуха.
 
Чтобы осуществить плазменную разделительную резку металла, необходимо расплавить определенный объем его вдоль линии реза и удалить затем из полости реза скоростным потоком плазмы. Для выплавления требуемого объема металла по линии реза нужно подвести определенное количество теплоты. Эта теплота поступает в обрабатываемый материал от столба плазменной дуги и носит название эффективной мощности дуги q. Величина q имеет определенное значение для данного материала, ниже которой резка невозможна.
 
Расплавленный теплотой плазменной дуги металл, образующийся на лобовой поверхности реза, удаляется скоростным потоком плазменной струи. Скорость потока плазмы возрастает с увеличением расхода плазмообразующего газа и уменьшается с увеличением диаметра сопла. Скорость истечения расплавленного металла из зоны реза зависит от скорости потока плазмы на границе раздела расплавленный металл — поток плазмы в нижней части разрезаемого металла. Скорость истечения потока плазмы может достигать 800 м/с при величине тока 250 А. В этом случае при резке металла толщиной 5 = 5. .20 мм со скоростью vp= 1...6 м/мин и ширине реза 4.6 мм, скорость истечения расплавленного металла из нижней части реза составляет 20...40 м/с.
 
Под воздействием плазменной струи на передней стенке реза можно выделить три характерных участка, на которых действуют свои механизмы взаимодействия теплового потока плазменной струи с разрезаемым материалом. На 1-м участке (от верхней поверхности разрезаемого металла до нижней точки анодного пятна) плавление металла идет за счет тепловой энергии столба плазменной дуги. Регулирование теплового потока по толщине металла происходит за счет отставания оси плазменной дуги от фронта плавления. На 2-м участке формирование теплового потока происходит за счет увеличения теплопроводности плазмообразующего газа при снижении его температуры, которая резко снижается по мере удаления рассматриваемого сечения сжатой дуги от торца плазмотрона. В этой области к тепловой энергии потока плазмы добавляется энергия от анодного пятна дуги, что приводит к некоторому опережению фронта плавления по отношению к другим его частям. Однако эта энергия много меньше энергии потока плазмы На 3-м участке формирование теплового потока осуществляется за счет уменьшения ширины реза в нижней его части. Расплавленный металл удаляется с фронта плавления силовым потоком плазменной струи.
 
Плазменная резка алюминия и его сплавов может выполняться с использованием в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха или кислорода. При резке с использованием кислорода скорость процесса снижается примерно на 10%. Режимы плазменной резки могут изменяться в широких пределах в зависимости от требуемого качества реза, диаметра и длины канала сопла плазмотрона, расхода плазмообразующего газа и других параметров.
 
При плазменной резке титана и его сплавов проводят специальные технологические мероприятия с целью получения поверхности реза, не требующей последующей механической обработки, которую отличает высокая трудоемкость и низкая технологичность. Трудности возникают прежде всего из-за окисления и газонасыщения поверхностных слоев реза. Азот, кислород и водород, проникая в металл, образуют твердые
 
растворы внедрения, обладающие повышенной твердостью и низкой пластичностью и ударной вязкостью. Эта особенность титана и его сплавов обусловливает ведение процесса резки с возможно большей скоростью для обеспечения его минимальной длительности. Если это невозможно, то место резки защищают дополнительно инертным газом, либо ведут резку с использованием аргона в качестве плазмообразующего газа.
 
Плазменно-воздушная резка малоуглеродистой стали толщиной до 80 мм и цветных металлов тещиной до 60 мм является недорогим и эффективным способом резки. Предельную толщину разрезаемого металла определить практически невозможно, так как она зависит от технологии процесса и требований к качеству реза. В настоящее время максимальную толщину разрезаемого металла ограничивают толщиной 160 мм. Благодаря высокой температуре столба дуги плазменная резка является универсальным процессом, так как свойства разрезаемого металла практически не оказывают влияния на процесс резки.

Изменено 21 января, 2015 пользователем Andrew

[Andrew]

Обжатие дуги

 

Принципиальные схемы плазмотронов. а — с дугой прямого действия и аксиальной стабилизацией плазменной струи; б — с дугой косвенного действия и вихревой стабилизацией плазменной струи; 1 — электрод; 2 — газовая камера; 3 — изоляционная прокладка; 4 — сопло; 5 — обрабатываемое изделие; 6 — источник питания

 

 

Несмотря на разнообразие конструкций дуговых плазмотронов, принцип действия их одинаков и основан на принудительном охлаждении и сжатии столба дуги жидкостью или, чаще всего, потоком газа. Существует два типа плазмотронов: с дугой прямого действия (рис., а) и с дугой косвенного действия (рис., б). В обоих типах плазмотронов одним из электродов является стержень с закрепленным на нем тугоплавким наконечником (в большинстве случаев из вольфрама). Ниже рассматривается наиболее распространенный вид плазмотронов тока, в которых электрод является катодом.

 

Электродный стержень 1 вмонтирован в цилиндрической камере 2, оканчивающейся медным наконечником-соплом 4 с отверстием, соосным со стержнем. Электрод и сопло обычно выполнены из меди электрически изолированы друг от друга прокладкой 3 и охлаждаются проточной водой. В плазмотронах с дугой косвенного действия анодом является сопло. Дуга, возбуждаемая между электродом и соплом (чаще всего пробоем промежутка искровым высокочастотным разрядом), проходит через сопло под давлением рабочего газа, подаваемого в камеру. Анодное пятно дуги перемещается по внутренней стенке канала сопла, а столб оказывается жестко стабилизированным по оси электрода и сопла. Часть рабочего газа, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи. Наружный слой газа, омывающий столб дуги, остается относительно холодным и образует электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла, предохраняя сопло от разрушения. Кроме того, наружный слой газа усиленно охлаждает столб дуги, в результате чего сечение столба уменьшается, а плотность тока и температура возрастают. При этом за счет уменьшения диаметра столба усиливается сжимающее действие на дугу ее собственного магнитного поля. Таким образом, в плазмотроне термическое сжатие (термический пинч-эффект) вызывает усиление магнитного сжатия (магнитного пинч-эффекта). Плотность тока дуги в плазмотронах достигает 100 а/мм2, т. е. на порядок выше плотности тока свободной дуги. Температура достигает нескольких десятков тысяч градусов. При выходе из сопла поток плазмы несколько расширяется, т. е. сопло является как бы диафрагмой, перетягивающей плазменный столб. Это приводит к возникновению осевого градиента давления собственного магнитного поля дуги, повышающего скорость истечения плазменной струи из сопла до значений, превышающих скорость звука.

 

В плазмотронах с дугой прямого действия анодом является обрабатываемое изделие, сопло же является электрически нейтральным и служит для сжатия и стабилизации столба дуги. Принцип сжатия столба дуги здесь тот же, что и в плазмотронах с дугой косвенного действия. В отличие от плазмотронов с дугой косвенного действия плазменная струя, истекающая из плазмотрона с дугой прямого действия, совмещена со столбом дуги и поэтому имеет более высокую температуру и тепловую мощность. Непосредственное возбуждение дуги между электродом и изделием через узкий канал сопла осуществить трудно. Поэтому первоначально обычно возбуждается вспомогательная дуга между электродом и соплом, питаемая чаще всего от того же источника через токоограничивающее сопротивление R, а затем, как только ее факел коснется изделия, автоматически зажигается основная дуга между электродом и изделием, а вспомогательная дуга при устойчивом горении основной отключается. 

 

В плазмотронах с дугой косвенного действия тепловая энергия от дуги к обрабатываемому изделию передается лишь струей плазмы, нагреваемой столбом дуги. Такого типа плазмотроны применяются в основном для обработки неэлектропроводных материалов (напыление, сфероидезация, нагрев, химический синтез и др.). В плазмотронах с дугой прямого действия в обрабатываемое изделие вводится дополнительная доля тепла за счет электронного тока. К. п. д. таких плазмотронов значительно выше и поэтому их целесообразно применять для резки, сварки, наплавки и других видов обработки металлов. В обоих типах плазмотронов газовая стабилизация бывает аксиальной и вихревой. При аксиальной стабилизации (рис. а) газ проходит вдоль катода, охлаждает его и выходит через отверстие сопла. На рис, б газ поступает в камеру через тангенциальные отверстия и двигается по спирали, омывая столб дуги вихревым потоком. Часто для сварки и резки применяются плазмотроны с двойным или комбинированным газовым потоком. Такие плазмотроны имеют два сопла. Газ, подаваемый во внутреннее сопло, условно можно назвать первичным, а в наружное — вторичным. Первичный и вторичный газы могут быть разными по назначению, составу и расходу. При резке первичный (обычно инертный) газ выполняет функции защиты от воздействия окружающей среды вольфрамового катода, вторичный (обычно активный молекулярный) газ является плазмообразующим, режущим. При сварке газ, подаваемый в наружное сопло, способствует сжатию плазменной струи, образуемой первичным газом, и защищает от действия окружающей среды околошовную зону свариваемого металла.

