книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

ГОРЕЛКИ (ПЛАЗМОТРОНЫ) ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Рис. 10. Факторы, влияющие на конструкцию плазменной горелки

выше теплоемкости воздуха и других газов, поэтому наиболее эффективной и распространенной является водяная система ох­ лаждения. При водяном охлаждении допускаются высокие тепловые нагрузки на электрод и сопло, т.е. обеспечивается на­ дежная работа при больших токах и высокой степени обжатия столба дуги. Известная формула расчета отводимой тепловой мощности при водяном охлаждении имеет вид

NB= cSA7\

где N a - отводимая мощность, Вт; с - теплоемкость воды,

Дж/кг-град (4190); S - расход воды, кг/с; АТ - разность темпе­ ратур на выходе и входе в соответствующий элемент плазмотрона, °С, &Т = Т,их- Т ы .

Эта формула позволяет оценить предельную мощность плазмотрона в зависимости от расхода воды. Учитывая, что в плазмотрон отводится порядка 25-40 % мощности сжатой ду­ ги, для обеспечения работоспособности плазмотрона на токах 500-600 А, теоретически достаточно небольшого расхода воды (1,5-2 л/мин) при АТ = 40 °С. Известные конструкции плазмо­ тронов такой мощности требуют расхода воды от 10 л/мин и более и отличаются сложностью системы охлаждения, значи­ тельными габаритами и массой. Чистота воды существенно влия­ ет на эффективность охлаждения. Для установок большой мощ­ ности целесообразно использовать автономную замкнутую сис­ тему охлаждения с дистиллированной водой во избежание обра­ зования накипи.

Системы газового охлаждения, ввиду низкой эффективно­ сти, применяются реже, главным образом для охлаждения ма­ ломощных плазменных горелок и ручных плазменных резаков для воздушной резки.

Плазмотроны можно классифицировать по способу стаби­ лизации дуги (см. рис. 11, поз. 5-9). Система стабилизации обес­ печивает сжатие столба дуги и строгую ориентацию его по оси электрода и сопла плазмотрона и является одним из важнейших элементов плазмотрона. Существует три вида стабилизации ду­ ги: газовая, водяная и магнитная. Наиболее простой и распро­ страненной является газовая стабилизация, при которой наруж-

24

ный, холодный слой рабочего плазмообразующего газа, омывая стенки столба дуги, охлаждает и сжимает его. При этом, в зави­ симости от способа подачи газа, газовая стабилизация может быть аксиальной или вихревой (см. рис. 11, поз. 5, 6). Наиболь­ шее обжатие дуги достигается при вихревой стабилизации, по­ этому этот способ чаще используется в плазмотронах для резки и напыления. При аксиальной стабилизации поток газа, обду­ вающий столб дуги, имеет более спокойный, ламинарный ха­ рактер, что обеспечивает лучшие условия защиты нагреваемого изделия от воздействия окружающей среды. Такую стабилиза­ цию предпочтительней использовать для сварки и наплавки. В ряде случаев используют двойную стабилизацию дуги, при которой сочетается аксиальная подача газа через первичное сопло и вихревая подача через вторичное сопло, и наоборот (см. рис. И , поз. 7).

При водяной стабилизации можно достичь наиболее высо­ кой степени сжатия и температуры столба дуги (до 50 00070 000 К). Однако присутствие паров воды вблизи катодной области приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов. Поэтому в плазмотронах с водяной стаби­ лизацией (например для резки) чаще используют графитовый электрод, автоматически перемещаемый по мере его сгорания (см. рис. 11, поз. 8).

Магнитная стабилизация (см. рис. 11, поз. 9), 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 дуги, не­ зависимо от расхода рабочего газа. На практике наложение про­ дольного магнитного поля применяется не столько для стабили­ зации дуги, сколько для вращения ее анодного пятна по внут­ ренним стенкам сопла, при работе в режиме косвенной дуги, с целью повышения стойкости последнего, например, в плазмо­ тронах, применяемых для напыления.

По виду электрода-катода плазмотроны постоянного тока можно разделить на плазмотроны со стержневым и распреде­ ленным катодом (см. рис. 11, поз. 10-15). В плазмотронах

25

со стержневым катодом катодное пятно фиксируется на торце электрода, а в плазмотронах с расщепленным катодом - интен­ сивно перемещается с помощью газовихревого или магнитного вращения по развитой поверхности электрода.

Стержневые катоды могут быть трех видов: расходуемые, газозащитные и пленкозащитные (см. рис. 11, поз. 10-12). Рас­ ходуемый, чаще всего графитовый, электрод несмотря на высо­ кую температуру плавления имеет повышенный расход из-за возгонки вблизи температуры плавления. Газозащитный вольф­ рамовый 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 цирко­ ния или гафния, который запрессован в медную обойму. Высо­ кая термостойкость таких электродов обусловлена образованием стойкой тугоплавкой пленки из оксидов и нитридов, защищаю­ щей чистый металл от испарения. Активная вставка расходуется главным образом при включении дуги, вследствие разрушения пленки от термоудара. При использовании циркониевого элек­ трода допускается большая плотность тока (80... 100 А/мм2), чем при использовании вольфрамового электрода.

При работе плазмотрона с окислительной плазмообразую­ щей средой на больших токах (1000 А и более) применяются разнообразные виды распределенных катодов, наиболее распро­ страненными из которых являются полый, дисковый и кольце­ вой (см. рис. 11, поз. 13-15). Недостатками распределенных ка­ тодов являются сложность их конструкции, трудность равно­ мерного перемещения катодного пятна по всей поверхности электрода, низкая стабильность горения дуги, рост напряжения прикатодной области дуги и связанное с этим увеличение по­ терь мощности в электроде.

