8 (812) 380-82-74
8 (800) 333-54-55

Обратный звонок

Изготовление деталей из металла по вашим чертежам

В поиске компании по металлообработке? Отправьте ваш запрос для оценки стоимости

*Если требуется отправить чертеж, перейдите на форму заказа

Обработка металлов плазмой

Каждое физическое тело может находиться в трех ипостасях. Стандартно — твердая форма, жидкое состояние, газообразное. Однако существует и еще одна форма, четвертая. Называется — плазма. Она представлена ионизированным газом. Его образование происходит из молекул, электрически заряженных частиц, ионов с положительным зарядом, атомов нейтрального и активного состояния. Верхняя поверхность атмосферной оболочки сильно ионизирована, насыщена электронами в свободном состоянии и называется ионосферой. Она считается плазменной оболочкой. Ученые считают, что таким космическим телам, как звезды, Солнце также присуще плазменное состояние потому, что они образованы яркими газами, светящимися и раскаленными.

обработка металла плазмойВ природе очень часто встречается плазменный элемент — молния, когда в газах происходит дуговой разряд. Ежедневно плазму можно увидеть в рекламных вывесках из неона, при работе электродугового оборудования. Она также представлена в лампах дневного света. Наблюдается при работе электросварочных агрегатов, обработке изделий плазмой.

Получают плазму несколькими способами. Основные методы — это привлечение изотермического процесса, газообразное получение. Первый заключается в том, что газ доводят до высокого температурного показателя, чтобы стимулировать ионизационный процесс, обусловленный увеличенным взаимодействием между молекулами и атомами с выделением тепла. При этом вырабатываются положительные ионы и отрицательно заряженные частицы. Распад наименьших частиц на атомные элементы завершается, когда достигается температура 5000 по Кельвину. Далее запускается процесс, переводящий газовый поток в плазму. У мельчайших частиц разрушается внешнее покрытие электронное, и происходит их преобразование в катионы. Свободные, отрицательно заряженные частицы запускают ионизацию других мельчайших частиц, с которыми сталкиваются. Это способствует увеличению ионов. Газовый поток нагревается благодаря кинетической энергии, высвобождающейся при контакте между отдельными частицами. Чем больше столкновений, тем выше температура газообразного вещества, а этот показатель является определяющим ионизационной способности газа. Процессу характерно лавинообразное течение. Когда температура составляет тысячи градусов, то начинается превращение в плазму всего объема газа, на который воздействует высокотемпературный режим. Состав плазмы преимущественно наполнен отрицательно заряженными частицами и положительными ионами.

Чтобы организовать подобный процесс на практике, необходимо задействовать источник тепла, быстро обеспечивающий такие высокие температуры. Это — электрические дуги. Они позиционируются как электрический разряд, возникающий в газообразном веществе. Разряд представляет собой определенный объем плазмы, сосредоточенный между электродными элементами с разной полярностью. На их поверхности, в определенных местах, наблюдается образование активных пятен катодного и анодного характера. Именно там происходит контакт с дугой.

обработка металлов плазмойВ этот момент источником отрицательно заряженных частиц выступает катодное пятно. Благодаря ему в разряде ионизируется газовый поток. Наблюдается термоэлектронная эмиссия. Возникает автоэлектронная эмиссия. Ионизация осуществляется в результате течения на отрицательном электроде электронных процессов, когда дуга насыщается большим количеством электронов, передвигающихся к положительному электроду силой влияния электрического поля. На положительном электроде зафиксировано избыточное количество катионов. Они двигаются к отрицательному электроду через столб дуги. Последующее ионизирование газового потока между электродными элементами происходит по образу лавины. Процесс обеспечивается катионами и электронами. Они передвигаются в одном направлении, и на своей траектории встречаются с наименьшими частицами вещества и атомами.

Наличие атмосферного давления в столбе дуги способствует температурному показателю газа пять-шесть тысяч градусов по Кельвину. Повышение силы действия газообразного вещества способствует планомерному повышению температурного показателя дуги. В ходе экспериментов удалось доказать, что могут существовать дуги, у которых температура столба превышает пятьдесят тысяч по Кельвину. В этих дугах установлено стопроцентное ионизирование газообразного вещества. Источник тепловой энергии образуется следующим образом посредством электродугового разряда. На небольшом участке концентрируется высокая температура. Яркий пример — электросварка, резка, сварка плазмой.

Какие необходимы условия для протекания этих процессов, задействуя плазму?

Когда осуществляется электросварка, задействуются короткие «открытые» электродуги, которые свободно горят и имеют температуру 6 000 градусов по Кельвину. Обработка металлов плазмой подразумевает использование плазменных дуг, сжатых. Их называют так потому, что столб дуги плотно окружает газовый поток в конической насадке специального устройства, которое интенсивно образует плазму. Плазмотрон способен в течение нескольких секунд обеспечить температуру в 25 000-50 000 градусов по Кельвину.

