 |
Плазменные технологические процессы
|
|
|
|
Плазменная технология – молодая отрасль промышленности, интенсивное развитие которой началось в 50-х годах двадцатого столетия в связи с развитием космической техники. С использованием плазменной технологии созданы новые материалы, обладающие высокими технологическими свойствами (огнеупорностью, твердостью, прочностью), и аппаратура для эффективной обработки высокопрочных материалов. Плазменная сварка и резка находят широкое применение в судостроении, на предприятиях тяжелого и атомного машиностроения, химической и электротехнической промышленности.
Плазменная сварка обеспечивает соединение деталей из меди, латуни, бронзы, алюминия и его сплавов. Плазменная наплавка и напыление обеспечивают покрытие деталей износостойким, жаропрочным и антикоррозионным составом с минимальным перемешиванием присадочного и основного металлов.
Важным направлением использования плазменных потоков является вакуумная плазменная технология с использованием электромагнитных ускорителей. В облако плазмы в вакууме помещают деталь, которой сообщают отрицательный потенциал. Тогда, положительные ионы вытягиваются из объема плазмы, ускоряются электрическим полем и поступают к детали. В такой системе удается получить потоки частиц со скоростью до сотни километров в секунду и энергией до десятков тысяч электрон-вольт. Это позволяет проводить технологические процессы, основанные на конденсации атомарных частиц, на поверхности, испарение поверхности металлов, внедрение атомов в глубь кристаллической решетки, имплантацию ионов нужного вида.
В вакуумных плазменных установках может быть получена плазма всех известных металлов, сплавов, органических и неорганических веществ. При этом плазмы различных веществ могут вступать в интенсивное химическое взаимодействие, которое невозможно в других условиях.
|
|
|
Методом плазменной технологии в вакууме могут быть успешно решены следующие наиболее актуальные задачи:
1. Получение особо чистых слоев материалов, обладающих специальными свойствами и выполняющих активные функции (магнитные, оптические, эмиссионные, сверхпроводящие и другие слои).
2. Защита элементов конструкций барьерными слоями от воздействия агрессивных сред, больших скоростей газовых потоков, высоких температур.
3. Изменение структурно-энергетического состояния поверхности материалов (упрочнение поверхности, ионное легирование полупроводников и др.).
4. Получение материалов в виде многослойных структур, обладающих высокими механическими и эксплуатационными свойствами.
5. Получение пленочных монокристаллических структур.
Для получения плазмы используются плазмотроны с принципиальными различными схемами. Плазмохимические реакции могут осуществляться двумя способами: подача всех компонентов плазмы в зону электрического разряда с прохождением тока его через реагирующую плазму и подача реагентов в струю плазмы вне зоны разряда. В первом случае плазмотрон совмещается с реакционным объемом – реактором, во втором применяются плазмоструйные реакторы, представляющие собой цилиндрический охлаждаемый сосуд, где происходит смешение плазменного потока с вводимым материалом.
Закалка и охлаждение продуктов реакции производятся путём дополнительного введения в плазму вне зоны разряда дополнительного количества какого-либо газа или жидкости, а также охлаждаемых экранов-теплообменников.
Плазму получают: взрывом проводника в электрической цепи; электрической искрой; высокочастотным факельным разрядом; коронирующим разрядом; дуговым разрядом.
|
|
|
Для технологических целей наиболее приемлемыми оказались способы получения плазмы с помощью высокочастотного и дугового разрядов. Дуговой способ получения плазмы имеет следующие преимущества:
возможность получения плазмы в течение длительного времени с высоким коэффициентом полезного действия из твердых, жидких и газообразных сред любого химического состава;
возможность получения плазмы в вакууме и при высоких давлениях;
возможность использования стандартных источников электрического питания.
Для получения плазмы в плазмотронах используют газы, т.е. плазмообразующуюся среду. Она может быть одно - и многокомпонентной. В качестве однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот, водород. Подбором состава многокомпонентной плазмообразующей среды в плазменно-технологическом реакторе можно получить любую атмосферу: окислительную, восстановительную или нейтральную.
Генератор низкотемпературной плазмы, или плазмотрон. Это электротехническое устройство, в котором происходит нагрев плазмообразующей среды электрическим разрядом. Основными компонентами дуговых плазмотронов являются: электроды; разрядная камера, вмещающая их или совмещенная с электродом и формирующая поток плазмы; система управления дуговым разрядом. Различные варианты конструктивного выполнения этих компонентов и различные их комбинации обусловили большое количество принципиальных схем плазмотронов.
