Плазменная обработка,обработка материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми иливысокочастотными плазматронами. При плазменной обработке изменяется форма,размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности.Плазменная обработка включает: разделительную и поверхностную резку, нанесениепокрытий, наплавку, сварку, разрушение горных пород (плазменное бурение).
Плазменная обработкаполучила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартамтемпературы плазмы (~ 104 К), большого диапазона регулированиямощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии;при этом эффекты плазменной обработки достигаются как тепловым, так имеханическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы,движущимися с очень высокой скоростью — так называемый скоростной напорплазменного потока). Удельная мощность, передаваемая поверхности материалаплазменной дугой, достигает 105—106 Вт/см2, вслучае плазменной струи она составляет 103—104 Вт/см2.В то же время тепловой поток, если это необходимо, может быть рассредоточен,обеспечивая «мягкий» равномерный нагрев поверхности, что используется принаплавке и нанесении покрытий.
Резка металловосуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемымметаллом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие токового каналадуги, повышающее её температуру, осуществляются соплом горелки и обдуваниемдуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N2, H2, NH4и их смеси). Для интенсификации резки металлов используется химически активнаяплазма. Например, при резке воздушной плазмой O2, окисляя металл,даёт дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугойрежут нержавеющие и хромоникелевые стали, Cu, Al и др. металлы и сплавы, неподдающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резкипозволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах.Мощность установок достигает 150 кВт. Неэлектропроводные материалы (бетоны,гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей(дуга горит в сопле плазменной горелки между её электродами). Нанесениепокрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высокихтемпературах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическомувоздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды,бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которойон плавится, распыляется, приобретает скорость ~ 100 — 200 м/сек и в видемелких частиц (20—100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменныепокрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостояттермическим ударам. Мощность установок для напыления 5—30 кВт, максимальнаяпроизводительность 5 — 10 кг напыленного материала в час. Для полученияпорошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, вплазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретаютпод действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частицможет регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие(ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарениемисходного материала в плазме и последующей его конденсацией.
Свойство плазменнойдуги глубоко проникать в металл используется для сварки металлов. Благоприятнаяформа образовавшейся ванны позволяет сваривать достаточно толстый металл (10—15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличаетсявысокой производительностью и, вследствие большой стабильности горения дуги,хорошим качеством. Маломощная плазменная дуга на токах 0,1—40 а удобна длясварки тонких листов (0,05 мм) при изготовлении мембран, сильфонов,теплообменников из Ta, Ti, Mo, W, Al.
Плазматрон,плазмотрон, плазменный генератор, газоразрядное устройство для получения«низкотемпературной» (Т >> 104 К) плазмы. Плазматрониспользуются главным образом в промышленности в технологических целях, ноустройства, аналогичные плазматрону, применяют и в качестве плазменныхдвигателей. Начало широкого использования плазматрона в промышленной илабораторной практике (и появление самого термина «плазматрон») относится кконцу 50-х — началу 60-х гг. 20 в., когда были разработаны эффективные синженерной точки зрения способы стабилизации высокочастотного разряда идугового разряда, а также способы изоляции стенок камер, в которых происходятэти разряды, от их теплового действия. Соответственно, наиболее широкоераспространение получили дуговые и высокочастотные (ВЧ) плазматроны.
Дуговой плазматронпостоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух(катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующеговещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами — так называемымиплазматронами с полым катодом. (Реже используются дуговые плазматроны,работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения » 105Гц — их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые плазматроны с осевым икоаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, сдвусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами (рис. 1) и т.д.Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется сопломплазматрона (в некоторых типах дуговых плазматронов границей сопла являетсякольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых плазматронов —для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) иплазменной струи. В плазматронах 1-й группы дуговой разряд горит между катодомплазматрона и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти плазматроны могутиметь как только катод, так и второй электрод вспомогательный анод, маломощныйразряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) «поджигает»основную дугу. В плазматронах 2-й группы плазма, создаваемая в разряде междукатодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.
/>
Рис. 1. Схема дуговыхплазматронов: а — осевой; б — коаксиальный; в с тороидальными электродами; г —двустороннего истечения; д — с внешней плазменной дугой; е — с расходуемымиэлектродами (эрозионный); 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 —плазменная струя; 4 — электрод; 5 — разрядная камера; 6 — соленоид; 7 —обрабатываемое тело.
Стабилизация разряда вдуговых плазматронах осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенкамиразрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитнойстабилизации плазменноструйных плазматронов с анодом в форме кольца или тора,коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида)перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое вынуждаеттоковый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются покругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов(или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).
