2.5. Обработка плазмой

Плазма — ионизированный газ, перешедший в это состояние в результате нагрева до очень высокой температуры или вследствие столкновения частиц газа с быстрыми электронами (в газовом разряде). При этом молекулы распадаются на атомы, от которых отрываются электроны и возникают ионы. Последние ионизируют газ и делают его электропроводным.

Однако не всякий ионизированный газ можно назвать плазмой. Необходимым условием существования плазмы является ее электрическая квазинейтральность, т. е. она должна содержать в единице объема примерно равное количество электронов и положительно заряженных ионов. Наряду с ними в плазме может находиться некоторое количество неионизированных атомов и молекул. На плазму могут воздействовать электрические и магнитные поля. Внешнее магнитное поле позволяет сжимать струю плазмы, а также управлять ею (т. е. отклонять, фокусировать).

Большая степень ионизации обусловливает высокую температуру газоразрядной плазмы, которая может достигать 50 000 °С и выше. Свойства плазмы можно изменять путем применения различных газов (азота, аргона, водорода, гелия и др.). Основным методом получения плазмы для технологических целей является пропускание струи сжатого газа через пламя электрической дуги. Современные плазменные горелки делят на горелки прямого действия (с внешней дугой) и косвенного действия (с внутренней дугой).

Горелки прямого действия применяют для обработки электропроводящих материалов (рис. 2.9). Дуга возбуждается между обрабатываемым изделием 4 (анодом) и вольфрамовым электродом 1 (катодом). Поток газа поступает в охлаждаемую водой 3 медную оболочку 2. Дуга, выходя из сопла, направляется вместе с потоком газа к изделию. В качестве рабочего газа используют аргон, который ионизируется. Напряжение зажигания и рабочее напряжение при этом небольшие а электрическая дуга получается стабильной и инертной.

Рис. 2.9 – Схема горелки прямого действия

При использовании в качестве рабочего газа гелия скорость истечения струи при t = 10 000—15 000 °С приближается к скорости звука. Плазменная горелка потребляет мощность 50 кВт и создает концентрацию мощности плотностью 3 мВт/дм ².

Горелка косвенного действия применяется для обработки токопроводящих материалов и диэлектриков (рис. 2.10). Дуга образуется между вольфрамовым катодом 1 и стенками медного сопла 2. Поток газа, охлаждаемого водой 3, поступает в медную оболочку и, проходя через дугу, ионизируется. Дуга под действием струи газа выходит за пределы сопла, и плазма в виде факела направляется на обрабатываемое изделие 4, которое изолировано от дуги.

Применение плазменных горелок оказалось возможным из-за способности плазмы сжиматься в узкий пучок. Защитой сопла от разрушения служит оболочка газа, которая образует прослойку между факелом и стенками сопла.

Рис. 2.10 - Схема горелки косвенного действия

Плазменный нагрев используют для напыления тугоплавких неметаллических материалов, которые вводятся в плазму в виде порошка. Этим методом можно получать многослойные покрытия из одного или нескольких порошков. Качество покрытия зависит от подготовки поверхности, вида применяемого порошка и материала основания. Подготовка поверхности заключается в очистке и обезжиривании.

Плазменной горелкой обрабатывают материалы любой твердости и любого химического состава. Эффективно применение плазмы при резке нержавеющих сталей и других материалов. Поверхность среза при этом получается гладкой, глубина зоны влияния — незначительной.