ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ И СПОСОБЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Плазменная дуга

Плазма — это четвертое, наиболее распространенное в природе со­стояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, который содержит электроны, положительно заряженные ионы, нейтральные и возбужденные атомы и молекулы. Гигантскими сгустками плазмы явля­ются Солнце и звезды. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плазменной оболочкой - ионосферой. В земных природных условиях плаз­ма наблюдается при темных, тлеющих и дуговых (молния) разрядах в газах. В практической деятельности человека плазма используется в свето­технике (неоновых лампах, лампах дневного света, электродуговых устройствах), а также при электросварке, плазменной резке, плазменной наплавке и в других технологических процессах.

Различают два рода плазмы: изотермическую, возникающую при нагре­ве газа до температуры достаточно высокой, чтобы протекала термическая ионизация газа, и газоразрядную, образующуюся при электрических раз­рядах в газах [7]. Физические явления в процессе перехода вещества в состояние плазмы можно проследить на примере образования изотер­мической плазмы.

С повышением температуры возрастает кинетическая энергия и увели чиваются амплитуды колебаний атомов и молекул твердого вещества, расположенных в углах его кристаллических решеток, до разрушения пос­ледних и перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние. В результате получается газообразная смесь из атомов и молекул элемен­тов, входящих в состав вещества, которые быстро и беспорядочно движут­ся, испытывая случайные столкновения друг с другом.

С повышением температуры до 3000--5000 К заканчивается диссоциа­ция молекул на атомы и начинается процесс перехода газа в состояние плазмы. При этой температуре кинетическая энергия атомов достигает значений, при которых в результате столкновений начинают разрушаться их внешние электронные оболочки, и нейтральные атомы, лишенные электронов на внешних оболочках, превращаются в положительно заря­женные ионы. Освободившиеся электроны, в свою очередь, также выби­вают электроны с оболоче к других а томов, и процесс протекает лавино­образно. В результате в газе (кроме нейтральных атомов) появляются положительные ионы и свободные отрицательно заряженные электроны, оторванные от атомов. С увеличением температуры доля ионов и электро­нов в этой смеси быстро возрастает. При температуре в несколько десят ков тысяч градусов подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют.

Кривая на рис. 2.1 показывает, как по мере повышения температуры растет доля ионизированных атомов в водороде [7]. Из рисунка следует, что при температуре более двадцати —- тридцати тысяч градусов не оста­ется примеси нейтральных атомов. Для водорода, атом которого состоит из ядра и одного электрона, при этой температуре достигается не только полная ионизация газа, но и заканчивается процесс ионизации атомов, так

Рис. 2.2. Схема плазменной дуги прямого действия и ее участки: I — закрытый, 2— сжатый, 3 — открытый, 4 — рабочий, 5 — факел плазмы; Г — генератор тока

как все ядра потеряли свои электроны и плазма представляет собой смесь из положительно заряженных ядер атомов и не связанных'с ними отрица­тельно заряженных электронов.

Атомы веществ с большим, чем у водорода, атомным весом имеют большее количество электронных оболочек и электронов, а также соот­ветственно более прочные связи электронов внутренних оболочек с атом­ным ядром. В связи с лотерей всеми атомами электронов с внешних обо­лочек при температуре в двадцать — тридцать тысяч градусов процесс ионизации не заканчивается. Достигается лишь полная ионизация газа и плазма состоит не из электронов и свободных от них ядер атомов, а из свободных электронов и ионов, имеющих еще связанные с ядрами элек­троны на сохранившихся внутренних оболочках.

При давлении газа, равном и выше атмосферного, а также при соот­ветствующих разности потенциалов и силе тока возникает газовый разряд в виде электрической дуги. Электрическая дуга может иметь место в любом газе при наличии силы тока, достаточной для пробоя газового промежутка между электродами. Разрядные явления сосредоточены в узком и ярко све­тящемся канале (столб дуги), который идет от одного электрода к другому и принимает форму дуги под действием конвекционных потоков газа, нагреваемого разрядом.

Основными элементами электрической дуги, отличающими 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 электрической дуги при атмосферном давлении равна 5000—6000 К, она повышается по мере повышения давления и уменьшения в связи с этим площади поперечного сечения столба 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 в других
технологических процессах, требующих высокой концентрации тепловой энергии.

Различают открытые, т. е. свободно горящие, электрические дуги и так называемые сжатые, т. е. 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 обрабатываемый материал.

Плазменная дуга (в отличие от открытой) является результатом соче­тания электрической дуги и специальных мер, направленных на интенсифи­кацию ее воздействия яа обрабатываемый материал.

