Обжатие дуги

Несмотря на разнообразие конструкций дуговых плазмотронов, принцип действия их одинаков и основан на принудительном охлаждении и сжатии столба дуги жидкостью или, чаще всего, потоком газа. Существует два типа плазмотронов: с дугой прямого действия (рис., а) и с дугой косвенного действия (рис., б). В обоих типах плазмотронов одним из электродов является стержень с закрепленным на нем тугоплавким наконечником (в большинстве случаев из вольфрама). Ниже рассматривается наиболее распространенный вид плазмотронов тока, в которых электрод является катодом.
Обжатие дуги при плазменной сварке

Принципиальные схемы плазмотронов
а — с дугой прямого действия и аксиальной стабилиза- цией плазменной струи; б — с дугой косвенного действия и вихревой стабилизацией плазменной струи; 1 — элект- род; 2 — газовая камера; 3 — изоляционная прокладка; 4 — сопло; 5 — обрабатываемое изделие; 6 — источник питания

Электродный стержень 1 вмонтирован в цилиндрической камере 2, оканчивающейся медным наконечником-соплом 4 с отверстием, соосным со стержнем. Электрод и сопло обычно выполнены из меди электрически изолированы друг от друга прокладкой 3 и охлаждаются проточной водой. В плазмотронах с дугой косвенного действия анодом является сопло. Дуга, возбуждаемая между электродом и соплом (чаще всего пробоем промежутка искровым высокочастотным разрядом), проходит через сопло под давлением рабочего газа, подаваемого в камеру. Анодное пятно дуги перемещается по внутренней стенке канала сопла, а столб оказывается жестко стабилизированным по оси электрода и сопла. Часть рабочего газа, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи. Наружный слой газа, омывающий столб дуги, остается относительно холодным и образует электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла, предохраняя сопло от разрушения. Кроме того, наружный слой газа усиленно охлаждает столб дуги, в результате чего сечение столба уменьшается, а плотность тока и температура возрастают. При этом за счет уменьшения диаметра столба усиливается сжимающее действие на дугу ее собственного магнитного поля. Таким образом, в плазмотроне термическое сжатие (термический пинч-эффект) вызывает усиление магнитного сжатия (магнитного пинч-эффекта). Плотность тока дуги в плазмотронах достигает 100 а/мм2, т. е. на порядок выше плотности тока свободной дуги. Температура достигает нескольких десятков тысяч градусов. При выходе из сопла поток плазмы несколько расширяется, т. е. сопло является как бы диафрагмой, перетягивающей плазменный столб. Это приводит к возникновению осевого градиента давления собственного магнитного поля дуги, повышающего скорость истечения плазменной струи из сопла до значений, превышающих скорость звука.
В плазмотронах с дугой прямого действия анодом является обрабатываемое изделие, сопло же является электрически нейтральным и служит для сжатия и стабилизации столба дуги. Принцип сжатия столба дуги здесь тот же, что и в плазмотронах с дугой косвенного действия. В отличие от плазмотронов с дугой косвенного действия плазменная струя, истекающая из плазмотрона с дугой прямого действия, совмещена со столбом дуги и поэтому имеет более высокую температуру и тепловую мощность. Непосредственное возбуждение дуги между электродом и изделием через узкий канал сопла осуществить трудно. Поэтому первоначально обычно возбуждается вспомогательная дуга между электродом и соплом, питаемая чаще всего от того же источника через токоограничивающее сопротивление R, а затем, как только ее факел коснется изделия, автоматически зажигается основная дуга между электродом и изделием, а вспомогательная дуга при устойчивом горении основной отключается.
В плазмотронах с дугой косвенного действия тепловая энергия от дуги к обрабатываемому изделию передается лишь струей плазмы, нагреваемой столбом дуги. Такого типа плазмотроны применяются в основном для обработки неэлектропроводных материалов (напыление, сфероидезация, нагрев, химический синтез и др.). В плазмотронах с дугой прямого действия в обрабатываемое изделие вводится дополнительная доля тепла за счет электронного тока. К. п. д. таких плазмотронов значительно выше и поэтому их целесообразно применять для резки, сварки, наплавки и других видов обработки металлов. В обоих типах плазмотронов газовая стабилизация бывает аксиальной и вихревой. При аксиальной стабилизации (рис. а) газ проходит вдоль катода, охлаждает его и выходит через отверстие сопла. На рис, б газ поступает в камеру через тангенциальные отверстия и двигается по спирали, омывая столб дуги вихревым потоком. Часто для сварки и резки применяются плазмотроны с двойным или комбинированным газовым потоком. Такие плазмотроны имеют два сопла. Газ, подаваемый во внутреннее сопло, условно можно назвать первичным, а в наружное — вторичным. Первичный и вторичный газы могут быть разными по назначению, составу и расходу. При резке первичный (обычно инертный) газ выполняет функции защиты от воздействия окружающей среды вольфрамового катода, вторичный (обычно активный молекулярный) газ является плазмообразующим, режущим. При сварке газ, подаваемый в наружное сопло, способствует сжатию плазменной струи, образуемой первичным газом, и защищает от действия окружающей среды околошовную зону свариваемого металла.