[Andrew]

Энергетические свойства плазменной дуги

Плазменная дуга — преобразователь электрической энергии в тепловую. Поэтому с одной стороны, как элемент электрической цепи, она характеризуется электрическими параметрами (током, напряжением), а с другой стороны, как источник тепла,- тепловыми параметрами (температурой, теплосодержанием). Существует сложная взаимосвязь между параметрами первой и второй группы.



Структурно плазменную дугу постоянного тока можно представить в виде ряда характерных участков, последовательно расположенных вдоль ее оси. Плазменная дуга, к примеру, прямого действия (см. рис.) состоит из катодной области (1), досоплового (2), внутрисоплового (3) и засоплового(4) участков столба и анодной области(5), расположенной практически на обрабатываемом изделии. Обозначим их u1 — u5 соответственно. Соответственно напряжение дуги является суммой падений напряжения на этих участках.

Uд = U1 + U2 + U3 + U4 + U5

Подобным образом рассчитывается напряжение дуги косвенного действия, за исключением того, что анодная область не входит в сумму падений напряжений. На внутрисопловом участке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал, при том за срезом сопла по мере удаления от него электропроводный диаметр столба увеличивается и на изделии достигает величины, а температура и скорость течения плазменной струи уменьшаются.

На внутрисопловом участке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал, при том за срезом сопла по мере удаления от него электропроводный диаметр столба увеличивается и на изделии достигает величины, а температура и скорость течения плазменной струи уменьшаются. Обычно сумма катодного и анодного падений напряжения составляют малую долю общего напряжения плазменной дуги. В зависимости от тока и степени сжатия дуги в плазмотронах с вольфрамовым катодом величина и1 изменяется в пределах 5-8 В, а с циркониевым катодом в пределах 10-12 В. Величина U5 практически мало зависит от материала анода, плазмообразующей среды, тока и составляет 5-6 В. Таким образом, напряжение плазменной дуги определяется в основном напряженностью поля и длиной участков, составляющих столб дуги. Падения напряжений на участках(2) и (3) приблизительно одинаковы (при равной длине).

Температура плазменной дуги

Найдем напряженность поля столба дуги:

Eд = Uд*lд

Затем расчитываем плотность тока по формуле:


Где k = 0,6.. 0,9 — коэффициент заполнения плазмой канала сопла. После этого находим удельную проводимость плазмы в дуге:

и по известным для различных газов зависимостям sigma = f(T) определить усредненную по сечению электропроводного столба температуру Тпл.

Для примера на рис. 1 приведен график указанной зависимости для азота.


Температура плазмы является исходным тепловым параметром плазмотронов. Она изменяется как по сечению столба дуги, так и вдоль ее оси. Картина распределения температуры в плазменной дуге может быть получена довольно сложным экспериментальным или расчетным путем. В большинстве случаев для инженерных расчетов достаточно определять среднюю по сечению электропроводного столба температуру плазмы так, как это было показано выше.

Энтальпия плазменной дуги

Важным тепловым параметром плазменной струи является ее удельное теплосодержание (энтальпия), т. е. количество тепла, содержащееся в единице объема или массы струи.

I = СТ дж/г

где С — удельная теплоемкость газа при температуре Т, дж/г. °К. На рис. 2 приведены зависимости теплосодержания ряда газов от температуры при атмосферном давлении, из которых видно, что теплосодержание молекулярных газов при относительно низких температурах ((4-8) * 103 °К) за счет поглощения энергии, выделяющейся в процессе диссоциации молекул, достигает высоких значений и превышает почти на порядок теплосодержание одноатомных газов. Следующий порог резкого повышения теплосодержания плазмы наступает при температуре ее около 12-103 °К за счет поглощения энергии, выделяющейся при ионизации атомов.



Использование высокоэнтальпийных молекулярных плазмообразующих газов в энергетическом отношении более выгодно, так как они при более низких температурах обладают той же тепловой эффективностью, что и одноатомные газы. При этом уменьшаются потери тепла на излучение в стенки плазмотрона и в окружающую среду (эти потери пропорциональны четвертой степени температуры). Чем выше теплосодержание плазмообразующего (рабочего) газа, тем большую мощность требуется передать единице длины столба дуги, тем выше, следовательно, при данном токе напряженность поля столба Е. Таким образом, напряженность поля столба, а значит, и напряжение плазменной дуги в первую очередь определяются составом плазмообразующего (рабочего) газа.

Вольтамперные характеристики плазмотронов

Влияние состава рабочего газа на напряжение дуги наглядно иллюстрируется вольтамперными характеристиками плазмотронов. представляющими собой зависимость между напряжением и током дуги при прочих равных условиях (длине дуги, расходе газа, параметрах плазмотрона, внешних условиях). В области малых токов вольт-амперные характеристики плазмотронов падающие, а с увеличением величины тока переходят в независимые и возрастающие. При неизменном составе газа напряженность всех участков столба плазменной дуги увеличивается при увеличении степени его сжатия. Степень сжатия столба дуги растет (до определенного предела) при уменьшении диаметра формирующего сопла и увеличении расхода рабочего газа. Как показывают исследования, основная масса газа проходит по периферийным областям столба и по мере увеличения расхода все интенсивнее охлаждает и сжимает столб.



Чем интенсивнее обжата дуга, тем при меньшем значении тока ее вольт-амперная характеристика переходит в возрастающую. Таким образом, напряжение плазменной дуги зависит от конструктивных размеров плазмотрона (dсопла, lсопла ) от тока дуги, состава и расхода рабочего газа и, наконец, от величины расстояния от торца плазмотрона до обрабатываемого изделия (l5). Для определения области рабочих напряжений плазмотрона данного вида строят семейство вольт-амперных характеристик, каждая из которых снимается при неизменных составе и расходе газа Q, длине l5 и неизменных конструктивных размерах плазмотрона. Иногда также строят внешние характеристики плазменной дуги: Ud=f(Q) и Ud=f(l5 ) при Iд= const. Эти характеристики возрастающие. Их можно аппроксимировать в линейные и использовать при создании систем автоматического регулирования процесса сварки по напряжению дуги.

Изменено 21 января, 2015 пользователем Andrew

[Andrew]

Рационализация плазменной сварки

Приведем формулу для расчета скорости резки

 
Очевидно, что не увеличивая ток дуги, существенно повысить скорость резки путем увеличения напряжения дуги за счет напряженности поля столба дуги Е, что достигается применением высокоэнтальпийных молекулярных плазмообразующих газов (N2, Н2, О2 и др.) и интенсивным обжатием столба, т. е. повышением плотности тока. Благодаря применению вихревой системы формирования столба плотность тока в сопле плазмотронов для резки может быть повышена до 100 а/мм2. При этом скорость резки увеличивается не столько за счет роста мощности дуги, сколько за счет уменьшения средней ширины реза и повышения КПД дуги благодаря уменьшению потерь в кромки. Закономерности изменения напряженности поля столба Е и плотности тока j при изменении состава и расхода плазмообразующего газа и диаметра сопла рассматривались ранее в главе «Плазменная дуга и ее свойства». Таким образом, с увеличением Е и j повышается как производительность, так и экономичность процесса плазменной резки, т. е. уменьшаются затраты электроэнергии и потери выплавляемого металла на погонный метр реза. Однако увеличение плотности тока можно производить до предела, ограниченного стойкостью сопла плазмотрона и определяемого из условий двойного дугообразованияПо мере увеличения толщины разрезаемого металла, особенно при толщинах свыше 60-80 мм, изменение плотности тока в сопле все меньше влияет на производительность резки, что объясняется ослаблением эффекта обжатия столба, спадом температуры и скорости плазменной струи по мере удлинения столба дуги. При этом прирост мощности дуги за счет увеличения длины дуги недостаточен. Поэтому появляется необходимость резкого повышения тока Iд. С повышением тока увеличивается ширина реза и уменьшается коэффициент полезного использования мощности дуги, вследствие чего, несмотря на рост мощности при увеличении толщины металла, скорость резки падает и качество реза ухудшается [2]. Повышение тока дуги имеет пределы, определяемые из условий допустимой тепловой нагрузки на катод плазмотрона. В настоящее время предельная толщина нержавеющей стали, которая может быть разрезана, достигает 150 мм, алюминия — 250 мм. Кислородная резка углеродистых сталей значительно превосходит эти пределы. На практике максимальная величина тока при плазменной резке не превышает 1000 а, напряжение дуги — 300 в, скорость резки ~5 м/мин. Качество реза и скорость определяются не только энергетическими параметрами плазменной дуги, но и в значительной степени теплофизическими и химико-металлургическими свойствами плазмообразующих газов. В последнее время в качестве плазмообразующих сред используются природные или искусственные смеси, представляющие различные сочетания четырех основных газов: аргона Аr, азота N2, водорода Н2 и кислорода O2.
 
