Лекція 9 Плазмотрони, їхні конструктивні відмінності та властивості

9.1. Плазмотрони

Плазмотрон є основним елементом енергетичної частини плазмового обладнання. Відрізняють дугові та індукційні плазмотрони. У перших іонізація відбувається в дузі постійного чи змінного струму, а в других під дією змінного високочастотного поля індуктора. Найбільш поширеними у виробництві є дугові плазмотрони постійного струму, які працюють в інертних, нейтральних атмосферах і таких, що містять кисень.

Плазмотрони всіх конструкцій мають три основні елементи: електрод, сопло та ізолятор, що роз`єднує катод від сопла-анода. Конструктивні особливості, можливості та галузі використання найбільш поширених плазмотронів наведені в табл. 9.1 та короткому огляді.

Таблиця 9.1

Тип плазмотрона	Схема (рис. 9.1)	мм/мм	см/см	Плазмо- утворю- ючий газ	I , A	U , B	P , кВт
ПН-1	А	7/7	1,2/3,0	Аргон	100-500	30	15
ПН-2	Б	6/6х8	2,2/4,9	“”	50-300	60	20
ПН-6	В	10/12	7,0/9,2	Азот	100-350	250	75
ПН-14м	Г	6/8	5,0/6,0	Аргон	100-350	150	50
ПН-15	Г	5/6	3,5/4,5	“”	40-250	120	30
ПН-16	Г	8/8	5,0/6,0	Аргон + Азот	100-350	160	56
ПН-20	Д	4х6/8	5,3/8,1	Аргон	50-300	170	50
ПН-21	Д	4х5/8	3,7/6,2	“”	40-250	120	30
ПН-22	Д	4х5/6	2,1/4,5	“”	70-300	70	25
ПН-23	Е	8/10	5,2/7,4	Повітря	100-300	250	70

Плазмотрон ПН - 1 має сопло діаметром 7 мм. Довжина циліндричної частини каналу сопла в залежності від його номера змінюється від 15 до 30 мм. Основним в промисловості є сопло з довжиною дугового каналу 20 мм. Робоча вершина катода, виконаного з лантанованого вольфраму, має діаметр 6 мм. Катод, закладений в мідну обойму, встановлюється на відстані 3 см від вихідного зрізу сопла. Таке розташування катода забезпечує формування дуги довжиною близько 1,2 см при подачі аргону. Довжина дуги у плазмотронів, катод яких встановлюється біля входу в дуговий канал, складає 0,5 - 1,0 см. Підвищення потужності досягається при порівняно великому амперажі дуги (близько 400 - 500 А), що приводить до помітної ерозії електродів, нестабільності плазмового струменя і до невідновлюваності режиму напилення. Аналогічні результати отримані при експлуатації плазмотронів серійних установок типів УПУ і УМП.

Плазмотрон ПН-2 і всі описані нижче конструкції плазмотронів серії ПН (рис. 9.1,б) мають секціоновану міжелектродну вставку. У ньому встановлені дві секції вставки. Довжина дуги становить 2,2 см. Максимальний ампераж дуги невисокий (300 - 350 А), що забезпечує більш тривалу і стабільну експлуатацію плазмотронів при нанесенні емісійних і електроізоляційних покриттів. Катод виконаний з лантанованого або торованого вольфраму.

Плазмотрон ПН - 6 (рис. 9.1,в) використовується для нанесення переважно товстих покриттів і для формування виробів. Він працює на азоті, продуктивність по оксиду алюмінію складає близько , пористість 0 - 2 %.

Плазмотрон ПН -14м (рис. 9.1,г) служить для напилення щільних жаро-, зносо-, корозійно-стійких, теплозахисних, антифрикційних і інших покриттів. Він складається зі стержневого конусного катода, секціонованої міжелектродної вставки з шести секцій, які створюють дуговий канал, і ступінчастого сопла-анода. Газ подається з боку катода аксіально. Плазмотрон може працювати в ручному або механізованому режимах від джерел живлення з напруженням холостого ходу більше за 150 В.

Плазмотрон ПН-15 (рис. 9.1,г) призначений для нанесення металевих покриттів з міді, нікелю та інших металів на різні вироби електронної техніки. Характеризується високою стабільністю, надійністю і тривалим ресурсом роботи.

