Электротехнологические установки (стр. 20 из 32)

т. д.); возможность легирования металла газообразным азотом; гибкая связь между мощностью дуг и скоростью плавления слитка, позволяющая регулировать время пребывания металла в жидком состоянии.

Недостатками этих печей являются большая сложность и стоимость эксплуатации.

Для повышения экономичности плазменных печей разрабатываются плазмотроны с полыми катодами и схемы установок с комбинированным питанием постоянным и переменным током.

8.4. Установки плазменной резки и сварки металлов

Плазменная резка осуществляется путем выплавления и испарения металла в полости реза за счет энергии, выделяющейся в опорном пятне дуги и вносимой струей плазмы Энергетический баланс резки складывается из энергии дуги, химических реакций плазмы с металлом (если они возможны) и расхода энергии на расплавление, перегрев, испарение металла в полости реза, теплопередачу в твердый металл и унос с отработавшим потоком плазмы.

Отсюда следует, что процесс плазменной резки необходимо вести с макси- мальной мощностью и максимальной скоростью, обеспечиваемой вспомогатель- ными операциями и применением ЭВМ. Это условие выполняется при выборе тока, напряжения, плазмообразующего газа и конструкции режущего плазмотрона. Ширина реза, определяющая экономичность процесса, связана с диаметром сопла плазмотрона, током дуги и скоростью перемещения плазмотрона.

При оптимальном соотношении между толщиной металла, мощностью дуги, диаметром сопла и скоростью резки струя плазмы погружается на всю толщину металла, а анодная область дуги располагается вблизи нижней кромки реза. Уменьшение мощности дуги, равно как и увеличение скорости продвижения плазмотрона, ведет к сужению полости реза.

Чрезмерное увеличение мощности и снижение скорости движения плазмотрона приводит к увеличению ширины реза, особенно в нижней его части, и перегреву всего разрезаемого металла. Коэффициент полезного действия плазменной резки возрастает с повышением мощности дуги и скорости движения плазмотрона, достигая 80-90 %, тепловой КПД принимают равным 40 %. Для увеличения мощности струи плазмы в пределах заданного тока дуги целесообразно принимать меры по повышению линейного градиента потенциала столба дуги применением высокоэнтальпийных плазмообразующих газов (азота, водорода, воздуха, углекислого газа, паров воды и др.) и интенсивным сжатием столба дуги соплом плазмотрона.

Рис. 8.17. Схема резки металла плазменной дугой (а) и плазменной струей (б):

1 - струя плазмы; 2 - дуга; 3 - катод; 4 - разрезаемый материал; 5 - источник питания; 6 - сопротивление, ограничивающее ток дежурной дуги

Режущий плазмотрон (рис. 8.17) с газовой стабилизацией дуги имеет стержневой вольфрамовый (или циркониевый) электрод 3, соосно расположенный в полости сопла 2. Стабилизирующий газ подается между ними и обеспечивает проникновение плазмы в глубину металла. При включении установки существует такая последовательность операций: включается подача воды, охлаждающей сопло и электрод, устанавливается необходимый расход газа; поджигается дежурная дуга, ток которой ограничивается сопротивлением 6, и возникает факел плазмы. При касании дежурным факелом кромки металла возникает цепь силовой плазменной дуги и начинается интенсивный процесс резки. При случайных погасаниях режущей дуги дежурная дуга восстанавливает процесс. При резке металла малых толщин применяется плазменная струй без включения металла в цепь тока (рис. 8.17, б).

Промышленные установки разных типов работают на токах до 1000 А при напряжении холостого хода до 350 В, обеспечивая скорость резки от 3-4 до 10 м/мин.

Наряду с мощными плазмотронами для автоматизированной машинной резки применяется плазморежущая аппаратура для переносных машин и ручной резки. Плазмотроны этих установок имеют низкое (до 180 В) напряжение холостого хода источника питания, ток - до 400 А.

Плазмотроны, выполняемые по схеме (рис. 8.17, а), являющейся основной при плазменной резке, рассчитывают на рабочий ток, а напряжение дуги формируется в полости реза. Вследствие этого вольт-амперные характеристики дуги здесь падающие, а источники питания имеют вертикальные или крутопадающие внешние ВАХ.

Плазменную сварку металлов проводят с помощью плазмотронов по схеме, приведенной на рис. 8.18.

Высокая мощность плазмотрона и динамическое воздействие плазмы позволяют сваривать металлы разных толщин без подачи присадочной проволоки в сварочный шов, заваривать отогнутые кромки состыкованных деталей, сваривать детали без разделки кромок, осуществлять сварку металла большой толщины за один проход.

