Конструкции дуговых плазмотронов.
Плазмотроны отличаются технологическими возможностями и насыщенностью техническими решениями. Факторы, влияющие на конструктивные особенности плазмотронов, можно представить в виде разветвленной схемы (Рис. 1).
Рис. 1. Факторы влияющие на конструкцию плазмотронов
В общем виде, основными элементами дуговых плазмотронов являются: 1) электрододержатель с электродом,
2) камера для плазмообразования,
3) плазмообразующее сопло, формирующее сжатую дугу или плазменную струю,
4) изолятор, разделяющий электродный узел от плазмообразующего сопла,
5) вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего и защитного газов, а также охлаждающей жидкости.
При разработке плазмотронов должны учитываться не только факторы, приведенные на схеме (Рис. 1), но и целый ряд других, таких как мощность (или максимальный ток), надежность, срок службы отдельных элементов, способы токоподвода, способы возбуждения сжатой дуги, воспроизводимость и управляемость параметрами сжатой дуги или плазменной струи и др.
Общими требованиями при конструировании плазмотронов являются:
1) достаточная мощность и широкий диапазон регулирования параметров ТП;
2) создание оптимальных характеристик сжатой дуги и обеспечение их постоянства в процессе работы;
3) обеспечение многократного, стабильного возбуждения сжатой дуги (плазменной струи);
4) надежность и значительный ресурс работы отдельных элементов плазмотрона;
5) простота конструкции, обслуживания и эксплуатации;
6) минимальные габариты и масса, обеспечивающие возможность обратботки труднодоступных мест изделия;
7) возможность восстановления плазмотронов при отработке ими ресурса или аварийном выходе из строя.
Классификация плазмотронов.
Различные варианты схем плазмотронов удобнее всего представить в виде классификации (Рис. 2).
Рис. 2. Классификация плазмотронов.
В первую очередь все плазмотроны разделяются на две группы по виду дуги: прямого действия и косвенного действия.
По системе охлаждения электрода и плазмообразующего сопла плазмотроны делятся на два основных типа: с воздушным и с водяным охлаждением. Могут быть плазмотроны со смешанной системой охлаждения теплонагруженных узлов. Теплоемкость воды намного выше теплоемкости воздуха и других газов, поэтому, наиболее эффективной и распространенной является водяная система охлаждения плазмотронов, которая обеспечивает высокую мощность и высокую степень сжатия дуги.
Плазмотроны можно классифицировать по способу стабилизации сжатой дуги. Система стабилизации сжатой дуги обеспечивает сжатие столба дуги и строгую фиксацию его по оси сопла плазмотрона и является одним из важнейших элементов плазмотрона. Существует три вида стабилизации сжатой дуги: газовая водяная и магнитная. Наиболее простой и распространенной является газовая стабилизация, при которой наружный, холодный слой рабочего (плазмообразующего) газа омывая столб дуги, охлаждают и сжимают его. При этом, в зависимости от способа подачи газа, газовая стабилизация может быть аксиальной или вихревой. Наибольшее обжатие дуги достигается при вихревой стабилизации, используется для резки и напыления. При аксиальной стабилизации обеспечивается ламинарный характер истечения струи из плазмообразующего сопла. При водяной стабилизации можно достигнуть наиболее высокой степени сжатия и температуры столба дуги (50 – 70 тыс. К). Однако присутствие паров воды приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов, поэтому используются расходуемые (чаще графитовые) электроды, автоматически перемещающиеся по мере сгорания. Магнитная стабилизация, 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 дуги не зависимо от расхода рабочего газа. На практике наложение продольного магнитного поля применяется для вращения анодного пятна по внутренним стенкам сопла , при работе в режиме косвенной дуги, с целью повышения стойкости последнего.
По виду электрода катода плазмотроны постоянного тока можно разделить на две группы: со стержневым и с распределенным катодом. В плазмотронах со стержневым катодом, катодное пятно фиксируется на торце электрода, а в плазмотронах с распределенным катодом – интенсивно перемещается с помощью газовихревого или магнитного вращения. Стержневые катоды могут быть трех видов: расходуемый, газозащитный и пленкозащитный. Расходуемый, чаще всего графитовый, электрод несмотря на высокую температуру плавления имеет повышенный расход из-за возгонки вблизи температуры плавления. Газозащитный вольфрамовый электрод – самый распространенный из всех видов электродов. Вольфрам имеет высокую прочность и достаточно высокие электро- и теплопроводность.
При работе в инертной среде (аргон гелий) при нагрузке j = 15 – 20 А/мм2 вольфрам практически не расходуется. Пленкозащитные катоды обладают высокой стойкостью в активных средах (воздух, углекислый газ, технический азот). Они представляют собой стержень из циркония или гафния запрессованный в медной обойме. Высокая термостойкость таких катодов обусловлена образованием стойкой тугоплавкой пленки из оксидов и нитридов, защищающей чистый металл от испарения. Активная вставка расходуется в основном при включении дуги, вследствие разрушения пленки от термоудара. При использовании циркониевого электрода допускается большая чем для вольфрама плотность тока, достигающая 80 – 100 А/мм2. При работе плазмотрона с окислительной плазмообразующей средой на больших токах (1000 А и более) используются разнообразные виды распределенных катодов, наиболее распространенными из которых являются полый, дисковый и кольцевой. Недостатками распределенных катодов являются сложность их конструкции, трудность равномерного перемещения катодного пятна по всей поверхности электрода, низкая стабильность горения дуги, возрастание напряжения прикатодной области дуги и связанное с этим увеличение потерь мощности в электроде.
Классификация плазмотронов по плазмообразующей среде. Состав плазмообразующей среды диктуется технологическим процессом и в свою 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: инертная, восстановительная и окислительная.
По роду тока плазмотроны отличаются большим многообразием. Подавляющее большинство плазмотронов работает на постоянном токе прямой полярности. Это объясняется тем, что на аноде дуги выделяется 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. Предельно допустимая токовая нагрузка на лантанированный вольфрамовый электрод, на переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности, при использовании постоянного тока, в десять раз ниже, чем на прямой полярности. Поэтому плазмотроны постоянного тока прямой полярности имеют наиболее высокий коэффициент использования полезной мощности. При работе плазмотрона на переменном токе прохождение тока через нуль может вызвать погасание дуги, поэтому напряжение холостого хода источника питания переменным током не менее чем вдвое превышает рабочее напряжение дуги. Плазмотроны переменного тока рекомендуется применять для сварки алюминиевых сплавов, так как в периоды обратной полярности за счет действия эффекта катодного распыления разрушается тугоплавкая окисная пленка, препятствующая процессу сплавления металла. Существует несколько схем плазмотронов переменного тока. На схемах 20 и 21 плазмотроны питаются от однофазного трансформатора. В схеме 21 осуществлена вентильная коммутация тока таким образом, что электрод функционирует только как катод (в полупериод прямой полярности), а сопло – как анод (в полупериод обратной полярности). При такой схеме обеспечивается большая стойкость вольфрамового электрода. Однако с ростом тока ухудшаются условия работы сопла, а при работе на токах ниже 150 А нарушается стабильность горения дуги. Стабильность горения дуги обеспечивается при трехфазной схеме питания плазмотрона, однако, электроды и сопло находятся в сравнительно тяжелых условиях работы, и значительно усложняется конструкция плазмотрона. В ряде случаев питание плазмотронов выполняют комбинированным, для повышения стабильности горения дуги переменного тока. Наряду с дуговыми плазмотронами, работающими на токе промышленной частоты, разработаны высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны (схемы 25, 26).