Конструкции узлов плазмотронов.
Основными узлами плазмотронов являются электродный, сопловой, изолятор, системы водо- и газоснабжения.
Катоды. Основной характеристикой материала катода являются эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода электронов. Чем меньше работа выхода, тем лучше решаются задачи стабилизации дуги и охлаждения катода. Для работы в инертных газах наилучшим материалом катодов является вольфрам, легированный окислами лантана и иттрия (марки ВЛ и СВИ). Конструктивно катоды из вольфрама выполняются двумя способами: в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленном в электродном узле плазмотрона (Рис.3.1) и в виде медной державки с заделанным в неё стержнем вольфрама, установленной в электродном узле. Последняя конструкция менее удобна, но обеспечивает более высокие плотности тока (Рис.3.2). Катодная вставка может закрепляться в цельном корпусе и сменных медных наконечниках, соединяемых с корпусом электрододержателя конусной посадкой или резьбой. Конструкции 3,4,5, характерны для катодов с активной вставкой (цирконий, гафний), предназначенных 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.
Рис. 3. Катоды
Аноды. При работе плазмотрона на постоянном токе обратной полярности тепловая нагрузка на анод резко возрастает. Опыт показывает, что для обеспечения адекватной стойкости сечение вольфрамового электрода на обратной полярности должно быть в 9 раз больше, чем при прямой полярности. Необходимо рассредоточить заряд по поверхности анода для снижения плотности теплового потока в анод. Эксперименты, проводимые с вольфрамовыми электродами различной конструкции (Рис. 4) показали, что при рабочем токе 150 А и токе возбуждения 50 А они разрушались за время меньше 23 мин., а при токе 200 А за 2-3 мин. Это объясняется недостаточной теплопроводностью вольфрама. Эксперименты проведенные с медными анодами (теплопроводность меди в 3 раза выше, чем вольфрама) различные конструкции (Рис. 5 а, б, в, г) показали, что конструкции а) и б) при рабочем токе 200 А и токе возбуждения 50 А быстро разрушались. При использовании электрода в) активное пятно располагалось на кромке электрода, что приводило к аварийной работе плазмотрона (двойной дуге). Электрод конструкции 5г при токе 200 А имел ресурс 300 мин. при 60 возбуждениях дуги. Считается, что рост ресурсов анодов связан с увеличением размеров электродов и улучшением их охлаждения. Предлагается анодный узел, состоящий из водоохлаждаемой медной державки и активной вольфрамовой вставки (Рис. 6). Высокая стойкость анода обеспечивается качественным соединением меди с вольфрамом и эффективным водяным охлаждением. Наилучшие результаты достигались при осадке расплавленной меди на вольфрамовую вставку. Стойкость таких анодов достигает 100-300 часов при рабочем токе до 300 А при 100 – 500 включениях.
 Рис. 4. Вольфрамовые аноды |  Рис. 5. Медные аноды |  Рис. 6. Медный анод с вольфрамовой вставкой |
Плазмообразующие сопла воспринимают большие тепловые нагрузки и поэтому требуют тщательного конструктивного оформления. Опыт эксплуатации показал, что наилучшим материалом для изготовления сопел является медь высокой чистоты (марки М0, М1), обладающая высокой теплопроводностью и сравнительно невысокой стоимостью. Армирование стенок сопла теплостойкими материалами приводит к уменьшению срока его службы из-за уменьшения теплопроводности. Сопла малоамперных и ручных плазменных горелок могут быть выполнены с естественным или газовым охлаждением (Рис. 7.1,2). В большинстве случаев применяется водяное охлаждение сопел, при этом участок сопла контактирующий с плазменным столбом, выполняют сменным (Рис. 7.3,4,5).
Рис. 7. Плазмообразующие сопла
Узел завихрения рабочего газа определяет качество стабилизации столба сжатой дуги. Конструктивные варианты узлов завихрения можно разделить на группы, представленные на Рис. 8. Функции завихрителя может выполнять корпус плазмотрона (Рис. 8.1,2), керамическая шайба, помещенная у входа в сопло (Рис. 8.3), само сопло (Рис. 8.4). При этом можно значительно сократить длину канала сопла, заменив большую часть его кольцами стабилизирующего газа, вращающегося вокруг столба дуги (очень сложное и трудоемкое в изготовлении). Завихрителем может быть и сам электрод плазмотрона, на наружной поверхности которого выполняется винтовая нарезка (Рис. 8.5).
