Образование изотермической плазмы

С повышением температуры возрастает кинетическая энергия, и увеличиваются амплитуды колебаний атомов и молекул твердого вещества, расположенных в узлах его кристаллических решеток. В результате дальнейшего повышения температуры кристаллическая решетка разрушается и вещество переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние. освободившиеся атомы и молекулы быстро и беспорядочно движутся, испытывая случайные столкновения друг с другом.

С повышением температуры до 3000 – 5000К заканчивается диссоциация молекул на атомы, и начинается переход газа в состояние плазмы. При этой температуре кинетическая энергия атомов достигает значений, при которых в результате столкновений начинают разрушаться их внешние оболочки. Нейтральные атомы, лишенные электронов на внешних оболочках, превращаются в положительно заряженные ионы. Освободившиеся электроны, в свою очередь, также выбивают электроны с оболочек других атомов, и процесс протекает лавинообразно.

В результате в газе появляются положительно заряженные ионы и свободные отрицательно заряженные электроны, оторванные от атомов. С повышением температуры доля ионов и электронов в этой смеси увеличивается и при температуре 10000 – 30000К нейтральные атомы практически отсутствуют.

Для Н, атом которого состоит из ядра и одного электрона, при этой температуре плазма представляет собой смесь из положительно заряженных ядер атомов и не связанных с ним свободных электронов.

При давлении газа равном или выше атмосферного, а также при соответствующей разности потенциалов и силе тока возникает газовый разряд в виде электрической дуги. Электрическая дуга может возникнуть в любом газе при силе тока, достаточной для пробоя газового промежутка между электродами. Разрядные явления сосредоточены в узком и ярко светящемся канале (столб дуги), который идет от электрода к электроду. Основными элементами дуги, отличающей ее от других видов разрядов в газах, являются светящийся столб дуги, ярко светящиеся катодное и анодное пятна, при подходе к которым столб дуги суживается.

Температура газа в столбе дуги при атмосферном давлении 5000 – 6000К, причем она повышается с повышением давления и уменьшением в связи с этим площади поперечного сечения дуги. Газ в столбе дуги находится в состоянии плазмы.

Высокая температура, сконцентрированная на малой площади, делает электрический дуговой разряд незаменимым источником тепловой энергии во всех современных способах электросварки, плазменной резки и других процессах, требующих высокой концентрации энергии.

Различают:

открытые дуги – свободно горящие электрические дуги;

сжатые дуги – плазменные дуги, имеющие развитый столб дугового разряда с интенсивным плазмообразованием.

Открытые дуги используют для сварки. Это электрическая дуга в ее естественном состоянии, используемая без применения специальных мер для интенсификации ее воздействия на материал.

Плазменная дуга является сочетанием электрической дуги и специальных мер, направленных на ее интенсификацию. Такими мерами могут быть:

1) относительное обжатие столба струей газа с целью уменьшения площади его поперечного сечения;

2) превращение в плазму газа, подаваемого для обжатия дуги.

Молекулярные газы (N₂, H₂, О₂) позволяют увеличить эффективность нагрева за счет реакций диссоциации – ассоциации. В столбе дугового разряда молекулы диссоциируют по следующим схемам:

При этом происходит дополнительное поглощение теплоты в столбе дугового разряда. При попадании на обрабатываемую поверхность плазмообразующий газ ассоциирует (превращается из атомарного в молекулярный), при этом выделяется теплота, затраченная на его диссоциацию.

Для получения плазмы, используемой в технологических целях, разработан ряд специальных устройств, которые называются плазмотронами или плазменными горелками.

Под воздействием струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, а вследствие этого температура плазмы в центральной части столба дуги повышается до 10000 – 5000К. В результате внутренний слой газа, соприкасающийся с дугой, превращается в плазму, а наружный слой остается сравнительно холодным, образуя изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла. Он препятствует отклонению столба дуги от заданного направления и замыканию его на стенку сопла.

