ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Плазмообразующие среды и их физико-химические свойства

Плазменно-дуговые процессы (в том числе и процесс плазменной резки) протекают при наличии газовой плазмообразующей среды. Состав среды может состоять из одно-, двух - или многокомпонентных газов, которые отличаются друг от друга своими физико-химическими свойст­вами, а также своей активностью по отношению к металлам.

Выбор среды определяется возможностью ее использования на сущест­вующем оборудовании, надежностью работы, электрода и сопла плазмо­трона, а также технологическими особенностями процесса.

Плазмообразующая среда должна обеспечивать наибольшую удельную тепловую мощность при заданном расходе газа и затраченной электри­ческой энергии, а также позволять сконцентрировать полученную энергию в тонкий плазменный шнур и сосредоточить ее на минимальном участке поверхности разрезаемого металла.

В качестве плазмообразующих газовых сред применяют аргон, азот, воздух, смеси аргона и азота с водородом, аммиак. Может быть использо­вана в качестве плазмообразующей среды вода, которая превращается при высокой температуре столба дуги частично в пар, а частично диссо­циирует на водород и кислород. Воду используют также как добавку к основному плазмообразующему газу в небольших количествах: ее вводят в столб плазменной дуги в канале сопла или на его нижнем срезе.

Перечисленные газы и их смеси проявляют себя по-разному в электро - дуговом разряде. Это связано со степенью их диссоциации и ионизации при тех или иных температурах, с напряженностью электромагнитного поля плазменной дуги, с теплосодержанием и теплопроводностью плазмы.

Ионизацию можно рассматривать как крайний случай возбуждения, когда электрону сообщается энергия, которая больше, чем самый высокий возбужденный уровень атома. Энергию, которая должна быть сообщена электрону для ионизации, выражают в вольтах (электрон-вольтах) и назы-

Рис. 2.8. Зависимость энтальпии различных газов от температуры при диссоциации и ионизации

вают потенциалом ионизации.

Энергия ионизации зависит от строения атома, т. е. от его места в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Она является периодической функцией атомного номера эле­мента и снижается с уменьше­нием номера группы и увеличе­нием номера периода таблицы.

Температура т-ю3,к Наименьший потенциал иониза­

ции, равный приблизительно 3,9 эВ, имеют пары цезия — самого тяжелого из щелочных металлов. Единственный валентный элект­рон у щелочных металлов первой группы слабо связан с ядром, поэтому энергия ионизации этих металлов небольшая. Наибольший потенциал ионизации 24,58 эВ наблюдается у самого легкого из инертных газов, т. е. у элемента последней нулевой группы — гелия. Электронная оболочка благородных газов заполнена и является наиболее прочной.

Для газов в молекулярном состоянии, потенциал ионизации всегда вы­ше, чем в атомарном. Например, для атомарного водорода потенциал ионизации равен 13,59 эВ, для молекулярного — 15,44 эВ. Имеется также довольно существенное различие между потенциалами ионизации валент­ных электронов (/1) и электронов более глубоких уровней (/,). Например, для гелия потенциал ионизации /і = 24,58 эВ, /2 = 54,1 эВ [46]. Двух - и трехкратная ионизация атомов требует затрат энергии, достигающей сотен электронвольт, а полная ионизация — тысяч электронвольт. Чем меньше потенциал ионизации газа, тем быстрее при меньшей температуре (мень­шей приложенной энергии) достигается высокая степень ионизации X. Для водорода (/і = 13,59 эВ) наивысшая степень ионизации дости­гается при 24 000 К; для гелия (/1 =24,58 эВ) X«1 — при 50 000 К.

Для получения высоких температур столба дуги необходимо стремиться к возможно большей степени ионизации газов. Характер ионизации плаз­мообразующей среды весьма существенное влияние оказывает на объемное теплосодержание (энтальпию) плазмы. Имеется отличие в процессе обра­зования плазмы двух - и одноатомного газов. Ионизация двухатомного газа происходит после диссоциации его молекул, поэтому при исполь­зовании таких газов в плазме содержится большее количество энергии при сравнительно низких температурах диссоциации и ионизации (рис. 2.8).

Чем выше объемное теплосодержание, тем эффективнее плазмообра­зующая среда. Плазмообразующие газы отличаются напряженностью (£) электрического поля дуги. В зависимости от состава газа в дуге при задан­ном токе (/) может выделиться на I см ее длины ббльшая или меньшая энергия (IE).

