Плазменная обработка материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Ю.Д. Щицын

ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2014

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность плазменных процессов определяется особенностями теплового и силового воздействия сжатой дуги на обрабатываемый материал. Структура и свойства сжатой дуги и плазменной струи зависят от степени сжатия дуги, электрических параметров и плазмообразующей среды.

Центральным звеном плазменных установок является плазменная горелка, или плазмотрон, обеспечивающая возбуждение, формирование и стабилизацию горения сжатой дуги или плазменной струи. Полярность сжатой дуги во многом определяет энергетические и технологические свойства сжатой дуги. Поэтому изучение этих тем является важной задачей для понимания вопросов плазменной обработки металлов.

В настоящее время разработан и успешно применяется ряд технологических процессов и установок, основанных на использовании низкотемпературной плазмы. Среди них плазменная сварка, резка, наплавка, плазменное напыление покрытий, металлизация, плазменное поверхностное упрочнение деталей, плазменная плавка и рафинирование металлов, плазменно-механическая обработка и др. Использование плазменных технологий позволяет значительно повысить производительность процессов и получить ряд дополнительных преимуществ.

5

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖАТОЙ ДУГИ И ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ

Энергетическая эффективность способа сварки является одним из решающих факторов при выборе того или иного сварочного процесса применительно к конкретному изделию. Эффективность процессов сварки плавлением оценивают такими показателями как эффективный η и

итермический η т КПД. Источники нагрева для сварки характеризуют температурой и удельным тепловым потоком в пятне нагрева qc (Вт/см2).

Сжатая дуга и плазменная струя являются эффективными источниками нагрева для сварки плавлением.

Вплазменных технологиях обработки металлов температура в дугах средней мощности (сила тока 50–1000 A), стабилизированных потоком газов, находится в пределах 6 000–20 000 °С.

Вдугах, стабилизированных водяным вихрем, температура может достигать 60 000–70 000 °С. Удельный тепловой поток в пятне нагрева может достигать 107 Вт/см2.

Сжатые дуги и плазменные струи получают в специальных устройствах, называемых в сварочной технике плазмотронами, или плазменными горелками.

Наиболее распространенный способ получения сжатых дуг и плазменных струй – интенсивное охлаждение газовым потоком столба дуги, горящей в сравнительно узком водоохлаждаемом канале (сопле) плазмотрона. В промышленной практике главным образом находят применение дуговые плазмотроны постоянного тока, структурно состоящие из двух основных элементов – электрода и формирующего (плазмообразующего) сопла.

Всварочной практике наметились две основные разновидности плазменных процессов и, соответственно, дуговых плазменных горелок:

1.Процессы для обработки (сварки) сжатой (плазменной) дугой плазмотронами прямого действия, в которых одним из электродов является обрабатываемый материал (рис. 1, а). В данном случае используются два энергетических источника нагрева изделия – плазменная струя

иэлектрически активное пятно дуги. Эффективный КПД η и таких процессов может достигать 60–80 %.

6

2. Процессы для обработки материалов плазменной струей. В данном случае изделие не включено в электрическую цепь дуги. Для ведения этих процессов используются плазмотроны косвенного действия

(рис. 1, б, в).

Рис. 1. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок для получения: а – плазменной дуги (совмещенное сопло и канал; плазменная струя совпадает со столбом дуги);) б – плазменной струи (раздельные сопло и канал; плазменная струя выделена из столба дуги); в – то же (совмещенные канал и сопло):

1 – электрод; 2 – канал; 3 – охлаждающая вода; 4 – столб дуги; 5 – сопло; 6 – плазменная струя; Е – источник тока; И – изделие; l – углубление электрода в канал

Максимальное значение эффективного КПД таких процессов (при больших расходах газа) может достигать 70 % (обычно 20–50 %).

Вобщем случае основными элементами плазменных горелок являются: электрододержатель с электродом – катод, или анод при работе плазмотрона на обратной полярности; электрически изолированное от электрода плазмообразующее сопло и сопло для защитного газа.

Конструкция горелки включает в себя системы для циркуляции воды, подачи газов и энергоснабжения.

Вактивном тепловом режиме работают электрод и плазмообразующее сопло, термическая стойкость которых определяет мощность, работоспособностьинадежность плазменной горелкиисистемы вцелом.