Рис. 8. Завихрители
Изоляторы. Плазмообразующее сопло и электродный узел должны быть электрически изолированы друг от друга. Одним из условий стабильного горения дуги является точная центровка электрода и плазмообразующего сопла. Функции механической связи электродного узла и плазмообразующего сопла плазмотрона, их точной взаимоцентровки и электрической изоляции выполняет изолятор. К материалу изолятора предъявляются разнообразные, а иногда противоречивые требования:
1) достаточная механическая прочность,
2) высокая электрическая прочность, т.к. возбуждение дежурной дуги осуществляется с помощью высоковольтного высокочастотного разряда,
3) термостойкостью, т.к. части изолятора подвергаются тепловому и световому воздействию сжатой дуги,
4) обрабатываемостью механическими способами (режущими инструментам, штамповкой и др.),
5) герметичностью, поскольку через изолятор могут проходить коммуникации газоснабжения и водяной системы охлаждения.
Материалы, применяемые для изготовления изоляторов плазмотронов, условно можно разделить на две группы: обрабатываемые из заготовок на универсальном оборудовании (прутки, листы), и получаемые с помощью специальной технологической оснастки (пресс-формы, заливочные формы и др.). К первой группе относятся фторопласт Ф-4, иногда эбонит, капролон. Ко второй – эпоксидная смола холодного отвердения ЭД 5 с кремнийорганическим наполнителем, стеклонаполненные пресс-материалы типов АГ-4В, ДСВ, КМК 218, КПС и др., а также высокоглиноземистые керамические типа кристаллокорунд и 22ХС. Из материалов первой группы изоляторы изготавливаются на универсальном оборудовании (токарные, фрезерные, сверлильные станки) и могут быть достаточно сложными. К недостаткам их следует отнести низкую технологичность процесса изготовления и низкую термостойкость материалов. Из материалов второй группы детали можно изготовлять достаточно простым способом с минимальной трудоемкостью и потерями материала. Недостатком является трудность обеспечения точности размеров и формы изолятора. Это объясняется наличием литейных конусов и уклонов, а также изменением коэффициента усадки у одного и того же материала. В связи с этим в пресс-формах изготовляют простые детали, не требующие высокой точности.
Применение перспективных керамических материалов сдерживается двумя причинами. Первая – большой разброс коэффициента усадки шликерной массы при спекании, что не позволяет получать детали выше пятого класса точности. Вторая причина – для изготовления керамических деталей требуется набор специального технологического оборудования (шаровые мельницы, машины шликерного литья, водородные печи для спекания), что снижает рентабельность при мелкосерийном производстве.
Системы газоснабжения и охлаждения плазмотронов. Эти системы во многом определяют технологические возможности и габариты плазмотронов. Каналы для подачи плазмообразующего, защитного и стабилизирующего газов могут выполняться в теле основных элементов плазмотрона, образовываться при сопряжении этих элементов при наличии различных проточек на их поверхности, а также создаваться за счет сопряжения дополнительных промежуточных деталей. Системы охлаждения электрода и плазмообразующего сопла плазмотронов делятся на два основных типа: системы с воздушным и с водяным охлаждением. Могут быть плазмотроны со смешанной системой охлаждения теплонагруженных узлов. Чаще используются плазмотроны с водяной автономной системой охлаждения электрода и плазмообразующего сопла. Такие плазмотроны имеют достаточно высокую мощность, однако устройство их отличается сложным устройством, большим количеством комлектующих деталей, имеющих сложную форму. Плазмотроны имеют значительные габариты и массу. Плазмотроны с совмещенной системой охлаждения электродного и соплового узлов имеют меньшие габариты и массу, но снижается долговечность охлаждаемых узлов, за счет электрохимической эрозии и повышается вероятность двойного дугообразования. Разработка эффективных систем охлаждения является весьма сложной задачей.