Плазменная дуговая обработка: компоненты, принцип работы и применение

Что такое плазма?

Плазма — одно из четырех фундаментальных состояний материи, впервые систематически изученное Ирвингом Лэнгмюром в 1920-х. Состоит из газа ионов — атомов или молекул, у которых сброшено одно или более орбитальных электронов (или, редко, присоединено дополнительное электроно), и свободных электронов.

Исключая темную материю и еще более неуловимую темную энергию, плазма — самая распространенная форма обычной материи во Вселенной. Плазма ассоциируется со звездами, включая наше Солнце, и простирается до разреженных внутрикультурных сред и, возможно, межгалактических областей.

Плазму можно искусственно генерировать нагреванием нейтрального газа или воздействием сильного электромагнитного поля. Наличие свободных заряженных частиц делает плазму электрически проводимой, динамика отдельных частиц и макроскопическое движение плазмы управляются коллективными электромагнитными полями и очень чувствительны к внешним приложенным полям.

Реакция плазмы на электромагнитные поля используется во многих современных технологических устройствах, таких как плазменные телевизоры или плазменное травление.

Что такое плазменная дуговая обработка (Plasma Arc Machining)?

Плазменная дуговая обработка используется для удаления материала с заготовки. В этом процессе высокоскоростная струя высокотемпературного газа используется для плавления и удаления материала с заготовки. Эта высокоскоростная струя горячего газа также называется плазменной струей.

Когда газ или воздух нагревается выше 5000 °C, он начинает ионизироваться в положительные ионы, отрицательные ионы и нейтральные ионы. При ионизации температура газа достигает 11 000 – 28 000 °C, и этот ионизированный газ называется плазмой.

Газ или воздух нагревается дугой, а плазма, полученная нагревом газа, используется для удаления материала с заготовки. Весь процесс называется плазменной дуговой обработкой.

В этом процессе высокоскоростная струя высокотемпературного воздуха удаляет материал с заготовки путем плавления.

Газ, используемый в плазменной дуговой обработке, выбирается в зависимости от металла заготовки.

Плазменная дуговая обработка применяется для резки легированных сталей, нержавейки, алюминия, никеля, меди и чугуна.

Принцип работы плазменной дуговой обработки

Основной принцип: дуга, образующаяся между электродом и заготовкой, сжимается тонким отверстием медного сопла. Это повышает температуру и скорость плазмы, выходящей из сопла.

Температура плазмы превышает 20 000 °C, а скорость может приближаться к скорости звука. При резке расход плазмообразующего газа увеличивается, чтобы глубоко проникающая плазменная струя пробивала материал, а расплавленный материал удалялся в отходящей плазме.

Плазменная дуговая обработка включает плазменный пистолет. В камере плазменного пистолета находится вольфрамовый электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Таким образом, вольфрам выступает катодом.

Положительный полюс источника постоянного тока подключен к соплу. Таким образом, сопло плазменного пистолета выступает анодом.

При подаче питания электрическая дуга возникает между катодным вольфрамовым электродом и анодным соплом. При контакте газа с плазмой происходит столкновение атомов газа с электронами дуги, в результате чего получаем ионизированный газ.

То есть получаем плазменное состояние, нужное для плазменной обработки. Теперь эта плазма направляется на заготовку с высокой скоростью и начинается процесс обработки. Важно: высокое напряжение применяется для получения плазменного состояния.

Во всем процессе требуются высокотемпературные условия. Поскольку горячие газы выходят из сопла, есть риск перегрева. Для предотвращения перегрева используется водяная рубашка.

Компоненты плазменной дуговой обработки

1. Плазменный пистолет

Для создания плазмы используются разные газы: азот, водород, аргон или их смеси. В плазменном пистолете камера с вольфрамовым электродом. Электрод подключен к отрицательному полюсу, сопло — к положительному полюсу источника постоянного тока. Необходимая газовая смесь подается в пистолет. Между анодом и катодом возникает сильная дуга.

Затем происходит столкновение электронов дуги с молекулами газа, в результате чего молекулы газа ионизируются и выделяется тепло.

2. Источник питания

Используется источник постоянного тока для создания двух полюсов в плазменном пистолете. Тяжелое потенциальное различие приложено к катоду и аноду, чтобы дуга была сильной и способна ионизировать газовую смесь и превратить её в плазму.

3. Система охлаждения

Система охлаждения добавлена к плазменному пистолету, так как тепло выделяется при непрерывном выходе горячих газов из сопла.

Для охлаждения сопла используется водяная рубашка. Сопло окружено водяной струей.

4. Заготовка (Workpiece)

Различные материалы можно обрабатывать плазменной дуговой обработкой. Различные металлы: алюминий, магний, углерод, нержавеющая сталь и легированные стали.

Применение плазменной дуговой обработки

• Резка легированных сталей, нержавейки, чугуна, меди, никеля, титана, алюминия, сплавов меди и никеля и др.
• Контурная резка (profile cutting).
• Успешно используется для точения и фрезерования труднобрабатываемых материалов.
• Пакетная резка (stack cutting), формовая резка (shape cutting), проколование (piercing) и подводная резка.
• Равномерное тонкое пленковое напыление рефрактарных материалов на разные металлы, пластики, керамику также выполняется плазменными дугами.

Преимущества плазменной дуговой обработки

• Может резать любой металл.
• Высокая скорость резки.
• По сравнению с обычным газовым резанием, режет конструкционную сталь в 4 раза быстрее.
• Используется для чернового точения очень труднобрабатываемых материалов.
• Благодаря высокой скорости резки деформация листового металла снижается, ширина разреза минимальна, качество поверхности высокое.

Недостатки плазменной дуговой обработки

• Образует коническую поверхность (треугольный профиль реза).
• Необходима защита от шума.
• Высокая стоимость оборудования.
• Необходима защита глаз для оператора и работающих поблизости.
• Происходит окисление и на 형성 шлака. Требуется экранирование.
• Рабочая поверхность может подвергаться металлургическим изменениям.