Плазма дугового разряда

1.Физическая природа низкотемпературной плазмы

Большая часть вещества на Земле пребывает в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и

газообразном. Плазму часто называют четвертым состоянием вещества, характеризующимся способностью проводить электрический ток в сотни и тысячи ампер, ускорять или замедлять свое движение, а также изменять свою конфигурацию под воздействием магнитного поля, проводить особым образом электромагнитные и другие волны. Плазму также называют ионизированным газом, т.е. газом, имеющим свободные заряды в виде ионов, электронов или других заряженных частиц, способных перемещаться под воздействием электрического поля.

Ионизация — это превращение нейтральных частиц (молекул, атомов) какой-либо среды в частицы, несущие положительный или отрицательный электрический заряд. В газах ионизация происходит вследствие отрыва от атома или молекулы одного или несколько принадлежащих им внешних электронов. Атом, лишенный одного или несколько электронов, представляет собой однократно или соответственно многократно заряженный положительный ион. Электроны, оторванные при ионизации от атомов или молекул, могут продолжать двигаться в газе в качестве свободных электронов или же при встрече с нейтральными частицами газа присоединяться к ним в качестве добавочных электронов, образуя отрицательные ионы. Ионизированный газ приобретает свойства плазмы, когда концентрация заряженных частиц в нем достигает определенной величины, т.е. начиная с некоторой степени ионизации.

Степень ионизации — это отношение числа образовавшихся заряженных частиц к общему количеству нейтральных частиц в данном объеме газа до ионизации. Газообразная смесь приобретает свойства плазмы, когда количество заряженных частиц электронов и ионов возрастает до уровня не ниже 109 в 1см3. Приближенно плазме соответствует температура порядка 10000К и выше. В технических целях использую дуговой разряд, обогащенный плазмой, т.е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами содержаться и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется низкотемпературной плазмой. В сжатых дугах, применяемых для плазменных процессов, преобладает первичная ионизация, при которой происходит трыв внешних (валентных) электронов, обладающих более низким потенциалом ионизации по сравнению с электронами более глубоких уровней. Для первичной ионизации характерна частичная ионизация газа. Для вторичной ионизации атома требуется затратить энергию, достигающую сотен электрон-вольт. Так азот при Т =12000К почти полностью диссоциирует, при Т =20000К происходит первичная ионизация, а при Т=35000К — вторичная.

2.Способы получения низкотемпературной плазмы.

Наиболее распространенным способом возбуждения низкотемпературной плазмы является электрический разряд в газе.

Газ, защищенный от внешних воздействий, совершенно не проводит электрический ток и, следовательно, не ионизирован. При внешних воздействиях, вызывающих ионизацию газа, возможны два вида газового разряда.

В первом случае действует два условия: фактор ионизации газа, и электрическое поле любой напряженности, сообщающее заряженным частицам направленное движение. Устранение любого из факторов приводит к исчезновению тока проводимости в газе. Такой разряд называют несамостоятельным.

Во втором случае, действует только одно условие: имеется постоянно или быстро меняющееся во времени и по направлению электрическое поле. В этом случае возникающий ток проводимости называют самостоятельным разрядом.

На сегодня высокочастотный и электродуговой разряды являются единственным средством для длительного нагрева газа до состояния плазмы. Низкотемпературную плазму получают в высокочастотных и электродуговых генераторах плазмы — плазмотронах.

3.Теплофизические свойства газов.

В качестве плазмообразующих газов могут быть использованы аргон, кислород, азот, гелий, водород или их смеси.

Использование для плазменной резки 2 х атомных газов предпочтительно, дело в том, что при образовании плазмы с использованием одно атомных газов используется только энергия, высвобождающаяся при ионизации атомов, в случае с 2 х атомными газами добавляется энергия,затраченна на диссоциацию молекул газа, которая возвращается во время рекомбинации атомарных газов на поверхности обрабатываемой детали.

Аргон обладает самой низким энергосодержанием поэтому режущая способность плазменной дуги невелика, и он используется в основном как защитный газ при сварочных процессах или в смеси с другими газами при плазменной резке.

Кислород чрезвычайно активный газ применение его сопряжено с определенными требованиями к конструкции плазмотрона и повышенным требованиям к технике безопасности.

Азот – двух атомный газ, при прохождении по столбу дуги диссоциирует в атомарную форму N2 =2N. Поток газа, соприкасаясь с металлом, охлаждается и атомы азота рекомбинируют с выделением большого количества тепла. При использовании технического азота надо помнить, что он содержит большое количество кислорода, что в свою очередь приводит к быстрому сгоранию вольфрамового электрода. Поэтому желательно применять азот с чистотой не менее 98%.