Для обеспечения длительного ресурса работы электродных систем дуговых плазмотронов применяют электроды из тугоплавких материалов (С, Mo, W, Zr, Нf) либо перемещают активные пятна дуги для распределения теплового потока на большую площадь электрода, выполненного из меди и охлаждаемого водой. Поэтому тугоплавкие электроды изготавливают в виде стержней или цилиндров малых размеров, запрессованных или вваренных в медные электрододержатели. Легкоплавкие электроды из меди (стали) выполняются в виде цилиндров или торов, по внутренней (или боковой для тора) поверхности которых перемещается активное пятно электрической дуги.
Стабилизация электрической дуги в плазмотроне осуществляется водо-охлаждаемыми стенками и вихревым потоком газа или жидкости. В плазмотроне (рис.2.20) дуговой разряд горит между электродами отрицательным (–) и положительным (+), разделенными водоохлаждаемой стенкой, состоящей из ряда медных секций 2, разделенными изоляционными прокладками 1. Благодаря охлаждению около стенки образуется слой холодного газа с относительно низкой электропроводностью, поэтому дуга 3 занимает лишь часть сечения канала, чем достигается принудительное увеличение плотности тока в столбе и значительный рост температуры плазмы 5. Если длинный канал не имеет секций, то проходящий через него газ нагревается и теряет диэлектрическую прочность. При этом происходит пробой слоя нагретого газа между столбом дуги и водоохлаждаемой стенкой. Это явление получило название шунтирование дуги стенкой. Процесс шунтирования влияет на работу плазмотрона, в частности он формирует падающую ВАХ дуги, ограничивает температуру плазмотрона и снижает его КПД.
|
|
|
Рис. 2.20. Схема плазмотрона со стабилизацией дуги стенкой: А – переходный участок; Б – установившийся участок столба дуги; 1 – тепло- и электроизолятор; 2 – медная секция; 3 – дуга; 4 – охлаждение; 5 – плазма
Стабилизация дуги вихревым потоком газа (рис.2.21) происходит следующим образом.
Рис. 2.21. Плазмотрон с газовихревой стабилизацией дуги
Газ, подаваемый через тангенциальные отверстия 6 в вихревую камеру 1, создает в канале плазмотрона вихревой поток, по оси которого между электродами 2 и 4 горит электрическая дуга 3. Вследствие интенсивных процессов теплообмена газ нагревается и плазма в виде струи истекает из сопла через положительный электрод 4. В вихревой камере 1 и канале электрод 4 существует градиент плотности газа, поскольку основная часть его движется в пристенной области. В результате этого столб дуги вытесняется на ось электрода. Стабилизирующее действие газового вихря сохраняется до тех пор, пока не произойдет прогрев всего газа и появится заметная проводимость, либо пока не произойдет угасание тангенциальной составляющей скорости газового потока. Под действием тангенциальной составляющей скорости газового потока активное пятно дуги в выходном электроде перемещается по поверхности канала и сносится вниз по потоку осевой компонентной скорости. Этим обеспечивается долговечность трубчатых электродов. Среднемассовая температура плазмы при работе на азоте и воздухе в таких плазмотронах не превышает 5×103 К. Коэффициент полезного действия 
(где ∆H – разность энтальпий нагретого и холодного газа; G-секундный расход газа; 
– электрическая мощность плазамотрона) достигает 0,75-0,85. Более совершенными являются плазмотроны с секционированным электродом и распределенной между секциями подачей плазмообразующего газа, что позволяет значительно поднять напряжение на дуге.
|
|
|
Уменьшение эрозии электродов в плазмотронах с вихревой стабилизацией достигают путем наложения на радиальные участки дуги осевого магнитного поля. В плазмотроне с поперечно-обдуваемыми дугами и коаксиальным расположение электродов управление характеристиками дугового разряда производится осевым магнитным полем, в котором движется столб дугового разряда, как проводник с током.
В плазмотроне с магнитной стабилизацией дуга 4 горит между электродами 1 и 2 (рис.2.22). Магнитное поле создается соленоидом 3. Газ проходит между электродами, интенсивно нагревается в межэлектродном зазоре электрической дутой и выходит в виде высокотемпературной струи 5 через сопло 8.