Благодаря высокой теплоемкости водород обладает максимальным теплосодержанием при сравнительно низкой температуре плазмы, а благодаря высокой теплопроводности позволяет получить наилучшие условия теплоотдачи мощности плазменного столба в металл, т. е. максимальный rjn. Поэтому при одинаковой мощности дуги скорость резки в водороде и в смесях на его основе выше, чем в других газах. Плазменная струя на основе водорода сохраняет высокую энергию газа на максимальной длине дуги. Поэтому резку в водородосодержащих смесях наиболее целесообразно применять для высоколегированных сталей больших толщин и высокотеплопроводных металлов, например, меди и алюминия [2] . Применение водорода обеспечивает получение чистой поверхности реза. Экономически наиболее выгодно применение дешевых водородосодержащих газов: аммиака, состоящего из 75% Н2 и 25% N2, или так называемого «смешанного» газа, являющегося исходным сырьем для синтеза аммиака. В отличие от чистого водорода аммиак взрывобезопасный, дешевый. Расход водородосодержащих смесей зависит от величины тока резки и составляет 2-4 м/ч. Однако водородосодержащие смеси имеют существенный недостаток. Вследствие высокой теплопроводности водорода даже при сравнительно небольших мощностях нарушается тепловая и электрическая изоляция сопла плазмотрона от столба дуги, что приводит к разрушению сопла. Нормальная работа сопла при использовании водородосодержащих плазмообразующих газов обеспечивается только тогда, когда к ним добавлено не менее 20% аргона. Предполагают, что вследствие термодиффузии аргон, как значительно более тяжелый по сравнению с водородом газ, скапливается у стенок сопла и, имея сравнительно низкую электрои теплопроводность, обеспечивает тепловую защиту сопла. К сожалению, эта защита не вполне надежна, так как малейшее отклонение столба от оси сопла приводит к разрушению последнего. Аргон дефицитный и дорогостоящий газ, используется и транспортируется в баллонах. Поэтому использование его даже в качестве примеси снижает экономичность процесса резки в водородосодержащих смесях. При резке углеродистых, нержавеющих сталей и алюминия средних толщин часто применяется технический азот. 
 
Качество плазменной резки в азоте несколько хуже, а скорость значительно ниже, чем в водородосодержащих смесях (вследствие меньшего теплосодержания азотной плазмы). Кроме того, наблюдается заметное повышение содержания азота в оплавленном слое кромок реза на глубине до 0,15 мм. Технический азот дешев, однако использование его в большинстве случаев также связано с необходимостью применения баллонов, что не всегда удобно. Наиболее простой и экономичной является созданная в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР аппаратура для которой — плазмотрон с циркониевым катодом специальной конструкции — работает на сжатом воздухе. Воздух является кислородосодержащим газом (78% N2 и 21% O2). Как видно из табл. 2, по своему теплосодержанию он близок к азоту. Максимальная теплопроводность его Хщах (при Т=7000°К) выше, чем Хтах водорода (при Т=3800°К). Поэтому воздушноплазменная струя обладает большей концент рацией энергии и более высоким ги по сравнению с водородной. 
 
При наличии кислорода в плазме тепло поступает в полость реза не только от дуги, но и вследствие теплоотдачи, возникающей в результате реакции окисления железа. Кроме того, при наличии кислорода наблюдается существенное уменьшение гратообразования на нижней кромке разрезаемого листа. Скорость воздушно-плазменной резки сталей в 1,5- 2,5 раза выше, чем скорость резки при использовании азота в качестве плазмообразующего газа. Качество реза повышается. Исследования показали, что при большем, чем в воздухе процентном содержании кислорода в смеси кислорода с азотом можно несколько повысить скорость резки. Однако с экономической точки зрения применение искусственной азотнокислородной смеси нецелесообразно. По предварительным подсчетам воздушноплазменная резка углеродистых сталей толщиной до 50 мм в полтора-два раза экономичнее по сравнению с газокислородной. Качество реза при воздушно-плазменной резке выше, почти полностью ликвидируется грат, уменьшаются деформации при резке тонколистовых материалов и полностью отпадает необходимость применения газов в баллонах. Воздушно-плазменную резку можно успешно применять для резки цветных сплавов, однако чистота поверхности реза получается несколько ниже, чем при резке водородосодержащих смесей. При толщине меди свыше 40- 50 мм, алюминия свыше 80-100 мм воздушноплазменная резка вследствие понижения скорости не может конкурировать с резкой в водородосодержащих смесях. Идеальной плазмообразующей средой, представляющей удачное и дешевое сочетание водорода с кислородом, является вода. Несмотря на продолжительные исследования, проведенные с целью определения целесообразности использования воды для резки, плазмотроны с водяной стабилизацией дуги в силу сложности и ненадежности в настоящее время еще не нашли широкого промышленного применения. Экономически наименее эффективным плазмообразующим газом является, дорогостоящий и малоэнтальпийный аргон. Однако благодаря низкому напряжению дуги он еще находит широкое применение при ручной разделительной резке цветных и легированных сталей малых и средних толщин, как самостоятельный газ или в смеси с техническим азотом.
 
Литература:

• Беркович Е. И. Полупроводниковые выпрямители М. «Энергия» 1967
• Быховский Д.Г. Газоэлектрическая резка металлов в скдостроении Л. «Судостроение» 1964
• Эсибян Э.М. Плазменно-дуговая аппаратура К. «Технiка» 1971

[Andrew]

Плазменная наплавка и напыление

Некоторые детали и узлы современных машин и аппаратов работают в таких условиях, при которых они должны быть одновременно механически прочными и стойкими при воздействии на них высоких температур, химически агрессивных сред и др. Выполнять такие изделия из одного материала почти невозможно и экономически нецелесообразно. Гораздо выгоднее и проще изготовить деталь, например, из конструкционной стали, удовлетворяющей требованиям механической прочности, и покрыть ее поверхность более дорогим жаропрочным, износостойким или кислотоупорным сплавом. Используя в качестве защитных покрытий различные по составу металлические и неметаллические материалы, можно прида вать деталям в целом требуемые механические, тепловые, диэлектрические и другие свойства. Наиболее универсальными и совершенными методами нанесения защитных покрытий являются наплавка и напыление плазменной дугой [1, 2]. Материал покрытия, специально приготовленный в виде мелкогранулированного порошка или проволоки; подается в поток плазменной струей и, нагреваясь или расплавляясь в этом потоке, переносится с ним на обраба тываемое изделие. Одновременно струя плазмы подогревает изделие.

Преимущества методов плазменного нанесения покрытий перед другими (гальваническим, вакуумным, кислородно-ацетиленовым и др.) заключаются в следующем:

• высокая температура плазменного потока позволяет расплавлять и наносить самые тугоплавкие материалы;
• поток плазмы дает возможность получать сплавы различных по свойствам материалов или наносить многослойные покрытия из различных сплавов. Это открывает широкую возможность получения покрытий, сочетающих разнообразные защитные свойства;
• возможности этого способа не ограничены формой и размерами обрабатываемого изделия;
• плазменная дуга — наиболее гибкий источник нагрева, позволяющий в широких пределах регулировать его энергетические характеристики.

Для плазменной наплавки наиболее широко применяется плазмотрон комбинированного действия (см. рис.). При горении независимой дуги такого плазмотрона между вольфрамовым электродом и соплом происходит расплавление присадочного металлического порошка, а при горении дуги между электродом и изделием поверхность последнего нагревается, и обеспечивается сплавление присадочного и основного металла. Использование комбинированной плазменной дуги позволяет получить минимальную глубину проплавления и долю основного металла в составе наплавленного, что является важнейшим технологическим преимуществом плазменной наплавки по сравнению с другими способами наплавки.



Схема установки для плазменной наплавки металлическим порошком
1 — источник питания дуги прямого действии; 2 — балластные сопротивления; 3 — источник питания дуги косвенного действия; 4 — осциллятор 5 — сопло для плазмообразующего газа; 6 — корпус горелки; 7 — отверстие для ввода защитного газа; 8 — питатель для подачи порошка; 9 — трубка, по которой подается газ, несущий порошок (открытой дугой, дугой под флюсом, индукционной и др.).

