Что такое плазмотрон: Плазмотрон: принцип работы и конструкция

Плазмотрон: принцип работы и конструкция

Плазмотрон – это генератор плазмы, то есть такое техническое устройство, в котором электрический ток используется для образования плазмы, которая, в свою очередь, применяется с целью обработки материалов, например, для резки плазмотроном.

Первые плазмотроны появились в середине ХХ века, что было вызвано расширением производства тугоплавких металлов и необходимостью введения технологии обработки материалов, устойчивых в условиях высоких температур. Ещё одна причина появления плазмотронов – потребность в источнике тепла повышенной мощности.

Предлагаем посмотреть, как работает ручной плазмотрон (он же плазморез):

Вот основные особенности современных плазмотронов:

• Получение сверхвысоких температур, недостижимых при использовании химического топлива
• Лёгкость регулирования мощности, пуска и остановки рабочего режима
• Компактность и надёжность устройства

Устройство плазмотрона

Устройство плазмотрона для резки металла представлено следующими конструктивными элементами:

1. Электрод/катод со вставкой из циркония или гафния – металлов с высокой термоэлектронной эмиссией
2. Сопло для плазмотрона, обычно изолированное от катода
3. Механизм для закручивания плазмообразующего газа

Сопла и катоды – это основные расходные материалы плазмотронов.

При толщине обрабатываемого металла до 10 мм одного комплекта расходных материалов бывает достаточно для одной рабочей смены – восьми часов работы. Сопла и катоды плазмотронов, как правило, изнашиваются с одинаковой интенсивностью, поэтому их замену можно организовать одновременно.

Несвоевременная замена расходников может оказать большое влияние на качество реза: например, при нарушении геометрии сопла может возникнуть эффект косого реза, или на поверхности реза будут возникать волны. Износ катода выражается в постепенном выгорании гафниевой вставки, выработка которой в объёме более 2 мм способствует пригоранию катода и перегреванию плазмотрона. Таким образом, несвоевременная замена изношенных расходных материалов влечёт за собой более скорый износ и остальных комплектующих плазмотронов.

Для защиты плазмотрона от брызг расплавленного металла и металлической пыли в процессе работы, на него надевают специальный кожух, который необходимо время от времени снимать и очищать от загрязнений.

Отказ от использования защитного кожуха приводит к риску негативного влияния вышеуказанных загрязнений на качество работы плазмотрона и даже к его поломке. Кроме очистки кожуха, время от времени стоит чистить и сам плазмотрон.

Узнать больше о технологии плазменной резки вы сможете, посмотрев следующее видео:

Разновидности плазмотронов для резки металлов

Все существующие плазмотроны делятся на три большие группы:

        I.            Электродуговые

      II.            Высокочастотные

    III.            Комбинированные

Электродуговые плазмотроны оснащены как минимум одним анодом и катодом, подключёнными к источнику питания плазмотрона постоянного тока. В качестве хладагента таких устройств используется вода, которая циркулирует в охладительных каналах.

Существуют следующие разновидности электродуговых плазмотронов

• Плазмотроны с прямой дугой
• Плазмотроны с косвенной дугой (плазмотроны косвенного действия)
• Плазмотроны с использованием электролитического электрода
• Плазмотроны с вращающимися электродами
• Плазмотроны с вращающейся дугой

Высокочастотные плазмотроны не имеют ни электродов, ни катодов, ведь для связи такого плазмотрона с источником питания используется индуктивный/ёмкостной принцип. Из этого следует, что высокочастотные плазмотроны делятся на индукционные и ёмкостные.

Принцип работы плазмотронов высокочастотной группы требует того, чтобы разрядная камера таких устройств была выполнена из непроводящих материалов, и в качестве таковых обычно используются керамика или кварцевое стекло.

Так как поддержание безэлектродного разряда не нуждается в электрическом контакте плазмы с электродами, в плазмотронах такого типа используется газодинамическая изоляция стенок от плазменной струи, что даёт возможность избежать их перегрева и ограничиться воздушным охлаждением.

Комбинированные плазмотроны работают при совместном действии ТВЧ – токов высоких частот – и горении дугового разряда, в том числе с его сжатием магнитным полем.