Рис.2.22. Схема плазматрона с магнитной стабилизации дуги: 1 – центральный электрод; 2 – внешний электрод; 3 – соленоид; 4 – столб дуги; 5 – струя плазмы; 6 – подвод газа; 7 – изолятор; 8 - сопло
Пространственное положение дуги в таких плазмотронах определяется тремя факторами: геометрическим положением центрального электрода, аэродинамическими силами и формой магнитного поля. Дуга удерживается вблизи середины оси магнитной катушки и под действием набегающего потока сносится в сторону его течения.
Скорость вращения дуги пропорциональна току разряда и напряженности магнитного поля. При изготовлении центрального электрода из тугоплавкого материала КПД плазматрона составляет 0,53-0,76 и зависит преимущественно от потерь в цилиндрическом электроде.
В плазменной технологии получили применение трехфазные плазмотроны, которые представляют собой комбинации из трех однофазных.
По конструктивным особенностям различают одно- и многоканальные трехфазные плазмотроны. В случае однокамерных плазмотронов все три горят в одном объеме. Устойчивость дугового разряда обеспечивается применением тугоплавких электродов, сохраняющих высокую эмиссионную способность при перемене полярности тока.
|
|
|
В трехфазном однокамерном плазмотроне со стержневыми электродами трехфазная дуга зажигается между ними и продольным дутьем газа вытягивается вдоль камеры. Тангенциальная подача газа в камеру способствует стабилизации электрической дуги и защите стенок плазмотрона от ее непосредственного взаимодействия.
Все плазмотроны переменного тока имеют падающие ВАХ. Кроме рассмотренных в практике нашли применение плазмотроны, для питания которых одновременно используется постоянный и переменный токи, а также переменный ток промышленной и высокой частоты. Регулирование мощности в плазмотронах осуществляется изменением сопротивления в цепи питания (регулируемые дроссели), напряжением источника питания.
Энергетические и вольтамперные характеристики плазмотронов зависят от многих взаимосвязанных параметров, они являются нелинейными, поэтому теоретическое их исследование затруднено и плазмотроны разрабатываются по целевому назначению.
Высокочастотные плазмотроны (рис.2.23) подразделяются: на индукционные (а), ёмкостные (б), факельные (в), сверхвысокочастотные (г).
Рис.2.23. Схемы высокочастотных плазмотронов
Высокочастотные плазмотроны включают в себя электромагнитную катушку-индуктор 4 или электроды 6,8, подключенные к источнику высокочастотного напряжения 1, разрядную камеру 3, узел ввода нагреваемого газа.
В высокочастотном индукционном плазмотроне (рис.2.23,а) газ нагревается вихревыми токами, как при индукционном натрете проводящей среды в переменном электромагнитном поле индуктора при частоте от 6,3 до 20 МГц. В начале процесса для образования проводящей среды в зоне индуктора создается область высокотемпературного проводящего газа с помощью постороннего источника (например, дуговой разряд). Этот процесс называют зажиганием. После зажигания в камере возникает самоподдерживающийся стационарный безэлектродный разряд 2. Глубина проникновения (δ, см) вихревых токов в плазму определяется по формуле:
где ρ – удельное сопротивление плазмы; f – частота, Гц; μ – магнитная проницаемость, для плазмы μ = 1.
Удельное сопротивление аргона, азота и водорода при 15000 К равно соответственно 0,01,0,025 н 0,1 Ом×см.
Продувая через разрядную камеру, на выходе из нее получают струю плазмы 5 с температурой (7,5-15)×103 К со скоростью 10-60 
Высокочастотные ёмкостные плазмотроны (рис. 2.23, б) имеют высоковольтный 6 и заземленный 8 электроды, между которыми возникнет высокочастотное поле. Электроны, находящиеся в газе, получают энергию от высокочастотного электрического поля и при столкновениях обмениваются ею с нейтральными частицами, повышая тем самым температуру газа.
В высокочастотных факельных плазмотронах (рис. 2.23, в) при давлении, близком к атмосферному, факельный разряд имеет форму пламени свечи. Наиболее легко факельный разряд возникает на электродах с большой кривизной поверхности (на остриях и т.д.) при частотах электрического поля порядка 10МГц и выше, В сверхвысокочастотных плазмотронах (рис.2.23, г) энергия источника питания в зону разряда подается по волноводу 7.