U=60 – 200В (в 3 – 10 раз больше, чем в открытой дуге)

J = 100А/мм² (в 10 раз больше, чем у открытой дуги)

Р₀ = 2·10⁶ Вт/см² (этого вполне достаточно для расплавления любого твердого тела)

При создании плазмотрона первым шагом является составление схемы его устройства. Исходя из особенностей технологического процесса и условий работы плазмотрона выбираем систему его охлаждения, род тока, плазмообразующую среду, вид и материал электрода, способ стабилизации дуги, перемещения ее электродных пятен и т. д.

Основная задача при выборе системы охлаждения состоит в том, чтобы обеспечить максимальную интенсивность отвода тепла стенками сопла, так как чем выше величина теплового потока, отводимого соплом, тем круче температурный градиент газовой прослойки между столбом дуги и стенками канала сопла и, следовательно, тем выше плотность тока и мощность столба дуги.

Плазмообразующий газ, используемый в плазматроне, в значительной мере определяет технологические возможности плазменной струи. В состав плазмообразующей среды могут входить одно-, двух- и многокомпонентные газы, которые отличаются друг от друга своими физико-химическими свойствами, а также активностью по отношению к металлу.

Плазмообразующая среда должна обеспечивать наибольшую удельную тепловую мощность при заданном расходе газа, обеспечивать возможность получения тонкой струи, сосредоточенной на минимальном участке поверхности обрабатываемого материала.

В качестве плазмообразующих сред применяют аргон, азот, воздух, смеси аргона и азота с водородом, аммиак.

Все эти газы и их смеси могут по-разному проявлять себя в электро-дуговом разряде. Это связано со степенью их диссоциации и ионизации при тех или иных температурах, с теплосодержанием и теплопроводностью плазмы.

Каждый газ в отдельности имеет свои определенные свойства.

Аргон – химически инертный газ с низкой теплопроводностью, поэтому он хорошо защищает от перегрева и разрушения вольфрамовый электрод и сопло. однако аргон малоэффективен для преобразования электрической энергии в тепловую. Аргон вызывает падение напряжения на дуге.

Гелий – инертный газ, хорошо защищает вольфрамовый электрод от окисления, однако обладает большой теплопроводностью, поэтому возможно разрушение сопла из-за быстрого нагрева. Гелий обеспечивает высокую напряженность поля дуги и лучше аргона преобразовывает электрическую энергию в тепло.

Широко применяются смеси аргона и гелия.

! Ни один из газов не может обеспечить самостоятельно весь комплекс положительных свойств плазмообразующей среды. Поэтому наиболее широко используются смеси из различных газов.

Способ стабилизации дуги

Плазмотроны можно классифицировать и по способу стабилизации дуги. Система стабилизации дуги, обеспечивающая сжатие столба и строгую фиксацию его по оси электрода и сопла плазмотрона, является наиболее важным элементом плазмотрона. Существуют три вида стабилизации дуги: газовая, водяная и магнитная. Наиболее простой и распространенной является газовая стабилизация, при которой наружный холодный слой рабочего плазмообразующего газа, омывая стенки столба дуги, охлаждает и сжимает его. При этом в зависимости от способа подачи газа (вдоль или перпендикулярно оси столба) газовая стабилизация может быть аксиальной или вихревой (схемы 5, 6). Наибольшее обжатие дуги достигается при вихревой ее стабилизации, поэтому этот способ используется главным образом в плазмотронах для резки и напыления. При аксиальной стабилизации поток газа, обдувающего столб дуги, имеет более спокойный, ламинарный характер, что обеспечивает лучшие условия защиты нагреваемого изделия от воздействия окружающей среды. Поэтому аксиальная стабилизация применяется в плазмотронах для сварки и наплавки. Иногда применяют двойную стабилизацию дуги (схема 7), при которой сочетается аксиальная подача газа через первичное и вихревая подача через вторичное сопло или наоборот. Столб дуги можно стабилизировать, омывая его водяной струей (схема 8). Образуемый из струи водяной пар служит плазмообразующей средой. При водяной стабилизации можно достигнуть наиболее высокой степени сжатия и температуры столба дуги до 50 000 °К. Однако присутствие паров воды вблизи катодной области приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов. В плазмотронах с водяной стабилизацией, предназначенных для резки, используется графитовый электрод, автоматически перемещаемый по мере его сгорания. Плазмотроны с водяной стабилизацией отличаются сложностью конструкции, малой надежностью системы автоматического регулирования подачи электрода и сложностью способов возбуждения дуги.

