Классификация плазмотронов по виду электрода

По виду электрода — катода плазмотроны постоянного тока можно разделить на две группы: плазмотроны со стержневым и плазмотроны с распределенным катодом.В плазмотронах со стержневым катодом, катодное пятно фиксируется на торце электрода, а в плазмотронах с распределенным катодом — интенсивно перемещается с помощью газовихревого или магнитного вращения по развитой поверхности электрода.

В плазмотронах для обработки металлов применяются в основном стержневые катоды, подразделяемые на три основных вида: расходуемый, газозащищенный и пленкозащитный (схемы 1, 2, 3).
Расходуемый, чаще всего графитовый, электрод был показан в схеме плазмотрона с водяной стабилизацией. Несмотря на то, что графит обладает высокой температурой плавления, при нагревании до этой температуры он не плавится, а возгоняется, чем и обусловлен его повышенный расход.

Газозащищенный вольфрамовый электрод — самый распространенный из всех видов электродов. При работе в инертной (аргон, гелий) и восстановительной (азот, водород) средах катод из тугоплавкого вольфрамового стержня при нагрузке 15-20 а/мм2 практически не расходуется. Вольфрамовый катод по сравнению с графитовым значительно прочнее и обладает во много раз большей электропроводностью.

Для улучшения условий работы катоды дуговых плазмотронов изготовляют из вольфрама с небольшой добавкой окиси тория или лантана (1,5-2%). Существует мнение, что торированные вольфрамовые электроды обладают некоторой радиационной способностью, поэтому в последнее время чаще используются лантанированные вольфрамовые электроды. Примеси окиси тория или лантана повышают эмиссионные свойства вольфрамового катода (работа выхода электронов понижается с 4,5 до 2,63 эв), что обеспечивает лучшие условия зажигания, более высокую допустимую плотность тока и устойчивость горения дуги. Кроме того, вольфрам с указанными добавками имеет температуру рекристаллизации на 600° К выше, чем чистый вольфрам и, следовательно, сохраняет волокнистое строение и пластичность до более высокой температуры. Однако стойкость вольфрамового электрода при добавлении кислорода к газовой среде в связи с образованием летучих соединений резко снижается. Например, в плазмотронах, применяемых для резки, при использовании технического азота, содержащего 3-5% О2, на вольфрамовом катоде через 2-3 ч работы при токе 300-400 а образуется кратер, смещение центра которого относительно оси сопла вызывает соответствующее смещение столба дуги и приводит к явлению двойного дугообразования. Поэтому при работе с кислородосодержащей плазмообразующей средой в первичное сопло подается аргон, защищающий вольфрамовый электрод от воздействия рабочего кислородосодержащего газа, подаваемого во вторичное сопло. Система с двойным газовым потоком имеет существенные недостатки. При использовании дешевого рабочего газа, например воздуха, все же остается необходимость в использовании дефицитного аргона. При этом усложняется конструкция плазмотрона и ухудшается нагрев рабочего газа, так как наиболее эффективно газ нагревается вблизи катодной области. Сравнительно недавно появился новый вид катода — пленкозащитный стержневой катод, обладающий высокой стойкостью в газах, содержащих кислород (в воздухе, углекислом газе, техническом азоте). Он представляет собой стержень из циркония или его сплавов, запрессованный в медной обойме. Механизм работы такого электрода должен быть еще детально изучен, но можно уже считать установ-ленным, что достаточно высокая термостойкость циркония, имеющего относительно низкую температуру плавления (2125° К), в значительной мере обусловлена образованием стойкой тугоплавкой пленки из его окислов и нитридов, защищающей чистый цирконий от испарения. Тугоплавкие соединения, образующие пленку, при обычных температурах являются диэлектриками, а при температурах, близких к температуре плавления (3200° К), теряют свои диэлектрические свойства и становятся проводниками с ионной проводимостью (σ >= 1 ом-1*см-1). Таким образом, стойкость циркониевого катода определяется его термохимическим взаимодействием с плазмообразующей средой. Не-обходимыми условиями, обеспечивающими высокую стойкость катода, является наличие в составе газовой среды кислорода и азота, а также такая интенсивность его охлаждения, при которой температура катодного пятна не превышала бы температуру разложения туго-плавких соединений. Эрозия циркониевого катода резко повышается при большем процентном содержании кислорода, чем в воздухе (более 20%) и осо-бенно при наличии в газовой среде водорода. Особо важное значение с точки зрения повышения стойкости циркониевого катода имеет его конструкция и система охлаждения. В настоящее время в плазмотронах для воздушно-плазменной резки достигнута вполне удовлетворительная стойкость циркониевого катода при работе на токах до 400 а. Применение пленкозащитного электрода в плазмотронах переменного тока исключается ввиду его активного разрушения в полупериоды обратной полярности. Особенностью работы циркониевой вставки является постепенное углубление ее нижнего основания в медную обойму по мере эрозии. Циркониевая вставка расходуется главным образом при включении дуги, очевидно, вследствие разрушения пленки от термоудара. При определенном углублении нижней поверхности вставки последующее зажигание дуги осуществляется с медной обоймы, поэтому для пере-мещения катодного пятна на циркониевую вставку и для жесткой фиксации его необходимо применять газовихревую или магнитную стабилизацию дуги, обеспечивающую строгую соосность столба дуги с электродом и соплом плазмотрона. При использовании циркониевого электрода допускается большая плотность тока, достигающая 80-100 а/мм2, чем при использовании вольфрамового электрода. При работе плазмотрона с окислительной плазмообразующей средой на больших токах (1000 а и выше) используются разнообразные виды распределенных катодов, наиболее распространенными из которых являются полый, дисковый и кольцевой (схемы 4, 5 и 6). Недостатками распределенных катодов являются сложность их конструкции, трудность равномерного перемещения катодного пятна по всей поверхности электрода, низкая стабильность горения дуги, возрастание напряжения прикатодной области дуги и связанное с этим увеличение потерь мощности в электроде. Поэтому в плазмотронах для обработки металлов распределенные катоды не нашли практического применения. Существует классификация плазмотронов и по плазмообразующей среде. Состав плазмообразующей среды диктуется технологическим процессом и в свою очередь является определяющим фактором при выборе схемы плазмотрона.

По химическому воздействию на обрабатываемое изделие и электроды плазмотрона все плазмообразующие среды можно разделить на три большие группы: инертная, восстановительная и окислительная. Физические свойства и оценка роли каждого из плазмообразующих газов уже рассматривались выше.