Плазменная обработка материалов

Плазму для обработки материалов получают в элек­трическом (дуговом, высокочастотном) разряде. С этой целью струю рабочего газа пропускают через столб ду­гового разряда (постоянного или переменного тока) в специальных устройствах — плаз матронах, принци­пиальные схемы которых приведены на рис. 18.59. Необ­ходимыми элементами плазматрона для обработки являются торцовый электрод 5 и сопло 4. По характеру действия такие плазматроны делятся на два типа: с ду­гой косвенного действия (рис. 18.59, а) и с дугой прямого действия (рис. 18.59,6).

В первом случае дуга горит между электродом и со­плом, а газ, нагревающийся в столбе дуги, выходит из сопла в виде плазменной струи 2, отделяющейся от дуги. Во втором случае дуга горит между электродом 5 и изде­лием 1, а струя плазмы совпадает со столбом дуги. Ис­пользуется также комбинация этих двух типов (рис. 18.59, в) — с дугами прямого и косвенного действия. Первый тип плазматронов для обработки материалов называют плазматронами с независимой (сжатой, закры­той, внутренней) дугой. Второй тип — плазматроны с за­висимой (проникающей, открытой, внешней) дугой.

В зависимости от используемого варианта действия плазматрона различают три способа нагрева изделия: плазменной струей, плазменной дугой, стабилизирован­ной дугой.

Нагрев плазменной струей используют обычно при напылении покрытий и закалке; нагрев плазменной ду­гой — при резке и наплавке. При нагреве стабилизирован­ной дугой струя плазмы от внутренней, обычно устойчиво горящей дуги стабилизирует горение внешней (основ­ной) дуги, горение которой неустойчиво.

В зависимости от силы тока, рода и расхода газа, а также тсонструкции плазматрона температура плазмен­ной струи может изменяться от 10³ до 5 • 10⁴ К. В процес­се работы плазматрон непрерывно охлаждается проточ­ной водой через каналы 3 сопла.

В качестве плазмообразующих газов применяют ар­гон, гелий, азот, водород, аммиак, кислород, воздух и не­которые другие смеси газов. Инертные газы (аргон, ге­лий) обеспечивают хорошие условия для возбуждения и устойчивого горения дуги и защиту центрального элек­трода от эрозии (окисления). Однако эти газы одно­атомные и запас энергии, приобретаемый ими в столбе дуги, меньше, чем при использовании молекулярных га­зов. Широкое применение в качестве плазмообразующего газа получил азот.

При использовании в качестве плазмообразующего газа воздуха или кислорода необходимо принимать спе­циальные меры для защиты электродов от эрозии либо применять циркониевый или гафниевый центральный электрод.

Средняя скорость потока плазмы на выходе из сопла достаточно высокая. Высокоскоростная плазменная струя оказывает давление на обрабатываемую поверхность, что играет большую роль в удалении расплавляемого метал­ла и его перемешивании. С увеличением силы тока давление плазменной струи резко увеличивается, что приво­дит к увеличению глубины проплавления основного ме­талла.

Плазменная обработка обладает рядом существенных технологических достоинств. К ним относятся: возмож­ность получения весьма высокой концентрации тепловой энергии и сосредоточения большой тепловой мощности в небольших объемах материалов; возможность исполь­зования в качестве плазмообразующего газа воздуха или водяного пара; высокая скорость плазменной струи, спо­собствующая удалению расплавляемого материала при резке; возможность изменения формы и направления струи внешним магнитным полем; возможность работы под водой. Вместе с тем плазменному методу обработки присущи и недостатки: необходимость применения отно­сительно сложного, громоздкого оборудования и более высоких напряжений, чем при обычной дуговой обработ­ке; высокий уровень шума; сложность ручного ведения процесса.

Плазматроны применяют в качестве источников те­пловой энергии (в том числе лучистой), заряженных ча­стиц (электронов, ионов) или механической энергии.

