Плазменная обработка металлов

Существует три состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное. Плазма — четвертое состояние, представляющее собой ионизированный газ, который образуется из электронов, положительно заряженных ионов, нейтральных и возбужденных атомов и молекул. Внешняя поверхность земной атмосферы накрыта плазменной оболочкой — ионосферой, а, по мнению ученых, Солнце и звезды состоят из раскаленных ярких светящихся газов и находятся в плазменном состоянии. В природных условиях ярким представителем плазмы является молния — дуговой разряд в газах.На практике плазму можно наблюдать в неоновых рекламах, лампах дневного света, электродуговых устройствах, при электросварке и различных плазменных способах обработки материалов.

Она может быть получена изотермическим и газообразным способами. Изотермический способ заключается в нагреве газа до высоких температур, при которых происходит ионизация его за счет увеличения упругих столкновений атомов и молекул с образованием электронов и положительных ионов. При температуре 5000°К заканчивается диссоциация молекул на атомы и начинается процесс перехода газа в плазменное состояние, так как происходит разрушение внешних электронных оболочек атомов, которые превращаются в положительные ионы, а освободившиеся электроны, сталкиваясь с другими атомами, ионизируют их, производя дальнейшее увеличение ионов. Взаимодействие отдельных элементарных частиц можно рассматривать как упругие столкновения, при которых выделяется кинетическая энергия, обуславливающая нагрев газа. Растет количество упругих столкновений, вызывающих повышение температуры газа, а температура газа, в свою очередь, определяет степень ионизации газа. Этот процесс происходит лавинообразно. При температурах в несколько десятков тысяч градусов весь газ в определенном объеме воздействия таких температур превращается в плазму, где, в основном, существуют только положительные ионы и электроны. На практике в качестве источника теплоты, обеспечивающего указанные температуры в довольно короткие промежутки времени, используются электрические дуги. Электрическая дуга — это электрический разряд в газах, представляющий собой некоторый объем плазмы между разнополярными электродами, на поверхности которых в местах контакта с дугой образуются активные катодные и анодные пятна. Катодное пятно является источником электронов, оно обеспечивает ионизацию газа в разряде, в основном, за счет термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. В результате электронных процессов на катоде в столб дуги поступает большое количество электронов, движущихся под действием электрического поля к аноду, производя на своем пути ионизацию газа. В анодной области образуется избыток положительных ионов, движущихся через столб дуги к катоду. Движущиеся направленно электроны и положительные ионы сталкиваются на своем пути с другими атомами и молекулами, производя дальнейшую ионизацию газа лавинообразно между электродами. Температура газа в столбе электрической дуги при атмосферном давлении равна 5000-6000°К, а температура дуги повышается по мере увеличения давления газа. Экспериментально доказано существование электрических дуг с температурой столба выше 50 000°К, где степень ионизации газа в дуге достигает 100%. Высокая температура, сконцентрированная на малой площади, делает электрический дуговой разряд источником тепловой энергии. Это происходит при электросварке, плазменной сварке и резке и других технологических процессах, требующих высокой концентрации тепловой энергии. Как же и при каких условиях с помощью плазмы происходят эти процессы? При электросварке используются свободно горящие, короткие электрические дуги, их часто называют "открытые", температура которых достигает 6000°К. При плазменной обработке металлов используют так называемые сжатые дуги (плазменные). В них столб дуги обжат плазмообразующим газом в формирующем сопле специального плазмотрона, где происходит интенсивное плазмообразование, то есть получение высоких температур (25 000-50 000°К) за несколько секунд. Плазмотроны служат для создания стабильной плазменной дуги и имеют различные конструктивные исполнения, хотя по способу образования плазмы отличаются незначительно. Во всех конструкциях плазмотронов присутствуют электродный узел, как правило — катод, и узел, формирующий плазменный столб дуги (формирующее сопло). Оба узла имеют принудительное охлаждение. В зависимости от давления, подаваемого через сопло, плазмообразующий газ одновременно выполняет функции плазообразования, обжатия дуги и защиты сопла от высоких температур плазмы путем создания неионизированной холодной прослойки между столбом дуги и стенками сопла. Температура плазменной дуги регулируется диаметром сопла и количеством подаваемого через него газа. Чем меньше диаметр сопла и больше расход газа, тем больше температура плазменной дуги (диаметр сопел обычно колеблется от 0,6 до 10 мм). Плазмообразующий газ подается в сопло продольным (соосным электроду) потоком плазмообразующего газа или вихревым (вводится в сопло тангенциально). Соосная подача газа требует высокой точности сборки плазмотрона и применяется, как правило, для сопел больших диаметров (более 4 мм), используемых для наплавки, сварки и получения плазменной струи. Более широкое распространение получили плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги, которые надежнее в работе и позволяют получать большие температуры при использовании малых диаметров сопел (менее 4 мм). Коснувшись вопроса получения плазменной струи, необходимо остановиться на двух типах плазмотронов. Плазмотроны применяют для получения дуг прямого (прямая дуга) и косвенного действия (плазменная струя). Дуга прямого действия горит между электродом плазмотрона, как правило, — катодом, и изделием (анодом). Косвенная дуга горит внутри плазмотрона между электродом и соплом, а плазмообразующий газ подается через эту дугу и выдувает через сопло уже плазменную струю. При дуге прямого действия передача тепла от дуги к изделию значительно выше, чем при косвенной дуге, что обусловлено большим тепловыделением в активном пятне (аноде) на изделии. Для резки, строжки, сварки, наплавки предпочтение отдают дугам прямого действия, а для напыления или нанесения покрытий используются косвенные дуги. Плазмотроны для резки более просты по конструкции по сравнению с плазмотронами для других процессов, так как в этом случае не надо обеспечивать подачу газов и порошков через дополнительные встроенные сопла или приспособления. Чтобы получить плазменные дуги, существуют специальные источники питания постоянного тока с падающей вольт-амперной характеристикой и высоким напряжением холостого хода (330-380 В). В отдельных случаях возможно использование стандартных сварочных источников, обеспечивающих напряжение холостого хода 110-120 В. При сварке, наплавке, напылении, нанесении покрытий используют как прямую, так и обратную полярность (плюс на электроде). Предпочтительнее использовать прямую полярность, когда электрод является катодом, так как температура на катоде значительно ниже, чем на аноде, и это обеспечивает их больший срок работы и более устойчивую дугу. В качестве электродов используют водоохлаждаемые вставки в медь вольфрама, циркония, гафния. Наибольшей стойкостью в инертных газах, а также в присутствии водорода и азота обладают катоды из вольфрама с добавками лантана или итрия, работающие в режиме термоэлектронной эмиссии. Использование дениевых окислительных газов (воздух, кислород, углекислый газ), обладающих значительным теплосодержанием, требует использования гафния или циркония. Плазмообразующий газ, в основном, выбирают в зависимости от технологических условий, качества, стоимости, теплосодержания и температуры. Так, для сварки и наплавки используют аргон, также применяют углекислый газ (для сталей), азот (для меди) или смеси этих газов. Для плазменной резки — воздух, кислород и воду. Возбуждение плазменной дуги в плазмотронах обеспечивается с помощью осциллятора, создающего высокочастотный искровой разряд между электродом и соплом, который обеспечивает начальную ионизацию газового потока в течение короткого промежутка времени. Таким образом, люди, научившись получать плазму и управлять ею, успешно используют ее в различных технологических процессах, которые кратко освещены в данной статье.
В. Фролов Источник: Журнал ´Мир металла´