Плазменная обработка металлов

Существует три состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное. Плазма - четвертое состояние, представляющее собой ионизированный газ, который образуется из электронов, положительно заряженных ионов, нейтральных и возбужденных атомов и молекул. Внешняя поверхность земной атмосферы накрыта плазменной оболочкой - ионосферой, а, по мнению ученых, Солнце и звезды состоят из раскаленных ярких светящихся газов и находятся в плазменном состоянии. В природных условиях ярким представителем плазмы является молния - дуговой разряд в газах.На практике плазму можно наблюдать в неоновых рекламах, лампах дневного света, электродуговых устройствах, при электросварке и различных плазменных способах обработки материалов.
Она может быть получена изотермическим и газообразным способами. Изотермический способ заключается в нагреве газа до высоких температур, при которых происходит ионизация его за счет увеличения упругих столкновений атомов и молекул с образованием электронов и положительных ионов. При температуре 5000°К заканчивается диссоциация молекул на атомы и начинается процесс перехода газа в плазменное состояние, так как происходит разрушение внешних электронных оболочек атомов, которые превращаются в положительные ионы, а освободившиеся электроны, сталкиваясь с другими атомами, ионизируют их, производя дальнейшее увеличение ионов. Взаимодействие отдельных элементарных частиц можно рассматривать как упругие столкновения, при которых выделяется кинетическая энергия, обуславливающая нагрев газа. Растет количество упругих столкновений, вызывающих повышение температуры газа, а температура газа, в свою очередь, определяет степень ионизации газа. Этот процесс происходит лавинообразно. При температурах в несколько десятков тысяч градусов весь газ в определенном объеме воздействия таких температур превращается в плазму, где, в основном, существуют только положительные ионы и электроны.
На практике в качестве источника теплоты, обеспечивающего указанные температуры в довольно короткие промежутки времени, используются электрические дуги.
Электрическая дуга - это электрический разряд в газах, представляющий собой некоторый объем плазмы между разнополярными электродами, на поверхности которых в местах контакта с дугой образуются активные катодные и анодные пятна.
Катодное пятно является источником электронов, оно обеспечивает ионизацию газа в разряде, в основном, за счет термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. В результате электронных процессов на катоде в столб дуги поступает большое количество электронов, движущихся под действием электрического поля к аноду, производя на своем пути ионизацию газа. В анодной области образуется избыток положительных ионов, движущихся через столб дуги к катоду. Движущиеся направленно электроны и положительные ионы сталкиваются на своем пути с другими атомами и молекулами, производя дальнейшую ионизацию газа лавинообразно между электродами.
Температура газа в столбе электрической дуги при атмосферном давлении равна 5000-6000°К, которая повышается по мере увеличения давления газа. Экспериментально доказано существование электрических дуг с температурой столба выше 50 000°К, где степень ионизации газа в дуге достигает 100%. Высокая температура, сконцентрированная на малой площади, делает электрический дуговой разряд источником тепловой энергии. Это происходит при электросварке, плазменной сварке и резке и других технологических процессах, требующих высокой концентрации тепловой энергии.
Как же и при каких условиях с помощью плазмы происходят эти процессы? При электросварке используются свободно горящие, короткие электрические дуги, их часто называют "открытые", температура которых достигает 6000°К. При плазменной обработке металлов используют так называемые сжатые дуги (плазменные). В них столб дуги обжат плазмообразующим газом в формирующем сопле специального плазмотрона, где происходит интенсивное плазмообразование, то есть получение высоких температур (25 000-50 000°К) за несколько секунд. Плазмотроны служат для создания стабильной плазменной дуги и имеют различные конструктивные исполнения, хотя по способу образования плазмы отличаются незначительно. Во всех конструкциях плазмотронов присутствуют электродный узел, как правило - катод, и узел, формирующий плазменный столб дуги (формирующее сопло). Оба узла имеют принудительное охлаждение. В зависимости от давления, подаваемого через сопло, плазмообразующий газ одновременно выполняет функции плазообразования, обжатия дуги и защиты сопла от высоких температур плазмы путем создания неионизированной холодной прослойки между столбом дуги и стенками сопла. Температура плазменной дуги регулируется диаметром сопла и количеством подаваемого через него газа. Чем меньше диаметр сопла и больше расход газа, тем больше температура плазменной дуги (диаметр сопел обычно колеблется от 0,6 до 10 мм).
Плазмообразующий газ подается в сопло продольным (соосным электроду) потоком плазмообразующего газа или вихревым (вводится в сопло тангенциально). Соосная подача газа требует высокой точности сборки плазмотрона и применяется, как правило, для сопел больших диаметров (более 4 мм), используемых для наплавки, сварки и получения плазменной струи. Более широкое распространение получили плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги, которые надежнее в работе и позволяют получать большие температуры при использовании малых диаметров сопел (менее 4 мм). Коснувшись вопроса получения плазменной струи, необходимо остановиться на двух типах плазмотронов. Плазмотроны применяют для получения дуг прямого (прямая дуга) и косвенного действия (плазменная струя). Дуга прямого действия горит между электродом плазмотрона, как правило, - катодом, и изделием (анодом). Косвенная дуга горит внутри плазмотрона между электродом и соплом, а плазмообразующий газ подается через эту дугу и выдувает через сопло уже плазменную струю. При дуге прямого действия передача тепла от дуги к изделию значительно выше, чем при косвенной дуге, что обусловлено большим тепловыделением в активном пятне (аноде) на изделии.
Для резки, сварки, наплавки предпочтение отдают дугам прямого действия, а для напыления или нанесения покрытий используются косвенные дуги. Плазмотроны для резки более просты по конструкции по сравнению с плазмотронами для других процессов, так как в этом случае не надо обеспечивать подачу газов и порошков через дополнительные встроенные сопла или приспособления. Чтобы получить плазменные дуги, существуют специальные источники питания постоянного тока с падающей вольт-амперной характеристикой и высоким напряжением холостого хода (330-380 В). В отдельных случаях возможно использование стандартных сварочных источников, обеспечивающих напряжение холостого хода 110-120 В. При сварке, наплавке, напылении, нанесении покрытий используют как прямую, так и обратную полярность (плюс на электроде). Предпочтительнее использовать прямую полярность, когда электрод является катодом, так как температура на катоде значительно ниже, чем на аноде, и это обеспечивает их больший срок работы и более устойчивую дугу.
В качестве электродов используют водоохлаждаемые вставки в медь вольфрама, циркония, гафния. Наибольшей стойкостью в инертных газах, а также в присутствии водорода и азота обладают катоды из вольфрама с добавками лантана или итрия, работающие в режиме термоэлектронной эмиссии. Использование дениевых окислительных газов (воздух, кислород, углекислый газ), обладающих значительным теплосодержанием, требует использования гафния или циркония. Плазмообразующий газ, в основном, выбирают в зависимости от технологических условий, качества, стоимости, теплосодержания и температуры. Так, для сварки и наплавки используют аргон, также применяют углекислый газ (для сталей), азот (для меди) или смеси этих газов. Для плазменной резки - воздух, кислород и воду.
Возбуждение плазменной дуги в плазмотронах обеспечивается с помощью осциллятора, создающего высокочастотный искровой разряд между электродом и соплом, который обеспечивает начальную ионизацию газового потока в течение короткого промежутка времени. Таким образом, люди, научившись получать плазму и управлять ею, успешно используют ее в различных технологических процессах, которые кратко освещены в данной статье. На рисунке 5.12 представлен процесс плазменной резки с ручным управлением, а на рисунке 5.13 с автоматическим управлением.

