Плазменная сварка

Плазматроны. Требования предъявляемые  к плазматронам. 
Эта статья позволяет понять - исходя из каких требований конструируются плазмотроны, в каких условиях они работают.

При конструировании  плазмотронов, предназначенных для  различных видов обработки материалов следует учитывать ряд общих  требований, предъявляемых к ним: 
1. Плазмотрон должен обеспечивать многократное надежное зажигание и стабильное горение плазменной дуги в заданном диапазоне рабочих токов и напряжений. Это требование удовлетворяется при определенных соотношениях между диаметром электрода, сопла, длиной последнего, и зазором между ними, а также при правильном конструктивном решении узла формирования и стабилизации дуги. 
2. Элементы, наиболее подверженные действию тепла (электрод, сопло), должны выдерживать длительную тепловую нагрузку при максимальной мощности плазмотрона. Это требование выполняется при правильном выборе материала теплонапряженных элементов и си-стемы их охлаждения. 
3. Электрическая изоляция между электродами и соплом должна быть рассчитана на максимальное напряжение, возникающее на дуговом промежутке при возбуждении дуги и ее обрыве. При возбуждении дуги с помощью осциллятора это напряжение составляет 2-5 кв в диапазоне частот 0,3-1 Мгц. 
4. Элементы водяных и газовых коммуникаций плазмотрона (шланги, уплотнения, прокладки и пр.) должны выдерживать давление не ниже 10 атм. 
5. Для обеспечения маневренности плазмотрона подсоединяемые к нему шланги и электрические провода должны быть гибкими и прочными. 
6. Плазмотрон должен быть технологичным в изготовлении, в ремонте и удобным в эксплуатации. Особо важно обеспечить легкость его разборки и сборки и возможность быстрой замены наиболее часто изнашиваемых деталей (катода и сопла). 
7. Конструкция плазмотрона должна быть экономичной, т. е. должна предусматривать возможность применения недифицитных материалов для его изготовления и обеспечивать минимальное потребление охлаждающей воды, рабочего газа и минимальные потери тепла. 
8. К плазмотронам предъявляется и ряд специальных требований, обусловленных особенностями технологического процесса. 
9. Плазмотроны для сварки и наплавки должны обеспечивать надежную защиту шва от вредного воздействия окружающей среды, плазмотроны для напыления - высокие скорость течения и теплосодержание плазменной струи при минимальной ее загрязненности продуктами эрозии электродов, плазмотроны для резки - высокую концентрацию теплового потока плазменной струи. Ручной плазменный резак должен быть легким и удобным в обращении. 
Конструкция плавильных плазмотронов, предназначенных для работы в печи с высокой температурой атмосферы, должна обеспечивать выполнение следующих специальных требований: 
1. отсутствие любых водо-, электро- или газоподводящих шлангов в рабочем пространстве печи; 
2. водоохлаждение всех металлических частей; 
3. защита от излучения всех уплотнений и неметаллических деталей водоохлаждаемыми или термоизоляционными экранами; 
4. возможность ввода плазмотрона в печную камеру через уплотнение.

При этом желательно обеспечить возможность его поступательного  перемещения в камере в процессе работы. 
В ряде случаев выдвигаются особые требования к системе управления плазмотроном, к способу его охлаждения, к защите от воздействия окружающей среды, к повышенной надежности его в условиях работы на поточной линии и др.

 
Плазматроны. Схемы, классификация. 
Существует множество методов обжатия плазменной дуги, методов охлаждения плазмотронов и пр. В этой статье собрыны различные (схематичные) схемы плазматронов, и разбиты по категориям. 
При создании плазмотрона первым шагом является составление схемы его устройства. Исходя из особенностей технологического процесса и условий работы плазмотрона выбираем систему его охлаждения, род тока, плазмообразующую среду, вид и материал электрода, способ стабилизации дуги, перемещения ее электродных пятен и т. д. Различные варианты схем плазмотронов удобнее всего представить в виде классификации (рис.). Данная классификация составлена таким образом, что один из вариантов каждого подраздела является необходимым составным элементом общей схемы плазмотрона любого типа. 
В первую очередь все плазмотроны разделяются на две группы по виду дуги (см. рис.): плазмотроны с дугой прямого и косвенного действия (схемы 1 и 2). Различие тепловых свойств обоих типов плазмотронов и области их применения уже рассматривались выше.

 
 
рис. 1 Классификация плазмотронов по критериям.

