1344

2. ПЛАЗМОТРОНЫ

Центральным звеном плазменных установок является плазменная горелка, или плазмотрон, обеспечивающая возбуждение и стабилизацию горения плазменной дуги. Многообразие процессов плазменной обработки материалов определяет различие конструкций плазмотронов. Плазмотроны отличаются технологическими возможностями и насыщенностью техническими решениями. Факторы, влияющие на конструктивные особенности плазмотронов, можно представить в виде разветвленной схемы (рис. 11). На схеме показаны определяющие факторы, которые, в свою очередь, включают множество дополнительных ветвей.

За период практического применения плазменной сварки, составляющий порядка 40 лет, разработано большое количество конструкций плазмотронов (речь идет о дуговых плазмотронах), (см. патентную ли-

тературу: Классы В23К9/00; 9/16; 10/00; 15/00; 16/00; 28/00).

По способу получения электрического разряда плазмотроны делятся на дуговые и высокочастотные.

В общем виде основными элементами дуговых плазмотронов являются: электрододержатель с электродом (катод или анод); камера для плазмообразования, плазмообразующее сопло, формирующее сжатую дугу или плазменную струю; изолятор их разделяющий; вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего, защитного газов и охлаждающей жидкости. При разработке плазмотронов должны учитываться не только основные факторы, приведенные на схеме рис.11, но целый ряд других, таких как мощность (или максимальный ток), надежность, срок службы отдельных элементов, возможность двойного дугообразования, способы токоподвода, способы возбуждения сжатой дуги, воспроизводимость и управляемость параметрами сжатой дуги или плазменной струи и др.

Общимитребованиямиприконструированииплазмотроновявляются:

–достаточная мощность и широкий диапазон регулирования сварочных параметров;

–создание оптимальных характеристик сжатой дуги и обеспечение постоянства их в процессе сварки;

–обеспечение многократного, стабильного возбуждения сжатой дуги (плазменной струи);

31

Рис. 11. Факторы, влияющие на конструкцию плазменной горелки

32

–надежность и значительный ресурс работы;

–простота конструкции, обслуживания и эксплуатации;

–минимальные габариты и масса, обеспечивающие возможность сварки в труднодоступных местах и различных пространственных положениях;

–универсальность, легкость перенастройки;

–экономичность изготовления, минимальная материалоемкость, экономия дорогостоящих материалов;

–возможность восстановления горелок при отработке ими ресурса или аварийном выходе из строя в условиях предприятий потребителей и др.

Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод о том, что разработка плазмотронов является сложной и многоплановой задачей.

Различные варианты схем плазмотронов удобнее всего представить

ввиде классификации (рис. 12).

Рис. 12. Классификация плазмотронов

33

Рис. 12. Окончание

В первую очередь все плазмотроны разделяются на две группы по виду дуги: плазмотроны с дугой прямого и косвенного действия. По системе охлаждения электрода и сопла плазмотроны могут быть с газовым и водяным охлаждением. Теплоемкость воды намного выше теплоемкости воздуха и других газов, поэтому наиболее эффективной и распространенной является водяная система охлаждения. При водяном охлаждении допускаются высокие тепловые нагрузки на электрод и сопло, т.е. обеспечивается надежная работа при больших токах и высокой степени обжатия столба дуги. Известная формула отводимой тепловой мощности при водяном охлаждении

T =Tвых − Tвх – разность температур на выходе и входе в соответствующий элемент плазмотрона, позволяет оценить предельную мощ-

ды существенно влияет на эффективность охлаждения. Для установок большой мощности целесообразно использовать автономную замкнутую систему охлаждения с дистиллированной водой во избежание образования накипи.

Системы газового охлаждения ввиду низкой эффективности применяются реже, главным образом для охлаждения маломощных плазменных горелок и ручных плазменных резаков для воздушной резки.