Высокочастотные плазмотроны имеют широкие перспективы применения в химической и металлургической промышленности благодаря большому ресурсу работы (2-3 месяца без замены деталей), возможности получения чистой плазмы агрессивных газов, таких, как хлор, кислород и др., т.е. без засорения продуктами разрушения электродов. Однако пока они имеют более низкий, чем дуговые плазмотроны, энергетический КПД и сложные источники питания.
К энергетическим характеристикам плазмотронов относятся зависимости параметров дуги от условий работы: вида плазмообразующего газа, давления, геометрических размеров электродов, напряженности управляющего магнитного поля, материала электродов, их температуры и эмиссионной способности, скорости разрушения. Одновременный учёт всех этих факторов не представляется возможным, поэтому для расчётов ВАХ разряда и определения некоторых размеров электродов пользуются эмпирическими зависимостями, получаемыми в результате критериального обобщения многочисленных экспериментальных данных.
Мощность плазмотронов определяется соотношением тока дуги и напряжением: P = I×U = I×E×ℓд, которое, в свою очередь, определяется длиной дуги ℓд и напряженностью электрического поля Е. Мощность, выделяющаяся в электродах, зависит от тока дуги и материала электрода. Так как электроды плазмотронов должны иметь длительный срок работы, а скорость их разрушения прямо пропорциональна току дуги, то при определении параметров разряда ориентируются на минимальные токи и максимальные напряжения, обеспечивающие заданную температуру плазмы и необходимую мощность дуге при заданных габаритных размерах электродов.
Напряженность электрического поля Е дуги зависит от рода газа, давления и скорости обдува. Для плазмотронов в этой зависимости появляется дополнительный фактор - температура окружающего газа. В плазмотронах с продольным обдувом напряженность поля дуги имеет максимальное значение вблизи зоны подачи газа и постепенно уменьшается в направлении истечения плазмы. Значение Е для дуги, обдуваемой осевым потоком аргона при токах 100-300 А и расходе его 0,25-1,23 
составляет 4,5-14,0 В, уменьшаясь при росте тока и снижении расхода газа. Поэтому для получения необходимой мощности выходной электрод должен иметь необходимые длину и диаметр канала для размещения в нем электрической дуги длиной ℓд, как правило, длину электрода выбирают несколько большей, чем длина дуги, для предотвращения выхода ее на торец электрода в неуправляемую зону. При конструировании плазменных технологических аппаратов следует учитывать, что напряженность электрического поля дуги растет с увеличением рабочего давленая.
Выбор схемы источников питания плазмотронов основан на анализе устойчивости дуги, находящейся в интенсивном потеке газа при наличии внешних магнитных полей. Из теории "малого возмущения" условия устойчивости дуги имеет вид
где Uист – статическое напряжение источника питания; Uд – статическое напряжение дуги.
Для устойчивой работы плазмотрона с падающей ВАХ необходимо иметь крутопадающую внешнюю характеристику источника питания. Это требование усиливается необходимостью строгого поддержания заданной мощности в технологическом процессе, что требует жесткой стабилизации тока.
Поэтому, для питания плазмотронов применяют следующее типы источников питания с крутопадающей ВАХ:
1 – источники на базе управляемого выпрямителя с автоматической стабилизацией тока;
2 – установки с дросселями насыщения и магнитоуправляемыми трансформаторами;
3 – параметрические источники тока, работающие на принципе резонанса напряжения в трёхфазных электрических цепях.
Источники первого типа изготавливают индивидуально к каждой плазменной технологической установке, содержащей мощные высоковольтные плазмотроны; они включаются в общую схему автоматического управления технологическим процессом. Источники второго и третьего типов стандартные и применяются для питания низковольтных плазмотронов, используемых в технологических процессах плазменного напыления, наплавки, резки, сварки, переплава металла и другие. Нелинейный характер ВАХ дуги приводит к возникновению высокочастотных колебаний, которые могут проникать в питающую сеть и отрицательно влиять на работу других потребителей. Поэтому для создания источников питания первого типа применяется схема со сглаживающим дросселем в цепи дуги. Сглаживающий дроссель в цепи дуга в значительной степени сужает частотный спектр возмущений, влияющих на электрическую схему в целом. Для этой системы характерными являются следующие параметры:
постоянная времени автоматического стабилизатора тока
постоянная времени цепи дуга - нагрузка
запас напряжения источника
статическое отклонение тока от номинального – не более 3 %; длительность отклонения – не более 15 мс.
