входом в полый катод (например, увеличение подачи плазмообразующего газа или тока) и АЗ смещается в сторону его выходного сечения. Вместе с тем р∞ в АЗ практически не зависит от этих параметров и изменяется в пределах р∞ = 900…1100 Па. При этом плазма как бы вытесняется из катодной полости, а напряжение ДРПК несколько снижается. Положение АЗ существенно зависит от тока ДРПК. При I = 10…20 А центр АЗ уходит в глубь катода на 1,5…2,0 см и более, а в случае тока свыше 50 А он смещается ближе к выходному торцу на расстояние 0,4…0,8 см от него. С увеличением длины дугового промежутка (расстояние от выходного торца катода до анода) от 0,5 до 1,0 см центр АЗ всегда стремится сместиться ближе к выходному сечению катода. Особенно это заметно при токах ДРПК свыше 50 А, когда столб разряда существует в цилиндрической форме. При дальнейшем увеличении длины дугового промежутка смещение положения центра АЗ практически не наблюдается.
Основная доля полной мощности ДРПК (от 70 до 90 %) выделяется на положительном электроде, т.е. на аноде. С увеличением разрядного тока доля выделяющейся мощности на аноде, как правило, увеличивается и примерно равна 90 %. По сравнению со сварочными дугами при атмосферном давлении ДРПК в вакууме является по доле выделяющейся мощности на аноде одним из самых эффективных источников энергии.
Энергетический баланс полого катода показал, что потери мощности в нем происходят за счет излучения эмиссии электронов, теплопроводности и испарения материала катода. Наиболее существенны потери на излучение, составлявшие 45…75 % полной мощности, выделяющейся на катоде за счет бомбардировки ионами и джоулевого тепловыделения. Потери на теплопроводность не превышают 8…14 %, на эмиссию электронов 17…40 % мощности, выделяющейся на катоде. Суммарная мощность потерь полого катода с увеличением тока как бы достигает своего насыщения и составляет по отношению к полной мощности разряда не более 7…13 %. Так, мощность потерь полого катода, выполненного из иттрированного вольфрама ЭВИ-2 длиной 35 мм с диаметром полости 3 мм и толщиной стенки 0,8…1 мм, на токах 250-350 А практически остается неизменной и составляет примерно 700…780 Вт. В этом случае потери на катоде составляют 7…8 % полной мощности разряда.
Потери в столбе ДРПК в основном определяются давлением в камере и характером процессов в межэлектродном промежутке. При давлении в камере (2-9) 10-2 Па, которое обычно применяют в технологических процессах, потери во внешнем столбе ДРПК не превышают 2-3 % полной мощности разряда. Мощность, выделяющаяся во внешнем столбе, передается в основном излучением в окружающую среду и аноду. Таким образом, относительная суммарная мощность потерь в ДРПК сравнительно невысока и на токах свыше 150 А, как правило, не превышает 10…15 %.
ДРПК в вакууме на токах свыше 200 А отличается весьма высокой концентрацией энергии, что приближает его к электронно-лучевому источнику энергии для сварки.
2.12.Плазменные сварочные дуги
2.12.1.Виды и особенности плазменных дуг
Плазменной дугой принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. В зависимости от вида положительного электрода (анода)
91
плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом служит изделие (рис. 2.59, а). Осуществление процесса сварки плазменной дугой прямого действия принято называть плазменно-дуговым. Если анодом служит сопло, которое конструктивно может совпадать с каналом плазменной горелки, то источник теплоты становится независимым от изделия со струёй плазмы, выделенной из столба дуги в виде факела (рис. 2.59, б). Такую дугу называют дугой косвенного действия или просто плазменной струёй. В этом случае передача теплоты к изделию осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением плазмы. При плазменно-дуговом нагреве (сжатой дугой) к перечисленным механизмам теплопередачи добавляется передача энергии заряженными частицами, движущимися в электрическом поле.
Рис. 2.59. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок прямого (а) и косвенного (б) действия: 1 – вольфрамовый электродкатод; 2 – канал сопла; 3 – охлаждение; 4 – сжатая дуговая плазма; 5 – столб дуги (струя); Е – источник тока; И – изделие
Плазменная дуга благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком на длине l в отличие от обычной дуги характеризуется высокими температурами столба до 15000…25000 К (рис. 2.60).
Увеличение при нагреве объема газа в 50…100 раз в канале сопла приводит к истечению плазмы с высокими околозвуковыми скоростями. Это значительно расширяет ее технологические возможности при резке, сварке и напылении материалов.
Для получения плазменной дуги используют специальные плазменные горелки или так называемые плазмотроны, в которых обычно имеется неплавящийся вольфрамовый или медный катод, изолированный от канала и сопла горелки, а анодом может служить сопло или изделие.
В начале процесса для образования достаточного количества заряженных частиц дежурная слаботочная дуга возбуждается непосредственно между катодом и медным охлаждаемым соплом, например, с помощью осциллятора.