К числу способовгазовой стабилизации, теплоизоляции и сжатия дуги относится так называемая«закрутка» — газ подаётся в разрядную камеру по спиральным каналам, врезультате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемуюплазменную струю: слой более холодного газа под действием центробежных силрасполагается у стенок камеры, предохраняя их от контакта с дугой. В случаях,когда не требуется сильного сжатия потока плазмы (например, в некоторыхплазматронах с плазменной дугой, используемых для плавки металла),стабилизирующий газовый поток не закручивают, направляя параллельно столбудуги, и не обжимают соплом (катод располагают на самом срезе сопла). Оченьчасто стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом.Применяют также стабилизацию и сжатие дуги потоком воды (с «закруткой» или безнеё).
Плазма дуговыхплазматронов неизбежно содержит частицы вещества электродов вследствие ихэрозии. Когда этот процесс по технологическим соображениям полезен, егоинтенсифицируют (плазматрон с расходуемыми электродами); в других случаях,напротив, минимизируют, изготовляя электроды из тугоплавких материалов(вольфрам, молибден, спец. сплавы) и (или) охлаждая их водой, что, кроме того,увеличивает срок службы электродов. Более «чистую» плазму дают ВЧ плазматроны(см. ниже).
Плазматроны сплазменной струёй обычно используют при термической обработке металлов, длянанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, вплазмохимической технологии и пр.; плазматроны с внешней дугой служат дляобработки электропроводных материалов; плазматроны с расходуемыми электродами применяютпри работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и принеобходимости генерации металлической, углеродной и т.д. плазмы из материалаэлектродов (например, при карботермическом восстановлении руд).
Мощность дуговыхплазматронов 102—107 Вт; температура струи на срезе сопла3000—25000 К; скорость истечения струи 1—104 м/сек; промышленное кпд50—90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколькосотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N2, Ar, H2,NH4, O2, H2O, жидкие и твёрдые углеводороды,металлы, пластмассы.
Высокочастотныйплазматрон включает: электромагнитную катушку-индуктор илиэлектроды, подключенные к источнику высокочастотной энергии, разрядную камеру,узел ввода плазмообразующего вещества. Различают индукционные, ёмкостные,факельные плазмотроны, плазматроны на коронном разряде и с коронойвысокочастотной, а также сверхвысокочастотные (СВЧ) плазматроны (рис. 2).Наибольшее распространение в технике получили индукционные ВЧ плазматроны, вкоторых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Т. к. индукционныйвысокочастотный разряд является безэлектродным, эти плазматроны используют длянагрева активных газов (O2, Cl2, воздуха и др.), паровагрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также инертных газов, если кплазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощьюиндукционных плазматронов получают тонкодисперсные и особо чистые порошковыематериалы на основе нитридов, боридов, карбидов и др. химических соединений. Вплазмохимических процессах объём разрядной камеры таких плазматронов может бытьсовмещен с реакционной зоной. Мощность плазматрона достигает 1 МВт, температурав центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи ~ 104К, скорость истечения плазмы 0—103 м/сек, частоты — от несколькихдесятков тыс. Гц до десятков МГц, промышленное кпд 50—80%, ресурс работы до3000 ч. В СВЧ плазматроне рабочие частоты составляют тысячи и десятки тыс. МГц;в качестве питающих их генераторов применяются магнетроны. ВЧ плазматроны всехтипов, кроме индукционных, применяются (70-е гг. 20 в.) главным образом влабораторной практике. В ВЧ плазматроне, как и в дуговых, часто используютгазовую «закрутку», изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяетизготовлять камеры ВЧ плазматрона из материалов с низкой термостойкостью(например, из обычного или органического стекла).
/>
Рис. 2. Схемывысокочастотных плазматронов: а — индукционный; б ёмкостный; в — факельный; г— сверхвысокочастотный; 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменнаяструя; 4 — индуктор; 5 — разрядная камера; 6 — электрод; 7 — волновод
Для пуска плазматрона,т. е. возбуждения в нём разряда, применяют: замыкание электродов, поджигвспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродногопромежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основныетенденции развития плазматронов: разработка специализированных плазматронов иплазменных реакторов для металлургической, химической промышленностей,повышение мощности в одном агрегате до 1 — 10 МВт, увеличение ресурса работы ит.д.
Плазменная горелка,ручной дуговой плазматрон для нанесения покрытий, резки, сварки, наплавки и др.процессов плазменной обработки. По принципу действия различают две группыплазменных горелок: для работы плазменной дугой и для работы плазменной струёй.При механизированной обработке плазменная горелка закрепляется на специальнойустановке; для нанесения покрытий и наплавки она обычно оснащается устройствомдля подачи распыляемого или наплавляемого материала (в виде порошка илипроволоки). Такая плазменная горелка называется плазменной головкой. Мощностьплазменной горелки достигает 100 кВт, плазмообразующими газами служат Ar, Не, N2,NH4, воздух и их смеси. Для зажигания дугового разряда в началеработы необходимо замкнуть зазор между катодом и анодом плазменной горелки(плазменная струя) или между катодом и обрабатываемым металлом (плазменнаядуга) или иным образом возбудить разряд.
плазмотронгорелка плазменная обработка