Защита наплавляемого слоя от воздействия окружающей среды обеспечивается потоком инертного газа, окружающим дугу и подаваемым в наружное сопло плазмотрона. Присадочный порошок подается также инертным транспортирующим газом из специального порошкового питателя.

С помощью плазменной наплавки металлическим порошком можно получить жаростойкие и наиболее износостойкие покрытия из сплавов на основе никеля и кобальта. Этот способ позволяет получить тонкий равномерный слой покрытия с гладкой беспористой поверхностью, часто не требующей дополнительной механической обработки. При плазменной наплавке токоведущей присадочной проволокой дуга горит между катодом плазмотрона и проволокой, являющейся анодом, равномерно подаваемой в пространство между соплом и изделием. При таком способе обеспечивается более высокая производительность процесса наплавки при малой глубине проплавления основного металла, однако возможности получения тонкого и равномерного слоя при таком способе наплавки ограничены. Кроме того, применение присадочного материала в виде порошка позволяет использовать для наплавки практически любые сплавы, что трудно осуществить при использовании проволоки в качестве присадочного материала. При плазменной наплавке в качестве плазмообразующего, защитного и транспортирующего газов обычно используется аргон. Расход газа и диапазон рабочих токов и напряжений при наплавке примерно тот же, что и при плазменной сварке. В отличие от наплавки процесс напыления характеризуется большей концентрацией теплового потока и высокой скоростью течения плазменной струи. Появление этого отличия связано с тем, что при плазменном напылении в качестве материалов покрытия применяются тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал и др.) или окислы металлов (Аl2О3, MgO, ZrO2), силициды (MoSi2), карбиды (В4С, SiC), бориды (ZnB2, HfB2), т. е. неметаллические материалы, обладающие весьма высокой температурой плавления. Эти материалы, приготовленные в виде мелкогранулированного порошка (размеры частиц 40-70 мкм), проходя через плазменную струю, успевают нагреться в основном лишь до пластического состояния. Однако благодаря высокой скорости плазменной струи частицы порошка приобретают значительную кинетическую энергию и при соударении с напыляемой поверхностью расплющиваются внедряясь в нее и заполняя неровности. Пр1 этом кинетическая энергия частиц выделяется в виде тепла, температура их повышается, что обеспечивает прочное сцепление частиц между собой и с поверхностью изделия. Для напыления используется плазменная дуга косвенного действия, горящая между охлаждаемыми водой вольфрамовым катодом и медным соплом (анодом) и выдуваемая через сопло в виде плазменного факела. Схема плазмотрона для напыления показана на рис. 10. На досопловом и внутрисопловом участках плазмотрона происходит плазмообразование. Порошок вместе с транспортирующим его газом подается в небольшое отверстие вблизи выхода из сопла, т. е. вдувается в наиболее высокотемпературную область плазменной струи. Нагрев порошка происходит на участке, который начинается от анодного пятна и заканчивается факелом плазмы. Эффективность нагрева частиц порошка определяется временем их пребывания в плазме, т. е. расстоянием от среза сопла до изделия и мощностью плазменной струи. Повыше ние мощности может быть достигнуто при использовании двухатомных газов с высоким теплосодержанием, например N2 и Н2. Благодаря высокой теплопроводности водорода увеличивается длина высокотемпературной части факела, что дает возможность повысить температуру порошка за счет некоторого удаления плазмотрона от обрабатываемого изделия. Однако скорость плазменной струи с удалением от среза сопла понижается. Поэтому следует выдерживать оптимальное расстояние от среза сопла до поверхности изделия, величина которого зависит от параметров режима напыления, от материала покрытия и изделия и изменяется от 4 до 20 мм. Мощность плазмотрона, используемого для напыления, можно повысить также при увеличении длины досоплового и внутрисоплового участков столба дуги, однако при чрезмерном увеличении внутрисоплового участка столба дуги затрудняется возбуждение дуги, обычно производимое с помощью высокочастотного пробоя. Увеличение длины канала сопла свыше определенного предела приводит к явлению шунтирования столба дуги и снижению к. п. д. плазмотрона. Обычно в плазмотронах для напыления диаметр сопла составляет 5- 6 мм, длина досоплового участка — 4-8 мм, а длина канала сопла — 10-18 мм. Повышение мощности плазмотрона за счет увеличения тока дуги ограничивается стойкостью сопла (анода). При эрозии сопла появляется не только опасность его разрушения, но и возможность загрязнения напыляемого материала, что может резко ухудшить качество покрытия. В плазмотронах для напыления вращение анодного пятна по внутренней стенке сопла создается либо с помощью вихревой системы ввода рабочего газа, либо с помощью магнитного поля, образуемого катушкой постоянного тока, надетой на сопло. При использовании водорода в качестве рабочего газа с целью уменьшения величины теплового потока, направленного от дуги к соплу, водород применяют в смеси с аргоном, обеспечивающим тепловую изоляцию сопла от столба дуги. Обычно в плазмотронах для напыления ток не превышает 400 а, напряжение при использовании азота и смеси водорода с аргоном в зависимости от их расхода изменяется в пределах 60-100 в. Таким образом, мощность не превышает 40 квт. При этом производительность процесса напыления в зависимости от материала покрытия составляет 2-3 кг/ч. Качество обработки поверхности при плазменном напылении определяется максимальной прочностью сцепления материала покрытия с изделием и минимальной пористостью покрытия. Высокое качество покрытия обеспечивается при соответствии физических свойств материалов, например в случае близости значений их коэффициентов теплового расширения. Повышение качества достигается при тщательной подготовке поверхности изделия перед процессом (обезжиривание, пескоструйная обработка, сушка и др.) и правильном выборе параметров режима напыления. Эти вопросы подробно рассмотрены в соответствующей литературе [2].

Литература

• Вайнерман А.Е. и др. Плазменная наплавка Л., «Машиностроение» 1969
• Усов Л.Н., Борисенко А.И. Применение плазмы для получения высокотемпературных покрытий М., «Наука», 1965

 

Плазменная плавка и переплав

Среди разнообразных схем, предлагаемых для обработки и получения металлов с помощью дуговой плазмы, наиболее перспективны те, в которых используются плазмотроны прямого действия (анодом является ванна расплавляемого металла). Почти неограниченные возможности повышения мощности и высокий к. п. д. плазмотронов прямого действия обусловили появление реальной возможности их широкого промышленного применения для плавки и переплава высококачественных металлов [1]. Принципиальная схема выплавки металла в плазменно-дуговой печи с огнеупорной футеровкой представлена на рис., а. По форме ванны и материалам, применяемым для футеровки подины и рабочего пространства, плазменно-дуговая печь не отличается от обычной дуговой электропечи.


Схемы плазменно-дуговых печей
а — для плавки металла, 1 — плазматрон; 2 — камера печи; 3 — соленоид для перемешивания жидкого металла; 4 — подовый электрод — анод;
б — для переплава металла; 1 — электрод; 2 — камера; 3 — сопло плазмотрона; 4 — кристаллизатор

