Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 24
Текст из файла (страница 24)
При этом плазма как бы вытесняется из катодной полости, а напряжение ДРПК несколько снижается. Положение АЗ существенно зависит от тока ДРПК. При 1 = 10...20 А центр АЗ уходит в глубь катода на 1,5...2 см и более, а в случае тока свыше 50 А он смещается ближе к выходному торцу на расстояние 0,4...0,8 см от него. С увеличением длины дугового промежутка (расстояние от выходного торца катода до анода) от 0,5 до 1,0 см центр АЗ смещается ближе к выходному сечению катода. Особенно это заметно при оках ДРПК свыше 50 А, когда столб дуги имеет цилиндрическую форму, При дальнейшем увеличении длины дугового промежутка смещение положения центра АЗ практически не наблюдается. Основная доля полной мощности ДРПК (от 70 до 90 %) выделяется на положительном электроде, т.
е. на аноде. С увеличением тока дуги доля выделяющейся на аноде мощности, как правило, увеличивается и примерно равна 90 %. По сравнению со сварочными дугами при атмосферном давлении ДРПК в вакууме является по доле выделяющейся на аноде мощности одним из самых эффективных источников энергии. Энергетический баланс полого катода показал, что потери мощности в нем происходят за счет излучения, эмиссии электронов, теплопроводности и испарения материала катода. Наиболее существенны потери на излучение, составляющие 45...75 % полной мощности, выделяющейся на катоде за счет бомбардировки ионами и выделения джоулевой теплоты.
Потери на теплопроводность не превышают 8...14 %; потери на эмиссию электронов составляют 17...40 % мощности, выделяющейся на катоде. Суммарная мощность потерь в полом катоде с увеличением тока как бы достигает своего насыщения и составляет по отношению к полной мощности дугового разряда 7...13 %. Так, мощность потерь в полом катоде, выполненном из иттрированного вольфрама ЭВИ-2, длиной 35 мм с диаметром полости 3 мм и толщиной стенки 0,8...1 мм на токах 250...350 А практически остается неизменной и равна примерно 700...780 Вт.
В этом случае потери в полом катоде составляют 7... 8 % полной мощности дугового разряда. Потери в столбе ДРПК в основном определяются давлением в камере и характером процессов в межэлектродном промежутке. — 2 При давлении в камере (2...9) 1О Па, которое обычно применяют в технологических процессах, потери во внешнем столбе ДРПК не превышают 2...3 % полной мощности дугового разряда. Мощность, выделяющаяся во внешнем столбе, передается в основном излучением в окружающую среду и на анод. Таким образом, относительная суммарная мощность потерь в ДРПК сравнительно невысока и на токах свыше 150 А, как правило, составляет 10...15 %.
ДРПК в вакууме на токах свыше 200 А отличается весьма высокой концентрацией энергии, что приближает его к электроннолучевому источнику энергии для сварки. 128 129 2.12. Плазменные сварочные дуги 2.12.1. Виды и особенности плазменных дуг Плазменной дугой принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. В зависимости от вида положительного электрода (анода) плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом служит изделие (рис. 2.59, а). Сварку плазменной дугой прямого действия принято называть плазменно-дуговой.
Если анодом служит сопло, которое конструктивно может совпадать с каналом плазменной горелки, то источник теплоты становится независимым от изделия со струей плазмы, выделенной из столба дуги в виде факела (рис. 2.59, б). ие Рис. 2.59. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок прямого (а) и косвенного (б) действия: ! — вольфрамовый электрод-катод; 2 — канал попльч 3 — охлаждение; 4 — сжа- тая дуговая плазма; 5 — столб дуги (струя); !5 — источник тока канале сопла приводит к ис- Аг Аг течению плазмы с высокими околозвуковыми скоростями. 18 000 К Это значительно расширяет !4 000 К ! 24 000 К ее технологические возмож- 1 11 ности при резке, сварке и на- 18000 К пылении материалов.
10000 К 14000 К Для получения плазмен- 10000 К ной дуги используют спе" 1О 5 / 5 / 10 15 циапьные плазменные горелки или так называемые плаз- Рис. 2.60. Распределение температур эиотроиы, в которых обычно в обычной (1) и плазменной (11) имеется неплавяшийся вольф- дугах рамовый или медный катод, изолированный от канала и сопла горелки, а анодом может служить сопло или изделие. В начале процесса для образования достаточного количества заряженных частиц дежурная слаботочная дуга возбуждается непосредственно между катодом и медным охлаждаемым соплом, например с помощью осциллятора. Плазменная дуга образуется в канале горелки и стабилизируется стенками канала и холодным газом, отделяющим столб дуги от этих стенок.