Плазму как источник тепловой энергии применяют при сварке и пайке, наплавке, напылении, резке, азотиро­вании и т. д.; при улучшении физико-химических свойств материалов (зонной плавке и переплаве, при выращива­нии монокристаллов, плазменно-дуговом рафинировании металлов); при получении сферических и ультрадис­персных порошков).

Плазму как источник заряженных частиц используют при плазмохимических процессах для получения ацетиле­на, оксидов азота, при плазменном электролизе, плазмо-химическом получении ультрадисперсных порошков (ни­тридов, оксидов), восстановлении металлов из руд.

При сварке расплавление кромок свариваемых за­готовок выполняется плазменной струей, температура которой достигает 30000 К. Мощность плазменной струи можно регулировать, изменяя силу тока и напряжение дуги, расход и состав газа, расстояние между соплом плазменной струи и свариваемой заготовкой.

Сварка плазменной струей дает хорошие результаты при соединении тугоплавких металлов и сплавов, нержа­веющих сталей и многих неметаллических материалов. Возможность регулирования мощности плазмы в широ­ких пределах позволяет сваривать материалы толщиной от 0,08 до 50 мм; при этом шов отличается высоким ка­чеством и чистотой.

Для плазменной сварки металлов используют плаз­матроны различных конструкций с зависимой дугой. Со­единения диэлектриков и полупроводниковых материа­лов выполняют горелками с независимой дугой.

Плазменная резка возможна благодаря мгно­венному расплавлению металла с одновременным сдува-нием его струей плазмы с рабочей поверхности.

С появлением воздушно-плазменной резки как про­мышленного процесса начался новый этап в развитии плазменной техники. Это объясняется двумя причинами:

использование воздуха в качестве плазмообразующей среды обеспечивает высокое качество резки во всем диа­пазоне разрезаемых толщин;

создание плазматронов, надежно работающих при си­ле тока свыше 100 А, значительно повысило верхний предел толщин разрезаемых заготовок.

Обычно плазменная резка ведется по схеме с дугой прямого действия. Плазматроны с дугой косвенного дей­ствия используют только для резки тонколистовых ме­таллических заготовок и неметаллических материалов.

Плазменно-дуговая резка подразделяется на раздели­тельную резку, когда происходит сквозное проплавление (прорезание) обрабатываемого материала и разделение его на части, и поверхностную плазменно-дуговую обра­ботку, когда осуществляется срезание материала с по­верхности.

Разделительной плазменно-дуговой резкой разрезают материал толщиной до 120 мм. В зависимости от тол­щины и рода материала, мощности дуги и ряда других факторов скорость процесса различна и может достигать 5 — 7 м/мин.

С помощью плазменной струи возможно высоко­производительное нанесение покрытий практиче­ски из любых тугоплавких материалов с высокой равно­мерностью. Плазменные покрытия можно наносить на большинство материалов, в том числе на материалы, не проводящие электрический ток.

Производительность наплавки колеблется от 0,5 до 12 кг/ч.

Для плазменной наплавки жаростойких материалов применяют плазматроны различных типов, преимуще­ственно с дугой косвенного действия (без переноса дуги на изделие).

Совмещая плазменное распыление с дуговым оплав­лением, ^осуществляемым при переносе дуги на изделие, т. е. включая изделие в качестве анода (или катода), одновременно производят наплавку и легирование по­верхностных слоев изделия.

При осуществлении плазменной наплавки материал покрытия подается в виде присадочной проволоки (ленты) или порошка.

Важное свойство плазменной наплавки — высокое ка­чество слоя независимо от его толщины, что позволяет в значительной мере снизить припуск на последующую механическую обработку.

Плазменная наплавка может использоваться для раз­личных пар металлов и их сплавов. Широко применяют плазменную наплавку меди, бронз и аустенитных нержа­веющих сталей, твердых сплавов на низкоуглеродистые стали и чугуны.