Таким образом, изучение распределения мощности сжатой дуги

иплазменной струи между изделием, электродом и плазмообразующим соплом является важной задачей.

7

1.1. СТРУКТУРА СЖАТОЙ ДУГИ И ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ

Сжатая дуга и плазменная струя – преобразователи электрической энергии в тепловую. С одной стороны, как элемент электрической цепи они характеризуются электрическими параметрами (током Iд, напряжением Uд), а с другой стороны, как источник тепла – тепловыми параметрами (температурой, теплосодержанием). Существует сложная взаимосвязь между параметрами первой и второй группы.

В дуге, обжатой водоохлаждаемым соплом и потоком газа, температура выше, чем всвободно горящейдуге приодинаковомтоке(рис. 2).

Рис. 2. Распределение температуры: а – в свободной и сжатой дуге

(I – дуговой разряд без стабилизации газовым потоком при аргонодуговой сварке; сила тока 200 А; напряжение дуги 14,5 В; II – сжатая дуга в канале плазмотрона в потоке аргона; катод – лантанированный вольфрам; анод – медная пластина; диаметр канала 4,9 мм; расход аргона 1,08 м3/ч; сила тока 200 А; напряжение дуги 29 В); б – в плазменной струе

Скорость газового потока при наличии обжимающего дугу сопла и одинаковом расходе газа также возрастает по сравнению со свободно горящей дугой. Дуга в этих условиях получает повышенную пространственную и энергетическую стабильность. Энергия сжатой дуги передается нагреваемому телу электронами, тяжелыми частицами, а также вынужденными конвективными потоками с излучением столба дуги.

При обработке плазменной струей материал подвергается действию высокотемпературного газового потока, оставаясь электрически нейтральным. Энергия плазменной струи передается нагреваемому телу

8

в результате процессов теплообмена – вынужденной конвекции и излучения струи.

Структурно сжатую дугу можно представить в виде ряда характерных участков, последовательно расположенных вдоль ее оси. Плазменная дуга прямого действия (рис. 3, а) состоит из катодной области, досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба и анодной области, расположенной на обрабатываемом изделии.

Рис. 3. Структурная схема сжатой дуги: а – прямого действия; б – косвенного действия: Э – электрод; С – сопло; И – изделие

Напряжение дуги является суммой падений напряжений на этих участках

uд = uк + uк.с + uс + uс.а + uа ,

причем

uк.с = Eк.сlк.с ; uс = Eсlс ; uс.а = Eс.аlс.а .

где lк.с, lс, lс.а – протяженность соответственно досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба дуги; Eк.с, Eс, Eс.а – напряженность электрического поля тех же участков столба, дуги В/мм. На внут-

9

рисопловом участке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал диметром d1 < dc ( dc – диаметр сопла), а за срезом сопла, по мере удаления от него, диаметр электропроводного канала увеличивается и на изделии достигает величины d2 , а температура и скорость течения плазменной струи уменьшаются.

Столб сжатой дуги косвенного действия (плазменной струи) (рис. 3, б) также близок к цилиндрической форме и в основном расположен внутри плазмотрона. Температура, электропроводный диаметр и скорость течения плазменной струи по мере удаления от среза сопла резко уменьшаются. Напряжение плазменной струи может быть определено следующим образом:

uп.с = uк + uк.с + uс + uа.

Взависимости от тока и степени сжатия дуги в плазмотронах

свольфрамовым катодом величина uк составляет 5–8 В. Величина uа ,

по разным источникам, может быть в пределах 3–12 В и слабо зависит от материала анода. Значения Eк.с и Eс близки по величине и почти не-

изменны по всей длине досоплового и внутрисоплового участков столба. Для сжатой дуги прямого действия

Eк.с ≈ Eс= uпл − uк .

lк.с

Напряженность поля открытой части столба дуги уменьшается по мере удаления от среза сопла. Среднее значение его можно определить как

Eс.а = uд − uпл − uс − uа .

lс.а

Напряженность участков столба сжатой дуги зависит от состава газовой струи, степени сжатия дуги, тока дуги. Таким образом, напряжение плазменной дуги зависит от конструктивных параметров плазмотрона (dс, lк.с, lс), от тока дуги, состава и расхода плазмообразующего (рабочего) газаи, наконец, от расстояния от среза сопла плазмотронадо изделия (lс.а).

Определение теплового баланса сжатой дуги и плазменной струи представляет практический интерес.

10