Зажигание дуги в плазмотронах производится путем пробоя межэлектродного промежутка осциллятором.
Плазменные плавильные установки. Существует два основных направления применения плазмы в металлургии:
1. Интенсификация известных процессов плавки с помощью плазменного подогрева или замены в металлургических агрегатах прежних источников теплоты плазменными;
2. Создание принципиально новых металлургических агрегатов, а также плазмотехнологических процессов.
Плавка плазменной дутой в плазменных печах аналогична вакуумно-дуговой плавке с нерасходуемым вольфрамовым электродом. Однако плазменная дуга имеет существенные преимущества перед вакуумной дугой: лучшая жесткость и стабильность дуги, большая длина дуги, предохранение металла и вольфрамового электрода от загрязнений, более высокое напряжение и мощность.
Состав плазменной струи может задаваться по-разному, что позволяет поддерживать в печи практически любую атмосферу. Поскольку парциальное давление кислорода, водорода и азота плазменной печи, работающей на инертном газе, невелики, то условия дегазации жидкого металла в плазменно-дуговых печах приближаются к условиям дегазации в вакуумных печах, оборудованных сложными и дорогостоящими вакуумными системами.
В отличие от вакуумной, индукционной, дуговой и электронной плавки при плавке в плазменно-дуговых печах наблюдается меньшее испарение редких компонентов расплава, а применение плазмотронов позволяет получить высокие легко регулируемые температуры и решить проблему стабилизации и регулирования параметров процесса. Плазменные и дуговые печи могут быть двух типов: плавильная печь с огнеупорной футеровкой и печь для переплава с водоохлаждаемым кристаллизатором (глухим или вытягиванием слитка). При выплавке металла в плазменной дуговой печи с огнеупорной футеровкой (рис.2.24) форма печи и материал огнеупорной футеровки идентичны форме и материалу обычной дуговой печи.
Рис.2.24. Схема плазменной печи с керамическим тиглем: а – с одним плазмотроном в своде; б – с плазмотронами, установленными в стенках:
1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – свод; 4 – плазмотрон; 5 – подовый электрод;
6 - переплавляемый металл
Водоохлаждаемый медный анод – подовый электрод 5 – монтируется заподлицо с подиной и контактирует с переплавляемым металлом 6.
Камера печи, из которой выкачен воздух, заполняется вытекающим из плазмотрона 4 газом, и после достижения определенного давления начинается процесс плавки.
Плазменная дута вначале процесса плавки проплавляет в шихте узкий канал и стекающий вниз жидкий металл скапливается в подине ванны, после чего расплавляется весь металл. Дегазация и рафинирование металла особенно интенсивно происходят на поверхности ванны в месте контакта жидкого металла 6 с высокотемпературной струёй плазменного потока. Для плавки применяют плазмотроны постоянного и переменного токов различных мощностей. Промышленные печи емкостью 5, 10, 30 т оснащены плазмотронами постоянного тока, работающие на токе прямой полярности. При запуске печи первичная дуга зажигается осциллятором между катодом и расплавом в потоке плазмы. Длина дуга, напряжение на ней определяется размерами и конструкцией печи.
При плазменно-дуговом переплаве с целью получения особо чистых металлов используют плазменно-дуговые печи с кристаллизаторами (рис 2.25). Переплавляемый металл в виде штанги 6 с сечениями любой формы подается с постоянной скоростью и оплавляется одной или несколькими плазменными дугами. Анодом в этом случае является поверхность ванны жидкого металла в кристаллизаторе. Стекающий со штанги металл прогревается плазменной струей и растекается по поверхности ванны. В контакте с газовой атмосферой металл рафинируется и затем затвердевает и вытягивается в виде слитка. Рабочее давление в этих печах может изменяться от избыточного (1-3)×105 Па до пониженного 1-10 Па. По сравнению с печами других типов плазменные печи обладают рядом преимуществ: гладкая поверхность закристаллизовавшего слитка; незначительная потеря металлом легирующих компонентов (Сг, Al, Ti, Mn, Si и др.) возможность легирования металла газообразным азотом; гибкая связь между мощностью дуги и скоростью плавления слитка, позволяющая регулировать время пребывания металле в жидком состоянии.
Рис.2.25. Схема печи для плавки в кристаллизаторе: 1 – слиток; 2 – кристаллизатор; 3 – плазмотрон; 4 – корпус печи; 5 – механизм подачи и вращения заготовки; 6 – переплавляемая заготовка; 7 – источник питания; 8 – механизм вытягивания слитка
Недостатками этих печей является большая сложность и стоимость эксплуатации.