Водоохлаждаемый медный анод смонтирован заподлицо с подиной и находятся в контакте с жидким металлом. Неплавящийся катод плазмотрона выполнен из толстого вольфрамового прутка, зажатого в медной токоведущей цанге. Медное водоохлаждаемое сопло плазмотрона одновременно служит для поджига дуги, ее формирования и защиты катода от брызг металла и шлака. Предварительно откачанная камера печи засполняется вытекающим из плазмотрона газом (аргоном, азотом, водородом) и после достижения определенного давления, обычно близкого к атмосферному, начинается процесс плавки. Вначале плазменная дуга проплавляет в шихте узкий колодец, и жидкий металл, стекая вниз, скапливается на подине, а затем расплавляется весь объем ванны. Дегазация и рафинирование металла особенно интенсивно протекают на поверхности ванны, где жидкий, несколько перегретый плазменной струей металл контактирует с нейтральной или восстановительной газовой атмосферой печи. Для перемешивания жидкого металла в подине печи установлены два соленоида, включенных последовательно в цепь питания плазмотрона. Магнитное поле, создаваемое этими соленоидами, взаимодействуя с магнитным полем тока, протекающего через ванну, приводит жидкий металл в движение. Для плавки используются плазмотроны постоянного тока в несколько тысяч ампер. Напряжение дуги в зависимости от состава, расхода газа и ее длины изменяется в пределах 30-150 В. Часто для повышения мощности печи для расплавления металла в одной ванне параллельно работают несколько плазмотронов. К. п. д. плазмотронов при наплавке достигает 85%. Расход электроэнергии на плавление почти такой же, как в обычных дуговых электропечах. В настоящее время исследуются печи, работающие на плазмотронах переменного тока. Плазменная плавка по сравнению с другими способами плавки имеет следующие преимущества: исключается загрязнение металла нежелательными примесями, например углеродом из графитированных электродов, применяемых в обычных дуговых печах; плазменная струя может состоять из любой необходимой смеси газов, что позволяет поддерживать в печи любую атмосферу — окислительную, восстановительную или нейтральную; в плазменно-дуговых печах можно достичь высоких и легко регулируемых температур, а стабильность процесса упрощает проблему его регулирования. Большие перспективы для получения особо чистых металлов открывает разработанный в Институте электросварки им. Е. О. Патона способ плазменно-дугового переплава (ПДП). Схема процесса ПДП дана на рис., б [2]. Стержень из перерабатываемого материала, так называемая штанга, форма сечения которого может быть любая, подается с постоянной скоростью и оплавляется факелом одной или нескольких плазменных дуг, анодом которых является поверхность ванны жидкого металла в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе. Стекающий со штанги равномерными каплями металл прогревается плазменной струей и растекается по поверхности ванны. В контакте с контролируемой газовой атмосферой камеры металл рафинируется и, затвердевая под воздействием холодных стенок кристаллизатора, вытягивается из него с определенной постоянной скоростью в виде непрерывного слитка круглого или прямоугольного сечения. Включая все преимущества процесса, описанного ранее, данный процесс обеспечивает более стабильное и высокое качество переплавляемого металла без перемешивания его. Благодаря возможности более точного ре гулирования температуры расплавляемого металла за счет изменения геометрических и электрических параметров плазменной дуги процесс ПДП является более гибким по сравнению с существующими процессами вакуумно-дугового или электрошлакового переплава. Так например, при ПДП можно в определенных пределах изменять температуру перегрева металла ванны независимо от скоростей плавления штанги и вытягивания слитка, что очень важно для управления процессами рафинирования металла (удалении газов, раскисления металла, удаления легкоплавких примесей цветных металлов). Кроме того, равномерный обогрев ванны позволяет получить плоскую конфигурацию дна ванны расплавленного металла, что обеспечивает получение высокого качества кристаллизуемого слитка, т. е. обеспечивает плотность, однородность, направленную кристаллизацию его вдоль вертикальной оси. С применением замкнутой системы рециркуляции и регенерации рабочего газа мощные установки плазменной плавки и переплава могут конкурировать с электропечами.

Литература

1. Фарнасов Г.А. и др. Плазменная плавка. М., «Наука», 1965
2. Патон Б.Е. и др. Плазменно-дуговой переплав металлов и сплавов. -«Автоматическая сварка» 1966 № 8

Изменено 21 января, 2015 пользователем Andrew

[Andrew]

Требования предъявляемые к плазматронам

 

При конструировании плазмотронов, предназначенных для различных видов обработки материалов следует учитывать ряд общих требований, предъявляемых к ним:

• Плазмотрон должен обеспечивать многократное надежное зажигание и стабильное горение плазменной дуги в заданном диапазоне рабочих токов и напряжений. Это требование удовлетворяется при определенных соотношениях между диаметром электрода, сопла, длиной последнего, и зазором между ними, а также при правильном конструктивном решении узла формирования и стабилизации дуги.
• Элементы, наиболее подверженные действию тепла (электрод, сопло), должны выдерживать длительную тепловую нагрузку при максимальной мощности плазмотрона. Это требование выполняется при правильном выборе материала теплонапряженных элементов и си-стемы их охлаждения.
• Электрическая изоляция между электродами и соплом должна быть рассчитана на максимальное напряжение, возникающее на дуговом промежутке при возбуждении дуги и ее обрыве. При возбуждении дуги с помощью осциллятора это напряжение составляет 2-5 кв в диапазоне частот 0,3-1 Мгц.
• Элементы водяных и газовых коммуникаций плазмотрона (шланги, уплотнения, прокладки и пр.) должны выдерживать давление не ниже 10 атм.
• Для обеспечения маневренности плазмотрона подсоединяемые к нему шланги и электрические провода должны быть гибкими и прочными.
• Плазмотрон должен быть технологичным в изготовлении, в ремонте и удобным в эксплуатации. Особо важно обеспечить легкость его разборки и сборки и возможность быстрой замены наиболее часто изнашиваемых деталей (катода и сопла).
• Конструкция плазмотрона должна быть экономичной, т. е. должна предусматривать возможность применения недифицитных материалов для его изготовления и обеспечивать минимальное потребление охлаждающей воды, рабочего газа и минимальные потери тепла.
• К плазмотронам предъявляется и ряд специальных требований, обусловленных особенностями технологического процесса.
• Плазмотроны для сварки и наплавки должны обеспечивать надежную защиту шва от вредного воздействия окружающей среды, плазмотроны для напыления — высокие скорость течения и теплосодержание плазменной струи при минимальной ее загрязненности продуктами эрозии электродов, плазмотроны для резки — высокую концентрацию теплового потока плазменной струи. Ручной плазменный резак должен быть легким и удобным в обращении.

Конструкция плавильных плазмотронов, предназначенных для работы в печи с высокой температурой атмосферы, должна обеспечивать выполнение следующих специальных требований:

• отсутствие любых водо-, электро- или газоподводящих шлангов в рабочем пространстве печи;
• водоохлаждение всех металлических частей;
• защита от излучения всех уплотнений и неметаллических деталей водоохлаждаемыми или термоизоляционными экранами;
• возможность ввода плазмотрона в печную камеру через уплотнение.

При этом желательно обеспечить возможность его поступательного перемещения в камере в процессе работы.

 

В ряде случаев выдвигаются особые требования к системе управления плазмотроном, к способу его охлаждения, к защите от воздействия окружающей среды, к повышенной надежности его в условиях работы на поточной линии и др.

 

Плазматроны: схемы, классификация

 

При создании плазмотрона первым шагом является составление схемы его устройства. Исходя из особенностей технологического процесса и условий работы плазмотрона выбираем систему его охлаждения, род тока, плазмообразующую среду, вид и материал электрода, способ стабилизации дуги, перемещения ее электродных пятен и т. д. Различные варианты схем плазмотронов удобнее всего представить в виде классификации (рис.). Данная классификация составлена таким образом, что один из вариантов каждого подраздела является необходимым составным элементом общей схемы плазмотрона любого типа.

 

В первую очередь все плазмотроны разделяются на две группы по виду дуги (см. рис.): плазмотроны с дугой прямого и косвенного действия (схемы 1 и 2). Различие тепловых свойств обоих типов плазмотронов и области их применения уже рассматривались выше.

 

рис. 1 Классификация плазмотронов по критериям

 

 

По системе охлаждения электрода и сопла плазмотроны также делятся на два основных типа: с воздушным и с водяным охлаждением (схемы 3, 4). Теплоемкость воды намного выше теплоемкости воздуха и других газов. Поэтому наиболее эффективной и распространенной является водяная система охлаждения, при которой допускаются высокие тепловые нагрузки на электрод и сопло, т. е. обеспечивается нормальная работа плазмотрона при больших токах и высокой степени обжатия плазменной дуги. Однако водяное охлаждение несколько усложняет конструкцию плазмотрона, утяжеляет его из-за наличия водоподводящих шлангов и удорожает эксплуатацию плазменной установки. Чистота воды существенно влияет на эффективность теплоотвода. При больших расходах воды плазменную установку целесообразно оснащать циркуляционной системой охлаждения с использованием дистиллированной воды во избежание образования накипи. Система воздушного охлаждения ввиду низкой эффективности применяется реже, главным образом для охлаждения малоамперных плазменных горелок и ручных плазменных резаков, предназначенных для монтажных работ в зимних условиях. В таких резаках рабочий ток обычно не превышает 300-400 а. В обеих системах охлаждающая среда чаще всего проходит последовательно электродный и сопловой узел через изолирующий корпус плазмотрона. При этом существенную роль с точки зрения эффективности охлаждения играет профиль полостей охлаждения, температура и давление поступающей в плазмотрон охлаждающей среды. Основная задача при выборе системы охлаждения состоит в том, чтобы обеспечить максимальную интенсивность отвода тепла стенками сопла, так как чем выше величина теплового потока, отводимого соплом, тем круче температурный градиент газовой прослойки между столбом дуги и стенками канала сопла и, следовательно, тем выше плотность тока и мощность столба дуги.

