3.3Плазменная сварка Сущность плазменной сварки, схема плазмотрона

При плазменной сварке источником нагрева служит высокотемпературная дуговая плазма, которую получают с использованием дуговых плазмотронов. Плазмотроны могут быть косвенного и прямого действия (рис. 6.4).

Если используется только источник питания дугового разряда, подключенный к токоподводящему мундштуку (катод) и корпусу плазмотрона (анод), то это будет плазмотрон косвенного действия. В полость плазмотрона подается плазмообразующий газ (аргон, гелий, азот, пары воды). Между вольфрамовым электродом и корпусом плазмотрона 3 в выходном канале плазмотрона с помощью искрового разряда (от осциллятора) зажигается дуга. Образуется дуговая плазма плазмообразующего газа, которая выдувается через выходное отверстие плазмотрона и используется для нагрева материала.

Рис. 6.4. Схема плазмотрона:

1 - токоподводящий мундштук; 2 - изоляционная втулка; 3 - медный корпус; 4 - защитное сопло; 5- подача плазмообразующего газа; 6 - подача защитного газа; 7 - охлаждающая вода; W - вольфрамовый электрод

Плазмотрон косвенного действия может быть использован для пайки, сварки термической резки, напыления как металлов, так и неметаллов (пластмассы, стекла, керамики, гранита, бетона). Плазмотрон прямого действия наряду с плазмообразующим источником питания небольшой мощности подключается к источнику питания большей мощности. Напряжение этого источника подключается к токоподводящему мундштуку и изделию из электропроводного материала для получения основного дугового разряда прямой или обратной полярности, или дуги переменного тока частотой 50 Гц, или импульсной дуги. В этом случае плазмообразующая дуга небольшой мощности (дежурная дуга) используется для стабилизации и поддержания основного дугового разряда.

Если источник плазмообразующей дуги (дежурной дуги) отсутствует и используется только основной источник питания дугового разряда, то такие устройства называются дуготронами.

Дуговая плазма плазмотронов и дуготронов имеет существенные отличия от дуговой плазмы свободно горящей дуги. Если температура свободно горящей дуги Т6000С, то температура дуговой плазмы на выходе плазмотрона может достигать 50000С.

Температура дуговой плазмы зависит от состава плазмообразующего газа, давления плазмообразующего газа, условий дугового разряда в выходном канале плазмотрона. Стенки этого канала, охлаждаемые проточной водой, понижают температуру периферийных слоев потока плазмы, повышая их электрическое сопротивление. Дуговой разряд стягивается к оси выходного отверстия плазмотрона (дуга отшнуровывается), плотность тока повышается, температура плазмы существенно увеличивается. С повышением давления плазмообразующего газа температура плазмы также повышается.

Зависимость максимальной температуры плазмы от состава плазмообразующего газа показана в таблице.

Таким образом, дуговая плазма плазмотронов является высокотемпературным источником нагрева, позволяющим не только расплавить, но испарить самые тугоплавкие металлы и материалы.

Коэффициент полезного действия  зависит от типа плазмотрона. Для плазмотронов косвенного действия =30…50%, для плазмотронов прямого действия =70…90%.

Плотность теплового потока плазмы q_Fпл существенно выше плотности теплового потока свободно горящей дуги q_Fд, (q_Fпл=3…10 q_Fд), q_Fпл зависит от типа плазмотрона, мощности дугового разряда, устройства плазмотрона и от других факторов.

Диапазон мощности оборудования для плазменной сварки, термической резки, напыления очень широк: от плазмотронов для микроплазменной сварки деталей толщиной 0.1…2 мм до мощных плазмотронов, позволяющих плавить или резать материалы толщиной до 500 мм. Так мощные плазмотроны могут иметь сверхзвуковое истечение плазмы. В мощных плазмотронах вместо вольфрамового стержня используется медный водоохлаждаемый катод с металлокерамической вставкой, состоящей из материалов с большой термоэлектронной эмиссией (гексоборид лантана, гафний+лантан).