Тема 5.1. Сварка плазменной струёй

Плазменную струю используют для наплавки и нане­сения покрытий, в том числе и тугоплавких металлов на изделия путем расплавления присадочной проволоки или металлических порошков. В струе плазмы можно расплавить различные материалы: сталь, кристаллокорунд 2050 °С (2323 К), асбо­цемент, 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 - 20 000 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:

1. Раздельное сопло и канал, плазменная струя выделена из столба дуги

(рис. 39. а);

2. Совмещенное сопло и канал, плазменная струя выделена из столба дуги (рис. 39. б);

3. Сопло и канал совмещены со струей, совпадающей со столбом дуги (рис. 39. в).

Pиc. 39. 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. 39. 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 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. 39. 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.

Тема 5.2. Плазменная резка

На рис. 40 показан разрез плазменной головки для ручной резки. Головка имеет охлаждаемое водой сопло, совмещённое с каналом 2, электродержателем 1 и корпусом 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 горелках обычно возбуждается от осцилляторов.

Электрическая схема головки состоит из источников питания постоянного тока, балластного реостата, осциллятора, контактора, промежуточного реле, а также вольтметра и ампер­метра. 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 и контролируют ротаметром или ма­нометром.

Плазменная струя имеет ярко светящееся ядро с осно­ванием, несколько меньшего размера относительно выходного отверстия сопла, ядро окружено 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.

Рис.40. Плазменная головка

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:

N = 0,24т)η_нU/I,

где η_н - эффективный КПД плазменного нагрева изде­лия; U – напряжение;

I - ток дуги. Влияние данных параметров представлено на рис. 41.

Рис. 41. Влияние силы тока дуги I на эффектив­ную тепловую мощность q плазменной струи, вы­деленной из столба дуги, эффективный КПД плазменного

нагрева из­делия η_u, и напряжение дуги U (углубление элект­рода l = 30 мм, диаметр электрода d_a = 6 мм, расход аргона V_Ач = 2,37+4,2 м⁸/ч, диаметр сопла d₀ - 6 мм,

диаметр канала d_K = 8 мм, рас­стояние сопла до изде­лия h = 15 мм)

Наиболее широкое применение плазменная струя нашла для резки металлов. Целесообразно разрезать материалы, не поддающиеся общеизвестным способам резки, таким как кислородная или газофлюсовая. Это керамики, алюминий, медь и их сплавы, коррозионноостойкая сталь и др. Плазменной струей независимой дуги, см. (рис. 39. а, б) разрезают неэлектропроводные материалы и тонкие металлические листы. Струей, создаваемой зависимой дугой, см. (рис. 39. 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.