книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

с вольфрамом и системой водяного охлаждения. Наилучшие ре­ зультаты достигались при осадке рас­

31

Ml), обладающая высокой теплопроводностью и сравнительно невысокой стоимостью. Армирование стенок сопла теплостой­ кими материалами приводит к уменьшению срока его службы из-за снижения теплопроводности. Сопла малоамперных и руч­ ных плазменных горелок могут иметь естественное или газовое охлаждение (рис. 16, а, б).

Рис. 16. Конструкции плазмообразующих сопел

В большинстве случаев применяется водяное охлаждение сопел, при этом участок сопла, контактирующий с плазменным столбом, может быть сменным (рис. 16, в ,г, д).

Узел завихрения рабочего газа определяет качество стаби­ лизации столба сжатой дуги. Узлы завихрения газа имеют не­ сколько вариантов конструкций (рис. 17).

а б в г д

Рис. 17. Конструкции узлов завихрения плазмообразующего газа

32

Функции завихрителя может выполнять корпус плазмотро­ на (рис. 17, а, б), керамическая шайба, помещенная у входа в сопло (рис. 17, в), само сопло (рис. 17, г), при этом можно зна­ чительно сократить длину канала сопла, заменив большую часть его кольцами стабилизирующего газа, вращающимися вокруг столба дуги (очень сложное и трудоемкое в изготовлении), а также сам электрод плазмотрона, на наружной поверхности которого выполняется винтовая нарезка (рис. 17, б).

Изоляторы. Плазмообразующее сопло и электродный узел должны быть электрически изолированы друг от друга. Одним из условий стабильного горения дуги является точная центровка электрода и сопла при сборке плазмотрона. Функции механиче­ ской связи электродного узла и плазмотрона, их точной взаимоцентровки и электрической изоляции выполняет изолятор. К материалу изолятора предъявляются разнообразные, иногда и противоречивые требования:

-достаточная механическая прочность;

-высокая электрическая прочность, т.к. возбуждение де­ журной дуги осуществляется с помощью высоковольтного высокочастотного разряда;

-термостойкость, т. к. части изолятора подвергаются теп­ ловому и световому воздействию сжатой дуги;

-возможность механической обработки (например режу­ щими инструментами);

-герметичность, поскольку через изолятор могут прохо­ дить коммуникации плазмообразующего газа и водяной системы охлаждения.

Материалы, наиболее применимые для изготовления изоля­ торов плазмотронов, можно условно разделить на две группы: обрабатываемые на универсальном оборудовании из заготовок (прутки, листы) и получаемые с использованием специальной технологической оснастки (пресс-формы, заливочные формы).

Кпервой группе относятся фторопласт Ф-4, иногда капролон, эбонит; ко второй - эпоксидная смола холодного отвержде­ ния ЭД-5 с кремнийорганическим наполнителем, стеклонапол­ ненные пресс-материалы типов АГ-4В, ДСВ, КМК-218, КПС

идр., а также высокоглиноземистые керамические типа кристаллокорунд и 22ХС.

33

Из материалов первой группы изоляторы изготовляются на универсальном оборудовании (токарные, фрезерные, сверлиль­ ные станки) и могут быть достаточно сложными. К недостаткам их можно отнести низкую технологичность процесса изготовле­ ния и невысокую термостойкость. Из материалов второй группы детали можно изготовлять достаточно простым способом с ми­ нимальной трудоемкостью и потерями материала. Недостатком является трудность обеспечения точности размеров и формы изолятора. Это объясняется наличием литейных конусов и ук­ лонов, а также изменением коэффициента усадки у одного и то­

го же материала. В связи с этим в пресс-формах изготовляют простые детали, не требующие высокой точности. Перспектив­ ные керамические материалы мало применяются по двум при­ чинам. Первая - большой разброс коэффициента усадки шликерной массы при спекании, что не позволяет получать детали выше 5-го класса точности. Вторая причина - для изготовления керамических деталей требуется набор специального техноло­ гического оборудования (шаровые мельницы, машины шликерного литья, водородные печи для спекания), это снижает рента­ бельность при мелкосерийном производстве.