 

рис. 2 Классификация плазмотронов по методам стабилизации дуги

 

 

Плазмотроны можно классифицировать и по способу стабилизации дуги. Система стабилизации дуги, обеспечивающая сжатие столба и строгую фиксацию его по оси электрода и сопла плазмотрона, является наиболее важным элементом плазмотрона. Существуют три вида стабилизации дуги: газовая, водяная и магнитная. Наиболее простой и распространенной является газовая стабилизация, при которой наружный холодный слой рабочего плазмообразующего газа, омывая стенки столба дуги, охлаждает и сжимает его. При этом в зависимости от способа подачи газа (вдоль или перпендикулярно оси столба) газовая стабилизация может быть аксиальной или вихревой (схемы 5, 6). Наибольшее обжатие дуги достигается при вихревой ее стабилизации, поэтому этот способ используется главным образом в плазмотронах для резки и напыления. При аксиальной стабилизации поток газа, обдувающего столб дуги, имеет более спокойный, ламинарный характер, что обеспечивает лучшие условия защиты нагреваемого изделия от воздействия окружающей среды. Поэтому аксиальная стабилизация применяется в плазмотронах для сварки и наплавки. Иногда применяют двойную стабилизацию дуги (схема 7), при которой сочетается аксиальная подача газа через первичное и вихревая подача через вторичное сопло или наоборот. Столб дуги можно стабилизировать, омывая его водяной струей (схема 8). Образуемый из струи водяной пар служит плазмообразующей средой. При водяной стабилизации можно достигнуть наиболее высокой степени сжатия и температуры столба дуги до 50 000 °К. Однако присутствие паров воды вблизи катодной области приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов. В плазмотронах с водяной стабилизацией, предназначенных для резки, используется графитовый электрод, автоматически перемещаемый по мере его сгорания. Плазмотроны с водяной стабилизацией отличаются сложностью конструкции, малой надежностью системы автоматического регулирования подачи электрода и сложностью способов возбуждения дуги. Магнитная стабилизация (схема 9), при которой создается продольное магнитное поле, сжимающее столб дуги, менее эффективно, чем газовая и водяная. Кроме того, надетый на сопло соленоид усложняет конструкцию плазмотрона. Преимущество способа магнитной стабилизации состоит в возможности регулирования степени сжатия столба дуги независимо от расхода рабочего газа, в то время как при газовой и водяной стабилизации рабочий газ является одновременно плазмообразующим и стабилизирующим. На практике наложение продольного магнитного поля применяется не столько для стабилизации дуги, сколько для вращения ее анодного пятна по внутренним стенкам сопла с целью повышения стойкости последнего. Например, в плазмотронах, применяемых для напыления, магнитное вращение анодного пятна газовихревым способом позволяет значительно снизить эрозию сопла и, следовательно, загрязненность плазменной струи.

 

 

Классификация плазмотронов по виду электрода

 

 

По виду электрода-катода плазмотроны постоянного тока можно разделить на две группы: плазмотроны со стержневым и плазмотроны с распределенным катодом.В плазмотронах со стержневым катодом, катодное пятно фиксируется на торце электрода, а в плазмотронах с распределенным катодом — интенсивно перемещается с помощью газовихревого или магнитного вращения по развитой поверхности электрода.

 

В плазмотронах для обработки металлов применяются в основном стержневые катоды, подразделяемые на три основных вида: расходуемый, газозащищенный и пленкозащитный (схемы 1, 2, 3).

 

Расходуемый, чаще всего графитовый, электрод был показан в схеме плазмотрона с водяной стабилизацией. Несмотря на то, что графит обладает высокой температурой плавления, при нагревании до этой температуры он не плавится, а возгоняется, чем и обусловлен его повышенный расход.

 

Газозащищенный вольфрамовый электрод — самый распространенный из всех видов электродов. При работе в инертной (аргон, гелий) и восстановительной (азот, водород) средах катод из тугоплавкого вольфрамового стержня при нагрузке 15-20 а/мм2 практически не расходуется. Вольфрамовый катод по сравнению с графитовым значительно прочнее и обладает во много раз большей электропроводностью.

 

Для улучшения условий работы катоды дуговых плазмотронов изготовляют из вольфрама с небольшой добавкой окиси тория или лантана (1,5-2%). Существует мнение, что торированные вольфрамовые электроды обладают некоторой радиационной способностью, поэтому в последнее время чаще используются лантанированные вольфрамовые электроды. Примеси окиси тория или лантана повышают эмиссионные свойства вольфрамового катода (работа выхода электронов понижается с 4,5 до 2,63 эв), что обеспечивает лучшие условия зажигания, более высокую допустимую плотность тока и устойчивость горения дуги. Кроме того, вольфрам с указанными добавками имеет температуру рекристаллизации на 600° К выше, чем чистый вольфрам и, следовательно, сохраняет волокнистое строение и пластичность до более высокой температуры. Однако стойкость вольфрамового электрода при добавлении кислорода к газовой среде в связи с образованием летучих соединений резко снижается. Например, в плазмотронах, применяемых для резки, при использовании технического азота, содержащего 3-5% О2, на вольфрамовом катоде через 2-3 ч работы при токе 300-400 а образуется кратер, смещение центра которого относительно оси сопла вызывает соответствующее смещение столба дуги и приводит к явлению двойного дугообразования. Поэтому при работе с кислородосодержащей плазмообразующей средой в первичное сопло подается аргон, защищающий вольфрамовый электрод от воздействия рабочего кислородосодержащего газа, подаваемого во вторичное сопло. Система с двойным газовым потоком имеет существенные недостатки. При использовании дешевого рабочего газа, например воздуха, все же остается необходимость в использовании дефицитного аргона. При этом усложняется конструкция плазмотрона и ухудшается нагрев рабочего газа, так как наиболее эффективно газ нагревается вблизи катодной области. Сравнительно недавно появился новый вид катода — пленкозащитный стержневой катод, обладающий высокой стойкостью в газах, содержащих кислород (в воздухе, углекислом газе, техническом азоте). Он представляет собой стержень из циркония или его сплавов, запрессованный в медной обойме. Механизм работы такого электрода должен быть еще детально изучен, но можно уже считать установленным, что достаточно высокая термостойкость циркония, имеющего относительно низкую температуру плавления (2125° К), в значительной мере обусловлена образованием стойкой тугоплавкой пленки из его окислов и нитридов, защищающей чистый цирконий от испарения. Тугоплавкие соединения, образующие пленку, при обычных температурах являются диэлектриками, а при температурах, близких к температуре плавления (3200° К), теряют свои диэлектрические свойства и становятся проводниками с ионной проводимостью (σ >= 1 ом-1*см-1). Таким образом, стойкость циркониевого катода определяется его термохимическим взаимодействием с плазмообразующей средой. Не-обходимыми условиями, обеспечивающими высокую стойкость катода, является наличие в составе газовой среды кислорода и азота, а также такая интенсивность его охлаждения, при которой температура катодного пятна не превышала бы температуру разложения туго-плавких соединений. Эрозия циркониевого катода резко повышается при большем процентном содержании кислорода, чем в воздухе (более 20%) и особенно при наличии в газовой среде водорода. Особо важное значение с точки зрения повышения стойкости циркониевого катода имеет его конструкция и система охлаждения. В настоящее время в плазмотронах для воздушно-плазменной резки достигнута вполне удовлетворительная стойкость циркониевого катода при работе на токах до 400 а. Применение пленкозащитного электрода в плазмотронах переменного тока исключается ввиду его активного разрушения в полупериоды обратной полярности. Особенностью работы циркониевой вставки является постепенное углубление ее нижнего основания в медную обойму по мере эрозии. Циркониевая вставка расходуется главным образом при включении дуги, очевидно, вследствие разрушения пленки от термоудара. При определенном углублении нижней поверхности вставки последующее зажигание дуги осуществляется с медной обоймы, поэтому для перемещения катодного пятна на циркониевую вставку и для жесткой фиксации его необходимо применять газовихревую или магнитную стабилизацию дуги, обеспечивающую строгую соосность столба дуги с электродом и соплом плазмотрона. При использовании циркониевого электрода допускается большая плотность тока, достигающая 80-100 а/мм2, чем при использовании вольфрамового электрода. При работе плазмотрона с окислительной плазмообразующей средой на больших токах (1000 а и выше) используются разнообразные виды распределенных катодов, наиболее распространенными из которых являются полый, дисковый и кольцевой (схемы 4, 5 и 6). Недостатками распределенных катодов являются сложность их конструкции, трудность равномерного перемещения катодного пятна по всей поверхности электрода, низкая стабильность горения дуги, возрастание напряжения прикатодной области дуги и связанное с этим увеличение потерь мощности в электроде. Поэтому в плазмотронах для обработки металлов распределенные катоды не нашли практического применения. Существует классификация плазмотронов и по плазмообразующей среде. Состав плазмообразующей среды диктуется технологическим процессом и в свою очередь является определяющим фактором при выборе схемы плазмотрона.

