Отечественная промышленность серийно выпускает дуговые неоновые лампы следующих типов: с воздушным охлаждением ДКСШ-500 (0,5 кВт), ДКСШ-ЮОМ (1 кВт) и ДКСШ-3000 (3 кВт); с комбинированным водяным и воздушным охлаждением ДКСР-300 (3 кВт), ДКСР-5000 (5 КВт) и ДКСР-10000 (10 кВт).

Дуговая неоновая лампа представляет собой шаровой баллон из оптически прозрачного кварца с помещенными в него двумя вольфрамовыми электродами. Давление неона в лампе в нерабочем состоянии достигает 10 ат. Электропитание ламп осуществляется от источников постоянного тока с напряжением холостого хода не ниже 70 В и с падающей характеристикой (например, ИПП-500В). Лампы могут работать в непрерывном режиме сотни часов.

Создан ряд специализированных экспериментальных установок для сварки и пайки сфокусированной лучистой энергией неоновых ламп мощностью от 0,5-

Рис. 92. Оптические схемы установок для сварки лучистой энергией:

а - моноэллипсоидная система; б - то же, с двухлинзовым конденсором; / - отражатель; 2 - лампа; 3 - изделие; 4 - конденсор

10 кВт. В ЭТИХ установках излучение неоновой лампы фокусируется на изделие с помощью эллипсоидного отражателя. С целью увеличения плотности энергии в пятне нагрева используется дополнительная линзовая оптика (рис. 92, а, б).

Экспериментально установлено, что оптический источник тепла является нормально-круговым и по плотности энергии в пятне нагрева занимает промежуточное положение между газовым пламенем и электрической дугой, а по сосредоточенности близок поверхностным металлическим дугам.

В рабочем пятне установки УСПЭЛ-1-МАТИ с неоновой лампой ДКСР-10000 максимальная плотность лучистого потока составляет 2600 Вт/см. Лучистый поток такой плотности достаточен для плавления молибдена. КПД установок составляет 0,1-0,2 в зависимости от оптической системы и типа лампы.

Ввиду сравнительно низкой эффективной мощности оптический источник тепла целесообразно использовать для сварки материалов малых толщин.

Исследования по сварке нержавеющей стали и титановых сплавов показали возможность получения качественных соединений на листовом материале толщиной 0,1-2 мм. При этом обеспечивается вакуумная плотность и прочность не ниже 90% от прочности основного материала. Скорость сварки листов толщиной 0,5 мм составляет 10-15 м/ч.

Широкие пределы регулирования энергетических параметров позволяют использовать оптический источник для пайки практически любыми из существующих припоев, начиная от оловянно-свинцовых и кончая тугоплавкими на основе никеля и титана.

Оптический источник позволяет сваривать также и неметаллические материалы (стекло, керамику, пластмассу). Успешно осуществлен процесс сварки шлакового стекла, применение которого имеет большое народнохозяйственное значение.

Оптический источник тепла можно использовать также для локальной термической обработки сварных соединений.

ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

Плазмой принято считать частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, ионов и электронов. Типичное плазменное состояние вещества имеет место в электрическом газовом разряде. Газоразрядная плазма высокого давления (> 1 кгс/см) обладает свойством локального термического равновесия, т. е. в небольшой области вблизи рассматриваемой точки соблюдается равенство температур электронов, ионов и нейтральных частиц.

В отличие от горячей термоядерной плазмы, характеризующейся температурой в десятки миллионов градусов, плазма газового рязряда в зависимости от

Рис. 93. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок для получения:

а - плазменной дуги (совмещенное сопло и канал; плазменная струя совпадает со столбом дуги); б - плазменной струи (раздельные сопло и канал; плазменная струя выделена из столба дуги); в -тоже, совмещенные канал и сопло: I - электрод; 2 - канал; 3 - охлаждающая вода; 4 - столб дуги; 5 - сопло; б - плазменная струя; Е - источник тока; И - изделие; / - углубление электрода в канал

состава среды характеризуется температурами от 2000-3000° С (с добавками щелочных металлов) до 40 ООО-50 ООО С (дуга, стабилизированная водяным вихрем). В дугах средней мощности (сила тока до 1000-1500 А), стабилизированных потоком газа (аргон, азот, кислород, водород), плазма обычно имеет температуру 5000-20 000° С.