2.3. Условия безаварийной работы плазмотронов

Стабильная работа плазмотронов обеспечивается при со­ блюдении определенных соотношений между геометрическими параметрами катода и плазмообразующего сопла. В плазмотро­ нах дугу молено сжимать до определенного предела. При пре­ дельном значении тока для установленного диаметра сопла об­ разуется «двойная» или каскадная дуга, горящая между элек­ тродом и соплом и между соплом и изделием. Это явление свя­ зано с тем, что при увеличении тока и уменьшении диаметра сопла увеличивается падение напряжения в столбе дуги и одно­ временно уменьшается пограничный , холодный слой газа у стенки сопла, благодаря чему повышается его электропровод­ ность и создаются условия для электрического пробоя. Режим двойной дуги является аварийным, т.к. при этом нарушается формирование шва и разрушается сопло. Величину допустимого тока в зависимости от диаметра вольфрамового катода рекомен­ дуется определять из следующего соотношения:

34

1. =67d1'2,

где d K - диаметр катода, мм.

При токах более 100 А предлагается следующее соотноше­ ние тока и диаметра катода:

dK= 0,0065/д + 0,7.

Вылет электрода из электрододержателя рекомендуется ог­ раничивать в следующих пределах: dK< I < 15 мм.

Диаметр плазмообразующего сопла не должен быть меньше диаметра катода - d c > dK. Длина канала сопла не должна пре­ вышать диаметр сопла /с < dc для предельно допустимых токов. Величина предельного тока для данного диаметра сопла зависит от состава и расхода плазмообразующего газа и длины сопла. Для /с и dc при использовании аргона в качестве плазмообра­ зующего газа ток дуги

/Д*(80...120К.

Такая величина тока устанавливается из условия отсутствия двойной дуги.

Лабораторная работа № 2 «Изучение конструкций дуговых плазмотронов»

Цели работы:

1. Изучить принципы классификации плазмотронов в зави­ симости от их назначения и особенностей конструкции.

2.Ознакомиться с конструктивными вариантами основных элементов плазмотронов в зависимости от их целевого назначе­ ния и материалами, применяемыми для изготовления плазмо­ тронов.

3.Получить навыки конструирования плазмотронов раз­ личного назначения.

Порядок проведения работы

1.Студенту выдается реальный плазмотрон.

2.Производится разборка плазмотрона на главные узлы: элек­ тродный, сопловой, изолятор. Оценивается назначение плазмотрона.

35

3. Производится детальная разборка главных узлов плазмо­ трона (если таковая возможна). Проводится оценка устройства систем охлаждения и газоснабжения плазмотрона.

4. Вычерчивается эскиз плазмотрона с необходимыми раз­ резами и сечениями.

5. Составляется подробное описание конструкции плазмо­ трона и отдельных его узлов, устройства систем охлаждения и газоснабжения. Проводится анализ преимуществ и недостат­ ков устройства узлов плазмотрона и всей конструкции в целом.

6. Производится сборка плазмотрона.

Контрольные вопросы

1.Основы классификации плазмотронов.

2.Общие требования, предъявляемые к конструкции плаз­ мотронов.

3.Основные узлы плазмотронов.

4.Способы стабилизации сжатой дуги.

5.Разновидности катодов плазмотронов, материалы катодов.

6.Конструкции анодов плазмотронов.

7.Устройство сопловых узлов плазмотронов.

8. Изоляторы, назначение, материалы изоляторов.

9.Системы охлаждения теплонагруженных узлов плазмотронов.

10.Системы газоснабжения плазмотронов.

11.Классификация плазмотронов по роду тока.

12.Классификация плазмотронов по плазмообразующей среде.

13.Плазмотроны для высокочастотных плазменных технологий.

Библиографический список

1. Эсибян Э.М. Плазменно-дуговая аппаратура / Э.М. Эсибян. - Киев: Техника, 1971. - 164 с.

2. Донской А.В. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении / А.В. Донской, В.С. Клубникин. - Л.: Ма­ шиностроение, 1979.-221 с.

3. Плазменно-дуговая технология в промышленном произ­ водстве / под ред. В.И. Макарова. - М.: ЦЭНДИСИ СССР, 1991. —

183с.

4.Щицын Ю.Д. Компоновка плазмотронов на базе унифи­ цированных узлов / Ю.Д. Щицын, Ю.М. Тыткин // Сварочное производство. - 1986. -№ 6. - С. 24.