Плазмотроны можно классифицировать по способу стабилизации дуги. Система стабилизации обеспечивает сжатие столба дуги и строгую ориентацию его по оси электрода и сопла плазмотрона и является одним из важнейших элементов плазмотрона. Существует три вида стабилизации дуги: газовая, водяная и магнитная. Наиболее простой и распространенной является газовая стабилизация, при которой наружный, холодный, слой рабочего плазмообразующего газа, омывая стенки столба дуги, охлаждает и сжимает его. При этом в зависимости от способа подачи газа газовая стабилизация может быть аксиальной или вихревой. Наибольшее обжатие дуги достигается при вихревой стабилизации, поэтому этот способ чаще используется в плазмотронах для резки и напыления. При аксиальной стабилизации поток газа, обдувающий столб дуги, имеет более спокойный, ламинарный характер, что обеспечивает лучшие условия защиты нагреваемого изделия от воздействия окружающей среды. Такую стабилизацию предпочтительней использовать для сварки и наплавки. В ряде случаев используют двойную стабилизацию дуги, при которой сочетается аксиальная подача через первичное и вихревая подача газа через вторичное сопло и наоборот.

При водяной стабилизации можно достичь наиболее высокой степени сжатия и температуры столба дуги (до 50000–70000 К). Однако присутствие паров воды вблизи катодной области приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов. Поэтому в плазмотронах с водяной стабилизацией (например, для резки) чаще используют графитовый электрод, автоматически перемещаемый по мере его сгорания.

Магнитная стабилизация, при которой создаваемое продольное магнитное поле сжимает столб дуги, менее эффективна, чем водяная и газовая. Кроме того, наличие соленоида усложняет конструкцию плазмотрона и увеличивает его габариты. Преимущество магнитной стабилизации состоит в возможности регулирования степени сжатия столба

35

дуги независимо от расхода рабочего газа. На практике наложение продольного магнитного поля применяется не столько для стабилизации дуги, сколько для вращения ее анодного пятна по внутренним стенкам сопла при работе в режиме косвенной дуги с целью повышения стойкости последнего, например вплазмотронах, используемыхдлянапыления.

По виду электрода-катода плазмотроны постоянного тока можно разделить на плазмотроны со стержневым и распределенным катодом. В плазмотронах со стержневым катодом катодное пятно фиксируется на торце электрода, а в плазмотронах с расщепленным катодом – интенсивно перемещается с помощью газовихревого или магнитного вращения по развитой поверхности электрода.

Стержневые катоды могут быть трех видов: расходуемые, газозащитные и пленкозащитные. Расходуемый, чаще всего графитовый, электрод, несмотря на высокую температуру плавления, имеет повышенный расход из-за возгонки вблизи температуры плавления. Газозащитный вольфрамовый электрод – самый распространенный из всех видов электродов. Вольфрам имеет высокую прочность и достаточно высокие электро- и теплопроводность. При работе в инертной (аргон, гелий) среде при нагрузке j = 15 – 20 а/мм2 вольфрам практически не

расходуется. Пленкозащитные катоды обладают высокой стойкостью в активных газах (воздух, углекислый газ, технический азот). Он представляет собой стержень из циркония или гафния, запрессованный в медной обойме. Высокая термостойкость таких электродов обусловлена образованием стойкой тугоплавкой пленки из оксидов и нитридов, защищающей чистый металл от испарения. Активная вставка расходуется главным образом при включении дуги вследствие разрушения пленки от термоудара. При использовании циркониевого электрода допускается бо́льшая плотность тока, достигающая 80–100 а/мм2, чем при использовании вольфрамового электрода.

При работе плазмотрона с окислительной плазмообразующей средой на больших токах (1000 А и более) применяются разнообразные виды распределенных катодов, наиболее распространенными из которых являются полый, дисковый и кольцевой. Недостатками распределенных катодов являются сложность их конструкции, трудность равномерного перемещения катодного пятна по всей поверхности электрода, низкая стабильность горения дуги, рост напряжения прикатодной области дуги и связанное с этим увеличение потерь мощности в элетроде.