Гелий достаточно дорогостоящий газ, что делает его применение для резки нецелесообразным.

Водород обладает высокой теплопроводностью, что позволяет получить наилучшие условия теплопередачи мощности дуги в металл. Применение водорода, как плазмообразующего газа обеспечивает высокие скорости резки, так скорость резки в водороде в 10 раз выше чем в аргоне, и в 4раза выше чем в азоте. Плазменная струя на водороде сохраняет высокую энергию газа на максимальной длине дуги, именно этим объясняется меньший скос кромок и повышенная чистота поверхности реза. Однако применение водорода в чистом виде невозможно из-за высокой теплопроводности, приводящей к быстрому разрушению деталей плазмотрона. Кроме этого водород является самым легким из газов, именно это свойство при работе плазмотрона создает одну из трудно решаемых проблем – стабилизация дуги в сопловом канале, легко нарушается тонкий слой между дугой и поверхностью канала сопла и образуются условия двойного дугообразования. Отсюда высокие требования к точности сопрягаемых деталей плазмотрона. Применение водорода затруднено и еще его способностью, образовывать взрывоопасные смеси с кислородом, что требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Водород широко используют в смеси с аргоном и азотом при плазменном напылении и резке. Целесообразно использовать для резки водородно-аргоновую смесь (65% аргона, 35% водорода), или водородно-азотно-аргоновую смесь.

Воздух является наиболее эффективным для применения в качестве плазмообразующего газа. Как известно в его состав входят: азот -78%, кислород -21%, остальное — водород, аргон, гелий, двуокись углерода, углекислый газ и др. Скорость резки на воздухе в 1,5-2,5 раза выше, чем в азоте. Наличие в воздухе кислорода, при резке железосодержащих металлов дает в полость реза дополнительное тепло. Плазменная резка с использования воздуха лишь немного уступает в мощности плазменной резке с применением водорода. Большое энергосодержание воздуха объясняется наличием в его составе двух атомных газов (азот, кислород, углекислый газ, том числе и небольшое количество водорода), для диссоциации, которых затрачивается дополнительная энергия. Эта энергия не теряется, а практически полностью возвращается при рекомбинации газов, в виде тепла в разрезаемый металл. Но до создания термохимического электрода (катода) применение воздуха для плазменной резки было проблематично. Создание же электродов с циркониевой и гафниевой вставкой позволило решить в какой-то мере эту проблему.

Вывод: большое энергосодержание воздуха, простота применения, дешевизна делают его просто незаменимым для плазменной резки, несмотря на присущие недостатки.

4. Технологические свойства дуговой плазмы

Основой плазменной технологии является плазменно-дуговой нагрев вещества. Различают нагрев плазменной струей, выделенной из разряда, т.е. вне действия электрического поля, и плазменной дугой, когда вещество находится одновременно и в плазменной струе и в электрическом поле, являясь участком цепи тока. При нагреве плазменной струей передача тепла веществу обусловлена теплопроводностью, конвекцией и излучением плазмы. При нагреве плазменной дугой к перечисленным выше механизмам теплопередачи добавляется передача энергии веществу заряженными частицами, двигающимися в электрическом поле.

Нагрев газа в генераторах плазмы происходит за счет теплообмена со столбом дуги. Показателями процесса дугового нагрева являются среднемассовая температура газа, его теплосодержание (энтальпия) эффективный к.п.д. нагрева, определяемый отношением мощности нагреваемого газа к мощности, подводимой к дуговому разряду. Среднемассовая температура нагреваемого газа увеличивается с ростом тока и длины дуги. При возрастании массового расхода газа и размеров разрядной камеры плазмотрона среднемассовая температура снижается. Для увеличения мощности нагреваемого газа необходимо увеличивать ток дуги, расход газа и длину дуги. При атмосферном давлении доля энергии, передаваемой изделию плазменной струей, составляет примерно 70%, электродным пятном-20%, и излучением-10%. Эффективный КПД плазменной дуги в среднем на 10-30% больше, чем КПД плазменной струи и достигает 70-80%. Поэтому плазменная дуга широко используется для процессов резки металлов, а плазменная струя для напыления, сварки ит.д. Эффективная тепловая мощность плазменной дуги повышается при использовании высокоэнтальпийных газов и их смесей (водород, гелий, аммиак, азот). Большие мощности реализуются при использовании химически активных плазмообразующих газов, способных вступать в экзотермические реакции (с выделением тепла) с обрабатываемым изделием (например, в окислительных плазмообразующих средах – воздухе). Таким образом, плазменно-дуговой нагрев является удобным, простым средством преобразования электрической энергии в тепловую для обработки металлов.

