Лекция 6. Физика и применение плазменной обработки.
Плазмой называют особое состояние вещества, в котором наряду с нейтральными и возбужденными атомами есть ионизированные атомы и электроны. Такое состояние свойственно любому веществу, нагретому до высокой температуры.
При нагревании вещество из твердого состояния может переходить в жидкое и затем в газообразное. Возможен и сублимационный переход (непосредственно из твердого стояния в газообразное). При переходе вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное увеличивается кинетическая энергия молекул и атомов вещества, ослабляются и разрушаются энергетические связи между ними. Дальнейший нагрев приводит к разрушению энергетических связей не только между атомами, но и между элементарными частицами, входящими в состав атомов — ядрами и электронами.
Происходит ионизация газа (газ представляет собой смесь нейтральных атомов, свободных электронов и положительных ионов). Такое состояние веществa в форме ионизированного газа — плазмы — называют четвертым состоянием вещества (наряду с твердым, жидким и газообразным).
Переход вещества из газообразного состояния в плазменное происходит постепенно.
При сравнительно небольшой температуре (3000—5000° С) в газе появляется незна- чительное количество заряженных частиц. При температуре 5000—10 000° С количество заряженных частиц достигает несколько процентов общего количества частиц, а при температуре 30 000 – 50 000° С количество заряженных частиц достигает почти 100%, т. е. возникает полная ионизация газа.
Наиболее простым способом перевода газа в состояние плазмы является возбуждение в нем электрических разрядов. Такое состояние возникает и при тлеющем, и при дуговом, и при искровом разрядах.
Температура плазмы зависит от вида разряда. При тлеющем разряде температура плазмы настолько низка, что не вызывает даже существенного нагрева электродов и сосудов, в которых плазма возбуждается. Такой вид разряда возникает, например, в неоновых лампах.
При дуговом разряде в газе температура плазмы достигает 5000 – 50 000° С, а при искровом разряде — даже на порядок выше. При плазменной обработке ионизированный газ – плазма – образуется при нагреве какого-либо рабочего газа в условиях дугового разряда.
Повышение давления газа приводит к увеличению плотности заряженных частиц.
Это вызывает увеличение частоты столкновений электронов, ионов и нейтральных частиц, интенсивный обмен энергией между ними и тем самым приводит к повышению температуры ионизированного газа.
Для получения высокотемпературной плазмы давление газа повышают сжатием дугового разряда.
Высокая степень ионизации газа обусловливает высокую температуру образующейся плазмы и ее специфические свойства. Свойства плазменного состояния вещества напоминают свойства газа, жидкости, электролита и металла. Плазменное состояние вещества характеризуется большей динамической вязкостью, чем вязкость, получаемая из кинетической теории газов. Очевидно, здесь важную роль играют дальнодействующие кулоновские силы. Значительно повышается теплопроводность плазмы, что связано с эффектом диссоциации и ионизации. С электрической точки зрения
51 плазма характеризуется повышенной электропроводностью. Это свойство обусловлено наличием в плазме смеси положительных ионов и свободных электронов и этим в некоторой степени плазма напоминает металл.
Получение дуговой плазмы.
Устройства для получения дуговой плазмы называются плазмотронами, плазменными генераторами, плазменными горелками и головками и плазменными пистолетами. По типу получаемой плазмы для обработки материалов и нанесения покрытий устройства подразделяются на два основных вида. К первому виду относятся устройства для получения плазменной струи, выделенной из столба дуги и не совпадающей со столбом дуги (см.рис. 6.1). Ко второму типу относятся устройства для получения дуговой плазмы, совпадающей со столбом дуги (см. рис. 6.2).
Рисунок 6.1 – Схематичное изображение устройства для получения плазменной струи, выделенной из столба дуги и не совпадающей со столбом дуги:
1 — плазмообразующий газ, 2 — охлаждающая вода, 3 — электрод, 4 — канал горелки,
5 — столб дуги, 6 — плазменная струя, Е — источник тока
Температура плазменной струи, выделенной из токоведущего столба дуги, при использовании аргона достигает величины порядка 10 4
–1,5∙10 4
К и выше и обусловлена в основном высокой плотностью энергии в столбе разряда в результате его обжатия газовым потоком в канале плазменной головки. При водяной стабилизации температура дуги и струи может достигать величины 5∙10 4
К. Однако эффективный КПД нагрева плазменной струей, выделенной из столба дуги, не очень велик.