Рис. 8.18. Схема проведения плазменной сварки:

а - электрическая схема; 1 - сварочный источник питания; 2 - высокочастотный генератор; 3 - неллавящийся электрод; 4 - плазмообразутощий газ; 5 -

охлаждающая вода; 6 - защитный газ; 7 - сопло для защитного газа; а - изделие; б

- схема газовых потоков, окружающих плазменную дугу; 1 - наружный холодный лоток; 2 - внутренний горячий поток: 3 - столб дуги; в - схема плазменной дуги; 1

- плазмообразующий газ, 2 - фокусирующий газ; 3 - защитный газ; 4 - очертание

факела при отсутствии фокусирующего газа

Применение вторичного фокусирующего газового потока, направленного под углом к оси плазмотрона, позволяет сконцентрировать нагрев на малой площади сварочной ванны. Применяемые газы обеспечивают защиту сварочного шва от воздействия атмосферы.

В зависимости от рода свариваемого металла применяют аргон, смеси аргона с гелием или водородом.

В состав установки по схеме рис. 8.18, а входит источник питания 1, представляющий собой трехфазный двухполупериодный выпрямитель с регулируемым значением сварочного тока и крутопадающей ВАХ;

высокочастотный генератор 2 - осциллятор, служащий для возбуждения дежурной дуги между внутренним соплом и электродом 3 в потоке аргона. Ток дежурной дуги ограничивается сопротивлением R, а емкость С служит для облегчения пробоя напряжением высокой частоты межэлектродного промежутка. Для начала процесса сварки необходимо коснуться свариваемого изделия 8 светящейся частью струи плазмы. Тогда по цепи потечет сварочный ток, разогревающий металл 8 в точке воздействия плазмы и образующий сварочную ванну, если бы в плазменную горелку подавался только один газ, как это делалось ранее (рис. 8.18,

б), то помимо чрезмерно большого расхода аргона технологические свойства плазменной дуги были бы недостаточны для выполнения качественной сварки. Столб дуги 3, окруженный потоками холодного газа 2 и 1, имеет возможность самопроизвольно перемещаться по поверхности сварочной ванны.

Для более четкого ориентирования плазмы в точку сварки и улучшения проникновения столба дуги в глубину сварочного шва с одновременным уменьшением расхода аргона применяются плазменные горелки, выполненные по схеме рис. 8.18, в. Здесь помимо аргона, подаваемого для зажигания дежурной дуги и образования плазмы, подается фокусирующий менее дефицитный газ 2, производящий сжатие и фокусировку плазменной струи. При этом значительно повышается температура плазмы, что благоприятно влияет на процесс сварки. Защитный газ 3 предотвращает возможность попадания в зону сварки вредных компонентов из окружающей среды. Размеры электродов зависят от тока дуги и расхода газов, а расстояние между горелкой и деталью выбирают в пределах 80-15 мм из условия формирования качественного сварочного шва.

В цепях включения источника питания имеется блокировка, не позволяющая включить плазмотрон без подачи охлаждающей воды и газов.

Источники питания обеспечивают сварочный ток до 450-600 А при напряжении дуги 60-80 В и скорость сварки, например алюминиевого сплава толщиной 4 мм при токе 250 А и расходе плазмообразующего газа 5 л/мин, равную 70 м/ч.

В институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР разработан способ и создана аппаратура микроплазменной сварки на постоянном токе 0,5-10 А деталей из нержавеющей стали, меди, титана, никеля толщиной 0,2-0,6 мм.

8.5. Установки плазменного нанесения покрытий

Нанесение коррозионно-стойких, жаропрочных и других защитных

покрытий осуществляется методами напыления и наплавки.

При напылении плазмой частицы наносимого материала расплавляются и разгоняются до высоких скоростей, а деталь, на которую наносится покрытие - подложка, разогревается до высоких температур. При доведении подложки до состояния плавления процесс напыления переходит в наплавку. Наносимый на подложку материал может представлять собой электропроводную проволоку или стержни, а также неэлектропроводный в холодном состоянии порошок.

При использовании проволоки или прутков процесс образования двухфазного напыляющего потока (плазма+наносимый материал в жидком состоянии) проходит по схемам, показанным на рис. 8.19.

Рис. 8.19. Схемы распыления нейтральной (а) и токоведущей (б) проволоки

дуговой плазмой

На пути к подложке мелкие капли расплавленного материала несколько остывают, но предварительный перегрев позволяет донести их до подложки в жидком состоянии.

Напыление неэлектропроводных материалов производится путем ввода порошков в разрядный канал плазмотрона двумя способами: в дугу и в участок плазменной струи за дугой (рис. 8.20).

Рис. 8.20. Схема ввода напыляемого порошка в-столб плазменной дуги (а) и плазменную струю (б)