5. Плазмотроны. (Основные принципы действия)

Плазмотрон является важным элементом энергетической части плазменного оборудования. По способу получения электрического разряда плазмотроны делятся на дуговые и высокочастотные. В плазмотронах первого типа электрическая дуга постоянного тока или переменного тока ионизирует плазмообразующий газ. В высокочастотных (индукционных) плазмотронах ионизация плазмообразующего газа осуществляется под воздействием переменного высокочастотного поля индуктора. Дуговые плазмотроны можно разделить на прямого и косвенного действия, по составу плазмообразующего газы – работающие в инертных нейтральных и кислородсодержащих газах. По способу подачи плазмообразующего газа: с тангенциальной и аксиальной подачей. Отдельно стоят плазмотроны с возобновляющимся электродом, работа их основана на использовании плазмообразующего газа, содержащего углеводороды, что соответственно вызывает усложнение конструкции плазмотрона. Конструкции плазмотронов строятся вокруг трех основных элементов: электрода, сопла и изолятора, необходимого для разделения находящихся под разными электрическими потенциалами электрода (катод) и сопла.

6. Электроды (катод, анод)

Тип и конструкция катода (“–“ на электроде) плазмотрона определяется составом плазмообразующей среды, а также применяемой полярности тока. При работе в среде инертных и нейтральных газов применяются катоды из вольфрама (водород, азот, аргон и их смеси). Основной характеристикой материала катода являются эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода электронов. Чем выше эмиссионные свойства (чем меньше работа выхода), тем лучше решаются задачи охлаждения катода и стабилизации дуги.

Наибольшим ресурсом работы обладают электроды из легированного вольфрама. В зависимости от сварочного тока ресурс может исчисляться десятками часов. Чистый вольфрам обладает низкими эмиссионными свойствами, поэтому в вольфрам добавляют лантан, торий или иттрий. Легирование вольфрама позволяет снизить напряжение выхода электронов с его поверхности, что в свою очередь позволяет снизить температуру эмиссии с поверхности электрода и упрощает поджигание дежурной дуги. Все это благоприятно сказывается на сроке службы электрода. Однако электрод из вольфрама практически не работает в кислородосодержащих средах, так как при повышенных температурах вольфрам окисляется и быстро разрушается. Поэтому для работы в плазмообразующих средах, содержащих кислород, были разработаны катоды со вставками из циркония и гафния (термохимические электроды). Электроды со вставкой из циркония применяются на токах до 200-250А, а из гафния до 500А. Поскольку физические параметры циркония и гафния значительно уступают вольфраму, вставку помещают заподлицо в медную державку. При выходе плазмотрона на режим резания, в результате теплового воздействия дуги, на поверхности вставки образующаяся тонкая пленка, из расплавленных оксида и нитрида циркония (гафния), защищает металл вставки. Но в момент образования дуги пленка на вставке отсутствует, поэтому катоды наиболее подвержены разрушающему действию в момент поджига дуги, ввиду интенсивного испарения материала вставки. Кроме этого поверхность вставки, работавшего электрода покрыта остывшей указанной пленкой, физические и механические характеристики, которой отличаются от основного металла. Разница в коэффициенте линейного расширения приводит к напряжениям в образовавшейся пленке и появлению трещин в ней, это является причиной увеличенной эрозии материала вставки при следующем зажигании дуги. На токах выше оптимальных, вследствие увеличенного тепла во вставку, ресурс электрода резко снижается. Диаметр вставки, рекомендуемый для токов: Ø1,6 мм-100а, Ø2мм-200а, Ø2,5мм-300а, Ø3мм-400а.

7. Сопла

Сопло также является важнейшим элементом плазмотрона. Назначение сопла — задание геометрических и энергетических параметров дуги. Оно формирует и стабилизирует катодную область дугового столба. Основными параметрами сопла являются диаметр, высота канала, геометрия рабочей камеры плазмотрона. Диаметр и высоту канала сопла выбирают в зависимости от величины рабочего тока, состава и расхода плазмообразующего газа. Приходится выбирать наиболее благоприятные сочетания таких показателей как технологичность изготовления, надежность работы плазмотрона, стойкость сопла и электрода, предпочтение отдается надежности.