52
Рисунок 6.2 – Схематичное изображение устройства для получения дуговой плазмы, совпадающей со столбом дуги:
1 — плазмообразующий газ, 2 — охлаждающая вода, 3 — электрод, 4 — канал горелки,
5, 6 — столб дуги и плазменная струя, Е — источник тока, И — изделие
При обработке, особенно
электропроводных материалов больших толщин, более эффективным является нагрев дуговой плазмой в комбинации с дугой прямого действия. В этом случае изделие подключается к источнику питания для увеличения эффективной тепловой мощности, вводимой в изделие (рис. 6.2). Распределение температуры по сечению плазменной струи и дуговой плазмы приведено на рис. 6.3–6.4.
Градиент потенциала в канале плазменной головки в 2–3 раза превышает градиент потенциала в столбе свободно горящей дуги.
Рисунок 6.3 – Распределение температуры по сечению в плазменной струе, выделенной из столба дуги
53
Рисунок 6.4 – Распределение температуры по сечению:
I — в обычном дуговом разряде, II — в разряде, горящем в канале в среде аргона (d k
= 1,8 мм)
При среднем расходе газа КПД эффективного плазменного нагрева для плазменной струи, выделенной из столба дуги, равен 30–50 %, а для плазменной струи, совпадающей со столбом дуги, равен 45–75 % (в литературе представлены зависимости влияния на эффективную мощность q различных факторов: тока, напряжения, расстояния от сопла до изделия и ряд других).
В целях получения высокоинтенсивного локализованного нагрева плазменной струей используется так называемый процесс стабилизации плазмообразования.
Стабилизация осуществляется следующими, широко применяемыми в промышленности, способами:
1) Газовая стабилизация — осуществляется с помощью газового потока, подаваемого в канал горелки. Газовая стабилизация бывает двух видов: вихревая и продольная. Вихревая стабилизация осуществляется подачей плазмообразующего газа в камеру перед каналом сопла через тангенциальные отверстия. При этом увеличивается время нахождения частиц газа в канале сопла и соответственно возрастает термический
КПД. Кроме того, вихревой поток благоприятно отражается на работе электродов, т. к. перемещает активное пятно дуги по его поверхности. При продольной стабилизации плазмообразующий газ подается в канал у катода,
охлаждает его и выходит в отверстие анода, а затем вместе с потоком плазмы в атмосферу.
2) Водяная стабилизация — осуществляется с помощью вихревого потока воды.
Этот вид стабилизации применяется тогда, когда вода является одновременно и плазмообразующей средой.
3) Магнитная стабилизация — осуществляется магнитным полем, сжимающим плазменную струю. Это способствует стабилизации до некоторой степени «пинч-эффекта»
Технологии плазменной обработки. Использование плазменной струи и дуговой плазмы позволяет производить разнообразные виды обработки различных материалов (сварка, плавка, пайка, наплавка, резка, строжка, нанесение различных покрытий, термическая обработка и ряд других операций). Большие возможности, которые дает плазменная струя и дуговая плазма при
54 обработке различных материалов, независимо от их химического состава и механической прочности, позволили плазменной обработке найти широкое применение во многих отраслях промышленности. Плазменная обработка применяется в настоящее время в тяжелом машиностроении, в авиационной, судостроительной, ракетной, электровакуумной, радиоэлектронной, радиотехнической промышленности. В некоторых отраслях промышленности плазменная обработка материалов является почти незаменимой.
К основным широко распространенным видам обработки материалов плазмой относятся: а) резка (плазменной струей и дуговой плазмой), б) нанесение покрытий, в) токарная обработка тел вращения, г) сварка жаропрочных материалов и их сплавов, д) наплавка, е) сверление отверстий.
Впервые для целей резки плазма нашла техническое применение в 1955 году.
Плазменная резка применяется для разделки алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов, нержавеющих и высоколегированных: сталей, чугуна и диэлектрических материалов. С точки зрения характера разрезаемых материалов можно выделить основные варианты:
1) механизированная резка листового материала,
2)
ручная резка листового материала,
3) обрезка прибылей литья,
4) специальные виды резки (подводная и «летучая»).