 

По химическому воздействию на обрабатываемое изделие и электроды плазмотрона все плазмообразующие среды можно разделить на три большие группы: инертная, восстановительная и окислительная. Физические свойства и оценка роли каждого из плазмообразующих газов уже рассматривались выше.

 

Классификация плазмотронов по роду тока

 

 

По роду тока плазмотроны отличаются наибольшим разнообразием вариантов. Поэтому рассмотрим лишь основные из них. Подавляющее большинство плазмотронов для обработки металлов выполняется на постоянном токе прямой полярности (схема 1). Это объясняется, прежде всего, физической особенностью дуги, заключающейся в том, что на аноде дуги выделяется большее количество тепла, чем на катоде. Тепловая мощность, выделяемая в электроде плазмотрона, в отличие от плавящегося электрода сварочной дуги является не только бесполезной, но и вредной. Наименьшую тепловую нагрузку несет электрод, являющийся катодом. Достаточно отметить, что предельно допустимая токовая нагрузка на лантанированный вольфрамовый электрод на переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности при использовании постоянного тока в десять раз ниже, чем на прямой полярности. Поэтому плазмотроны постоянного тока имеют наиболее высокий коэффициент полезного использования мощности. Столб интенсивно сжатой дуги должен быть жестко стабилизирован по оси электрода и сопла плазмотрона. При смене полярности электрода эта стабилизация нарушается, поэтому дугу переменного тока сжать труднее, чем дугу постоянного тока.

 

Важным преимуществом плазмотронов постоянного тока по сравнению с плазмотронами переменного тока является большая стабильность горения дуги. Прохождение тока через нуль может вызвать погасание дуги, поэтому обычно напряжение холостого хода источника питания переменным током не менее чем вдвое превышает рабочее напряжение дуги. При питании плазмотронов постоянным током можно достичь отношения uд/uxx равного 0,8-0,9. Следовательно, при одинаковой мощности дуги установленная мощность и габариты источника постоянного тока меньше, чем мощность и габариты источника переменного тока. Кроме того, источник постоянного тока обеспечивает равномерную загрузку трехфазной сети. Существовавшая раньше проблема выпрямления постоянного тока в настоящее время практически решена благодаря созданию и широкому выпуску электропромышленностью мощных малогабаритных полупроводниковых вентилей. Первоначальные затраты и расходы на эксплуатацию плазменных установок переменного и постоянного тока приблизительно равны. Поэтому с учетом перечисленных выше преимуществ для большинства процессов обработки материалов целесообразно применять плазмотроны постоянного тока. Плазмотроны переменного тока применяются в ряде случаев в силу технологических требований процесса. Например, плазменную сварку алюминиевых сплавов необходимо вести на переменном токе, так как в периоды обратной полярности за счет действия эффекта катодного распыления разрушается тугоплавкая пленка окиси алюминия, препятствующая нормальному процессу сплавления металла.

 

При плазменной плавке в случае параллельной работы нескольких мощных плазмотронов постоянного тока на общую ванну-анод возникает трудноустранимое магнитное взаимодействие между дугами. Поэтому в этих условиях могут быть использованы плазмотроны переменного тока. В этом случае целесообразно использовать плазмотроны в количестве, кратном трем, что обеспечивает равномерную загрузку трехфазной сети. Рассмотрим три основные схемы плазмотронов переменного тока. На схемах 2 и 3 плазмотроны питаются от однофазного трансформатора. В схеме 3 осуществлена вентильная коммутация тока таким образом, что электрод функционирует только как катод (в полупериод прямой полярности), а сопло — как анод (в полупериод обратной полярности). При такой схеме обеспечивается большая стойкость вольфрамового электрода. Однако с увеличением тока ухудшаются условия работы сопла, а при работе на токах ниже определенного предела (~150 а) нарушается стабильность горения дуги. На схеме 4 плазмотрон питается от трехфазного трансформатора. В этом случае обеспечивается высокая стабильность горения дуги, однако электроды и сопло находятся в сравнительно тяжелых условиях работы. Кроме того, значительно усложняется конструкция плазмотрона. В целях повышения стабильности горения дуги переменного тока некоторые плазмотроны выполняют комбинированными. В этом случае основную дугу переменного тока прямого действия стабилизируют вспомогательной маломощной дугой постоянного тока, горящей либо между электродом и соплом (схема 5), либо между двумя соплами (схема 6), одно из которых (катод) является формирующим. Второе сопло (анод) выполняется с большим внутренним диаметром. Благодаря этому оно подвержено меньшему тепловому воздействию столба основной дуги.

 

Наряду с дуговыми плазмотронами, работающими на переменном токе промышленной частоты, за последнее время были разработаны высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) плазмотроны [7, 8]. Принцип работы высокочастотного индуктивного или безэлектродного плазмотрона (схема 7) заключается в нагреве газа до состояния плазмы в электромагнитном поле индуктора. Для этого в полость индуктора, питаемого от высокочастотного генератора (частотой 1-40 Мгц, напряжением до 10 кв и мощностью до 50 кВт), помещается трубка из термостойкого изолирующего материала, например, кварца. В трубку подается плазмообразующий газ и кратковременно вводится металлический или графитовый пруток. Последний раскаляется под действием поля индуктора и вызывает нагрев и первоначальную ио-низацию окружающего газа. Когда электропроводность газа возрастает до определенной величины, начинается интенсивный его нагрев и ионизация вихревыми токами, создаваемыми полем индуктора. После развития самостоятельного кольцевого разряда пруток удаляется из полости трубки. Продуваемый через трубку газ, проходя через кольцевой разряд, нагревается и истекает в виде плазменной струи, температура которой достигает 15 000-20 000° К, а скорость истечения в десятки раз меньше, чем скорость истечения плазменной струи дуговых плазмотронов. Высокочастотная энергия сравнительно дорога, высокочастотные генераторы сложны и имеют ограниченную мощность. Поэтому очень чистый (ввиду отсутствия электродов) и мягкий факел индукционного плазмотрона нашел применение для обработки особо чистых тугоплавких порошковых материалов, выращивания монокристаллов и других специальных процессов, не требующих высокой производительности.

 

В сверхвысокочастотных (СВЧ), или электронных плазмотронах, газ также нагревается электромагнитным полем, создаваемым электродом-излучателем (схема 8). Плазменный высокочастотный факел возникает у электрода при остроконечной форме электрода и высокой напряженности поля вблизи него. В высоковольтном и сверхвысокочастотном электрическом поле свободные электроны ускоряются и приобретают такую кинетическую энергию, что при столкновении с частицами газа вызывают их диссоциацию и ионизацию. Электрод плазмотрона подключен к магнетронному генератору частотой 2000-3000 Мгц и мощностью 2-5 кет. Плазменный факел электронного плазмотрона интересен тем, что в нем нет термического равновесия: температура электронов на порядок выше температуры ионов и свободных атомов. Например, при температуре факела 3500° К электронная температура достигает 35 000° К. Такая высокая температура электронов позволяет проводить в плазменной струе химические реакции синтеза некоторых специальных материалов.

