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) плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом служит изделие (рис. 2.59, а). Сварку плазменной дугой прямого действия принято назы­вать плазменно-дуговой. Если анодом служит сопло, которое конст­руктивно может совпадать с каналом плазменной горелки, то ис­точник теплоты становится независимым от изделия со струей плазмы, выделенной из столба дуги в виде факела (рис. 2.59, б).

Такую дугу называют дугой косвенного действия или просто плазменной струей. 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.

Плазменная дуга благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком на длине l в отличие от обычной дуги характеризуется высокими температурами столба в диапазоне 15 000...25 000 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 необходимую для стабилизации столба плазменной дуги скорость газового потока. Стабилизирующий канал и является ос­новной отличительной особенностью плазмотрона по сравнению с обычной горелкой для сварки в защитных газах. В качестве плазмообразующего газа 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).

2.12.2. Газовые среды

Газовая среда в горелке для плазменной обработки материалов должна обеспечивать:

-защиту от окисления и охлаждать вольфрамовый электрод и сопло;

-получение стабилизированной плазменной струи с необходимыми температурой и скоростью;

• наилучшую теплопередачу к изделию;

• транспортировку материала при напылении.

Иногда газы разделяют наплазмообразующие и защитные (транспортирующие). При раз­дельной подаче плазмообразующий газ подается в зону катода, а защитные, или транспортирую­щие, газы - в зону столба дуги или факела плазмы.

Газ может поступать в горел­ку как вдоль оси катода, так и по касательной (вихревая стабили­зация). Для защиты катода и со­пла от разрушения и перегре­ва наилучшим газом считается аргон, так как он химически инертен и имеет малую тепло­проводность (рис. 2.61). Однако аргон малоэффективен для преоб­разования электрической энергии в тепловую.

Во-первых, напряженность поля столба дуги в аргоне меньше, чем в водороде, азоте: E _Аг ≈ 0,8 В/мм; E _Н2 ≈ 10,0 В/мм; E _N2 ≈ 2,0 В/мм (при I = 10 А). Следовательно, при одинаковом токе в аргоновой дуге выделяется на 1 мм ее длины меньше энергии IE, чем в дугах с другими защитными газами.

Во-вторых, энтальпия (объемное теплосодержание) аргоновой плазмы при температуре этой плазмы также значительно меньше (рис. 2.62), чем энтальпия плазмы азота или водорода (для Аг, N₂, Н₂ - соответственно 3, 16, 12 кВт/м³ при Т = 10 000 К). Однако температура плазмы существенно зависит от свойств плазмообразующего газа: для Аг и Не она составляет 15000...25000 К, что в 3-4 раза выше, чем для N₂ и H₂ (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 или гафния (термохимические катоды).

Гелий и водород (см. рис. 2.61) при Т = 10 000 К обладают большой теплопроводностью (которая всего в 2 раза меньше, 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 составляет 100... 120 В, что в 2-3 раза выше, чем у ду­ги в аргоне (рис. 2.63).

Имеется различие в про­цессах 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. 2.62). Их эн­тальпии при указанных тем­пературах примерно соответ­ствуют энтальпии аргона при 14 000 К и энтальпии гелия -при 20 000 К. Таким образом, крутой подъем кривой ΔH = f(T) в области диссоциации указы­вает на содержание большого количества теплоты в плазме при сравнительно низких температурах.

Следует отметить, что часто проводимое в литературе срав­нение удельного массового теплосодержания (энтальпии) 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 выде­литься на изделии и повысить эффективность процесса теплооб­мена. Следовательно, теплообмен газа зависит от его температуры и энтальпии; с увеличением температуры достигается некоторое состояние «насыщения», при котором скорость возрастания теп­лообмена значительно уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом температуры в энтальпии молекулярного газа наряду с энергией поступательного движения все большее значение приоб­ретает энергия колебательного и вращательного движения моле­кул, которая легко расходуется на излучение.

Конвективный теплообмен, наиболее существенный при плаз­менной обработке материалов, определяется в основном энергией поступательного движения молекул и атомов газа, поэтому высо­котемпературные формы энтальпии здесь менее эффективны. Из рис. 2.63 следует, что водородная плазма - наилучший преобразо­ватель энергии дуги в теплоту.