Магнитная стабилизация (схема 9), при которой создается продольное магнитное поле, сжимающее столб дуги, менее эффективно, чем газовая и водяная. Кроме того, надетый на сопло соленоид усложняет конструкцию плазмотрона. Преимущество способа магнитной стабилизации состоит в возможности регулирования степени сжатия столба дуги независимо от расхода рабочего газа, в то время как при газовой и водяной стабилизации рабочий газ является одновременно плазмообразующим и стабилизирующим. На практике наложение продольного магнитного поля применяется не столько для стабилизации дуги, сколько для вращения ее анодного пятна по внутренним стенкам сопла с целью повышения стойкости последнего. Например, в плазмотронах, применяемых для напыления, магнитное вращение анодного пятна газовихревым способом позволяет значительно снизить эрозию сопла и, следовательно, загрязненность плазменной струи.

Сварка и наплавка

По сравнению с обычной сваркой, сварка с использованием плазменных источников энергии позволяет получить большую глубину проплавления и меньшую ширину шва, а, следовательно, и более узкую зону термического влияния. При этом выше производительность процесса и лучше качество сварного шва.

Плазменной сваркой соединяют детали толщиной до 20мм за один проход. Это существенно повышает производительность процесса, уменьшает возникающие при сварке деформации.

Микроплазменная сварка является разновидностью процесса плазменной сварки, сила тока плазмы 0,1-10А, толщина свариваемых деталей обычно составляет 0,025…1мм. Микроплазменную сварку применяют, когда невозможно получить сварное соединение другими способами (например, для сварки тонколистовых материалов – фольга, для деталей радиоэлектронной техники).

Плазменная наплавка

Используется для нанесения на обрабатываемые заготовки поверхностных слоев, материал которых отличается от материала подложки, с целью повышения эксплуатационных свойств деталей. Для наплавки обычно применяют материалы со специальными свойствами (высокой твердостью, повышенной износостойкостью, коррозионной и термостойкостью).

Наплавка позволяет получать изделия из недорогих конструкционных материалов с рациональным распределением свойств по отдельным элементам. При этом значительно снижается расход дорогостоящих легирующих материалов. Толщина наплавленных за один проход слоев может достигать 4…5мм. Возможна многослойная наплавка.

Наплавку производят плазменными горелками. Это дает возможность регулирования глубины проплавления основного металла путем изменения расстояния между горелкой и заготовкой. Чтобы обеспечить защиту ванны расплавленного металла от взаимодействия с атмосферными газами, в качестве плазмообразующих газов используют аргон и водород.

Наплавкой упрочняют отдельные детали станков. Наплавляют инструментальный материал на поверхность рабочих лезвий инструмента. m_напл=(4…5)%m_{инструм}. Плазменной наплавкой восстанавливают дорогостоящие детали, штампы, пресс-формы.

Напыление

Напыленный материал нагревается в плазматроне, затем осаждается на подложку. Материал может подаваться в плазматрон в виде проволоки или порошка:

Напылением получают слои малой толщины (10^-6-10^-3м). Прочность сцепления напыленного материала с основным может быть различной. получают, например, корковые изделия, состоящие только из напыленного материала. В целом, прочность сцепления зависит от:

¾ механического сцепления

Литература

1. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. Под ред. В.А.Волосатова. – Л.: Машиностроение, 1988.

2. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2-х т. Т.1: Учеб. пособие для вузов / Б. А. Артамонов, Ю. С. Волков, В. И. Дрожалова ; ред. В. П. Смоленцев. - М. : Высшая школа, 1983.