Плазмообразующие газы характеризуются теплопроводностью, кото­рая зависит от температуры плазмы (рис. 2.9). Газы, обладающие более высокой теплопроводностью, являются наилучшими преобоазователями энергии дуги в тепло.

Рис. 2.9. Теплопроводность ВОЛО’ рода, гелия, аргона и азота в зави* снмостн от температуры

Теплопроводность пла­змы обусловлена движе­нием частиц. Главную роль в переносе тепла от более горячих участков плазмы к холодным играют элек­троны (благодаря их боль­шой тепловой скорости).

При охлаждении, ког­да газ проходит вновь через область температур диссоциации, большое ко - Температура Т, К

личество теплоты выделяется на изделии и повышается эффективность процесса теплопередачи. Следовательно, теплопередача газа зависит и от его температуры, и от теплосодержания; причем с увеличением темпе­ратуры достигается некоторое состояние «насыщения», при котором скорость возрастания теплопередачи значительно уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом температуры в этальпии газа наряду с энер­гией поступательного движения все большее значение приобретает энер­гия колебательного и вращательного движения частиц, которая легко теряется на излучение. Структура теплосодержания различных газов показана на рис. 2.10. Конвективная теплопередача, имеющая наиболь­шее значение при плазменной обработке металлов, определяется в основ­ном энергией поступательного движения частиц газа, поэтому высоко­температурные формы энтальпии здесь менее эффективны [77]. Из диа­граммы следует, что водородная плазма как преобразователь энергии дуги в тепло является наилучшей. Каждый из плазмообразующих газов

Рис. 2.10. Структура теплосодержания различных газов при 0,1 МПа; виды энтальпий.

I — тепловая; 2 — диссоциации; 3 — ионизации первого уровня; 4 — ионизации второго уровня; 5 — испарения; 6 — электронного газа (для воздуха нижняя стрелка соответ­ствует почти полной диссоциации азота и кислорода, верхняя стрелка — почти полной ионизации кислорода и началу ионизации азота)

в отдельности имеет свои определенные свойства. Аргон — химически инертный одноатомный 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. Он обладает самой низкой напряженностью поля столба дуги, т. е. аргоновая плазма вызывает значительное падение напряжения на дуге (рис. 2.11). Следовательно, при одинаковом токе в аргоновой дуге выделяется на I см ее длины меньше энергии, чем при использовании других газов.

Гелий — одноатомный инертный газ, хорошо защищает вольфрамовый электрод от окисления, но в отличие от аргона обладает большой теплопроводностью (при температуре 10 ООО К всего в два раза меньшей, чем у меди). В связи с этим в случае применения его в чистом виде для плаз­менной резки происходит быстрый нагрев и разрушение сопла. Гелий обес­печивает высокую напряженность поля дугового столба (примерно в четы­ре раза более высокую, чем у аргоновой плазмы). Теплосодержание гелие­вой плазмы (так же как и аргоновой) очень низкое. Для ионизации моле­кулы гелия требуется высокая температура. Гелий в отличие от аргона является наилучшим преобразователем энергии дуги в тепло и применяет­ся в смеси с аргоном.

Азот (или воздух, содержащий 78 % азота) является наиболее подхо­дящим двухатомным газом для стабилизации плазменой дуги. Он при температуре примерно 12 000 К почти полностью диссоциирует; выше 20 000 К азот практически полностью ионизирован. При температуре 10 000 К азотная плазма имеет теплосодержание в пять раз большее, чем аргоновая. Однако при использовании азота вольфрамовый электрод менее стоек, чем в случае применения аргона и гелия. При использовании воз­душной плазмы вольфрам вообще не годится и требуется циркониевый или гафниевый электрод. Напряженность поля столба дуги в азоте и воз­духе более высокая, чем в аргоне. Поэтому при использовании этих газов эффективность преобразования электрической энергии в тепловую также значительно выше.

Воздух (и особенно кислород) в дополнение к сказанному является сильным окислителем металлов, что ставит его по значимости в процессах плазменной резки выше азота. При использовании воздуха по сравнению с азотом скорость резки углеродистых и низколегированных сталей при тех же параметрах дуги возрастает более, чем в 1,5 раза.