Плазмотрон ПН-16 (рис. 9.1,г) служить для напилення покриттів тугоплавких матеріалів з підвищеною продуктивністю процесу напилення. Працює переважно на суміші аргону з азотом.

Плазмотрон ПН-20 (рис. 9.1,д) підвищеної потужності для механізованого напилення тугоплавких матеріалів із збільшеною продуктивністю виконаний на основі плазмотронів ПН-14 і ПН-16. Конструкція його більш зручна з точки зору технології збирання та розбирання. Поліпшені конструкції катода і анода. Для підвищення стабільності горіння дуги дуговий канал зроблений конусоподібним.

Плазмотрон ПН-21 (рис. 9.1,д) є модифікацією плазмотрона ПН-15, виконаний на основі уніфікованих деталей плазмотрона ПН-20. Має круто вихідні вольтамперні характеристики (ВАХ), що дозволяє використовувати його в багатодугових системах для напилення.

Плазмотрон ПН-22 служить для напилення різних покриттів мілкодисперсними порошками. Створений на основі плазмотронів ПН-2, ПН-14м і ПН-20 з урахуванням досвіду нанесення емісійних электроізоляційних покриттів на деталі електровакуумних приладів. Плазмотрон ПН-23 призначений для напилення переважно оксидних покриттів. Як катод в ньому використовується цирконієва або гафнієва вставка, закладена в мідну обойму, а як анод - мідне сопло з уступом. Плазмовитікаючий газ - повітря, яке подається тангенсіально. Це економить аргон, але знижує КВМ (рис. 9.1, е).

Рис. 9.1. Типи плазмотронів

9.2. Методи введення порошку в плазмовий струмінь

Найбільш відповідальним елементом плазмового розпилювача є сопло. Саме конструкція сопла і характер закінчення струменя значною мірою впливають на тепловий ККД процесу нагріву матеріалу, що розпилюється.

У плазмотронах з самовстановлюваною дугою канал сопла гладкий і має невелику довжину (10 - 30 мм), а діаметр сопла , довжина дуги . У плазмотронних пальниках з фіксованою дугою застосовують секціонування сопла з міжелектродними вставками. Наявність вставок (3 - 10) дозволяє спочатку розтягнути дугу, а потім фіксувати активну пляму на виході з каналу. При цьому довжина дуги

Тривалість роботи сопла невелика: 10 - 50 год. Тому конструкція плазмотрона повинна забезпечувати легку і швидку його зміну. Сопла виготовляють з чистої міді з максимальним охолоджуванням водою (краще дистильованою). Катод виготовляють з торованого або лантанованого вольфраму , кут заточування катода становить 60^о, діаметр притуплення 2 - 3 мм.

Ефективність нагріву порошку в плазмовому розпилювачі і рівномірний розподіл його по плямі напилення залежить від схеми введення порошку в соплову частину розпилювача. (рис. 9.2 і 9.3).

Радіальний

вхід

порошка за

анодним

пятном дуги

Кільцевий

вхід

порошка

Радіальний

вхід

порошка з двох сторін

Вхід

порошка в при анодну область дуги

В циліндричний канал

В область аноду

За уступом

До уступа

Між катодом і анодом

Через отвір у катоді

У зовнішньої сторони катоду

Рис. 9.2. Схема вводу порошку в плазмовий розпилювач: I – газ; II – газ + порошок

КВП

КВП

η_u

η_u

Рис. 9.3. Вплив місця введення порошку на коефіцієнт його використання і ефективний ККД нагріву : 1 - до анодне введення; 2 - післяанодне введення в сопло; 3 - в плазмовий струмінь на зріз сопла; I - подача порошку; II - подача плазмоутворюючого газу

9.3. Системи збудження дуги в плазмотронних розпилювачах

Застосовують дві системи збудження: електричну і механічну. Електрична система належить до безконтактних.