Толщина разрезаемых листов колеблется от долей миллиметра до сотен миллиметров (в настоящее время можно резать до 250 мм и разрабатываются установки для разрезания листов толщиной 300 мм). Для резки тонких листов применяются горелки с внутренней (непереносимой) дугой. Для более толстых листов применяются горелки с переносимой дугой на изделие (резка проникающей дугой). При плазменной резке используется тепло непосредственно плазменной струи, а не химический процесс горения в кислороде. Плоскость реза при плазменной обработке слегка наклонна к поверхности детали. При современном состоянии плазменной техники удается получить угол между осью горелки и плоскостью реза менее 5° (при точной обработке малых толщин практически ось горелки и плоскость реза параллельны). Ширина реза равна примерно двойному диаметру сопла. При плазменной резке большинство материалов не требует дополнительной обработки. Зона термического влияния, из-за больших градиентов температуры в зоне реза (см. рис. 6.5) при больших скоростях, небольшая. Так, резка аустенитных материалов с высокой скоростью резки (V = 1,3 м/мин) не приводит к какому- либо изменению структуры металла на поверхности реза. При резке алюминиевых сплавов зона термического влияния при толщине листа 80 мм составляет величину более 4,0–4,5 мм. В алюминиевых сплавах (склонных к тепловому старению) при плазменной резке возникают в зоне реза трещины, глубина которых колеблется от 0,25 до 2,5 мм, а ширина
— от 0,0254 до 0,2 мм. Правильным выбором скорости подачи можно избежать возникновения трещин. Максимальная скорость плазменной резки достигает 7,5 м/мин (450 м/ч), при таких скоростях ширина зоны термического влияния оказывается очень малой.
Применение двухстороннего подвода дуги позволяет увеличить мощность горелки и применять резку дуговой плазмой при непрерывной разливке слябов. Расчет режимов резки
55 можно производить методом относительных скоростей. Суть этого метода заключается в том, что, зная режим резки одного материала, можно определить скорость резки любого другого материала.
Рисунок 6.5 – Градиент температуры в зоне реза:
1 — сталь; 2 — алюминий
Расход газа определяется условиями, обеспечивающими нормальную работу головки, и не зависит от природы разрезаемого материала. Средняя скорость подачи газа 3 м
3
/ч и может увеличиться до 3,5–4 м
3
/ч при толщине листов 80 мм и выше или уменьшиться до 2–2,5 м
3
/ч при d = 10 мм и меньше. Основным параметром режима резки, зависящим от материала, является скорость, поэтому расчет сводится к определению скорости при данных характеристиках дуги и газовой смеси. Плазменные головки по своему назначению можно разделить на два вида: а) головки для резки, обрезки прибылей, т. е. для
разделки материала, б) головки для точной обработки деталей.
Принципиальные схемы плазменных головок первого вида приведены на рис. 6.1. В качестве электродов (катод) чаще всего используется вольфрам или цирконий. В случае резания проникающей дугой источник подсоединяется к изделию (см. рис. 6.2). При резании такими головками неметаллических тел (диэлектрики и полупроводники) на разрезаемое изделие накладывается тонкая металлическая полоса по контуру реза.
Для регулирования режимов резки при постоянном расходе газа и постоянной величине тока используются головки с различным конструктивным исполнением. На рис.
6.6 приведены принципиальные схемы различных конструктивных исполнений плазменных головок.
Рисунок 6.6 – Принципиальные схемы различных конструктивных исполнений плазменных головок
56
Для улучшения режимов резки проникающей дугой используются головки с независимой подачей газов в анодную и катодную области дуги (рис. 6.7).
Рисунок 6.7 – Схема головки с независимой подачей газов в анодную и катодную области дуги:
1 — электрод; 2 — катодная область дуги; 3 — канал для подачи газа в участок стабилизации, сжатия дуги и в анодную область;
4 — анодная область, 5 — изделие
В этой конструкции предусмотрены два варианта подачи газов:
1) в катодную часть подается аргон, в анодную — водород.
2) в катодную часть — аргон, в анодную — воздух.
В первом случае снижается U
g дуги, что важно при ручной резке, и есть возможность использования обычных источников питания. Во втором случае снижается расход аргона
(в 10 раз) и благодаря созданию высокоскоростного потока воздуха происходит лучшая стабилизация дуги и исключается двойное дугообразование. Отсутствие водяного охлаждения позволило сделать головки легче, мобильнее и надежнее в работе.
На рис. 6.8 показан плазменный микрорезак с прецизионным соплом, у которого разряд осуществляется в очень малом объеме при высоком давлении газа.