Разработаны специальные порошковые композиции наплавочных материалов, которые можно разделить на три группы:

а) порошковые материалы, подлежащие после нанесе­ния на металлическую заготовку оплавлению с одновре­менным расплавлением поверхностного слоя металла за­готовки. К ним относится, например, сормайт;

б) порошковые материалы, которые после нанесения оплавляются, но без расплавления металла заготовки. Такие порошки обладают самофлюсующими свойствами и при расплавлении надежно припаиваются к металличе­ской основе;

в) порошковые материалы, которые наносятся на по­верхность заготовки без расплавления как самих поро­шков, так и металла заготовки. Для создания необходи­мой адгезии в этих случаях используют специальные средства.

Лазерная обработка

Лазеры — источники мощного светового монохрома­тического излучения, появились в начале 60-х годов XX в. и сразу же стали находить применение в технологических процессах.

Основными элементами лазера являются рабочее те­ло и система возбуждения излучения. В зависимости от материала активного элемента лазеры подразделяются на твердотельные (обычно рабочее тело — монокристаллы рубина), газовые (работают на смеси углекислого газа с азотом), полупроводниковые и жидкостные. В тех­нологических процессах в основном используются наибо­лее мощные твердотельные и газовые лазеры.

Атомы или молекулы рабочего тела должны обяза­тельно иметь расщепленный верхний энергетический уро­вень. Это достигается введением примесей в основное ве­щество (атомов хрома в рубине, красителей в жидкости и т. п.). Когда под импульсным или непрерывным возбу­ждением (в твердотельных лазерах — излучением лампы «накачки») на верхнем возбужденном энергетическом уровне окажется больше атомов, чем на нижнем, атомы лавинообразно переместятся на промежуточный энерге­тический уровень, излучая кванты световой энергии. Из­лучаемые кванты абсолютно тождественны по частоте. Усиление лазерного излучения достигается благодаря концентрации излучаемой энергии со всего объема рабо­чего тела в узкий пучок.

Лазеры подразделяются по мощности излучения на две группы: маломощные (до 1 кВт) и мощные (свыше 1 кВт). К первой группе относятся в основном твердо­тельные лазеры, а также небольшие газовые лазеры, ко второй группе — в основном газовые лазеры.

Лазерный луч обеспечивает концентрацию энергии с плотностью до 10¹⁴ Вт/см² и может быть сфокусирован до пятна диаметром 1 мкм. Такая концентрация энергии позволяет достичь на поверхности материала темпера­туры в несколько тысяч градусов. В результате материал мгновенно расплавляется и частично испаряется, выпле­скиваясь из зоны действия лазерного луча.

Лазерный луч предоставляет технологам возмож­ность воздействия на материал без механических нагру­зок, что позволяет достичь высокой точности обработки. С помощью лазерного излучения можно изготовлять от­верстия диаметром 0,03 — 3 мм и глубиной в несколько миллиметров с производительностью до 60 отверстий в минуту. Отверстия изготовляются в твердых сплавах, керамике, часовых камнях, алмазах и т. п. Погрешность размеров отверстий небольших диаметров не превышает ± 0,01 мм.

Перемещая обрабатываемую деталь и используя мощные газовые лазеры непрерывного действия, можно вырезать контур детали в листе металла толщиной до 10 см.

Мощные газовые лазеры применяют для сварки и пайки листовых и проволочных разнородных металлов и сплавов; сварки деталей, значительно различающихся по толщине или диаметру, а также по температуре плав­ления. В настоящее время находят применение аппараты непрерывной лазерной сварки большой мощности. Пре­ломляя световой луч лазера с помощью оптических си­стем (линз), можно направлять его в труднодоступные для обработки места, концентрировать его и получать сварные соединения в виде микроточек.

Импульсная сварка с помощью твердотельных лазе­ров нашла широкое применение в радиоэлектронной промышленности при сварке элементов полупроводни­ковых приборов.

Лазерным лучом можно упрочнять поверхность ме­талла (по принципу термообработки). При этом стой­кость штамповой оснастки увеличивается в 2 — 5 раз.

Представляет интерес использование светогидравли-ческого удара, создаваемого в жидкости лазерным лучом, для очистки поверхности деталей, удаления облоя, штамповки, создания неразъемных соединений обжим­кой.

Главным недостатком лазера является довольно низ­кий КПД, который для твердотелых лазеров составляет примерно 2%.

Глава 19