Рис. 5.12 Ручная плазменная обработка.

Рис. 5.13 Автоматизированная плазменная обработка на специализированном оборудовании.

Промышленное применение плазменной дуги для резки началось в начале 50-х годов 20-го века, и, с течением времени, плазменная резка NERTAJET завоевала все основные позиции, принадлежащие ранее другим способам механической или термической резки. Это способ, при котором газ под воздействием электрической дуги переходит в состояние плазмы и претерпевает эффект сжатия, проходя через охлажденную форсунку. На рисунке 5.14 представлен процесс плазменной резки.

Рис. 5.14 Схема плазменной обработки.

Способ плазменной резки используется для резки любых электропроводных материалов, но при этом качественные показатели резки (скорость, толщина и т.д.) зависят от используемого плазменного газа. Особый интерес плазменная резка представляет для предприятий, работающих с листовым металлом для выполнения следующих видов работ:

• резка нержавеющих сталей и цветных металлов: классический способ кислородной резки в этом случае не может быть применен вообще, а лазерная резка, помимо выше указанных недостатков, ограничена возможностью резки только определенных толщин. К тому же неограниченные возможности и получаемое качество резки в сочетании с суммой вложенных инвестиций делают плазменную резку наиболее соответствующей запросам покупателя.
• резка углеродистых марок стали малой и средней толщины (< 30 мм).
• серийное производство металлических деталей.
• резка сложных геометрических форм, исключающая деформацию разрезаемого материала.

Положительные стороны плазменной резки:

• высокая производительность, т.е.  сравнительно более высокая скорость резки;
• простота в подготовке к работе и запуске;
• стабильность качественных показателей резки;
• при необходимости процесс может быть легко автоматизирован или роботизирован;
• незначительная зона термического воздействия;
• незначительное или полное отсутствие деформации разрезаемого материала.

В практике существуют различные виды плазменной резки, применяемые каждый в определенной области в зависимости от используемого плазменного газа (см. табл.5.2)

Таблица 5.2.

 

Плазма с использованием нейтрального или раскисляющего газа.	Плазма с использованием кислородосодержащего газа.	Плазма с впрыском воды.
Используемыми газами: азот, аргон или смесь аргона и водорода(иногда смесь азота и водорода). Обычно применяется для резки цветных металлов и нержавеющей стали. Плазма аргон-водород используется для ручной резки.	При этом методе в качестве плазменного газа используется сжатый воздух или чистый кислород. Обычно применяется для резки углеродистых марок стали. Плазма сжатый воздух используется для ручной резки.	При этом методе резки происходит комбинированный процесс смешивания газа(азота, сжатого воздуха или кислорода) с последующим впрыском воды. Применяется для резки любых электропроводных материалов. Уменьшает количество вредных выбросов. Метод используется только для автоматической резки.

 

Процесс плазменной резки можно описать следующим образом: плазменная струя образуется в резаке: газ под давлением, проходя через форсунку, под воздействием электрической дуги преобразуется в плазму. Высокотемпературный поток плазмы (от 10 000 до 25 000 °С) с огромной скоростью (от 500 до 1500 м/с) вырывается из отверстия форсунки в форме цилиндрической колонны небольшого сечения, воздействует на разрезаемый материал, плавит металл и удаляет расплавленную массу, оставляя ровный и гладкий разрез.
Первоначально зажигание дуги происходит между электродом и форсункой с помощью источника высокочастотных импульсов или же в результате контакта (короткого замыкания) между электродом и форсункой. Для осуществления процесса резки дуга "переносится" на разрезаемый материал, поэтому способ плазменной резки применим только для электропроводных материалов. Источником электроэнергии, необходимой для образования плазмы, является генератор постоянного тока. Для охлаждения резака используется жидкость с высокой степенью теплопроводности и низкой степенью электропроводности. Таковой является деминерализированная вода. В установках плазменной резки небольшой мощности для охлаждения резака используется сжатый воздух.