Плазмотроны различаются конструкционными особенностями и предназначены для постепенного образования плазменной дуги. Но способ получения плазмы практически у всех устройств аналогичен. Каждое оборудование наделено электродным узлом, в основном, это отрицательный электрод и формирующей конической насадкой — узел, предназначенный для образования плазменного столба дуги. Оба эти узла стабильно охлаждаются. Давление, которое подается через сопло, может способствовать различному одновременному функционалу плазмообразующего газа. То есть — это образование плазмы, плотный обхват дуги со всех сторон, предохранение конической насадки от плазмы высокой температуры. Последнее достигается благодаря образованию между столбом дуги и конической насадкой неионизированного прослоечного холодного элемента. Можно регулировать температуру дуги из плазмы. Для этого оперируют диаметром сопла, а также объемом газа, который подается через коническую насадку. Температура плазменной дуги будет увеличиваться с уменьшением диаметра конической насадки и увеличением расхода газа. Конические насадки обычно имеют диаметр от 0,6 мм до 1 см.

обработка металла плазмойПлазмообразующий газ подают в сопло разными методами. Первый — это поток движется продольно, то есть соосно электроду. Второй — поток вихревой, т.е. в конусную насадку он поступает тангенциально. Для соосной подачи газового потока необходимо, чтобы точность сборки конструкции плазмотрона была очень высокой. Данный способ характерен для больших сопел, диаметр которых превышает 4 мм. Это оборудование применяется для наплавки, сварочных работ, образования плазменной струи. Наиболее актуальны и востребованы устройства с вихревой подачей плазмообразующего газа. Они более надежны при эксплуатации. Маленький диаметр их сопла (менее 4 мм) способствует получению высоких температурных показателей.
Получают струю из плазмы благодаря двум разновидностям плазмотронов. Эти устройства позволяют получить дуги двух разновидностей. Одним свойственно прямое действие, другим — косвенное. Первый тип — это прямая дуга. Второй тип — струя плазмы. Горение прямой дуги осуществляется между отрицательным электродным элементом плазмотрона и материалом, который выступает анодом. Дуга косвенного воздействия горит внутри плазмообразующего устройства между электродным элементом и конической насадкой. Поток газообразного вещества проходит через данную дугу для образования плазмы, а сквозь коническую насадку выдувается плазменный поток. Прямая дуга обеспечивает значительно большую теплопередачу от дуги к материалу. Чего невозможно сказать о дуге косвенного назначения. Это обусловлено существенным выделением тепла в активном пятне на материале (аноде).

Прямые дуги предпочтительнее использовать для сварочных работ, резки, наплавления. Косвенными дугами наносят напыления и покрытия.
Плазмообразующие устройства, применяемые для резки, обладают более упрощенной конструкцией, если сравнивать их с другими вариантами плазмотронов. Это объясняется тем, что не нужно подавать порошковые вещества, газообразные, используя дополнительные конические насадки, встроенные в конструкцию.

Получить дуги из плазмы можно специализированным оборудованием. Нужны специальные источники питания, которые обладают определенными характеристиками. Электрический ток постоянного действия. Вольтамперная характеристика падающая. Высокое напряжение холостого хода (порядка 380 В).

В нестандартных ситуациях допускается задействовать источники для сварки стандартного типа, которые дают около 120 В напряжения на холостом ходу.

Для сварочных работ, наплавления, нанесения напыления и покрытий применяют обе полярности. Они классифицируются как прямая и обратная. Приоритет на стороне полярности первого вида, если используется отрицательный электрод. Это из-за того, что на нем температурный показатель ниже в разы, чем на положительном электродном элементе. Соответственно, образованная дуга отличается повышенной устойчивостью, а срок службы электрода выше.

Электроды могут быть представлены водоохлаждаемыми вставками в цирконии, вольфраме, меди. Вольфрамовым катодам, в которые добавлен иттрий, лантан, присуща самая изумительная выносливость в благородных газах, если присутствует водород, азот, которые работают в термоэлектронной эмиссии. Гафний, цирконий применяются, если задействованы окислительные газы на основе кислорода, которым присуще высокое теплосодержание.
На выбор плазмообразующего газа влияют преимущественно такие показатели — техусловия, температурные данные. Также теплосодержание, качественная составляющая. Учитывается и цена. Чтобы сплавить необходимые поверхности и осуществить наплавление, обращаются к инертно аргону. Для этой же цели актуально применение углекислого газа (стальные поверхности), азота — сплавление медных материалов, микса перечисленных газообразных веществ. Резка плазмой задействует воздух, воду.

В плазмотроне осциллятор вырабатывает плазменную дугу. Он стимулирует разряд искры высокой частоты, базирующийся между конической насадкой и электродным приспособлением. Обеспечивает вначале в сжатые временные рамки ионизацию.
Получение и управление плазмой позволило обществу благополучно применять ее для реализации различных технологических нужд.


Перейти к списку статей >>