В качестве источника теплоты при некоторых видах обработки материалов используют плазменную струю — поток ионизированных частиц, обладающих большим запасом энергии. Плазменная струя представляет собой высокоинтенсивный источник теплоты, максимальная температура которого может достигать 20 000 К и более.
Плазменную струю используют для наплавки и нанесения покрытий, в том числе и тугоплавких металлов на изделия путем расплавления присадочной проволоки или металлических порошков. С помощью плазменной струи производят резку и поверхностную обработку различных материалов, нагрев под пайку и термообработку. Плазменная струя может найти применение и для сварки тонколистовых тугоплавких металлов. В струе плазмы можно расплавить различные материалы: сталь, асбоцемент, кристаллокорунд 2050° С (2323 К), карбокорунд 2200° С (2473 К) и др.
Для создания ионизированного потока используют Дуговой разряд значительной длины, возбуждаемый между Двумя электродами. Дуга горит в замкнутом цилиндрическом канале, стенки которого интенсивно охлаждаются, через канал под давлением подается инертный газ. Охлаждение наружной поверхности столба дуги вызывает его концентрацию (отшнуровывание), вследствие чего температура столба дуги резко повышается, достигая 10 000— 20 ООО К, а газ, проходящий через межэлектродное пространство, имеющий высокую степень ионизации и относительно высокий запас энергии, используют для нагрева изделий в процессе сварки.
Имеется несколько схем устройств для получения плазменной струи: раздельное сопло и канал, плазменная струя выделена из столба дуги (рис.100, а); совмещенное сопло и канал, плазменная струя выделена из столба Дуги (рис. 100, б); сопло и канал совмещены со струей, совпадающей со столбом дуги (рис. 100, в).
Рис.100. Схемы устройств для создания плазменной струи
Плазменная струя создается дуговым разрядом 4, возбуждаемым между электродом 1 и электродом 5 с отверстием, выполняющим роль сопла. Дуговой разряд происходит в канале 2, электрически изолированном от сопла и электрода. Через канал вдоль столба дуги пропускается газ, который, проходя по направлению от электрода к соплу через плазму дуги, ионизируется и выходит из сопла в виде ярко светящейся струи 6, Устройство для создания плазмы охлаждается водой 3. Мало ионизированная сравнительно холодная струйная оболочка газа, соприкасающаяся со стенками сопла и канала, изолирует последние от теплового воздействия разряда. Опусканием электрода в канал регулируют напряжение дуги и мощность плазменной струи.
При создании плазменной струи по схеме с совмещенными каналом и соплом (рис. 100, б) электрически активное пятно дуги в зависимости от состава и расхода газа, длины канала и других факторов располагается или на боковой поверхности канала, или на торце его. В этом случае длина дуги не является независимым параметром регулирования эффективной мощности плазменной струи.
В обоих случаях плазменную струю, выделенную из токоведущего столба дуги, используют как независимый источник теплоты.
При обработке плазменной струей электропроводных металлов для увеличения эффективной тепловой мощности, вводимой в изделие, последнее можно подключать к источнику питания (рис. 100, в). В этом случае плазменная струя полностью совпадает с токоведущим столбом разряда, частично проходя через изолированный канал 2.
Для промышленного использования выпускают несколько типов плазменных горелок, предназначенных для резки, напыления и т. п.
На рис. 101 показан разрез плазменной головки для ручной резки. Головка имеет охлаждаемое водой сопло, совмещенное с каналом 2, электродержатель 1 и корпус 3. Головка снабжена сменными медными каналами и соплами с различными размерами выходных отверстий. К головке по трубке 4 подводится газ, а по трубкам 5 — охлаждающая вода. Держатель позволяет перемещать вольфрамовый электрод и может устанавливать его на необходимом расстоянии относительно сопла. Дуговой разряд в плазменных головках обычно возбуждается от осцилляторов.
Электрическая схема головки (рис. 102) состоит из источников питания постоянного тока Е, балластного реостата R6, осциллятора Ос, контактора К, промежуточного реле РП, кнопок 3 и Г, а также вольтметра V и амперметра А. В качестве источника питания используют сварочные генераторы или выпрямители. При работе с чистым аргоном напряжение холостого хода источника тока не должно быть ниже 60—65 В. При использовании водорода, азота или гелия требуется еще более высокое напряжение холостого хода.
Система охлаждения головок подключается к водопроводной сети гибкими шлангами, в которых для подвода тока к электроду и соплу проложены голые гибкие медные провода сечением 4 мм2. Расход газа регулируют вентилями В1 и В2 и контролируют ротаметром или манометром.
Рис. 101. Плазменная головка
Рис.102. Схема подключения плазменной головки
Плазменная струя имеет ярко светящееся ядро с основанием, несколько меньшим размера выходного отверстия сопла, ядро окружено менее светящимся факелом. Длина ядра может изменяться от 2—3 до 40—50 мм в зависимости от размеров сопла и канала, состава и расхода газа, величины тока и длины дуги. Формой сопла можно задавать очертание струи и тем самым нужное распределение тепловой и механической нагрузки по поверхности нагреваемого тела.
