ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ И СПОСОБЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ из "Плазменная резка " 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. [c.35] Различают два рода плазмы изотермическую, возникаюп ую 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 вепгества в состояние плазмы можно проследить на примере образования изотермической плазмы. [c.35] С повышением температуры возрастает кинетическая энергия и увеличиваются 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. [c.35] 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 оболочек других атомов, и процесс протекает лавинообразно. В результате в газе (кроме нейтральных атомов) появляются положительные ноны н свободные отрицательно заряженные электроны, оторванные от атомов. С увеличением температуры доля ионов и электронов в этой смеси быстро возрастает. При температуре в несколько десятков тысяч градусов подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют. [c.35] 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 потерей 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. [c.36] 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. [c.36] 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. [c.36] Различают открытые, т. е. свободно горящие, электрические дуги и так называемые сжатые, т. е. плазменные, дуги, имеющие развитый столб дугового разряда с интенсивным плазмообразованием. [c.37] Открытые дуги используют для сварки. Это электрическая дуга в ее естественном состоянии, используемая без применения специальных мер для интенсификации ее воздействия на обрабатываемый материал. [c.37] Плазменная дуга (в отличие от открытой) является результатом сочетания электрической дуги и специальных мер, направленных на интенсификацию ее воздействия на обрабатываемый материал. [c.37] К первой из указанных мер относится обжатие столба дуги струей газа с целью уменьщения площади его поперечного сечения, что приводит к резкому повышению температуры дуги. Второй мерой является превращение в плазму газа, подаваемого для обжатия дуги. [c.37] 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. [c.37] 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. [c.37] 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. [c.37] Различают плазменные дуги прямого и косвенного действия. [c.38] В дуге прямого действия (см. рис. 2.2) в качестве анода используется разрезаемый металл, что обусловлено стремлением иметь для резки высокую температуру анодного пятна. [c.38] 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. [c.38] 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. [c.39] 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 канала сопла очень высокие. Это является недостатком осевой системы стабилизации. [c.39] 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. [c.39] Вернуться к основной статье