В обычных условиях столб дуги имеет в полнее определенные геометрические размеры, определяемые силой тока и ее напряжением. При увеличении силы тока и напряжения такой столб дуги имеет возможность расширяться, при этом значительного изменения температуры и степени ионизации не происходит. Если каким- либо образом не дать электрической дуге занять естественный объем и принудительно сжать ее, оставив при этом ток неизменным, то количество заряженных частиц в столбе дуги не измениться, а количество соударений увеличиться, т.е. увеличится степень ионизации. Возрастут плотность и напряжение дуги, что вызовет значительное повышение температуры плазменного столба. Собственно, в этом и есть суть сжатой плазменной дуги, характеризующейся высокой температурой плазменного столба. Принудительное сжатие столба дуги происходит в канале сопла плазмотрона.

Анализ ситуаций выхода из строя сопел позволяет определить их причины:

— превышение допустимых тепловых нагрузок;

— возникновения двойной дуги;

— смешение центрального отверстия сопла относительно центра электрода сверхдопустимого по тем или иным причинам.

Превышение тепловых нагрузок вызывает уменьшение толщины пристеночного слоя плазмообразующего газа, что приводит к электрическому пробою, и увеличению нагрева сопла, с последующим разрушением поверхности. Возникновение двойной дуги объясняется тем же, нарушается теплопроводность газовой оболочки, примыкающей к внутренней поверхности сопла. Происходит интенсивный разогрев пристеночного слоя газа, создаются условия для электрического пробоя этого слоя. Условия двойной дуги могут создаваться в первоначальный момент при пробивке отверстия с поверхности металла. Струя расплавленного металла накоротко замыкает прорезаемый металл и сопло плазмотрона, основная режущая дуга возникает между разрезаемым металлом и соплом и одновременно между соплом и электродом, плазмотрон в аварийном режиме работы. Последствия: разбитое сопло, выгоревший электрод и в случае катастрофических последствий — сгоревший плазмотрон. При нарушении соосности отверстия сопла относительно центра электрода приводит к тому, что плазменная дуга старается коснуться внутренних стенок отверстия сопла, и когда это происходит, возникаю условия для возникновения двойной дуги. Из этого следует, что наряду с обеспечением достаточного охлаждения сопла, и необходимостью оптимизировать процесс подачи плазмообразующего газа в канал сопла плазмотрона, уделять внимание технологическим приемам плазменной резки, а также отслеживать состояние плазмотрона, сопла, электрода и других деталей.

Есть еще ряд факторов, которым следует уделять должное внимание, и которые могут сильно влиять на ресурс работы плазмотрона и его деталей. Такой фактор как влажность воздуха может существенно влиять на ресурс электрода и сопла. Так водород при разложении воды, содержащейся в воздухе, в плазменной струе увеличивает тепловую нагрузку на электрод и сопло. Кроме этого, как газ наиболее легкий, водород в процессе стабилизации дуги оказывается вытесненным на периферию столба дуги, нарушая тонкую нейтральную прослойку между стенками сопла и дугой, создает условия для образования двойной дуги. Поэтому на предприятии, воздух, имеющий излишнюю влажность, должен быть осушен перед использованием для плазменной резки. Для этого в воздушные магистрали устанавливаются фильтры, водоприемники для сбора и слива конденсата, а также устройства, позволяющие уменьшить влажность воздуха. Вода, применяемая для охлаждения плазмотрона, так же влияет на ресурс указанных деталей, а также и на весь плазмотрон. Ни в одной конструкции водоохлаждаемых плазмотронов, в полной мере нельзя избежать внутреннего шунтирования. В плазмотроне детали находятся под разноименными полюсами. Внутреннее шунтирование через воду нарушает процесс зажигания дуги, уменьшает срок службы электрода, вызывает эрозию материала плазмотрона, при этом работа плазмотрона и устройств возбуждения вспомогательной дуги протекает не корректно.

На основании выше сказанного можно предложить универсальные рекомендации продления срока службы плазмотрона и его деталей:

— минимизировать количество зажиганий;

— при прорезке больших толщин резку начинать с края или просверленного заранее отверстия;

— применять технологические приемы в начале резки, позволяющие избежать попадания струи расплавленного металла на плазмотрон.

— выбирать оптимальные режимы резания (стремиться к минимальным токам для данной толщины);

—следить за чистой охлаждающей жидкости и ее достаточностью;

— очищать детали плазмотрона от отложений воды;

— следить за состоянием плазмообразующего газа;

—своевременно менять расходные детали плазмотрона, влияющие на стабилизацию дуги

— периодически проводить ревизию плазмотрона, источника питания и коммуникаций.