Принципы создания и работы плазменных горелок

 

У этого способа сварки источником разогрева металлов до температуры плавления является плазменная дуга из ионизированного газа, которая направляется в нужную сторону. Ее вырабатывает специальное устройство, называемое плазмотроном или плазменной горелкой.

Классификация по типу создания дуги

 

По принципу работы плазмотрон бывает прямого или косвенного действия.

Рис.2

В первом случае разность потенциалов внешнего поля генератора, создающего условия для образования дуги, прикладывается прямо к обрабатываемой детали и электроду газовой горелки. За счет этого повышается эффективность охлаждения конструкции.

При втором методе электрическое напряжение прикладывается только между частями горелки для создания струи плазмы. За счет этого требуется усложнять систему охлаждения соплового узла.

У плазматронов прямого действия вырабатывается дуга, приблизительно напоминающая цилиндрическую форму, немного расширяющуюся у поверхности обрабатываемого металла.

Внутри нейтрального электрического сопла происходит сжатие и стабилизация дуги. При этом сочетание тепловой и кинетической энергии плазмы формирует для нее повышенную мощность, позволяющую глубже проплавлять металл.

Горелки косвенного действия создают плазму в форме конической струи, окруженной факелом, направленным к изделию. Струю выдувает поток плазмы, исходящий из горелки.

 

Рис.3

Классификация по способам охлаждения горелок

Из-за высокой температуры плазмы применяют различные способы охлаждения деталей плазмотрона:

· обдув воздухом;

· теплосъем за счет принудительной циркуляции воды.

Рис.4

Воздушное охлаждение менее затратное, а жидкостное — наиболее эффективное, но сложное.

Классификация по способам стабилизации дуги

Газовая горелка должна обеспечивать ровный, стабилизированный по величине и направлению температурный столб со строгой фиксацией его по оси сопла и электрода.

С этой целью разработано три вида конструкций сопла, использующих энергию:

1. газа;

2. воды;

3. магнитного поля.

 

Рис.5

При первом способе холодная струя газа, обдувая столб плазмы, охлаждает и одновременно сжимает его. В зависимости от направления струи газового потока создается стабилизация:

1. аксиальная — при параллельном обдуве столба;

2. вихревая, когда поток газа создается в перпендикулярном направлении.

Второй способ более эффективно обжимает дугу и применяется в плазмотронах, используемых для напыления металлов или резки.

Аксиальная стабилизация лучше подходит для сварки и наплавки металлов.

Схема двойной стабилизации сочетает в себе черты аксиальной и вихревой. При ее использовании существует возможность пропускать газ тремя способами:

· только через основной центральный канал;

· сквозь оба;

· исключительно через внешний.

При каждом методе создаются разные схемы обжатия столба плазмы.

Водяная стабилизация использует встречные завихренные потоки жидкости. Образуемый при этом пар помогает создавать плазму с разогревом столба до 50 тысяч градусов по шкале Кельвина.

Существенным недостатком этого метода является интенсивное сгорание катода. Для таких устройств электрод делают из графита, разрабатывая механизмы его автоматического приближения к обрабатываемой детали по мере постоянного расхода длины.

Устройства плазмотронов с водяной стабилизацией отмечаются:

· сложностью конструкции;

· низкой надежностью системы подачи электрода;

· трудоемкостью методов возбуждения дуги.

Магнитная стабилизация работает за счет направленного магнитного поля, расположенного поперек перемещения столба дуги. Ее эффективность самая низкая, а соленоид, встроенный в сопло, значительно усложняет схему плазмотрона.

Однако, магнитную стабилизацию применяют для придания вращательного движения анодному пятну внутри стенок сопла. Это позволяет уменьшать эрозию материала сопла, которая влияет на чистоту струи плазмы.

Все рассмотренные выше конструкции плазматронов относятся к дуговым. Но существует еще один вид подобных устройств создания плазмы за счет энергии высокочастотного тока, проходящего по катушке индуктора. Такие плазматроны называются индукционными (ВЧ) и они не требуют наличия электродов для создания разряда дуги.

Рис.6

Они не обладают особыми преимуществами в воздействии на обрабатываемые металлы по сравнению с дуговыми устройствами и используются для решения отдельных технологических процессов, например, выработки чистых порошковых металлов.