2.4Струя плазменной горелки.
Представляет собой разновидность электрической дуги, горящей при повышенном давлении и не имеющей возможности свободно расширяться (сжатая дуга, рис. 2.6).
Струя
плазмы характеризуется более высокими
температурами. Так, при давлении
плазмообразующего газа(4…6)
105
Па температура в центре плазмотрона
достигает 15000оС,
а температура рабочей струи плазмы –
около 10000оС.
тепловая мощность здесь может быть
больше, чем мощность обычной дуги, так
как используют более высокое напряжение
(90…120 В). Эффективный КПД несколько ниже
(
=0,3…0,4)
из-за больших потерь тепла в анод горелки.
Площадь ввода тепла
(0,1…1,0)см2.
При нагреве тел струей плазмы. Если к
изделию подключить положительный полюс
источника питания (параллельно аноду),
то струя плазмы будет более тонкой, а
нагрев – более форсированным. Плазменной
струей можно расплавлять и испарять
любые самые тугоплавкие металлы и
сплавы.
Рис. 2.6. Схема плазменной горелки: 1 – неплавящийся электрод; 2 – корпус, охлаждаемый водой; 3 – изолятор; 4 – анод охлаждаемый водой; 5 – сжатая дуга; 6 – струя плазмы (рабочая); 7 – изделие.
2.5Электронный луч.
Если получить достаточно мощный поток электронов, движущихся с большой скоростью, то такой поток можно использовать для сварки. Высокая скорость электронов достигается применением высокого ускоряющего напряжения (до 150 кВ) и вакуума высокой степени (до 10-5мм рт. ст.) в специальных установках.
В результате действия ускоряющего напряжения энергия электрического поля превращается в кинетическую энергию электрона согласно уравнению
(3),
где
е,m
– заряд
и масса электрона,
– ускоряющее напряжение, V
– скорость подлета электрона к изделию.
Из ранее приведенной формулы определим:
.
При:
=104
В V=60000
км/с, а при
=105
В V=200000
км/c,
т.е. скорость электрона очень высока и
приближается к скорости света. Тепловая
мощность электронного луча
.
Применяют
токи от 1 до 100
А.
Тепловые потери в вакууме невелики,
поэтому
,
диаметр луча при сварке составляет
(1,0…0,1)мм.
Вычислим максимально возможную плотность теплового потока:
Вт/см2.
Как видим, концентрация энергии здесь очень высока и в 1000 раз больше, чем при дуговой сварке.
Следует
отметить также, что при указанных
скоростях подлета к изделию электроны
проникают в глубь нагреваемого металла
и создается так называемый проникающий
нагрев. Зона расплавления массивного
металла имеет ”кинжальную” форму.
Например, при
В
глубина зоны расплавления составляет
15 мм, а ширина – 1,0 мм (рис.2.8.).
Электронным лучом можно нагреть до расплавления и кипения любые металлы и сплавы, а также испарить их.
Рис. 2.8. Форма зоны расплавления при высоком ускоряющем напряжении (UУСК=105В).
2.6Луч лазера.
Для технологических целей (сварки, резки, термообработки) чаще применяют лазеры с твердым рабочим телом (рис.2.9), имеющим запас энергии в каждом импульсе порядка нескольких джоулей. Реже используют газовые лазеры непрерывного действия, отличающиеся сложностью устройства и высокой стоимостью. Рассмотрим особенности твердотельного лазера как источника нагрева при сварке.
Рис. 2.9. Схема твердотельного лазера для сварки: 1- рабочий стержень; 2- плоскопараллельный луч; 3- фокусирующая система; 4- сфокусированный луч; 5- изделие; 6- полупрозрачное зеркало; 7- непрозрачное зеркало.
Для лазера как источника нагрева характерно следующее:
1. Импульсный характер нагрева и излучения (рис.2.10).
2. Малая площадь ввода тепла в изделие.
Обычно при сварке луч лазера фокусируют до диаметра примерно 1,0мм.
3.
Зависимость нагрева изделия от степени
его черноты характеризуемая коэффициентом
,
который лежит в пределах 0…1,0.
4. Низкий
общий коэффициент использования
электроэнергии
.
Рис.
2.10. Характер излучения тепловой мощности
лазером:
–
длительность излучения;
–
длительность цикла.
В качестве примера приведем данные серийной сварочной лазерной установки “Искра-8”:
=(1…7) 10-3с; =1,0c;
излучаемая энергия в одном импульсе – Q=5…8 Дж;
Потребляемая электрическая мощность от сети – 3,0 кВт (для питания ламп накачки лазера).
Найдем общий коэффициент использования электроэнергии:
Определим среднюю тепловую мощность лазера за цикл:
Вт.
Вычислим
среднюю за цикл и импульсную плотность
тепловой энергии
и
для абсолютно черного тела, когда
=1,0.
При
=1,0
Э=1,0,
поэтому
(полной мощности):
Вт/см;
Вт/см.
Указанных плотностей теплового потока достаточно для расплавления и даже испарения любых металлов и сплавов, а также для обработки различных неметаллов.