УП ФОИЭС (841336), страница 21
Текст из файла (страница 21)
2.57. Зависимость формывольт-амперных характеристик ДРПК отдлины дугового промежутка(dк = 0,4 см, G= 1,2 мг/с): 1 – l = 0,8 см;2 - l = 2 см; 3 - l = 4 смРис. 2.58. Распределение температуры подлине полого катода, работающего в нормальном режимеХарактерная особенность нормального режима - значительное прониканиеплазмы разряда в полость катода и немонотонное распределение температуры подлине катода (рис.2.58) с максимумом, расположенным на некотором расстоянии отвыходного торца катода.
Участок вблизи максимума температуры нагрева полого катода принято называть активной зоной (A3).Наблюдения за положением АЗ показали, что в случае изменения какого-либоиз параметров режима ДРПК происходит увеличение статического давления р∞ перед90входом в полый катод (например, увеличение подачи плазмообразующего газа илитока) и АЗ смещается в сторону его выходного сечения. Вместе с тем р∞ в АЗ практически не зависит от этих параметров и изменяется в пределах р∞ = 900…1100 Па.При этом плазма как бы вытесняется из катодной полости, а напряжение ДРПК несколько снижается. Положение АЗ существенно зависит от тока ДРПК.
При I = 10…20А центр АЗ уходит в глубь катода на 1,5…2,0 см и более, а в случае тока свыше 50 Аон 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 всегда стремится сместиться ближе к выходному сечениюкатода. Особенно это заметно при токах ДРПК свыше 50 А, когда столб разряда существует в цилиндрической форме. При дальнейшем увеличении длины дуговогопромежутка 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 разрядного тока доля выделяющейся мощности на аноде, как правило, увеличивается и примерно равна 90 %. Посравнению со сварочными дугами при атмосферном давлении ДРПК в вакууме является по доле выделяющейся мощности на аноде 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, составлявшие 45…75 %полной мощности, выделяющейся на катоде за счет бомбардировки ионами и джоулевого тепловыделения. Потери на теплопроводность не превышают 8…14 %, наэмиссию электронов 17…40 % мощности, выделяющейся на катоде.
Суммарнаямощность потерь полого катода с увеличением тока как бы достигает своего насыщения и составляет по отношению к полной мощности разряда не более 7…13 %.Так, мощность потерь полого катода, выполненного из иттрированного вольфрамаЭВИ-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 составляет примерно 700…780 Вт.В этом случае потери на катоде составляют 7…8 % полной мощности разряда.Потери в столбе ДРПК в основном определяются давлением в камере и характером процессов в межэлектродном промежутке. При давлении в камере (2-9)⋅10-2Па, которое обычно применяют в технологических процессах, потери во внешнемстолбе ДРПК не превышают 2-3 % полной мощности разряда.
Мощность, выделяющаяся во внешнем столбе, передается в основном излучением в окружающую средуи аноду. Таким образом, относительная суммарная мощность потерь в ДРПК сравнительно невысока и на токах свыше 150 А, как правило, не превышает 10…15 %.ДРПК в вакууме на токах свыше 200 А отличается весьма высокой концентрацией энергии, что приближает его к электронно-лучевому источнику энергии длясварки.2.12.
Плазменные сварочные дуги2.12.1. Виды и особенности плазменных дугПлазменной дугой принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивнымплазмообразованием. В зависимости от вида положительного электрода (анода)91плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом служит изделие (рис. 2.59, а). Осуществление процесса сварки плазменной дугой прямого действия принято называть плазменно-дуговым. Если анодом служитсопло, которое конструктивно может совпадать с каналом плазменной горелки, то источник теплоты становится независимым от изделия со струёй плазмы, выделеннойиз столба дуги в виде факела (рис.
2.59, б). Такую дугу называют дугой косвенногодействия или просто плазменной струёй. В этом случае передача теплоты к изделию осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением плазмы. Приплазменно-дуговом нагреве (сжатой дугой) к перечисленным механизмам теплопередачи добавляется передача энергии заряженными частицами, движущимися в электрическом поле.Рис. 2.59.
Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок прямого (а) и косвенного (б) действия: 1 – вольфрамовый электродкатод; 2 – канал сопла; 3 – охлаждение; 4 – сжатая дуговая плазма; 5 – столб дуги (струя); Е – источник тока; И – изделиеПлазменная дуга благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком надлине l в отличие от обычной дуги характеризуется высокими температурами столбадо 15000…25000 К (рис.