Плазменная резка и сварка. Плазменная резка осуществляется путем выплавления и испарения металла в полости реза за счет энергии, выделяющейся в активном пятне дуги и вносимой струей плазмы. Режущая способность дуговой плазмы определяется соотношением
(2.22)
где v – скорость резки; δ – толщина металла; I, U – ток и напряжение дуги; η – тепловой КПД; γ – плотность металла; b – ширена реза; S – энтальпия расплавленного металла.
Энергетический баланс складывается из энергии дуги, химических реакций плазмы с металлом и расхода энергии на расплавление, перегрев, испарение металла в полости реза, теплопередачу в твердый металл и унос с отработавшим потоком плазмы.
Процесс плазменной резки целесообразно вести с максимальной мощностью и максимальной скоростью. Это условие выполняется при выборе величин тока и напряжения, рода плазмообразующего газа, конструкции плазмотрона. Ширина реза, определяющая экономичность процесса, связана с диаметром сопла плазмотрона, током дуги и скоростью перемещения плазмотрона, (скоростью резки).
При оптимальном соотношении между толщиной металла, мощностью дуги, диаметром сопла и скоростью резки струя плазмы погружается на всю толщину металла, а анодная область дуги располагается вблизи нижней кpoмки реза. Уменьшение мощности дуги и увеличение скорости резки ведет к сужению полости реза. Чрезмерное увеличение мощности и снижение скорости перемещения плазмотрона приводит к увеличению ширины реза, особенно в нижней его части, и перегреву всего разрезаемого металла. При правильно подобранном режиме резки зона термического влияния не превышает нескольких далей миллиметра. Коэффициент полезного действия при плазменной резке возрастает с повышением мощности дуги и скорости движения плазмотрона, достигая при этом 80-90 %. Для увеличения мощности струи плазмы в пределах заданного тока дуги целесообразно принять меры по повышению линейного градиента потенциала столба дуги, благодаря применения высокоэнтальпийных плазмообразующих газов (азота, водорода, воздуха, углекислого газа, паров воды и др.) и интенсивному сжатию столба дуги соплом плазмотрона.
Плазмотрон для резки (рис.2.26) с газовой стабилизацией дуги имеет стержневой вольфрамовый или циркониевый электрод 3 соосно расположенный в полости сопла 3. Стабилизирующий газ подаётся между ними и обеспечивает проникновение плазмы в глубину металла.
Рис.2.26. Схема резки металла плазменной дугой прямого (а) и косвенного действия (б): 1 – струя плазмы; 2 – дуга; 3 – катод; 4 – разрезаемый металл; 5 – сопротивление, ограничивающее ток дежурной дуги; 6 –система водяного охлаждения сопла; 7 – разрядная камера; 8 - источник питания
При зажигании дуги 2 сначала включается система охлаждения сопла 6 и электрода, затем зажигается дежурная дуга, ток которой ограничен резистором 5. Плазмообразующий газ вытесняет факел дежурной дуги из канала плазмотрона 1 до соприкосновения с разрезаемым металлом 4 и возникает цепь силовой плазменной дуги, начинается интенсивный процесс резания. При случайных погасаниях режущей дуги дежурная дуга восстанавливает процесс. При резке металла малых толщин применяется плазменная струя без включения металла в цепь тока (рис.2.26, б). Для плазменной резки источники питания должны иметь вертикальные (штыковые) или крутопадающие ВАХ.
Высокая мощность плазмотрона и динамическое воздействие плазмы позволяют сваривать металлы разных толщин без разделки кромок за один проход без подачи присадочной проволоки в сварочную ванну. Применение фокусирующего газового потока (рис.2.27, б), направленного под углом к оси плазмотрона, позволяет сконцентрировать нагрев на малой площади сварочной ванны. Применяемые газы обеспечивают защиту сварочного шва от воздействия атмосферы. В зависимости от рода свариваемого материала применяют аргон, смеси аргона с гелием или водородом.
