16.2.3. Газы для плазмотронов

Рабочий газ для плазменной резки имеет первостепенное значение. Плазменная резка была создана и первоначально развивалась на использовании аргона в качестве рабочего газа. Аргон имеет ряд положительных качеств: уменьшает износ и обеспечивает продолжительную работу вольфрамового электрода; мало изнашивает сопло плазмотрона; в аргоне ввиду малой его теплопроводности и теплоемкости легко зажигается и устойчиво горит дуга при сравнительно низких напряжениях, что облегчает выполнение требований техники безопасности; не реагирует с разрезаемым металлом и не загрязняет его. Наряду с перечисленными преимуществами аргон имеет и существенные недостатки. Это - одноатомный газ, его молекула состоит из одного атома и не может диссоциировать при нагреве, поэтому аргон может воспринимать тепло только за счет теплоемкости, а запас тепловой энергии в аргоне даже при высоких температурах незначителен. Этот малый запас тепла плохо передается металлу, так как аргон отличается и низкой теплопроводностью.

В результате производительность резки сравнительно низка, значительно ниже, чем при других газах. Кроме того, аргон дорог, а расход газов при резке значителен. Остальные инертные газы, в том числе гелий, вообще для резки недоступны из-за дефицитности и высокой стоимости. Значительно эффективнее для резки двухатомные газы. Такой газ при нагреве диссоциирует с расщеплением молекулы на два свободных атома. Диссоциация поглощает много тепла, на поверхности металла при охлаждении газа идет обратный процесс объединения двух свободных атомов в двухатомную молекулу; при этом энергия, затрачен­ная на диссоциацию, освобождается и передается металлу, нагревая его.

Таким образом, диссоциированный, или атомарный газ содержит большой запас энергии и легко передает ее металлу.

Из двухатомных газов большого внимания заслуживает водород. Он имеет очень высокую теплоемкость и высокую теплопроводность, легко диссоциирует при нагревании, переходя в атомарную форму и поглощая большое количество энергии (52 000 ккал/кг), которую легко отдает металлу, быстро нагревая его. Плазменная струя водорода является особенно "горячей", расплавляет и режет металл быстрее, чем другие газы. Одновременно она усиливает износ сопла. Обычно считают, что водородная плазма слишком горяча и применяют водород не в чистом виде, а в смеси с аргоном или азотом. К недостаткам водорода относится его взрывоопасность в смеси с воздухом.

Представляет интерес недефицитный двухатомный азот. Он пригоден для плазменной резки после достаточной очистки, которая делает его уже довольно дорогим газом. Недостаточная очистка вызывает быстрый износ электрода. Производительность резки на азоте ниже, чем на водороде; его молекула прочнее и диссоциация получает меньшее развитие, а теплопроводность азота в несколько раз меньше, чем у водорода. Недостатки, присущие каждому из газов, вызвали применение так называемого двойного газа.

В плазмотрон подаются два независимых потока газа. Один, меньший, называемый защитным, омывает электрод и защищает его от окисления. В качестве защитного газа применяется обычно аргон. Второй газ, рабочий или плазмообразующий, подается в большем количестве, составляя основную часть общего газового потока, выходящего из плазмотрона. В качестве рабочего газа может применяться дешевый технический азот, иногда воздух.

Оригинальную систему плазмообразования предложил чешский инженер К. Миклоши. В плазмотроне его системы часть охлаждающей воды направляется в активную зону плазмотрона, где вода испаряется и превращается в плазмообразующий газ, состоящий из водорода, кислорода и некоторого количества окиси углерода, получаемой от сгорания угольного электрода, примененного в этом плазмотроне и непрерывно подаваемого в дугу по мере сгорания.