Кроме общей классификации плазмотронов на электродуговые, высокочастотные и комбинированные, такие устройства можно разделять на группы по многим принципам: например, в зависимости от типа охлаждения, по способу стабилизации дуги, в зависимости от типа электродов или используемого тока.

Система стабилизации дуги в процессе работы плазмотрона

В зависимости от способа стабилизации дуги, все плазмотроны делятся на газовые, водяные и магнитные. Надо сказать, что система стабилизации дуги является очень важной для процесса функционирования плазмотрона, ведь именно она обеспечивает сжатие столба и его фиксацию по оси электрода и сопла.

Самая простая и распространённая система стабилизации дуги – газовая. Её принцип работы заключается в охлаждении и сжимании стенок столба дуги внешним, более холодным плазмообразующим газом. Водяная система даёт возможность достичь большей степени сжатия и поднять температуру столба дуги до 50000 градусов.

Плазмотроны такого типа используют графитовый электрод, подающийся в меру его сгорания, поскольку пары воды вблизи электрода обеспечивают повышенную скорость этого процесса. По сравнению с этими двумя системами стабилизации, магнитная стабилизация дуги считается менее эффективной, однако её преимущество заключается в возможности регулировки степени сжатия без потерь плазмообразующего газа.

Плазмотрон | это… Что такое Плазмотрон?

Плазменная горелка

Плазмотро́н — техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов или как источник света и тепла. Буквально, плазмотрон означает — генератор плазмы.

Содержание 1 История создания 2 Типы применяемых плазмотронов 3 Области использования плазмотронов 4 Особенности применяемых материалов в конструкции 5 Литература 6 См. также 7 Примечания 8 Ссылки

История создания

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

Первые плазмотроны появились в середине 20-го века в связи с появлением устойчивых в условиях высоких температур материалов и расширением производства тугоплавких металлов.

Другой причиной появления плазмотронов явилась элементарная потребность в источниках тепла большой мощности. Замечательными особенностями плазмотрона как инструмента современной технологии являются:

• Получение сверхвысоких температур (до 150 000 °C, в среднем получают 10 000-30 000 °C), не достижимых при сжигании химических топлив.
• Компактность и надежность.
• Легкое регулирование мощности, легкий пуск и остановка рабочего режима плазмотрона.

Типы применяемых плазмотронов

Электродуговые:

• С прямой дугой.
• С косвенной дугой.
• С электролитическим электродом (электродами).
• С вращающейся дугой.
• С вращающимися электродами.

Высокочастотные:

• Индукционные (нагрев движущихся металлических паров).
• Электростатические.

Комбинированные:

Работают при совместном действии токов высоких частот (ТВЧ) и при горении дугового разряда, в том числе с сжатием разряда магнитным полем.

• Для производства плазменной и микроплазменной сварки в настоящее время применяются следующие установки: УПС-501, УПС-804 и УПС-301 для плазменной сварки и установка А-1342 для микроплазменной сварки

Области использования плазмотронов

• сварка и резка металлов и тугоплавких материалов
• нанесение ионно-плазменных защитных покрытий на различные материалы (см. Плазменное напыление)
• нанесение керамических термобарьерных, электроизоляционных покрытий на металлы (см. Плазменное напыление)
• подогрев металла в ковшах при мартеновском производстве
• получение нанодисперсных порошков металлов и их соединений для металлургии
• двигатели космических аппаратов
• термическое обезвреживание высокотоксичных органических отходов
• Синтез химических соединений (например синтез оксидов азота и др., см. Плазмохимия)
• Накачка мощных газовых лазеров.
• Плазменная проходка крепких горных пород.
• Безмазутная растопка пылеугольных котлов электростанций.
• Расплавление и рафинирование (очистка) металлов при плазменно-дуговом переплаве.

Особенности применяемых материалов в конструкции

Плазменная горелка дугового плазмотрона имеет по меньшей мере один анод и один катод, к которым подключают источник высокого напряжения.