В состав установки для плазменной сварки (рис.2.27, а) входит: источник питания постоянного тока 1 с крутопадающей ВАХ; осциллятор 2, служащий для зажигания дежурной дуги между внутренним соплом 9 и электродом 3 в потоке аргона 4. Ток дежурной дуги ограничивается резистором R, а емкость С служит для облегчения пробоя напряжением высокой частоты межэлектродного промежутка. Для более четкого ориентирования плазмы в точку сварки и улучшения проникновения столба дуга в глубину сварочной ванны с одновременным снижением расхода аргона применяются плазменные горелки, выполненные по схеме (рис.2.27,б). В этих горелках помимо аргона 4 подаваемого для зажигания дежурной дуги и образования плазмы, подается фокусирующий менее дефицитный газ 10, производящий сжатие и фокусировку плазменной струи.
Рис. 2.27. Схема устройств плазменной сварки: а – электрическая схема;
б – схема потоков газа в плазмотроне плазменной дуги: 1 – сварочный источник питания; 2 – осциллятор; 3 – неплавящийся электрод; 4 – плазмообразующий газ (аргон), 5 – плазменный поток; 6 – поток защитного газа; 7 – сопло для защитного газа; 8 – изделие; 9 – внутреннее сопло; 10 – поток фокусирующего газа
При этом значительно повышается температура плазмы, что благоприятно влияет на процесс сварки. Поток защитного газ 6 предотвращает возможность попадания в зону сварки вредных компонентов из окружающей среды. Размеры электродов зависят от тока дуги и расхода газов, а расстояние между горелкой и деталью выбирается в пределах 8-15 мм из условия формирования шва заданной формы.
Для сварки деталей из нержавеющей стали, меди, титана, никеля толщиной 0,2-0,6 мм разработан способ и создана аппаратура микроплазменной сварки на постоянном токе 0,5-10 А.
Плазменное нанесение покрытий. Нанесение коррозионностойких, жаропрочных и других защитных покрытий осуществляется методами напыления и наплавки. При напылении плазмой частицы наносимого материала расплавляются и разгоняются до высоких скоростей, а деталь, на которую наносят покрытие – подложка, разогревается до высоких температур. При доведении подложки до состояния плавления процесс напыления переходит в наплавку.
Наносимый на подложку материал может представлять собой электропроводную проволоку или стержень, в также неэлектропроводный в холодном состояния порошок.
При использование в качестве наносимого материала проволоки или прутков процесс образования потока показан на рис.2.28. На пути к подложке мелкие капли расплавленного материала несколько остывают. Однако предварительный перегрев капель в плазме позволяет доставить их до подложки в жидком состоянии. Напыление неэлектропроводных материалов производится путем ввода порошков в разрядный канал плазмотрона двумя способами: в дугу и в участок плазменной струи за дугой (рис. 2.29).
Рис.2.28. Схемы распыления обесточенной (а) и токоведущей (б) проволок дуговой плазмой: 1 – плазмообразующий газ; 2 – присадочная проволока; 3 – электроизолятор; 4 – подающий механизм
Различие в способах введения порошка определяется его теплофизическими свойствами. Тугоплавкие порошки вводятся в зону дуги, а легко расплавляемые – в струю плазмы. При этом обеспечивается разное время пребывания в зоне высоких – температур и разный уровень теплового воздействия на частицу.
Рис.2.29. Схема ввода напыляемого порошка в столб плазменной дуга (а) и плазменную струю (б): 1 – плазмообразующий газ; 2 – присадочный порошок с газом
При плазменной наплавке изделие и наносимый материал включают в цепь тока через токоограничивающие сопротивления (рис.2.30). Скорость подачи материала и перемещения горелки по обрабатываемой поверхности согласуется с тепловой мощностью плазменной струи и контролируется оператором.
Рис.2.30. Схема наплавки с присадочной проволокой: а – изделие под током; б – изделие обесточено: 1 – горелка; 2 – ввод плазмообразующего газа;
3 – канал для ввода защитного газа; 4 – ограничительное сопротивление;
5 – источник питания; 6 – балластное сопротивление; 7 – присадочная проволока
Совмещенные схемы плазменного напыления и наплавки позволяют получить прочно сплавленный с подложкой слой наплавленного материала.
Размеры его регулируют в широких пределах (по ширине – от 8 до 45 мм, по глубине – от 0,5 до 6 мм), изменяя количество подаваемого присадочного материала и амплитуду движения плазмотрона перпендикулярно направлению его.
Установки для плазменного нанесения покрытия содержат: дозаторы наносимого материала, источники питания дуги, систему газоснабжения и охлаждения плазмотрона основного движения.
|
|
|