К первой из указанных мер относится обжатие столба дуги струей газа с целью уменьшения площади его поперечного сечения, что приводит к резкому повышению температуры дуги. Второй мерой является превра­щение в плазму газа, подаваемого для обжатия дуги.

В связи с этим плазменная дуга формируется в специальном устройст­ве — плазмотроне, состоящем из двух основных элементов — электрода и формирующего сопла, через канал которого пропускается столб электри­ческой дуги вместе с плазмообразующим газом, подаваемым под опреде­ленным давлением (рис. 2.2). При этом в установившейся дуге разли­чают несколько характерных однородных участков разряда. На поверхнос­ти электрода расположена катодная область. Между катодной областью и верхним срезом цилиндрической части отверстия сопла расположен учас­ток, называемый закрытым столбом. Этот участок находится в относитель­но спокойном потоке холодного газа. Между входным и выходным срезами внутри сопла расположен участок столба, который подвергается сжатию холодными стенками канала сопла. Между нижним срезом сопла и верх­ней плоскостью разрезаемого листа находится открытый столб дуги, стаби­лизированный соосными потоками собственной плазмы и оболочкой более холодного газа. В полости реза (между верхней плоскостью разрезаемого листа и анодной областью) расположены рабочий участок дуги, а также плазменная струя и факел плазмы.

Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего га­за столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, вследствие чего температура плазмы в центральной части столба дуги повышается до 10 ООО—50 ООО К (в зависимости от степени обжатия, состава и расхода плазмообразующего газа). В результате внутренний слой газа, соприка­сающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный слой, омывающий стенки канала сопла, остается сравнительно холодным, обра­зуя изоляцию (электрическую и тепловую) между потоком плазмы и ка­налом сопла. Являясь электрическим изолятором, этот охлажденный слой газа препятствует отклонению столба дуги от заданного направления и замыканию его на стенку канала сопла, а также внутри полости реза на некотором расстоянии от верхней поверхности листа.

На рис. 2.3 приведена диаграмма, показывающая характер изменения температуры в радиальном направлении от оси к периферии столба дуги. Исследованная дуга имела диаметр 2,5 мм, и ее сжатие осуществлялось водяным вихрем. Из рисунка следует, что столб плазменной дуги имеет крайне неравномерное изменение температуры в радиальном направлении, поэтому, говоря о температуре столба плазменной дуги, надо уточнять, в какой его области она измеряется.

Напряжение составляет 60—200 В, что в три — десять раз больше, чем в открытой дуге. Плотность тока достигает 100 А/мм2, что на порядок

Рнс. 2.3. Распределение темпе - участки:

ратур Т по радиусу г, столба / — закрытый; 2 — сжатый; 3—

дуги дл* различных значений плазменная струя; 4 — факел

силы тока плазмы; Г — генератор тока

выше, чем у открытой дуги, а удельная мощность составляет 2- 10е Вт/см2, этого вполне достаточно для расплавления любого твердого тела. При этом плазменная дуга воздействует на обрабатываемый материал не только пос­редством тепла, выделяющегося в столбе дуги и в приэлектродных пятнах, но и посредством тепла струи плазмы, образующейся в результате иони­зации плазмообразующего газа.

Различают плазменные дуги прямого и косвенного действия.

В дуге прямого действия (см. рис. 2.2) в качестве анода используется разрезаемый металл, что обусловлено стремлением иметь для резки высо­кую температуру анодного пятна.

В этом случае разрезаемый металл, выполняющий функции анода, яв­ляется токоведущим элементом и плазменная струя, истекающая из соп­ла плазмотрона, совмещена со столбом дуги по всей его длине, начиная от входного среза канала сопла и кончая анодным пятном на фронтальной поверхности полосы реза. В результате тепловая энергия вводится в разре­заемый металл струей плазмы, столбом дуги и электронным потоком в стол­бе дуги, бомбардирующим анодное пятно. [15]. Вследствие действия пере­численных факторов эффективный КПД прямой плазменной дуги состав­ляет 60—70 %. К недостатку дуги прямого действия следует отнести, не­возможность обработки не проводящих электрический ток материалов.

Дуга косвенного действия (рис. 2.4) возбуждается и горит между электродами, которые не связаны с обрабатываемым материалом. Катодом служит электрод плазмотрона, а в качестве анода используется его фор­мирующее сопло. Объект обработки не включен в электрическую цепь. Столб дуги расположен внутри плазмотрона, начинаясь на электроде и за­канчиваясь анодным пятном на внутренней поверхности канала сопла. Под действием давления плазмообразующего газа, подаваемого в камеру
плазмотрона, столб дуги проходит через канал сопла, а анодное пятно перемещается по его внутренней поверхности лишь до выходного cpeia канала сопла плазмотрона. В связи с этим плазмообразующий газ и его плазма лишь на коротком участке (протяженностью от конца электрода до выходного среза канала сопла плазмотрона) контактируют со столбом дуги, а затем существуют независимо от него. Этот вид резки называется резкой плазменной струей, так как нагревание изделия осуществляется только воздействием тепла плазменной струи. Вследствие этого температура н скорость истечения струи плазмы по мере удаления от выходного среза сопла резко уменьшаются и КПД нагрева изделия при использовании дуги косвенного действия не превышает 30—40 %. Плазменную струю используют при обработке не проводящих электри­ческий ток материалов и для резки металлов небольшой толщины.