57
Рисунок 6.8 – Схема плазменного микрорезака с прецизионным соплом:
1 — точно центрированный охлаждаемый водой медный электродержатель;
2 — торированный вольфрамовый катод; 3 — медный корпус; 4 — плазменная микроструя (скорость потока в направлении к детали 1000 м/с);
5 — прорезь или отверстие; 6 — деталь; 7 — сопло Дюваля;
8 — высокотемпературная плотная плазма
Сопло имеет диаметр, в узком месте, от 50 до 100 микрон. Плазма почти цилиндрическая, истекающая из сопла со сверхзвуковой скоростью (331 м/с). Может работать в непрерывном и импульсном режимах. (Этот резак разработан институтом Von
Ardenne, Германия). Установки плазменной обработки (резки) включают в себя,
кроме плазменных головок, еще блок питания и схему управления.
Напыление. Для надежной защиты материала часто необходимо на его поверхность наносить покрытия из тугоплавких, антикоррозийных и жаростойких материалов. Для получения таких покрытий пользуются различными методами (поток плазмы, кислородно- ацетиленовое пламя, взрывной пистолет, газовая или электрическая сварка, гальванические методы, пульверизация и намазка, диффузионное насыщение, эмалирование и др.). Каждый из этих способов имеет свои особенности. Наиболее универсальным методом нанесения защитных покрытий является метод напыления покрытий с помощью потока плазмы — так называемое плазменное напыление. По своим возможностям он превосходит все вышеперечисленные методы. Преимущества плазменного напыления заключаются в следующем:
1. Позволяет наносить любые материалы независимо от их температуры плавления.
2. Позволяет напылять материалы без их разложения, не допуская окисления поверхности, благодаря отсутствию кислорода в плазмообразующем газе.
3. Позволяет получать сплавы различных материалов и наносить многослойные или пакетные покрытия.
58 4. Позволяет получить плотность покрытия до 98 % и достигнуть прочного сцепления с основным материалом благодаря высокой скорости потока.
5. Покрываемая поверхность нагревается до температур не более 100–200 °C.
6. Покрытия могут наноситься на металлы, керамику, пластмассы, графит, стекло, дерево, асбестовую ткань, окрашенные поверхности и т. д.
7. Энергетические характеристики потока плазмы можно изменять в зависимости от требований технологии, что неосуществимо при газоплазменном методе.
Стоимость оборудования превышает затраты на установку для газоплазменного напыления. Однако возможности широкого применения установки плазменного напыления и высокое качество плазменного покрытия оправдывают расходы на ее приобретение и эксплуатацию. Конструкции головок для плазменного напыления принципиально не отличаются от головок для резания плазменной струей. Отличие заключается в приспособлении для подачи напыляемого материала в плазменный поток. Напыляемый материал вводится или в плазменный поток, или в стабилизирующий газ. Последнее гораздо выгоднее, т. к. позволяет снизить на 2/3 мощность горелки в сравнении с горелками, где порошок вводится в плазменный поток.
Перед нанесением покрытий с помощью потока плазмы необходимо предварительно подготавливать поверхность. Существует ряд методов подготовки поверхности перед металлизацией:
1. Механические методы создания шероховатой поверхности (дробеструйная, обдув порошком корунда, нанесение «рваной» резьбы).
2. Электроискровой (с помощью никелевого электрода).
3. Химический (травление).
4. Нанесение методом металлизации промежуточного слоя из молибдена.
Обязательно при всех методах тщательное обезжиривание.
Используются порошки (при металлизации) — вольфрам, молибден, никель, кобальт, карбид вольфрама, титан, окись алюминия. Размеры порошка соответственно: 20–
40, 5–20, 10–20, 10–30, 20–40, 0–10, 15–40 микрон.
Токарная обработка Одним из видов плазменной обработки является токарная обработка тел вращения.
Схема расположения плазменной горелки относительно вращающейся детали показана на рис. 6.9. Ось горелки в большинстве случаев располагается под углом 60° к вертикальной оси. Угол резания составляет 30°.
Такое расположение обеспечивает ходовое выдувание расплавленного металла плазменной струей и высокую производительность процесса от 4,5–35 кг/ч при d = 150 мм и мощность 50–70 кВт для стали от 45–51 кг/ч с подогревом до 600 °C для меди.
Используется для изготовления канавок штековых конвейеров при
огневой очистке наружных поверхностей кокилей, удаление окалины, литейной корки, при предварительной обработке деталей.
59
Рисунок 6.9. Схема расположения плазменной горелки относительно вращающейся детали:
1 — направление движения горелки; 2 — горелка; 3 — заготовка;
4 — направление движения заготовки
Скачать 2.54 Mb.