Способы получения плазменных струй. Плазменные струи получают в специальных устройствах, которые в сварочной технике и примыкающих к ней процессах называют плазменными горелками.

В промышленной практике находят применение главным образом дуговые плазменные горелки постоянного тока.

Наиболее распространены способы получения плазменных струй путем интенсивного охлаждения газовым потоком столба дуги, горящей в сравнительно узком водоохлаждаемом канале плазменной горелки.

В инженерной практике наметились две схемы дуговых плазменных горелок.

1. Горелки для сварки плазменной дугой (горелки прямого действия), в которых одним из электродов является обрабатываемый материал (рис. 93, а). В этом случае используют два энергетических источника: плазменную струю и электрически активное пятно дуги. Внутренний коэффициент полезного дей-

2500

2000 1500 1000 500 О

q, к а/г/о 1000

h =10мм; Лэбмм 1=5мм; (ic=4MM I Юмы; V =1,9-2, iM/i

71,%; и, В q,Karr/c 100 7250

200 1,А 5

Ti,A;u,B q,Ka/r/c

15 20 25 h,MM 7i,%;U,B

6 в

Рис. 94. Зависимость эффективной мощности q плазменной дуги, эффективного КПД плазменного нагрева изделия, относительной мощности, выделяющейся в сопле Tjc и электроде г\, и напряжения дуги U (совмещенные каналы и сопло - см. рис. 93, а)\

а - от силы тока дуги /; б - от расстояния h сопла до изделия; в - от расхода аргона v; г - от диаметра сопла d, 1 - длина канала сопла; / - углубление электрода в канал; - диаметр вольфрамового электрода

ствия такой горелки, т. е. использование подведенной к ней электрической энергии, достигает 60-80%.

2. Горелки для сварки плазменной струей (горелки косвенного действия) (рис. 93, б, в). Для снижения тепловой нагрузки на электроды применяют плазменные горелки с магнитным закручиванием дуги; максимальное значение внутреннего КПД таких горелок (при больших расходах газа) достигает 50-70%.

Состав плазмообразующего газа и материала электродов выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к процессу. В качестве стабилизирующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси. Электроды изго-

товляют обычно из меди и вольфрама. Стенки камеры защищены от теплового воздействия дуги слоем сравнительно холодного газа.

1000 800 600 400 200 О

600 450

71,%; и, В д,ка/г/с 60 500

50 400 40 300 30 200 20 100 10 о

J-IOOA; с1з = бмм с1с = 3мм; IjflOMM \/ = 4,5-4,9mVv

2,5 5 7,5 10 12,51,мм

50 40

20 10

77,%; 0,8 q,Ka/i/c во 500

200 100 10 о

71,%;и,в

кап/с \

/= 100 А; сСэ=6мм; 1= Юмм 1=1,=5 мм; ..=3,6-4,8 м/ч

20 10

4 4,5 5oLc,MM г)

15 20 251к,мм О)

Рис. 95. Зависимость эффективной тепловой мощности q плазменной струи, эффективного КПД т] плазменного нагрева изделия, относительной мощности Tie, выделяющейся в сопле, и напряжения дуги V при расстоянии Л = 5 мм (совмещенные канал и сопло - см. рис. 98, в).

а - от силы тока /; б - от углубления электрода /; в - от расхода аргона о; г - от диаметра сопла d, д - от длины

канала /

Подводимая к дуговому разряду электрическая мощность не полностью преобразуется в плазменной горелке в потенциальную и кинетическую энергию плазменной струи. Часть энергии дуги расходуется на нагрев электродов разряда, а также рассеивается в окружающее пространство вследствие лучистого и конвективного теплообмена.