36

3.ЯВЛЕНИ Е КАТОДНОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ ПЛАЗМ ЕН Н О Й ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ

НА ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ

Качество сварного и паяного соединения во многом опре­ деляется качеством подготовки поверхностей изделий. Поверхность металлов загрязнена средствами консервации, остатками смазочно-охлаждающих жидкостей, окалиной, адсор­ бированными газами и пр. Кроме того, легкие цветные металлы (Al, Mg) и их сплавы обладают специфическим отличием, затрудняющим процессы их сварки и пайки - наличием на по­ верхности прочной, тугоплавкой окисной пленки (например, AI2O3имеет температуру плавления Гпл ~ 2050 °С, а у алюминия Тпл ~ 660 °С). Наличие такого окисла на свариваемых (паяемых) поверхностях затрудняет их смачивание жидким металлом (припоем), образование общей сварочной ванны и качественного сварного (паяного) соединения. Существует ряд способов удаления загрязнений и окисной пленки с рабочих поверхностей перед сваркой или пайкой: механические, химические, электро­ химические, физические. Среди них флюсовый, абразивный, ультразвуковой способы, использование моющих и растворя­ ющих средств, химическое травление, вакуумный, галь­ ванический. Перечисленные способы очистки поверхностей имеют свои специфические недостатки. Общими для них явля­ ются высокая трудоемкость, значительная длительность процес­ са, сложность оборудования, загрязнение окружающей среды. Особенно недостатки таких способов очистки проявляются при об­ работке сложных изделий с использованием различных материалов и технологических операций. Кроме того, необхо­ димо учитывать разнообразие загрязнителей изделий. Ими могут быть окисные пленки, масляные загрязнения, адсорбированная влага, технологические пленки (например электронно-лучевое осаждение) и др.

При контакте очищенных поверхностей с атмосферой на них происходит быстрое повторное образование окисной пленки вследствие высокого сродства к Ог (кислороду). Поэтому удале­ ние окисла предпочтительней проводить непосредственно в процессе сварки (пайки), а зону обработки необходимо защищать от окис­

37

Вторичная электронная эмиссия. Бомбардировка положи­ тельными ионами может вызвать эмиссию электронов с поверх­ ности твердого тела. Пороговая энергия положительных ионов, при которой появляется заметная эмиссия электронов, Ео Нс+ = = 380 эВ и Ео аг+ =180 эВ. Более высокий выход электронов имеет место при бомбардировке окисленной поверхности. При бомбардировке нейтральными атомами также может наблюдаться эмиссия.

Эмиссия отрицательных ионов и нейтральных атомов. Па­ дающий положительный ион может соединиться с электроном (е), вырванным с поверхности, образующийся при этом ней­ тральный атом может затем поглотиться поверхностью или от­ разиться от нее. Прямых данных об эмиссии нейтральных ато­ мов нет, однако доказательством наличия этого процесса явля­ ется наличие весьма низкой эмиссии электронов. Образование нейтральных атомов вероятнее всего происходит при низких значениях падающих ионов. Положительный ион, бомбарди­ рующий поверхность, может захватывать два электрона и пре­ вращаться в отрицательный ион. Имеющиеся данные показыва­ ют, что выход отрицательных ионов весьма мал.

Отражение падающих ионов. Некоторые ионы, ударяю­ щиеся о поверхность твердого тела, могут отражаться поверхно­ стью с потерей энергии. Отражение по зеркальному углу наибо­ лее вероятно, однако ионы обнаруживаются не только в этом направлении. Коэффициент отражения при бомбардировке по­ верхности разреженным газом достаточно высок при энергии падающих ионов не менее 50 эВ. Данные, полученные при бом­ бардировке поверхности ионами с энергией несколько сотен электронвольт, показывают, что коэффициент отражения значи­ тельно уменьшается при увеличении атомного веса иона. На­ пример, коэффициент отражения ионов Не+ на порядок выше, чем ионов Аг+ при величине энергии 600 эВ.

Распыление от падающих ионов. Атом или группа атомов могут вырываться из поверхностного слоя в результате ударения положительно заряженных ионов. Падающий ион вторгается в кристаллическую решетку поверхности металла, воздействуя на атомы или даже молекулы, которые, сталкиваясь друг с дру­ гом, приобретают скорость, достаточную для выхода из поверх­

40