В технике плазменной резки применяются две системы стабилизации и обжатия столба дуги — осевая и вихревая, отличающиеся одна от другой направлением подачи плазмообразующего газа в дуговую камеру плаз­мотрона, где начинает формироваться дуга.

При осевой (или аксиальной) системе газ подается вдоль продольной оси электрода, охлаждает его и выходит через канал сопла, обжимая в нем и за его пределами столб дуги. В плазмотроне с осевой системой стабили­зации электрод участвует в формировании дуги и поэтому имеет форму стержня с заострением на конце, чтобы обеспечить точное совпадение оси столба дуги с осью канала сопла, а также равномерность толщины газовой оболочки, обжимающей столб дуги в канале сопла. В связи с этим требова­ния к точности обеспечения соосности электрода и ка нала сопла очень высокие. Это является недостатком осевой системы стабилизации.

При вихревой системе стабилизации газ поступает в дуговую камеру по каналам, продольные оси которых расположены по касательным к окруж­ности поперечного сечения дуговой камеры, или по каналам винтообраз­ной формы. Вследствие этого газ в камере движется по спирали, охватывая столб дуги вихревым потоком. При этом катодное пятно и столб дуги авто­матически и точно фиксируются в точке пересечения оси канала сопла с поверхностью катода, что позволяет применять электроды с плоской или другой формой рабочей поверхности. Возрастет стойкость сопла за счет обеспечения равномерности толщины газовой оболочки, обжимающей столб дуги в камере и в канале сопла.

Для выяснения природы явлений, имеющих место при расплавлении металла в полости реза плазменной дугой, и разработки мер, обеспечи­вающих получение реза требуемого качества при наибольшей производи­тельности процесса, выполнены исследования [41], в результате которых выявлено влияние на форму фронтальной и боковых поверхностей реза вертикальных перемещений анодного или катодного пятен, перемещений расплавленного металла в полости реза, вида плазмообразующего газа, применяемой полярности тока и других факторов.

При резке плазменной дугой прямого действия имеется три источника тепла: пятно дуги, столб дуги и струя плазмы. Каждый из них вносит свою долю тепла либо по всей высоте реза, либо на отдельных ее участках. При этом изменение формы фронтальной поверхности реза по высоте отражает распределение количества вводимого тепла по высоте полости реза. При резке только плазменной струей форма фронтальной поверхности по высоте полости реза изменяется по экспоненциальному закону. При резке же дугой прямого действия в верхней части фронтальной поверх­ности обычно имеется углубление (рис. 2.5), что свидетельствует о вводе

Рис. 2.7, Схема полости реза и перемещения расплава под воздействием сил поверхно­стного натяжения

При использовании азота об­ласть распространения пятна наиболее широкая. Скорость резки (рис. 2.6) оказывает влияние как на расположение области распространения пятна по толщине листа, так и на ее ширину. Это происходит по той причине, что при малой скорости перемещения плазмотрона имеется время для нагревания до температуры плавления и расплавления металла на достаточно большом расстоянии от оси сопла плазмотрона до верхней кромки фронтальной поверхности реза. Вследствие этого толщина изо­лирующего газа в верхней части реза достаточно велика, чтобы обеспе­чить изоляцию, необходимую для перемещения пятна вниз до нижней поверхности разрезаемого листа. Качество реза будет хорошее, но произ­водительность процесса низкая. При увеличении скорости резки толщина слоя изолирующего газа в верхней части полости реза уменьшается и пробой изоляции наступает при меньшем напряжении в столбе дуги, т. е. соответственно при меньшем перемещении пятна вниз по толщине листа внутри полости реза. Полученная картина не меняется при изменении ве­личины электрического тока, типа плазмообразующей среды и свойств основного металла.

Из изложенного выше можно предположить, что перемещение пятна вниз зависит от напряжения пробоя изоляции, создаваемого слоем газа между фронтальной поверхностью полости реза и столбом дуги, а также от напряжения в столбе дуги. Особенно большое влияние оказывает первый фактор, зависящий от скорости протекания газа, скорости резки и от свойств плазмообразующей смеси.