В кислороде напряженность поля дуги ниже, чем в азоте, поэтому он как газ-преобразователь электрической энергии в тепловую менее эффек­тивен. Однако вследствие активного протекания термохимических реакций при взаимодействии кислородной плазмы с металлом в процессе резки с использованием кислорода обеспечивается более высокая производитель­ность резки (не только углеродистых, но и легированных сталей) при применении азота или воздуха. Кислород окисляет не только разрезаемый металл, он снижает стойкость катода и сопла no сравнению со стойкостью их на воздухе. Наибольший износ или разрушение этих деталей происходит в момент возникновения двойной дуги. Процесс плазменной резки с приме­нением кислорода менее надежный и устойчивый, чем с применением воз­духа.

Водород — двухатомный газ, обладает высокой напряженностью поля дугового столба (значительно большей, чем у аргона). Следовательно, при одинаковом токе в водородной плазме выделится на 1 см столба дуги тепла больше, чем в аргоновой. Диссоциация и ионизация водорода проис­ходят при более низких температурах, чем аргона и гелия, поэтому теплосодержание водородной плазмы при температуре 10 ООО К несколько ниже, чем азотной, но в четыре раза выше, чем аргоновой (см. рис. 2.8). Водород, как и гелий, обладает высокой теплопроводностью и является наилучшим преобразователем энергии дуги в тепло. Однако в случае исполь­зования его как самостоятельного газа происходит разрушение сопла в результате быстрого нагрева. В связи с этим водород применяют как до­бавку и аргону или азоту. Например, использование аргоноводородной смеси в пропорции 2:1 позволяет повысить тепловую мощность столба ду­ги почти в два раза по сравнению со смесью аргон — азот в той же пропор­ции [77]. Аммиак — химически сложный газ, используется самостоятельно в качестве плазмообразующего газа, как и азотно-водородная смесь. Диссоциированный аммиак, используемый для плазменной резки, обес­печивает высокие параметры процесса [75].

Вода, как и аммиак, является химически сложным веществом, в состав которого входит водород. Вода может использоваться в качестве плазмо­образующей среды самостоятельно, в виде пара или как добавка к рабо­чему газу. Весовой состав воды: водород 11,11 % — 2 объема, кислород — 88,89 % — 1 объем. Молекулы воды обладают большой устойчивостью к нагреванию. Лишь при Т =1000 "С водяной пар начинает диссоциировать на водород и кислород:

2Н20 ^2Н2+02 +136,8 ккал.

Для того чтобы в заметной степени произошла реакция, при которой вода распадается на водород и кислород, необходима температура по­рядка 4000—5000 °С. Процесс диссоциации воды происходит с поглоще­нием тепла. Согласно принципу Ле Шателье — Брауна, повышение темпе­ратуры должно сдвигать равновесие процесса вправо, т. е. в сторону об­разования водорода и кислорода.

При температурах порядка 5000 °С происходит диссоциация водорода с большим поглощением тепла:

H2;t2H + 105 ккал.

Чем выше температура, тем сильнее равновесие сдвинуто вправо.

Поглощение большого количества тепла в процессе плазменной резки с применением воды обеспечивает интенсивное охлаждение периферийных участков столба дуги и концентрирует его, в результате чего температура в ядре дуги возрастает, увеличивается ее проплавляющая способность. Кроме того, при соприкосновении горячей плазмы с холодным листом происходит рекомбинация молекул водорода и кислорода, что обеспечи­вает введение в разрезаемый металлл дополнительного тепла.

Анализ рассмотренных плазмообразующих сред показывает, что ни один из газов не может обеспечить самостоятельно весь комплекс поло­жительных свойств идеального плазмообразующего газа.

Чтобы обеспечить наиболее полно комплекс положительных свойств плазмообразующей среды, используют смеси из различных газов. Хорошо зарекомендовали себя смеси аргона и азота в сочетании с водородом, а так­же самостоятельно используемый газ — аммиак. В сочетании с азотом и воздухом применяется для плазменной резки вода.

Выбор плазмообразующей среды определяется используемой аппара­турой, маркой и толщиной разрезаемого металла. Плазмообразующая среда оказывает существенное влияние на изменение фазового состава ме­талла, прилегающего к поверхности реза, на его химический состав и меха­нически е свойства.