Устройство плазмотрона с продольной стабилизацией дуги

Высокочастотные плазмотроны являются безэлектродными. В качестве рабочего тела используют воздух, кислород, пары воды, аргон, азот и другие газы. Для охлаждения используют каналы, омываемые обычно водой.

Литература

Ю. П. Конюшная. Открытия советских ученых. — Ч. 1. — М.: Изд-во МГУ, 1988.

См. также

Примечания

Ссылки

• Плазмотроны для резки (плазменные резаки)

Долго и достоверно

Факелы и расходные материалы. Получите совершенно новый вид, увеличивая диапазон приложений для резки плазмы

• от Michelle Avila
• 2 апреля 2015
• Статья
• Плазма. Присоединиться к обсуждению

Рисунок 1
Традиционный универсальный резак.

Каждая новая технология, от автомобилей до телевизоров, проходит через определенный период эволюции. Первые проекты часто бывают большими и дорогими и постепенно становятся меньше, быстрее, совершеннее и ориентированы на пользователя. Вспомните первый компьютер или мобильный телефон. Оба были совсем не похожи на современные планшеты и смартфоны.

Современные системы плазменной резки ничем не отличаются. Источники питания меньше, эффективнее и надежнее, как и резаки. Первые резаки представляли собой квадратные неуклюжие куски пластика, которые больше походили на детский игрушечный молоток, чем на высокотехнологичное режущее оборудование. Эти резаки сделали свое дело, но по мере развития плазменной резки и строжки стало ясно, что резаки также должны развиваться, чтобы выдерживать более суровые условия и удовлетворять более широкий спектр потребностей.

В конце концов, резак, который вырезает идеальные детали на столе с ЧПУ, не обязательно хорошо работает в приложении для трехмерной резки. При ручной резке горелка, используемая для резки плоского куска стали, не обязательно подходит для тех, кто пытается выдолбить сварной шов на трубопроводе.

Хотя инженеры видели и понимали необходимость различных конструкций факелов, процесс создания этих факелов был более сложным. Была причина, по которой плазменные горелки были спроектированы именно так, и это было связано с механизмом, запускающим плазменную дугу. Обычно этот механизм встроен в большинство плазменных горелок в виде плунжера. При нажатии на спусковой крючок внутренний механизм вдавливает плунжер в электрод, который, в свою очередь, ударяет по соплу и зажигает дугу. Любое изменение конструкции должно было учитывать этот метод запуска.

Инженеры быстро поняли, что решение состоит в том, чтобы снять пусковой механизм с горелки и встроить его в электрод. Это было непросто, но после долгой работы инженеры нашли способ избавиться от плунжера внутри корпуса горелки и заменить его возвратной пружиной на заднем конце электрода. Эта технология открыла всевозможные возможности для проектирования резаков, поскольку инженеры больше не были ограничены определенным размером или формой.

В результате сегодня доступно множество различных стилей резаков: короткие, длинные, угловые, прямые. Они предназначены как для ручной, так и для механизированной резки и строжки, а также для роботизированной резки. Давайте посмотрим на некоторые из этих факелов и задачи, для которых они могут быть полезны.

Ручной резак

Резак на 75 или 90 градусов — этот традиционный универсальный резак имеет форму, примерно похожую на букву L ( рис. 1 ). Несмотря на то, что резак и особенно расходные материалы внутри него со временем претерпели изменения, по сути это тот же резак, который появился четыре десятилетия назад с появлением коммерческой плазмы. Он может легко справиться с большинством обычных работ по резке, хотя другой резак может подойти вам лучше для конкретных работ и приложений.

15-градусный фонарь — как видно из названия, этот фонарь имеет очень небольшой угол в 15 градусов, что делает его почти прямым. Вы могли бы хотеть использовать факел как это для выдалбливания.

Более прямая конструкция обеспечивает лучшую видимость и лучшее управление дугой, при этом ваша рука не подвергается сильному нагреву, выделяемому в процессе строжки. Это также хороший резак для резки углов, как показано на Рисунок 2 .

Длинные резаки с углами 45 и 90 градусов — в отличие от ранее упомянутых резаков, длина которых составляет примерно от 10 до 12 дюймов, эти резаки ( Рисунок 3 ) имеют длину 2 и 4 фута. Доступные с двумя различными углами (45 градусов и 90 градусов), эти резаки предназначены для ручной резки.