Установлено, что характер перемещений анодного пятна внутри по­лости реза влияет не только на форму фронтальной поверхности, но и бо­ковых стенок полости реза, т. е. на форму кромок вырезаемых деталей. Характер перемещения анодного пятна влияет и на поведение расплав­ленного металла в полости реза. В результате исследований выяснилось, что несмотря на очень высокую скорость вылетающего из сопла плазмен­ного потока, в верхней части реза, т. е. в месте пятна, имеют место переме­щения расплавленного металла, направленные из центральной области фронтальной поверхности в сторону линии затвердевания (рис. 2.7,а). За счет этого происходит выплавление основного металла и выброс его из полости реза.

Перемещение расплавленного металла по боковой поверхности в верх­ней части полости реза, на участках / и 2 (показано стрелками), объяс­няется действием сил поверхностного натяжения, появляющихся вслед­ствие большой разности температур в центральной части фронтальной поверхности и на участке затвердевания, где объем металла уменьшается (рис. 2.7,о). При этом чем выше локальная плотность вводимого тепла, тем больше составляющая потока расплавленного металла, направлен­ная к боковым стенкам реза. В связи с этим на участке ВС, являющимся областью существования пятна, расплавленный металл в большей степени перемещается в направлении поверхности затвердевания, чем на уча­

стке АВ. По мере перемещения к нижней части полости реза уменьшаются время пребывания анодного пятна и плотность тепла, вводимого из пото­ка плазмы (участок CD). Поэтому снижается разность температур между центральной частью фронтальной поверхности и участком затвердева­ния на боковой поверхности. Это приводит к ослаблению сил поверх­ностного натяжения, в результате чего на данном участке расплавленный металл большей частью стекает вниз. На участке ниже точки D, где еще более снижена плотность вводимого тепла и становится значительным изменение угла наклона центральной части фронтальной поверхности по­лости реза в результате изменения направления потока газа, £нова увели­чивается составляющая потока расплавленного металла к боковым стенкам реза. В результате этого образуется поток расплавленного ме­талла, направленный к линии затвердевания (рис. 2.7, а).

Из вышеизложенного следует, что характер распределения анодного пятна в значительной степени влияет и на форму боковых поверхностей по­лости реза. Форма реза в поперечном направлении показана на рис. 2.7 б.

Как элемент электрической цепи плазменная дуга характеризуется то­ком и напряжением, а в качестве источника тепла — температурой и теп­лосодержанием.

Напряжение дуги может быть выражено в следующем виде (29|:

для дуги прямого действия

UA = U*-- £/к. с~Ь Uc~~ t/c. a-H иа!

для дуги косвенного действия

£/д = U*-- UK, c~- и с']' иа,

ГД€ с == £ кх q — £с ІС£/с-э.== £с. в fc. a-. ^v..c, As 4 а ПрОТЯЖЄННОСТЬ

соответственно досоплового, внутрисоплового и засоплового участков ду­ги, мм; £к. с. £с, £са — напряженность электрического поля тех же участков столба, В/мм.

В плазмотронах с дугой прямого действия на внутрисопловом участ­ке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал диаметром d<.dc (dc — диаметр сопла). За срезом сопла диаметр столба увеличивается по мере удаления от него и на изделии достигает зна­чения d2- Температура и скорость истечения плазменной струи умень­шаются.

В плазмотронах с дугой косвенного действия столб плазмы расположен внутри плазмотрона и имеет цилиндрическую форму.

Обычно сумма катодного и анодного падений напряжений составляет небольшую долю от общего падения напряжения плазменной дуги; катод­ное падение напряжения не превышает 5—8 В — для плазмотронов с вольфрамовым катодом, 10—12 В — для плазмотронов с циркониевым катодом, а значение анодного падения напряжения не зависит от материа­ла анода и вида плазмообразующей среды и составляет 5—6 В [29|. В сия­ли с этим величина напряжения плазменной дуги зависит в основном от напряжения и длины участков, составляющих столб дуги.

Величины /їк.. И Ес близки между собой. Для дуги прямого действия

Р ~ Р k'„., — ик,

*-К. С ~1----- ,

для дуги косвенного действия

Среднее значение напряженности поля открытой части столба дуги прямого действия определяют по формуле

UA-U„-U'-Ut

Ц‘. а — л *

И* 3

где

1 ^ *с-

Мощность, передаваемая обрабатываемому изделию, т. е. эффективная мощность, определяется по формулам: для дуги прямого действия

Р= ра + (0,75Ч-0,9) /д £■<• (/с + /к. с) + Ес, (с для дуги косвенного действия

Р~ (0,754-0,9) /,Ее (/с+ /к. е);

/>=Л + (0.1 + 0.25) /д Ес Ос + 4.с) •