Интенсивность теплообмена дуги с отдельными элементами плазменной горелки в значительной мере определяют такие параметры плазменной струи, как мощность, температура, энтальпия и-скорость, а также геометрические размеры канала и сопла горелки. Наиболее существенное влияние на мощность, расходуемую на нагрев электродов, оказывают ток и длина дуги, а также расход газа. В стержневом электроде (катод) выделяется примерно до 10%, а кольцевом (сопло - анод) - 15-50% мощности дуги.

Распределение энергии дуги (в %) между нагреваемым изделием т] , соплом т], каналом т]к и электродом т]э плазменной горелки, а также эффективной мощности плазменной струи q и напряжения дуги U от основных параметров режима работы приведено на рис. 94 и 95.

Характеристики плазменных струй. Ярко светящееся ядро плазменной струи с основанием, несколько меньшим размера выходного отверстия сопла, окружено

/000 30000J5000 гоооо°к

Рис. 96. Распределение температуры:

а - ъ плазменной дуге (/ - дуговой разряд без стабилизации газовым потоком при аргонодуговой сварке; сила тока 200 А; напряжение дуги 14,5 В; - дуговой разряд, горящий в канале плазменной горелки в потоке аргона между торированиым вольфрамовым электродом и медной пластиной; диаметр канала 4,9 мм, расход аргона 1,08 м/ч, сила тока 200 А, напряжение дуги 29 В); б - в плазменной струе

менее светящимся факелом. Длина струи определяется в основном мощностью дуги, размерами сопла, родом и расходом газа. При ламинарном истечении газа (низкие скорости струи) наблюдается длинная, мало смешивающаяся с окружающей атмосферой струя плазмы.

Короткая струя плазмы наблюдается при турбулентном истечении газа (большие скорости струи). Формой сопла можно задавать очертание плазменной струи и тем самым распределение теплового и силового воздействия по поверхности обрабатываемого тела.

Температура плазменной дуги и плазменной струи по радиусу и длине распределяется крайне неравномерно (рис. 96). Максимальная температура наблюдается в центре струи. В токоведущей части плазменной струи вблизи катода температура газа достигает 24 ООО-32 000° С.

В инженерной практике плазменную струю обычно характеризуют средне-массовой температурой на срезе сопла плазменной горелки, которая может быть определена по удельной энтальпии Н плазмообразующего газа (рис. 97):

(30)

где q - эффективная мощность плазменной струи на срезе сопла, кал/с; G - массовый расход плазмообразующего газа, г/с.

16. Основные параметры плазменной струи

Основные параметры плазменной струи при работе на газах, чаще всего используемых в процессах плазменной обработки материалов, приведены в табл. 16.

Среднемассовая температура плазменной струи ниже осевой температуры стъуи Тт- Отношение осевой температуры аргоновой струи к среднемассовой

Н-10 к к ал

4 8 12 10,К Температура

Рис. 97. Зависимость удельной энтальпии газов от температуры при атмосферном давлении

О 2500 5000 7500 10000 12500 Н,кДж7/<г

Рис. 98. Изменение отношения осевой Тт и среднемассовой температур в зависимости от удельной энтальпии Я плазменной струи аргона (/ = 100 А; длина дуги / = 25 мм; расход аргона С=0,25 г/с; диаметр сопла = 8 мм; расстояние сопла до изделия Л = 10 мм)

TJT изменяется в пределах 1,1-1,4 (рис. 98). Для аргоновой струи это отношение можно в первом приближении представить как функцию удельной энтальпии плазменной струи.

Среднемассовая температура Tj, и мощность q плазменной струи на срезе сопла, а также внутренний КПД х\, плазменной горелки могут быть оценены расчетом, исходя из модели стержня, нагретого равномерно внутренним источником с отводом тепла от боковой поверхности:

7г =

0,24£/

1 -ехр

4i =

q = Cp6T;

{Е1 + иу,У

(31) (32) (33)

где / - сила тока дуги; £ - градиент напряжения столба дуги. В/см; 4 - Диаметр сопла, см; - коэффициент теплоотдачи, кал/см-с С; I - длина дуги, см.