2.60).Увеличение при нагреве объема газа в 50…100 раз в канале сопла приводит кистечению плазмы с высокими околозвуковыми скоростями. Это значительно расширяет ее технологические возможности при резке, сварке и напылении материалов.Для получения плазменной дуги используют специальные плазменные горелкиили так называемые плазмотроны, в которых обычно имеется неплавящийся вольфрамовый или медный катод, изолированный от канала и сопла горелки, а анодом может служить сопло или изделие.В начале процесса для образования достаточного количества заряженных частицдежурная слаботочная дуга возбуждается непосредственно между катодом и меднымохлаждаемым 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 малыйдиаметр и достаточная длина канала обеспечивают требуемую для стабилизацииплазменного столба скорость газового потока.92В наличии стабилизирующего канала и заключается основное отличие плазмотрона от обычной горелки 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 плазмотронах с водяной стабилизацией), что обеспечивает температуру плазмы до 50000 К (дуга Гердиена).Рис. 2.60. Распределение температур вобычной (I) и плазменной (II) дугах2.12.2.
Газовые средыГазовая среда в горелке для плазменной обработки материалов должна выполнять следующие функции:- защищать от окисления и охлаждать вольфрамовый электрод и сопло;- обеспечивать получение стабилизированной плазменной струи с необходимыми температурой и скоростью;- обеспечивать наилучшую теплопередачу к изделию;- обеспечивать транспортировку материала при напылении.Иногда газы разделяют на плазмообразующие и защитные (транспортирующие).
При раздельной подаче плазмообразующий газ подается в зону катода, а защитные или транспортирующие газы — в зону столба или факела плазмы.Газ может поступать в горелку как вдоль оси катода, так и по касательной (вихревая стабилизация).Для защиты катода и сопла от разрушения и перегрева наилучшим газом считается аргон, так как он химически инертен и имеет малую теплопроводность(рис. 2.61). Однако аргон малоэффективен для преобразования электрическойэнергии в тепловую. Во-первых, напряженность поля дугового столба в аргонеменьше, чем в водороде, азоте, гелии:ЕAr ≈ 0,8 В/мм; E N 2 ≈ 2,0 В/мм; E H 2 ≈ 10,0В/мм (при I=10 А).Рис.
2.61. Теплопроводность водорода,Следовательно, при одинаковом токе вгелия, аргона и азота в зависимости отаргоновой дуге выделяется на 1 мм еетемпературыдлины меньше энергии IE, чем в других. Во-вторых, энтальпия (объемное теплосодержание) аргоновой плазмы при температуре этой плазмы также значительно меньше(рис. 2.62), чем плазмы азота или водорода (для N 2 - 16; Аr — 3; H 2 — 12 кВт/м3 при Т= 10000 К). Однако температура плазмы существенно зависит от свойств плазмообра-93зующего газа: для Аr и Не Тпл = 15000…25000 К, что в 3-4 раза выше, чем для N 2 и H 2(Тпл = 5000…7000 К).
Подходящим газом для стабилизации дуги может быть азот (иливоздух, содержащий до 78 % азота), так как его энтальпия при Т = 10000 К в 5 разбольше энтальпии аргона и, кроме того, азот значительно дешевле. Однако в воздухеи азоте вольфрамовый катод интенсивно разрушается. В этом случае применяют катоды на основе циркония и гафния (термохимические катоды).Гелий и водород при Т = 10000 К обладают большой теплопроводностью (см.рис. 2.61), всего в 2 раза меньшей, чем у меди, и лучше других газов преобразуютэнергию дуги в теплоту. В случае применения их в чистом виде происходит быстрыйнагрев 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 втой же пропорции.
Напряжение плазменной водородной дуги 100…120 В, что в 2…3раза выше, чем дуги в аргоне (рис. 2.63).Рис. 2.62. Зависимость энтальпии различных газов от температуры при диссоциации и ионизацииРис. 2.63. Волт-амперные характеристики плазменной дуги в различныхгазахИмеется отличие в процессе образования плазмы двух- и одноатомного газов.Ионизация двухатомного газа происходит после диссоциации его молекул, напримерводород диссоциирует на 90% при 4700 К, а азот — при 9000 К (см.
рис. 2.60). Их энтальпия при указанных температурах примерно соответствует теплосодержанию аргона при 14000 К, а гелия — при 20000 К. Таким образом, крутой подъем кривойΔH = f (T ) в области диссоциации позволяет плазме содержать большие количестватеплоты при сравнительно низких температурах.Следует отметить, что часто проводимое в литературе сравнение удельногомассового теплосодержания плазмы разного состава не позволяет делать количественных выводов. Сравнение нужно проводить по мольному или объемному теплосодержанию, так как расход плазмообразующих газов измеряется, как правило, в единицах объема. Следует также учитывать изменение молекулярной массы при диссоциации двухатомных газов и ионизации.При охлаждении, когда газ вновь проходит через область температур диссоциации, большое количество теплоты может выделяться на изделии и повышать эффективность процесса теплопередачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