Они подходят для работ, при которых вы не хотите приближаться к заготовке (например, при демонтаже котла, окрашенного свинцовой краской), или для таких работ, как разборка и резка каркаса. Дополнительная длина позволяет выполнять эти работы, не наклоняясь. Длинные резаки также удобны для резки предметов высоко над вами, например, на потолке, без необходимости подниматься по лестнице.

Рисунок 2
15-градусная горелка, удобна для строжки и резки углов.

Механизированная резка

Полноразмерный механизированный резак с углом поворота 180 градусов — этот резак ( рис. 4 ) является традиционным резаком, подходящим для использования с портативными инструментами автоматизации, такими как гусеничные резаки, и большинством типов столов с ЧПУ.

180-градусный мини-механизированный резак — мини-механизированный резак ( Рис. 5 ) полезен в ситуациях, когда полноразмерный резак слишком длинный. Его более короткая длина (приблизительно 7 дюймов по сравнению с примерно 16 дюймами у полноразмерного резака) делает его идеальным для небольших столов с ЧПУ и труборезных станков.

Роботизированная резка

В отличие от резаков, предназначенных для механизированной резки, резаки-роботы ( рис. 6 ), как правило, имеют меньший вес, меньший профиль (как короче, так и тоньше) и имеют такие особенности, как гребни и канавки, отверстия, и зажимы. Эти функции упрощают и ускоряют размещение резака на манипуляторе робота и гарантируют, что он случайно не соскользнет с места во время резки.

Как и сами роботы, факелы бывают разных форм, от полностью прямых до L-образных и любых промежуточных.

Усовершенствования расходных материалов

Инженеры также добились успехов в области расходных материалов для плазменной резки. Возвратная пружина на заднем конце электрода была только началом. Ярким примером являются конические расходные детали, которые на 3 дюйма длиннее стандартных расходных деталей. Эта конструкция полезна для резки или строжки металла в местах, где пространство настолько ограничено, что нет места для традиционного резака, не говоря уже о вашей руке. Примеры находятся внутри колесной ниши и тесного отсека на корабле. Длинная и тонкая конструкция этих расходных деталей облегчает попадание резака в область, которую необходимо разрезать.

Еще одним преимуществом этого дизайна является видимость. Вам легче увидеть заготовку. Расходные материалы большей длины также выгодны при резке деталей с глубокими каналами или щелями.

Независимо от задачи, новая конструкция плазменного резака и расходных материалов позволяет выполнять больше задач с меньшими потерями. Впервые пользователи плазменных систем теперь имеют тот же уровень инноваций и гибкости, что и пользователи кислородных систем, когда речь идет о форме и длине.

Все фотографии предоставлены Hypertherm.

Как работает плазменная резка? Преимущества и недостатки

Резку металла можно разделить на две категории: механическую и термическую резку. Плазменная резка — это метод термической резки, при котором для резки металла используется ионизированный газ .

Это один из наиболее широко используемых методов резки толстых металлических листов, но он также доступен и для листового металла. Прежде чем углубиться в преимущества и возможности плазменной резки, следует решить еще один вопрос.

Что такое плазма?

Вы наверняка слышали о трех основных состояниях материи – твердом, жидком и газообразном. Но есть и четвертый. Да, это плазма.

Плазму можно найти в природе, но в основном в верхних слоях атмосферы Земли. Знаменитое полярное сияние — результат действия солнечных ветров, состоящих из плазмы. Освещение и высокотемпературный огонь также включают плазму. И наши тела тоже.

В целом он составляет около 99% видимой части Вселенной.

В повседневной жизни мы можем встретить плазму в телевизорах, люминесцентных лампах, неоновых вывесках и, конечно же, плазменных резаках.

Плазма представляет собой электропроводящее ионизированное газообразное вещество . Это означает, что у некоторых атомов отсутствуют электроны, а также есть свободные электроны.

Газ можно превратить в плазму, подвергнув его интенсивному нагреву. Поэтому плазму часто называют ионизированным газом.