[Andrew]

Конструкции основных узлов плазмотрронов



Основными узлами рассматриваемых плазмотронов являются катодный, сопловой и узел завихрения рабочего газа. Последний обеспечивает наилучшие условия формирования столба дуги из всех прочих схем стабилизации дуги, представленных в предыдущем параграфе, поэтому он рассмотрен более подробно. Стержневые нерасходуемые электроды-катоды выполняются в виде медного охлаждаемого несущего корпуса с катодной вставкой из вольфрама, циркония или других тугоплавких металлов и сплавов на их основе. Наиболее распространенный вариант выполнения катода — крепление вольфрамового прутка в разрезном цанговом зажиме. Цанга изготовляется из пружинящего электропррводного материала (из латуни, бронзы БрАЖ), так как она является токоведущей деталью и должна обеспечивать надежный контакт с катодом и теплоотвод от него. Существует два типа цанг: одни обжимают электрод, вдавливаемый в их отверстие, несколько меньшее, чем его диаметр, в других — электрод вставляется свободно, а цанга обжимается снаружи путем втягивания ее в головку корпуса плазмотрона с помощью резьбового соединения. Второй тип цанги является более рациональным, так как при этом обеспечивается лучшая центровка электрода и более плотное его обжатие за счет усилия в резьбовом соединении. При этом лучше решается задача герметизации головки плазмотрона. При цан говом зажиме обеспечивается возможность перемещения электрода по мере его эрозии, легкая замена его. Поэтому этот сравнительно простой вариант конструкции электродного узла широко применяется в ручных плазменных резаках, а также в плазменных горелках для ручной и механизированной сварки, работающих на малых и средних токах. При увеличении токовой нагрузки на катод не обеспечивается достаточный теплоотвод через вольфрамовый пруток в месте контакта его с цангой. При токе дуги выше 300 а конструкция цанговых катодов усложняется, а надежность их в процессе эксплуатации снижается. Кроме того, цанговый зажим совершенно не приемлем для циркониевых электродов, которые требуют более интенсивного отвода тепла непосредственно от места расположения катодного пятна. Большую токовую нагрузку при существенно меньшей эрозии обеспечивают катоды, вставка которых механически прочно и неподвижно соединена с медной водоохлаждаемой обоймой. При этом вольфрамовая вставка впаивается на серебряном припое или сваривается методом диффузионной сварки в вакууме, а циркониевая, как более пластичная, запрессовывается в медную обойму. Во всех последующих вариантах медный несущий корпус выполняется в виде полого цилиндра со вставленной внутрь трубкой, через которую подается охлаждающая вода, омывающая внутреннюю полость корпуса. По схеме 2 (рис., а) катодная вставка укрепляется в цельном корпусе, по схемам 3 и 4 — в сменных медных наконечниках, соединяемых с корпусом соответственно конусной посадкой или резьбой. Наилучшей является схема 5 (рис. а). Сменный наконечник в этом случае выполнен с наименьшим расходом материала, легко штампуется, крепится к корпусу с помощью накидной гайки. Все резьбовые соединения наконечников с корпусом электрода необходимо уплотнять резиновыми кольцами. Такие соединения надежнее, чем соединения на плотной конической посадке. При выполнении сквозной катодной вставки (схема 5, рис. а) обеспечивается лучший теплоотвод от катода. Такая схема применяется при изготовлении электродов с циркониевым катодом, а схема 2 (рис. а) с некоторым вылетом вставки применяется при изготовлении электродов с вольфрамовым катодом. Пути дальнейшего совершенствования конструкций стержневых катодов и поисков новых материалов катодов еще далеко не исчерпаны. В этом направлении продолжаются тщательные исследования. Формирующие сопла являются наиболее теплонапряженными элементами плазмотронов и поэтому требуют тщательного конструктивного выполнения. Как показал длительный опыт эксплуатации плазмотронов, наилучшим материалом для изготовления сопел является медь высокой чистоты (марки Ml, МО), обладающая высокой теплопроводностью. Армирование стенок сопла теплостойкими, обычно менее теплопроводными материалами приводит к уменьшению срока его службы. Сопла малоампер ных и ручных плазменных горелок могут быть выполнены с естественным или газовым (воздушным) охлаждением (схема 1, 2, рис. б). В большинстве случаев применяется водяное охлаждение сопел, при этом участок сопла, непосредственно контактирующий с плазменным столбом, выполняется сменным. На схемах 3, 4 и 5 (рис. б) представлены наиболее типичные виды крепления сопла с крышкой (резьбовое крепление, уплотнение с помощью резиновых прокладок, штуцерное). Наилучшим является штуцерное соединение сменного сопла, выполненного в форме «рюмочки», закрепленного и уплотненного без резиновых прокладок с помощью крышки из нержавеющей стали. Сопло и крышку изготовляют штамповкой. При такой конструкции обеспечиваются наилучшие условия теплоотвода от сопла. Узел завихрения рабочего газа определяет качество стабилизации столба плазменной дуги. Конструктивные варианты узлов завихрения можно разделить на четыре основных группы, в каждой из которых функции завихрителя может выполнять корпус Плазмотрона, керамическая шайба, помещенная у входа в сопло, само сопло или электрод плазмотрона. На схемах 1 и 2 (рис. в) рабочий газ поступает в камеру через одно или через несколько тангенциальных отверстий, просверленных в корпусе плазмотрона. Несколько отверстий обеспечивают большую равномерность распределения газа по окружности, но при этом усложняется система подачи газа в плазмотрон.



На схеме 5, рис. В шайба-завихритель обеспечивает неплохое качество формирования столба, но она подвержена разрушению в результате теплового воздействия столба дуги и требует большой точности при сборке плазмотрона. В сопло-завихритель газ подается через тангенциально-аксиальные каналы, профрезерованные на его внутренней поверхности. Особенно интересен двухсопловой вариант формирующей системы (схема 4, рис. б) с двойным завихряющим газовым потоком. При этом можно резко сократить длину канала сопла, заменив большую часть его кольцами стабилизированого газа, вращающимися вокруг столба дуги. Недостаток такого вида сопла-завихрителя заключается в сложности его конструкции и, следовательно, в трудности его изготовления. Сопло, как наиболее часто изнашиваемая сменная деталь плазмотрона, должно быть простым в изготовлении. Наиболее удачно функции завихрителя выполняет электрод, на наружной поверхности которого выполнена винтовая нарезка (схема 5, рис. в). При плотной посадке такого электрода в корпусе плазмотрона рабочий газ поступает в камеру по пазам, образованным винтовой нарезкой. При этом без существенного усложнения конструкции корпуса электрода обеспечивается высокое качество газовихревой стабилизации. Чтобы конструктивный анализ основных узлов плазмотрона был полным, рассмотрим некоторые особенности сочленения этих узлов между собой. Жесткая механическая связь электродного и соплового узла осуществляется с помощью изолятора. При выборе материала и конструкции изолятора следует учитывать, что он должен выдерживать высокое напряжение осциллятора, сохраняя механическую прочность и плотность при повышенной температуре и влажности, кроме того, он должен хорошо поддаваться точной механической обработке. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет эпоксидная смола, обладающая высокими изолирующими свойствами (напряжение пробоя для нее составляет 20-30 кв/мм) и хорошим сцеплением с металлом, сохраняющая свои свойства при повышенных температурах (до 500° К), стойкая по отношению к влаге и различным агрессивным парам и газам. Изолятор может быть изготовлен из термостойкого стеклопластика типа АГ-4С, несколько уступающего по свойствам эпоксидной смоле. Основным недостатком этого материала является отсутствие адгезии с металлическими частями плазмотрона. Изоляторы из перечисленных материалов изготовляют с помощью литья или прессования. При этом требуется специальная технологическая оснастка, поэтому применение этих материалов оправдывается только при серийном изготовлении плазмотронов. При изготовлении единичных плазмотронов целесообразнее выточить изолятор из эбонита или фторопласта. Однако эти материалы уступают указанным выше по своим диэлектрическим и прочностным свойствам.

Одним из условий стабильного горения дуги является точная центровка электрода и сопла при сборке плазмотрона. Отклонение в несколько десятых долей миллиметра может привести к образованию двойной дуги. Высокая точность центровки электрода и сопла может быть достигнута лишь при жесткой фиксации их взаимного расположения. Поэтому не рекомендуется проектировать плазмотроны с подвижными электродами, например, с целью возбуждения дуги путем замыкания электрода на сопло. Обычно в плазмотронах для механизированной обработки для возбуждения дуги применяется осциллятор, обеспечивающий возбуждение дуги при зазоре между электродом и соплом не более 4-5 мм. В ручных плазменных горелках можно применять графитовый стержень, который кратковременно вводится в отверстие сопла и, замыкая промежуток электрод — сопло, возбуждает дежурную дугу. Однако такой способ возбуждения приводит к повышенному износу электрода и сопла. Важным условием стабильного горения дуги в плазмотронах прямого действия является выполнение определенных размерных соотношений между диаметром катода dK, диаметром сопла dc и длиной канала сопла lс. На опыте эксплуатации плазмотронов установлено, что возможность двойного дугообразования исключается при двух условиях: dc ^ dK и lс ^ dc. Величина диаметра катода, как уже отмечалось, определяется током дуги. В плазмотронах косвенного действия, в которых исключено явление двойного дугообразования, длина канала сопла может превышать его диаметр в полтора-два раза и более. Чрезмерное превышение длины ограничивается явлением шунтирования дуги. Приведенные размерные соотношения являются исходными при проектировании плазмотронов. При выборе прочих размеров плазмотрона следует в первую очередь исходить из его назначения. Например, вес и размеры плазмотрона, предназначенного для механизированного процесса, не столь ограничены по сравнению с весом и размерами ручных плазменных горелок.

[selco]

Прошу извинения за минус в первом сообщении, случайно и не преднамеренно произошло.