Классификация плазмотронов по роду тока

По роду тока плазмотроны отличаются наибольшим разнообразием вариантов. Поэтому рассмотрим лишь основные из них. Подавляющее большинство плазмотронов для обработки металлов выполняется на постоянном токе прямой полярности (схема 1). Это объясняется, прежде всего, физической особенностью дуги, заключающейся в том, что на аноде дуги выделяется большее количество тепла, чем на катоде. Тепловая мощность, выделяемая в электроде плазмотрона, в отличие от плавящегося электрода сварочной дуги является не только бесполезной, но и вредной. Наименьшую тепловую нагрузку несет электрод, являющийся катодом. Достаточно отметить, что предельно допустимая токовая нагрузка на лантанированный вольфрамовый электрод на переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности при использовании постоянного тока в десять раз ниже, чем на прямой полярности. Поэтому плазмотроны постоянного тока имеют наиболее высокий коэффициент полезного использования мощности. Столб интенсивно сжатой дуги должен быть жестко стабилизирован по оси электрода и сопла плазмотрона. При смене полярности электрода эта стабилизация нарушается, поэтому дугу переменного тока сжать труднее, чем дугу постоянного тока. Важным преимуществом плазмотронов постоянного тока по сравнению с плазмотронами переменного тока является большая стабильность горения дуги. Прохождение тока через нуль может вызвать погасание дуги, поэтому обычно напряжение холостого хода источника питания переменным током не менее чем вдвое превышает рабочее напряжение дуги. При питании плазмотронов постоянным током можно достичь отношения uд/uxx равного 0,8-0,9. Следовательно, при одинаковой мощности дуги установленная мощность и габариты источника постоянного тока меньше, чем мощность и габариты источника переменного тока. Кроме того, источник постоянного тока обеспечивает равномерную загрузку трехфазной сети. Существовавшая раньше проблема выпрямления постоянного тока в настоящее время практически решена благодаря созданию и широкому выпуску электропромышленностью мощных малогабаритных полупроводниковых вентилей. Первоначальные затраты и расходы на эксплуатацию плазменных установок переменного и постоянного тока приблизительно равны. Поэтому с учетом перечисленных выше преимуществ для большинства процессов обработки материалов целесообразно применять плазмотроны постоянного тока. Плазмотроны переменного тока применяются в ряде случаев в силу технологических требований процесса. Например, плазменную сварку алюминиевых сплавов необходимо вести на переменном токе, так как в периоды обратной полярности за счет действия эффекта катодного распыления разрушается тугоплавкая пленка окиси алюминия, препятствующая нормальному процессу сплавления металла. При плазменной плавке в случае параллельной работы нескольких мощных плазмотронов постоянного тока на общую ванну-анод возникает трудноустранимое магнитное взаимодействие между дугами. Поэтому в этих условиях могут быть использованы плазмотроны переменного тока. В этом случае целесообразно использовать плазмотроны в количестве, кратном трем, что обеспечивает равномерную загрузку трехфазной сети. Рассмотрим три основные схемы плазмотронов переменного тока. На схемах 2 и 3 плазмотроны питаются от однофазного трансформатора. В схеме 3 осуществлена вентильная коммутация тока таким образом, что электрод функционирует
только как катод (в полупериод прямой полярности), а сопло — как анод (в полупериод обратной полярности). При такой схеме обес-печивается большая стойкость вольфрамового электрода. Однако с увеличением тока ухудшаются условия работы сопла, а при работе на токах ниже определенного предела (~150 а) нарушается стабильность горения дуги. На схеме 4 плазмотрон питается от трехфазного трансформатора. В этом случае обеспечивается высокая стабильность горения дуги, однако электроды и сопло находятся в сравнительно тяжелых условиях работы. Кроме того, значительно усложняется конструкция плазмотрона. В целях повышения стабильности горения дуги переменного тока некоторые плазмотроны выполняют комбинированными. В этом случае основную дугу переменного тока прямого действия стабилизируют вспомогательной маломощной дугой постоянного тока, горящей либо между электродом и соплом (схема 5), либо между двумя соплами (схема 6), одно из которых (катод) является формирующим. Второе сопло (анод) выполняется с большим внутренним диаметром. Бла-годаря этому оно подвержено меньшему тепловому воздействию столба основной дуги. Наряду с дуговыми плазмотронами, работающими на переменном токе промышленной частоты, за последнее время были разработаны высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) плазмотроны [7, 8]. Принцип работы высокочастотного индуктивного или безэлектродного плазмотрона (схема 7) заключается в нагреве газа до состояния плазмы в электромагнитном поле индуктора. Для этого в полость индуктора, питаемого от высокочастотного генератора (частотой 1-40 Мгц, напряжением до 10 кв и мощностью до 50 кВт), помещается трубка из термостойкого изолирующего материала, например, кварца. В трубку подается плазмообразующий газ и кратковременно вводится металлический или графитовый пруток. Последний раскаляется под действием поля индуктора и вызывает нагрев и первоначальную ио-низацию окружающего газа. Когда электропроводность газа возрастает до определенной величины, начинается интенсивный его нагрев и ионизация вихревыми токами, создаваемыми полем индуктора. После развития самостоятельного кольцевого разряда пруток удаляется из полости трубки. Продуваемый через трубку газ, проходя через кольцевой разряд, нагревается и истекает в виде плазменной струи, температура которой достигает 15 000-20 000° К, а скорость истечения в десятки раз меньше, чем скорость истечения плазменной струи дуговых плазмотронов. Высокочастотная энергия сравнительно дорога, высокочастотные генераторы сложны и имеют ограниченную мощ-ность. Поэтому очень чистый (ввиду отсутствия электродов) и мягкий факел индукционного плазмотрона нашел применение для обработки особо чистых тугоплавких порошковых материалов, выращивания монокристаллов и других специальных процессов, не требующих высокой производительности. В сверхвысокочастотных (СВЧ), или электронных плазмотронах, газ также нагревается электромагнитным полем, создаваемым электродом-излучателем (схема 8). Плазменный высокочастотный факел возникает у электрода при остроконечной форме электрода и высокой напряженности поля вблизи него. В высоковольтном и сверхвысокочастотном электрическом поле свободные электроны ускоряются и приобретают такую кинетическую энергию, что при столкновении с частицами газа вызывают их диссоциацию и ионизацию. Электрод плазмотрона подключен к магнетронному генератору частотой 2000-3000 Мгц и мощностью 2-5 кет. Плазменный факел электронного плазмотрона интересен тем, что в нем нет термического равновесия: температура электронов на порядок выше температуры ионов и свободных атомов. Например, при температуре факела 3500° К электронная температура достигает 35 000° К. Такая высокая температура электронов позволяет проводить в плазменной струе химические реакции синтеза некоторых специальных материалов.