Плазма похожа на газ, поскольку атомы не находятся в постоянном контакте друг с другом. В то же время он ведет себя аналогично жидкостям с точки зрения своей способности течь под действием электрического и магнитного полей.

Как работает плазменный резак?

Как работает плазменная резка

Процесс плазменной резки — это метод термической резки. Это означает, что он использует тепло для плавления металла, а не для его механической резки.

Общая механика системы всегда одинакова. Плазменные резаки используют сжатый воздух или другие газы, такие как азот. Происходит ионизация этих газов с образованием плазмы.

Обычно сжатые газы вступают в контакт с электродом, а затем ионизируются, создавая большее давление. Когда давление возрастает, поток плазмы направляется к режущей головке.

Режущий наконечник сужает поток, создавая струю плазмы. Затем наносится на заготовку. Поскольку плазма является электропроводной, заготовка соединяется с землей через режущий стол.

Когда плазменная дуга контактирует с металлом, его высокая температура плавит его. В то же время высокоскоростные газы выдувают расплавленный металл.

Запуск процесса резки

Не все системы работают одинаково. Во-первых, есть вообще малобюджетная версия под названием высокочастотный контакт . Это недоступно для плазменных резаков с ЧПУ, поскольку высокая частота может мешать работе современного оборудования и вызывать проблемы.

В этом методе используется искра высокого напряжения и высокой частоты. Создание искры происходит, когда плазмотрон касается металла. Это замыкает цепь и создает искру, которая, в свою очередь, создает плазму.

Другим вариантом является метод вспомогательной дуги . Во-первых, искра создается внутри горелки с помощью цепи высокого напряжения и слабого тока. Искра создает вспомогательную дугу, которая представляет собой небольшое количество плазмы.

Режущая дуга создается, когда вспомогательная дуга соприкасается с заготовкой. Теперь оператор может начать процесс резки.

Третий способ заключается в использовании подпружиненной головки плазменной горелки . Прижатие горелки к заготовке создает короткое замыкание, в результате чего начинает течь ток.

Сброс давления устанавливает вспомогательную дугу. Дальнейшее аналогично предыдущему способу. Это приводит дугу в контакт с заготовкой.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Может резать все токопроводящие материалы. Газовая резка, хотя и подходит для резки толстых металлов, ограничивается только черными металлами.
• Отличное качество для толщины до 50 мм.
• Максимальная толщина до 150 мм.
• Относительно дешев для пропилов средней толщины.
• Лучший способ резки нержавеющей стали и алюминия средней толщины.
Доступны станки с ЧПУ
• , обеспечивающие высокую точность и повторяемость.
• Может резать в воде, что приводит к уменьшению ЗТВ. Также снижает уровень шума.
• Меньший пропил по сравнению с газовой резкой.
• Более высокая скорость резки, чем при кислородной резке.
• Путем изменения параметров тот же аппарат можно использовать для плазменной сварки.

Недостатки

• Большая ЗТВ по сравнению с лазерной резкой.
• Качество более тонких листов и пластин не такое хорошее, как при лазерной резке.
• Допуски не такие точные, как при лазерной резке.
• Не достигает такой толщины, как пламенная или гидроабразивная резка.
• Оставляет ЗТВ, чего не делает гидроабразивная резка.
• Более широкий пропил, чем при лазерной резке.

Выбор метода резки

Выбор между различными методами резки зависит от материала, его толщины и применения деталей.

Рекомендуемая толщина реза для плазменной резки составляет от 15 до 50 мм .

Рекомендуемый верхний предел толщины материала для плазменной резки составляет около 50 мм для углеродистой и нержавеющей стали. Алюминий не должен превышать 40 мм.

Все вышеперечисленное относится к области гидроабразивной и газовой резки.

Услуги лазерной резки должны быть предпочтительным вариантом для листового металла и более тонких пластин из-за более высокого качества и скорости резки. Но верхний предел лазерной резки где-то в районе 25…30 мм.

Кроме того, плазменная резка выполняется быстрее и, следовательно, дешевле для пластин толщиной от 15 мм. Опять же, вопрос упирается в требуемое качество.