36

Плазмотроны различаются в зависимости от используемой плазмообразующей среды. Состав плазмообразующей среды диктуется технологическим процессом и, в свою очередь, является определяющим фактором при выборе схемы плазмотрона. По химическому воздействию на обрабатываемое изделие и электроды плазмотрона все плазмообразующие среды можно разделить на три большие группы: инертные, восстановительные и окислительные.

По роду тока плазмотроны отличаются большим разнообразием. Подавляющее большинство плазмотронов выполняется для работы на постоянном токе прямой полярности. Это объясняется тем, что на аноде дуги выделяется большее количество тепла, чем на катоде. Тепловая мощность, выделяемая в электроде плазмотрона, в отличие от плавящегося электрода сварочной дуги, является не только бесполезной, но и вредной. Наименьшую тепловую нагрузку несет электрод, являющийся катодом.

Предельно допустимая нагрузка на лантанированный вольфрамовый электрод на переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности при использовании постоянного тока в десять раз ниже, чем на прямой полярности. Поэтому плазмотроны постоянного тока прямой полярности имеют наиболее высокий коэффициент полезного использования мощности.

При работе плазмотрона на переменном токе прохождение тока через ноль может вызвать гашение дуги, поэтому напряжение холостого хода источника питания переменным током должно не менее чем в два раза превышать рабочее напряжение дуги. Плазмотроны, работающие на переменном токе, рекомендуется применять для сварки алюминиевых сплавов, так как в периоды обратной полярности происходит разрушение тугоплавкой оксидной пленки, препятствующей качественному формированию сварного шва. Существует несколько схем плазмотронов переменного тока. На рис. 12, например, представлены плазмотроны, питание которых происходит от однофазного трансформатора. Показана схема вентильной коммутации тока, при этом электрод функционирует только как катод (в полупериод прямой полярности), а сопло – как анод (в полупериод обратной полярности). При такой схеме питания обеспечивается большая стойкость вольфрамового электрода. Однако с увеличением тока ухудшаются условия работы сопла, а при работе на токах ниже определенного предела (порядка 150 А) на-

37

рушается стабильность горения дуги. Стабильность горения дуги обеспечивается при трехфазной схеме питания плазмотрона, но электроды

исопло «работают» в сравнительно тяжелых условиях, поэтому конструкция плазмотрона значительно усложняется. В ряде случаев плазмотроны выполняют комбинированными для повышения стабильности горения дуги переменного тока.

Наряду с дуговыми плазмотронами, работающими на токе промышленной частоты, были разработаны высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ и СВЧ) плазмотроны. Принцип работы высокочастотного индуктивного или безэлектродного плазмотрона заключается в нагреве газа до состояния плазмы в электромагнитном поле индуктора. Для этого в полость индуктора, питаемого от высокочастотного генератора (частотой 1–40 МГц, напряжением до 10 КВ и мощностью до 50 КВт), помещается трубка из термостойкого изоляционного материала, например кварца. В трубку подается плазмообразующий газ, и кратковременно вводится графитовый или металлический пруток. Последний раскаляется под действием поля индуктора и вызывает нагрев и первоначальную ионизацию окружающего газа. Когда электропроводность газа возрастает до определенной величины, начинается интенсивный его нагрев и ионизация вихревыми токами, создаваемыми полем индуктора. После развития самостоятельного кольцевого разряда пруток удаляется из полости трубки. Продуваемый через трубку газ, проходя через кольцевой разряд, нагревается и истекает в виде плазменной струи, температура которой достигает 15000–20000 К, а скорость истечения в десятки раз меньше скорости истечения плазменной струи дуговых плазмотронов. Оборудование для высокочастотной плазмы дорого и имеет ограниченную мощность, поэтому ВЧ-плазма находит применение в специальных технологиях.