Плазменная дуга образуется в канале горелки и стабилизируется стенками канала и холодным газом, отделяющим столб дуги от этих стенок. Сравнительно малый диаметр и достаточная длина канала обеспечивают требуемую для стабилизации плазменного столба скорость газового потока.
92
Вналичии стабилизирующего канала и заключается основное отличие плазмотрона от обычной горелки для сварки в защитных газах.
Вкачестве плазмообразующего га-
за обычно применяют аргон, азот, гелий, водород, воздух и их смеси и др., а также воду (в плазмотронах с водяной стабилизацией), что обеспечивает температуру плазмы до 50000 К (дуга Гердиена).
Рис. 2.60. Распределение температур в обычной (I) и плазменной (II) дугах
2.12.2. Газовые среды
Газовая среда в горелке для плазменной обработки материалов должна выполнять следующие функции:
-защищать от окисления и охлаждать вольфрамовый электрод и сопло;
-обеспечивать получение стабилизированной плазменной струи с необходимыми температурой и скоростью;
-обеспечивать наилучшую теплопередачу к изделию;
-обеспечивать транспортировку материала при напылении.
Иногда газы разделяют на плазмообразующие и защитные (транспортирующие). При раздельной подаче плазмообразующий газ подается в зону катода, а защитные или транспортирующие газы — в зону столба или факела плазмы.
Газ может поступать в горелку как вдоль оси катода, так и по касательной (вих-
ревая стабилизация). |
|
|
Для защиты катода и сопла от разруше- |
|
ния и перегрева наилучшим газом счи- |
|
тается аргон, так как он химически инер- |
|
тен и имеет малую теплопроводность |
|
(рис. 2.61). Однако аргон малоэффекти- |
|
вен для преобразования электрической |
|
энергии в тепловую. Во-первых, напря- |
|
женность поля дугового столба в аргоне |
|
меньше, чем в водороде, азоте, гелии: |
|
ЕAr ≈ 0,8 В/мм; EN2 ≈2,0 В/мм; EH2 ≈10,0 |
Рис. 2.61. Теплопроводность водорода, |
В/мм (при I=10 А). |
Следовательно, при одинаковом токе в |
|
гелия, аргона и азота в зависимости от |
аргоновой дуге выделяется на 1 мм ее |
температуры |
длины меньше энергии IE, чем в других. Во-вторых, энтальпия (объемное теплосодержание) аргоновой плазмы при температуре этой плазмы также значительно меньше (рис. 2.62), чем плазмы азота или водорода (для N2 - 16; Аr — 3; H2 — 12 кВт/м3 при Т = 10000 К). Однако температура плазмы существенно зависит от свойств плазмообра-
93
зующего газа: для Аr и Не Тпл = 15000…25000 К, что в 3-4 раза выше, чем для N2 и H2 (Тпл = 5000…7000 К). Подходящим газом для стабилизации дуги может быть азот (или воздух, содержащий до 78 % азота), так как его энтальпия при Т = 10000 К в 5 раз больше энтальпии аргона и, кроме того, азот значительно дешевле. Однако в воздухе и азоте вольфрамовый катод интенсивно разрушается. В этом случае применяют катоды на основе циркония и гафния (термохимические катоды).
Гелий и водород при Т = 10000 К обладают большой теплопроводностью (см. рис. 2.61), всего в 2 раза меньшей, чем у меди, и лучше других газов преобразуют энергию дуги в теплоту. В случае применения их в чистом виде происходит быстрый нагрев и разрушение сопла, поэтому указанные газы применяют в смеси с аргоном. Например, добавки к аргону водорода в пропорции по объему 2:1 позволяют повысить тепловую мощность струи почти в 2 раза по сравнению со смесью аргон-азот в той же пропорции. Напряжение плазменной водородной дуги 100…120 В, что в 2…3 раза выше, чем дуги в аргоне (рис. 2.63).
Рис. 2.62. Зависимость энтальпии различных газов от температуры при диссоциации и ионизации
Рис. 2.63. Волт-амперные характеристики плазменной дуги в различных газах
Имеется отличие в процессе образования плазмы двух- и одноатомного газов. Ионизация двухатомного газа происходит после диссоциации его молекул, например водород диссоциирует на 90% при 4700 К, а азот — при 9000 К (см. рис. 2.60). Их энтальпия при указанных температурах примерно соответствует теплосодержанию ар-
гона при 14000 К, а гелия — при 20000 К. Таким образом, крутой подъем кривой H = f (T ) в области диссоциации позволяет плазме содержать большие количества
теплоты при сравнительно низких температурах.
Следует отметить, что часто проводимое в литературе сравнение удельного массового теплосодержания плазмы разного состава не позволяет делать количественных выводов. Сравнение нужно проводить по мольному или объемному теплосодержанию, так как расход плазмообразующих газов измеряется, как правило, в единицах объема. Следует также учитывать изменение молекулярной массы при диссоциации двухатомных газов и ионизации.
При охлаждении, когда газ вновь проходит через область температур диссоциации, большое количество теплоты может выделяться на изделии и повышать эффективность процесса теплопередачи. Следовательно, теплопередача газа зависит от его температуры и от теплосодержания, с увеличением температуры достигается не-
94