За допомогою малопотужного високовольтного, високочастотного генератора, що називається осцилятором, здійснюється пробій газового проміжку між стержневим електродом і соплом. При цьому створюється початкова газопровідна область, що здатна забезпечити виникнення струму провідності основного розряду. На рис. 9.4 показані схеми підмикання осциляторів, що випускаються електротехнічною промисло-вістю. Для запобігання попаданню на джерела живлення дуги пробивного напруження передбачено захист у вигляді індуктивних ДР і ємкісних З опорів. При паралельному вмиканні (рис 9.4,а) після збудження дуги осцилятор вимикається за допомогою реле струму РТ. Осцилятор послідовного вмикання (рис. 9.4,б) дає менші радіозавади і не шунтує дугу. Паралельне вмикання осцилятора можливо на дугу будь-якої потужності.

Р ис. 9.4. Електричні схеми пристроїв для збудження дуги: а - осцилятор послідовного підмикання; б - осцилятор паралельного підмикання, в - багатоступінчаста схема збудження дуги; 1 - джерело живлення дуги; 2 - осцилятор, 3 - плазмовий розпилювач; 4 - блок управління

У плазмотронах з МЕВ застосовують багатоступінчасту схему збудження дуги (рис. 9.4, е). Реле часу С–К підімкнені до контактора К у певній послідовності. Спочатку спрацьовує контактор К1, збуджуючи початкову дугу. Далі спрацьовує контактор К2 з одночасним вимиканням контактора К1 і т.д. до останньої МЕВ, що вмикається контактором Кn і реле часу Сn - K.

Механічна система збудження пов'язана із замиканням дугового проміжку. Відомі різні способи замикання: безпосереднім дотиком елек-трода стінки сопла; плавкими металевими вставками в міжелектродний простір, подачею в дуговий проміжок додаткового електрода та ін. У плазмових розпилювачах, що випускаються, в основному застосовують безконтактну схему збудження.

Досить добре зарекомендували себе в роботі плазмотрони, що не належать до конкретних установок.

Плазмотрони типу М8 мають до анодну подачу порошку. При цьому досягаються високі значення КВП, навіть при використанні аргону. Плазмовий розпилювач, РП-3 характеризується можливістю подачі порошка як в дугову камеру, так і в плазмовий струмінь. Особливий інтерес виявляють плазмотрони з між електродними вставками, наприклад ПН-6 та ін. До вузько спеціалізованих плазмових розпилювачів належать конструкції, що дозволяють застосовувати як плазмоутворюючий газ - повітря в суміші з природними газами та інші середовища. У стадії вдосконалення знаходяться двоструменеві плазмові розпилювачі, що дозволяють здійснювати осьову подачу дроту або порошку.

Готується до випуску нове покоління плазмових розпилювачів. У них передбачається змінна конструкція електродного і соплових пристроїв для різних умов напилення.

На рис. 9.5 показано зовнішній вигляд найбільш поширених плазмових розпилювачів. Габарити плазмових розпилювачів, їхня надійність і довговічність залежить від умов охолоджування. Звичайно застосовують водяне охолоджування під тиском 0,3 - 0,5 МПа. Найбільш переваж-но є охолоджування очищеною водою (краще дистильованою) по замкненому циклу. Допускається використання технічної води з жорсткістю 4,5 (мг • екв)/л.

Рис. 9.5. Зовнішній вигляд плазмових розпилювачів

У табл. 9.2 наведені технічні характеристики найбільш поширених плазмотронів, створених в останні роки.

Таблиця. 9.2

Технічні характеристики нових плазмових розпилювачів

Характеристика	ПП-25(УПУ-ЗД)	УПУ-8М	ПУН - 3 (УМП - 7)	Київ – 7
Потужність дуги	25	40	39	-------
Струм дуги	400	700	250	100
Рід плазмо – утворюючих газів	Ar , N2 , Ar + N2, Ar + H2	Ar , N2 , Ar + N2, Ar + H2	N2	Повітря, природний газ
Витрата плазмо- утворюючих газів	0,9-6,0	0,3-2,0	<5.0	Те ж саме
Продуктивність напилення	2,0-4,0	5-10	5-12	10-25
Тиск охолоджуючої води	0,4	0,35	0.35	-------
Витрата охолоджуючої води	0,45-0,60	1,44	0.21	-------
Маса	0,5	1,1	1.9	2.0