Всверхвысокочастотных плазмотронах (СВЧ) газ также нагревается электромагнитным полем, создаваемым электродом-излучателем. СВЧ-плазма возникает у электрода при остроконечной его форме и высокой напряженности поля вблизи него. В высоковольтном и сверхвысокочастотном электрическом поле свободные электроны ускоряются

иприобретают такую кинетическую энергию, что при столкновении

счастицами газа вызывают их диссоциацию и ионизацию. Электрод плазмотрона подключен к магнетронному генератору частотой с 2000– 3000 МГц и мощностью 2–5 КВт. Плазменный факел СВЧ-плазмотрона

38

интересен тем, что в нем нет термического равновесия. Температура электронов на порядок выше температуры ионов и свободных атомов. Например, при Т факела, равной 3500 К, электронная температура достигает 35 000 К. Такая высокая температура электронов позволяет производить химическиереакциисинтеза некоторыхспециальныхматериалов.

2.1. Конструкции узлов плазмотрона

Основными узлами плазмотронов являются – электродный, сопловой, изолятор, система подачи плазмообразующего газа.

Катоды. Основной характеристикой материала катода являются эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода электронов. Чем выше эмиссионные свойства материала катода (чем меньше работа выхода), тем лучше решаются задачи стабилизации дуги и охлаждения катода. Для инертных плазмообразующих газов наилучшим материалом катодов является вольфрам, легированный окислами лантана и иттрия (марки ВЛ и СВИ).

Конструктивно катоды из вольфрама выполняются двумя способами:

ввиде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным

вэлектродном узле плазмотрона (рис. 13 – 1) и в виде медной державки

сзаделанным в нее стержнем вольфрама, закрепленной вэлектродном узле. Последняя конструкция менее удобна, но обеспечивает более высокие плотности тока на катоде (рис. 13 – 2). Катодная вставка может закрепляться в цельном корпусе (рис. 13 – 2) и сменных медных наконечниках, соединяемых с корпусом электрододержателя конусной посадкой или резьбой (рис. 13 – 3). Конструкции (3, 4, 5) характерны для катодов с активной вставкой (цирконий, гафний), предназначенных для работы в кислородсодержащих средах. Вставка соединяется с наконечником различными способами: пайкой, диффузионной сваркой, запрессовкой, совместнойхолодной штамповкойактивной вставкисмеднойдержавкойидр.

Рис. 13. Конструкции катодов плазмотронов

39

Аноды. Выше отмечалось, что при работе плазмотрона на обратной полярности тепловая нагрузка на электрод резко возрастает. Опыт показывает, что для обеспечения адекватной стойкости сечение вольфрамового электрода при работе на обратной полярности должно быть в девять раз больше, чем на прямой полярности. Стараются рассредоточить разряд по поверхности анода для снижения плотности теплового потока в анод. Эксперименты, проводимые с вольфрамовыми электродами различной конструкции (рис. 14), показали что при токе 150А и токе возбуждения 50А они разрушались за время меньше 23 мин, а при токе 200 А – за 2–3 мин. Это объясняется недостаточной теплопроводностью вольфрама.

Рис. 14. Конструкции электродов-анодов из вольфрама

Эксперименты, проведенные с медными анодами (теплопроводность в 3 раза выше, чем у вольфрама) различной конструкции показали, что конструкции на рис. 15 а, б при токе 200 А и токе возбуждения 50 А быстро разрушались.

На электроде (рис. 15, в) активное пятно располагалось на кромке электрода, что приводило к аварийной работе плазмотрона (двойной дуге). Электрод конструкции г при токе 200А имел ресурс 300 минут при 60 возбуждениях дуги.

Считается, что рост ресурса анодов связан с увеличением размеров электродов и улучшением их охлаждения. Предложен анодный узел, состоящий из медной водоохлаждаемой державки 1 и активной вольф-

рамовой вставки 2 (рис. 16) (d, мм, 6, 6, 8; D, мм, 12, 17, 25).

40