Плазмотроны различаются по используемой плазмообра­ зующей среде (см. рис. 11, поз. 16-18). Состав плазмообразую­ щей среды диктуется технологическим процессом и, в свою

26

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, восстано­ вительные и окислительные.

По роду тока плазмотроны отличаются большим разнооб­ разием (см. рис. 11, поз. 19-26). Подавляющее большинство плазмотронов выполняются для работы на постоянном токе прямой полярности. Это объясняется тем, что на аноде дуги вы­ деляется 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 вольф­ рамовый электрод на переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности, при использовании постоянного тока в де­ сять 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 нуль 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, рекомен­ дуется применять для сварки алюминиевых сплавов, т.к. в пе­ риоды обратной полярности происходит разрушение тугоплав­ кой оксидной пленки, препятствующей качественному форми­ рованию сварного шва. Существует несколько схем плазмотро­ нов переменного тока. На рис. 11 (поз. 20) представлены плаз­ мотроны, питание которых происходит от однофазного трансформатора. При вентильной схеме коммутации тока (см. рис. 11, поз. 21) электрод плазмотрона 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

27

150 А) нарушается стабильность горения дуги. Стабильность горения дуги обеспечивается при трехфазной схеме питания плазмотрона (рис. 11, поз. 22), но электроды и сопло находятся в сравнительно тяжелых условиях работы, и значительно ус­ ложняется конструкция плазмотрона. В ряде случаев для повы­ шения стабильности горения дуги переменного тока плазмотро­ ны выполняют комбинированными (рис. 11, поз. 23, 24).

Наряду с дуговыми плазмотронами, работающими на токе промышленной частоты, были разработаны высокочастотные (ВЧ) (рис. 11, поз. 25) и сверхвысокочастотные (СВЧ) (рис. 11, поз. 26) плазмотроны. Принцип работы высокочастотного ин­ дуктивного или безэлектродного плазмотрона заключается в нагреве газа до состояния плазмы в электромагнитном поле индуктора (рис. 11, поз. 25). Для этого в полость индуктора, пи­ таемого 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 кратковре­ менно вводится графитовый или металлический пруток. По­ следний 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 то­ ками, создаваемыми полем индуктора. После развития само­ стоятельного кольцевого разряда пруток удаляется из полости трубки. Продуваемый через трубку газ, проходя через кольцевой разряд, нагревается и истекает в виде плазменной струи, темпе­ ратура которой достигает 15 000-20 000 К, а скорость истечения в десятки раз меньше скорости истечения плазменной струи ду­ говых плазмотронов. Оборудование для высокочастотной плаз­ мы дорогое и имеет ограниченную мощность, поэтому ВЧплазма находит применение в специальных технологиях.

В сверхвысокочастотных плазмотронах (СВЧ) газ также на­ гревается электромагнитным полем, создаваемым электродом излучателем (см. рис. 11, поз. 26). СВЧ-плазма возникает у элек­ трода при остроконечной его форме и высокой напряженности поля вблизи него. В высоковольтном и сверхвысокочастотном электрическом поле свободные электроны ускоряются и приоб­

28

ретают такую кинетическую энергию, что при столкновении с частицами газа вызывают их диссоциацию и ионизацию. Элек­ трод плазмотрона подключен к магнетронному генератору час­ тотой с 2000-3000 МГц и мощностью 2-5 кВт. Плазменный фа­ кел СВЧ-плазмотрона интересен тем, что в нем нет термическо­ го равновесия. Температура электронов на порядок выше темпе­ ратуры ионов и свободных атомов. Например, при температуре факела, равной 3500 К, электронная температура достигает 35 000 К. Высокая температура электронов позволяет произво­ дить химические реакции синтеза некоторых специальных материалов.

2.2.Конструкции узлов плазмотрона

Основными узлами плазмотронов являются электродный (катоды, аноды), сопловой, изолятор, система подачи плазмооб­ разующего газа.

Катоды. Основная характеристика материала катода - эмис­ сионные свойства, которые определяются работой выхода элек­ тронов. Чем выше эмиссионные свойства материала катода (чем меньше работа выхода), тем лучше решаются задачи стабилиза­ ции дуги и охлаждения катода. Для инертных плазмообразующих газов наилучшим материалом катодов является вольфрам, леги­ рованный окислами лантана и иттрия (марки ВЛ и СВИ).

Существует две конструкции катодов из вольфрама: в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закреплен­ ным в электродном узле плазмотрона (рис. 12, а), и в виде мед­ ной державки с заделанным в нее стержнем вольфрама, которая закреплена в электродном узле. Последняя конструкция менее удобна, но обеспечивает более высокие плотности тока на като­ де (рис. 12, б).

Рис. 12. Конструкции катодов плазмотронов

29

Катодная вставка может закрепляться в цельном корпусе (рис. 12, б) и сменных медных наконечниках, соединяемых с корпусом электрододержателя конусной посадкой или резьбой (рис. 12, в). Конструкции, представленные на рис. 12, в, г, д, харак­ терны для катодов с активной вставкой (цирконий, гафний), пред­ назначенных для работы в кислородсодержащих средах. Вставка соединяется с наконечником различными способами: пайкой, диффузионной сваркой, запрессовкой, совместной холодной штамповкой активной вставки с медной державкой и др.

Аноды. Как отмечалось выше, 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 об­ ратной полярности должно быть в 9 раз больше, чем на прямой полярности. Для снижения плотности теплового потока в анод необходимо рассредоточить разряд по поверхности анода. Экс­ перименты, проводимые с вольфрамовыми электродами различ­

недостаточной теплопроводностью вольфрама.

Рис. 13. Конструкции электродов-анодов из вольфрама

30