Сравнительно малый диаметр и достаточная длина канала обеспечивают необходимую для стабилизации столба плазменной дуги скорость газового потока. Стабилизирующий канал и является основной отличительной особенностью плазмотрона по сравнению с обычной горелкой для сварки в защитных газах. В качестве плазмообразующего газа обычно применяют аргон, азот, гелий, водород, воздух и их смеси и др., а также воду (в плазмотроиах с водяной стабилизацией), что обеспечивает температуру плазмы до 50000 К (дуга Гердиена), Такую дугу называют дугой косвенного действия или просто плазменной струей.
В этом случае передача теплоты к изделию осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением плазмы. При плазменно-дуговом нагреве (сжатой дугой) к перечисленным механизмам теплопередачи добавляется передача энергии заряженными частицами, движущимися в электрическом поле. Плазменная дуга благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком на длине 1 в отличие от обычной дуги характеризуется высокими температурами столба в диапазоне 15 000...25 000 К (рис. 2.бО). Увеличение при нагреве объема газа в 50 — 100 раз в !30 2.12.2. Газовые среды Газовая среда в горелке для плазменной обработки материалов должна обеспечивать: — защиту от окисления и охлаждать вольфрамовый электрод и сопло; — получение стабилизированной плазменной струи с необходимыми температурой и скоростью; — наилучшую теплопередачу к изделию; — транспортировку материала при напылении.
!3! Иногда газы разделяют на плазлюабразующие и защитные (транспортирующие). При раздельной подаче плазмообразующий газ подается в зону катода, а защитные, или транспортирующие, газы — в зону столба дуги или факела плазмы. Газ может поступать в горелку как вдоль оси катода, так и по ы 16 х 14 ~1г ";!О 8 Я 6 г 132 О 4 8 !г 16 го 24 28 Зг касательнои (вихревая стабили- г.1О-з К зация). для защиты катода и соРнс. 2.6!. Теплопроводность во- пла от РазРушених и пере~ Ре дорола, гелия, аргоиа и азота в ва наилучшим газом считаетсЯ зависимости от температуры аРгон, так как он химически инертен и имеет малую теплопроводность (рис.
2.61). Однако аргон малоэффективен для преобразования электрической энергии в тепловую. Во-первых, напряженность поля столба дуги в аргоне меньше, чем в водороде, азоте: Елг = 0,8 В!мм; Ен — -10,0 Вlмм; Еы = 2,0 В/мм (при! = 1О А). Следовательно, при одинаковом токе в аргоновой дуге выделяется на 1 мм ее длины меньше энергии!Е, чем в дугах с другими защитными газами. Во-вторых, энтальпия (объемное теплосодержание) аргоновой плазмы при температуре этой плазмы также значительно меньше (рис.
2.62), чем энтальпия плазмы азота или водорода (для Аг, Хг, 3 Нг — соответственно 3, 16, 12 кВт!м при Т = 10 000 К). Однако температура плазмы существенно зависит от свойств плазмообразующего газа: для Аг и Не она составляет 15 000...25 000 К, что в 3-4 раза выше, чем для Хг и Нг (5000...7000 К). Подходящим газом для стабилизации дуги может быть азот (или воздух, содержащий до 78 % азота), так как его энтальпия при Т = 10000 К в 5 раз больше энтальпии аргона и„кроме того, азот значительно дешевле.
Однако в воздухе и азоте вольфрамовый катод интенсивно разрушается. В этом случае применяют катоды на основе циркония или гафния (термохимические катоды). Гелий и водород (см. Рис. 2.61) при Т = 10 000 К обладают большой теплопроводностью (которая всего в 2 раза меньше, чем у меди) и лучше других газов преобразуют энергию дуги в теплоту. 20 Я 15 И $ !О О 2 4 6 8 !О 12 14 16 18 20 Температура Т 1О з, К Рис. 2.62. Зависимость эитальпии различных газов от температуры при диссопиации и иоиизации 80 60 133 В случае применения их в чистом виде происходит быстрый нагрев и разрушение сопла, поэтому указанные газы применяют в смеси с аргоном. Например, добавки к аргону водорода в пропорции по объему 2:1 позволяют повысить тепловую мощность струи почти в 2 раза по сравнению со смесью аргон — азот в той же пропорции.
Напряжение плазменной водородной дуги составляет 100...!20 В, что в 2 — 3 раза выше, чем у дуги в аргоне (рис. 2.63). и,,в Имеется различие в процессах образования плазмы Н, двух- и одноатомного газов. 1ОО Ионизация двухатомного газа происходит после диссоциации его молекул, например, Х г водород диссоциирует на 40 Аг 90 % при 4700 К, а азот — при 20 9000 К (см. Рис. 2.62). Их энтальпии при указанных тем- О 200 400 600 у, А пературах примерно соответствуют энтальпии аргона при Рис. 2.63. Вольт-амперные харак- 14000 К и энтальпии гелия теристики' плымен .й ду и в Ры при 20 000 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
