Плазменная дуга. Плазмообразующие газы.

Плазменной дугой принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. Для плазменных дуг, применяемых в сварочном производстве, сжатие столба дуги осуществляется в канале водоохлаждаемого сопла генератора плазменной дуги или плазмотрона. Схема плазмотрона прямого действия приведена на рисунке.



Плазмообразующий газ

Электрод

Водоохлаждаемое сопло

Канал сопла

Плазменная дуга

+

Изделие

Плазмотрон прямого действия

В плазмотроне прямого действия плазменная дуга горит между электродом и изделием и сжимается в интенсивно охлаждаемом канале сопла. Возбуждение плазменной дуги происходит в следующей последовательности:

1. Пробоем промежутка катод-сопло искровым разрядом осциллятора генерируется слаботочная дежурная дуга.

2. Потоком плазмообразующего газа плазма дежурной дуги выдувается за пределы сопла, ионизируя промежуток катод - изделие.

3. Возбуждается основная плазменная дуга между электродом и изделием.

За счет сжатия стенками канала сопла и слоем сравнительно холодного газа температура плазмы поднимается до 15-20 тысяч градусов Кельвина и в несколько раз поднимается скорость потока плазмы. Стабильность горения дуги также возрастает. За счет роста концентрации энергии и возможности ее регулирования значительно возрастают технологические возможности применения дугового разряда. Плазменная дуга прямого действия применяется при сварке и , в особенности, при плазменной резке любых электропроводных материалов.



Плазмообразующий газ

+ Электрод

Водоохлаждаемое сопло

Канал сопла

Плазменная струя

Плазмотрон косвенного действия

В плазмотроне косвенного действия анодом служит массивное медное водоохлаждаемое сопло. Плазма дугового разряда выдувается потоком плазмообразующего газа образуя плазменную струю. Высокая температура и скорость плазменной струи находит применение при плазменном напылении порошковых материалов. Порошок нагревается плазмой и выдувается за пределы плазмотрона, приобретая высокую кинетическую энергию. При соударении с изделием обеспечивается прочное сцепление частиц порошка и напыляемой поверхности.

Для эффективного применения плазменной дуги весьма важно правильно выбрать состав плазмообразующего газа. Он должен обеспечивать следующие основные функции:

1.Защищать от эрозии и охлаждать электрод.

2.Обеспечивать наилучшее преобразование электрической энергии в тепловую.

Наилучшую защиту вольфрамовых электродов обеспечивают инертные газы – аргон и гелий. Однако их теплосодержание (энтальпия H) при одинаковой температуре гораздо ниже, чем у многоатомных газов (азота, водорода, кислорода, углеводородов).Это объясняется тем, что при нагреве многоатомных газов затрачивается дополнительная энергия на диссоциацию их молекул на атомы (рис.3).

H

N N⁺ +e ^-

ArAr⁺ +e ^-

N₂ 2N

T

График зависимости энтальпии газов от температуры

Однако эти газы являются химически активными. Решить проблему их использования позволяют так называемые термохимические (пленочные) катоды . Конструктивно они представляют собой медную оправку, в которую заподлицо с ее торцом запрессован стержень из гафния или циркония.

Оправка Вставка из циркония или гафния

При образовании пятна дуги на торце образуется тугоплавкая пленка из нитридов или оксидов, которая обеспечивает эмиссию электронов и предохраняет материал электродной вставки от дальнейшей эрозии.

Повысить теплосодержание инертного плазмообразующего газа с сохранением его защитных свойств возможно путем добавки небольших (порядка 5-15%) количеств многоатомного газа (азота, водорода, углеводородов). В этом случае энтальпия смеси определяется по закону аддитивности по формуле

,

где

H _i  энтальпия i - ого газа;

N _i  объемная концентрация i - ого газа .