Плазменные горелки. 
Технология конструкционных материалов. 
Сварочное производство

В корпусе / горелки (рис. 2.30, а) размещены два основных элемента — газовая камера 2 и электрод 3. Через формирующее сопло 4 газовой камеры пропускают плазмообразующий газ.

Рис. 2.29. Строение плазменной дуги и распределение падения напряжения вдоль ее оси:

/ — анод; 2 — катод; I — анодная область; II — столб дуги; III — катодная область; /_а — плотность анодного тока; /_к — плотность катодного тока; U — падение напряжения; L — длина дуги; U_a, ?/_с, U_K — падения напряжения соответственно в областях I, II и III.

Плазменная дуга появляется при обжатии электрической дуги струей газа, приводящем к уменьшению площади поперечного сечения дуги и существенному повышению ее температуры.

В установившейся плазменной дуге можно различить несколько однородных участков разряда (см. рис. 2.29). На поверхности электрода располагается катодная область. Между катодной областью и верхним срезом цилиндрической части формирующего сопла (см. рис. 2.30, а) находится закрытый участок дуги длиной /₅ с относительно холодным потоком газа. Между входным и выходным срезами цилиндрической части сопла расположен участок дуги длиной /₄, подвергаемый сжатию холодными стенками канала. Далее следует открытый участок длиной /₃, стабилизированный соосными потоками плазмы и оболочкой более холодного газа, а также рабочий участок длиной /₂. В зоне сварки располагается факел длиной /,.

Сжатие дуги и уменьшение ее поперечного сечения происходят в конусной части сопла. В результате сжатия температура центральной части дуги повышается до 10 000…50 000 К. Внутренняя часть дуги нагревается до температуры 10 000… 20 000 К, а наружная часть, соприкасающаяся со стенкой сопла, остается относительно холодной. Наружный слой играет роль электрической и тепловой изоляции. Он препятствует отклонению столба дуги от заданного направления и его замыканию на стенки сопла.

Различают плазменную дугу прямого и косвенного действия. В горелке с плазменной дугой прямого действия (см. рис. 2.30, а),.

Рис. 2.30. Схемы плазменных горелок (а, б) у стабилизации дуги (в, г):

/ — корпус горелки; 2 — газовая камера; 3 — электрод; 4 — формирующее сопло; 5 — плазма; 6 — преграда (свариваемые заготовки), 7 — ванна жидкого металла; 8 — охлаждающая камера; 9— радиальный поток газа; Ю — тангенциальный (вихревой) поток газа; /| — /₅ — значения длины (/₍ — факела плазмы; /₂ — рабочего участка; /₃ — открытого участка; /₄ — сжатого участка, /₅ — закрытого участка) анодом являются свариваемые заготовки. При этом тепловая энергия поступает в зону сварки от всего столба дуги (КПД дуги составляет 60…70%). Однако такая дуга неприменима для обработки заготовок из диэлектрических материалов.

Дуга косвенного действия (рис. 2.30, б) горит между электродом и корпусом горелки (свариваемые заготовки не включены в электрическую цепь). Анодом является корпус горелки, а анодное пятно расположено внутри цилиндрического отверстия сопла. Поэтому температура и скорость течения плазмы на выходе из сопла резко уменьшаются, что приводит к снижению КПД дуги до 30…40% и стойкости сопла. Однако такая дуга позволяет обрабатывать диэлектрические и тонколистовые материалы.

Стабилизация дуги осуществляется двумя методами — осевым и вихревым. При осевой стабилизации (рис. 2.30, в) плазмообразующий газ подается вдоль оси электрода (траектория 9). Газ охлаждает электрод. Проходя через конусный канал сопла, газ обжимает столб дуги и стабилизирует се. Этот способ стабилизации предъявляет высокие требования к соосности электрода и каналов сопла.

При вихревой стабилизации (рис. 2.30, г) газ поступает по касательной к окружности поперечного сечения сопла и в камере 2 движется по спирали, охватывая столб дуги вихревым потоком, что обеспечивает автоматическую и точную фокусировку дуги по оси канала. Благодаря равномерной толщине газовой оболочки возрастает стойкость сопла.