Температура плазменной струи, выделенной из токоведущего столба дуги, а также совпадающей со столбом дуги при использовании в качестве защитного газа аргона, достигает 10 000—15 000 К и выше и обусловлена в основном высокой плотностью энергии в столбе разряда в результате его обжатия газовым потоком в узком канале плазменной головки.
Основная характеристика плазменной струи как источника теплоты — эффективная тепловая мощность:
где ηи — эффективный к. п. д. плазменного нагрева изделия; U и I — напряжение и ток дуги.
Часть энергии дуги расходуется на нагрев сопла (ηс), канала (ηк) и электрода (ηэ), а также теряется в результате лучеиспускания и конвекции. Эффективную тепловую мощность плазменной струи можно регулировать изменением тока и напряжения дуги, расхода и состава газа, диаметра канала и сопла, расстояния между соплом и нагреваемым изделием (рис. 103).
При среднем расходе газа для плазменной струи, выделенной из столба дуги, ηи = 30÷50%. Коэффициент ηh заметно снижается при малых расходах газа и незначительно — при больших его расходах. Доля энергии, расходуемой на нагрев сопла и канала, составляет при больших расходах газа 25—30% для головки с выделенной струей и 5—6% для головки со струей, совпадающей со столбом дуги. При малых расходах газа эта доля возрастает соответственно до 60—70 и 30—40%.
Градиент потенциала в канале плазменной головки в 2—3 раза больше градиента потенциала в столбе свободно горящей дуги. Состав газа существенно влияет на эффективную мощность. При смеси из 86% гелия и 14% аргона мощность q почти в 2 раза больше, чем при использовании чистого аргона (при этом ηв изменяется незначительно). Увеличение q можно объяснить высоким потенциалом ионизации гелия. Материал стержневого электрода, так же как и его диаметр, не оказывает значительного влияния на q и ηи.
Наиболее широкое применение плазменная струя нашла для резки металлов.
Рис. 103. Влияние силы тока дуги I на эффективную тепловую мощность q плазменной струи, выделенной из столба дуги, эффективный к. п. д. плазменного нагрева изделия ηи и напряжение дуги U (углубление электрода l = зо мм, диаметр электрода d3 = 6 мм, расход аргона VАч — 2,37÷4,2 м3/ч, диаметр сопла dc = 6 мм, диаметр канала dк = 8 мм, расстояние сопла до изделия h = 15 мм)
Плазменной струей целесообразно разрезать материалы, не поддающиеся общеизвестным способам резки, таким как кислородная или газофлюсовая. Это — керамики, алюминий, медь и их сплавы, коррозионностойкая сталь и др.
Плазменной струей независимой дуги (см. рис. 100, а, б) разрезают неэлектропроводные материалы и тонкие металлические листы. Струей, создаваемой зависимой дугой (см. рис. 100, в), разрезают алюминий и сплавы на его основе толщиной до 120 мм.
При резке используют аргон и его смесь с водородом (до 35% Н2). Скорость резки зависит от толщины разрезаемого металла, параметров плазменной головки, тока и напряжения. Скорость резки струей прямого действия при прочих равных условиях выше скорости резки струей независимого действия.
Плазменной струей можно сваривать металлы и неметаллы, а также их сочетания. Плазменная струя дает возможность сваривать тонколистовой материал, тугоплавкие металлы. Формирование шва как по толщине металла, так и по длине шва очень стабильное. Возможна сварка встык с отбортовкой и без отбортовки кромок. Листы, имеющие толщину менее 1 мм, сваривают в приспособлении с прижимами. Расстояние между соплом и поверхностью листов, определяемое размерами прижимов, должно быть минимальным.
Таблица 17
Режимы сварки плазменной струей
Параметры | Низкоуглеродистая сталь S = 0.6 мм | Коррозионностойкая сталь 12X18H9T S = 0,8 мм |
Сила тока, А | 60 | 160 |
Напряжение дуги, В | 29 | 29 |
Диаметр сопла, мм | 5 | 4 |
Расход аргона, л/ч (м3/с): в сопле | 155(4,3х10-5) | 170 (4,7х10-5) |
в насадке | — | 580 (16,1х10-5) |
Расстояние сопла до изделия, мм | 3 | 4,5 |
Скорость сварки, м/ч (м/с) | 10(27х10-4) | 12(33х10-4) |
Механические свойства
Место вырезки образца | σв, кгс/мм (МН/м2) | б, % | ψ, % |
Основной металл | 68—72 (666—706) | 40—50 | 50—55. |
Сварное соединение | 66—70 (647—686) | 25—30 | 36—48 |
Режимы автоматической сварки тонких листов встык без отбортовки кромок приведены в табл. 17. Скорость и качество сварки увеличивается при использовании схемы, указанной на рис. 100, в. Механические свойства сварного соединения листов толщиной 0,8 мм из стали 12Х18Н9Т приведены в табл. 18. Сварное соединение не склонно к межкристаллитной коррозии, трещины в соединении не обнаруживаются.