По системе  охлаждения электрода и сопла  плазмотроны также делятся на два основных типа: с воздушным и с водяным охлаждением (схемы 3, 4). Теплоемкость воды намного выше теплоемкости воздуха и других газов. Поэтому наиболее эффективной и распространенной является водяная система охлаждения, при которой допускаются высокие тепловые нагрузки на электрод и сопло, т. е. обеспечивается нормальная работа плазмотрона при больших токах и высокой степени обжатия плазменной дуги. Однако водяное охлаждение несколько усложняет конструкцию плазмотрона, утяжеляет его из-за наличия водоподводящих шлангов и удорожает эксплуатацию плазменной установки. Чистота воды существенно влияет на эффективность теплоотвода. При больших расходах воды плазменную установку целесообразно оснащать циркуляционной системой охлаждения с использованием дистиллированной воды во избежание образования накипи. Система воздушного охлаждения ввиду низкой эффективности применяется реже, главным образом для охлаждения малоамперных плазменных горелок и ручных плазменных резаков, предназначенных для монтажных работ в зимних условиях. В таких резаках рабочий ток обычно не превышает 300-400 а. В обеих системах охлаждающая среда чаще всего проходит последовательно электродный и сопловой узел через изолирующий корпус плазмотрона. При этом существенную роль с точки зрения эффективности охлаждения играет профиль полостей охлаждения, температура и давление поступающей в плазмотрон охлаждающей среды. Основная задача при выборе системы охлаждения состоит в том, чтобы обеспечить максимальную интенсивность отвода тепла стенками сопла, так как чем выше величина теплового потока, отводимого соплом, тем круче температурный градиент газовой прослойки между столбом дуги и стенками канала сопла и, следовательно, тем выше плотность тока и 
мощность столба дуги.

 
рис. 2 Классификация плазмотронов по методам стабилизации дуги.

Плазмотроны можно классифицировать и по способу  стабилизации дуги. Система стабилизации дуги, обеспечивающая сжатие столба и  строгую фиксацию его по оси электрода  и сопла плазмотрона, является наиболее важным элементом плазмотрона. Существуют три вида стабилизации дуги: газовая, водяная и магнитная. Наиболее простой и распространенной является газовая стабилизация, при которой наружный холодный слой рабочего плазмообразующего газа, омывая стенки столба дуги, охлаждает и сжимает его. При этом в зависимости от способа подачи газа (вдоль или перпендикулярно оси столба) газовая стабилизация может быть аксиальной или вихревой (схемы 5, 6). Наибольшее обжатие дуги достигается при вихревой ее стабилизации, поэтому этот способ используется главным образом в плазмотронах для резки и напыления. При аксиальной стабилизации поток газа, обдувающего столб дуги, имеет более спокойный, ламинарный характер, что обеспечивает лучшие условия защиты нагреваемого изделия от воздействия окружающей среды. Поэтому аксиальная стабилизация применяется в плазмотронах для сварки и наплавки. Иногда применяют двойную стабилизацию дуги (схема 7), при которой сочетается аксиальная подача газа через первичное и вихревая подача через вторичное сопло или наоборот. Столб дуги можно стабилизировать, омывая его водяной струей (схема 8). Образуемый из струи водяной пар служит плазмообразующей средой. При водяной стабилизации можно достигнуть наиболее высокой степени сжатия и температуры столба дуги до 50 000 °К. Однако присутствие паров воды вблизи катодной области приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов. В плазмотронах с водяной стабилизацией, предназначенных для резки, используется графитовый электрод, автоматически перемещаемый по мере его сгорания. Плазмотроны с водяной стабилизацией отличаются сложностью конструкции, малой надежностью системы автоматического регулирования подачи электрода и сложностью способов возбуждения дуги. Магнитная стабилизация (схема 9), при которой создается продольное магнитное поле, сжимающее столб дуги, менее эффективно, чем газовая и водяная. Кроме того, надетый на сопло соленоид усложняет конструкцию плазмотрона. Преимущество способа магнитной стабилизации состоит в возможности регулирования степени сжатия столба дуги независимо от расхода рабочего газа, в то время как при газовой и водяной стабилизации рабочий газ является одновременно плазмообразующим и стабилизирующим. На практике наложение продольного магнитного поля применяется не столько для стабилизации дуги, сколько для вращения ее анодного пятна по внутренним стенкам сопла с целью повышения стойкости последнего. Например, в плазмотронах, применяемых для напыления, магнитное вращение анодного пятна газовихревым способом позволяет значительно снизить эрозию сопла и, следовательно, загрязненность плазменной струи.