Plazma a negyedik állapot

Plazma - és ez a negyedik leggyakoribb halmazállapot a természetben, egy ionizált gáz melegítjük egy nagyon magas hőmérsékletű, tartalmazó elektronok, pozitív ionok, semleges atomok.

A világegyetemben a nagy részét az anyag a plazmában állapotban. A Nap egy hatalmas plazma vérrög, amely kitör ütemben több mint 2 millió km / h (1. ábra). A belső tartományban a nap, ahol a fúziós reakció-hőmérséklet körülbelül 16 Mill. Fok. Vékony felülete napenergia vastagsága a sorrendben 1000 km, az úgynevezett fotoszférája amellyel a fő rész kisugárzott napenergia formák a plazma hőmérséklete mintegy 6000 K. Az napenergia felület törékeny erősen melegítjük régió, amely az úgynevezett napkorona. Helyhez áramlási magok hidrogénatomok által kibocsátott Corona, az úgynevezett napszél. Plazma folyik a Sun felület létrehozása bolygóközi plazma. Ezt a plazma elektronok csapdába estek a mágneses tér a Föld és a forma körül (a parttól több ezer kilométerre a Föld felszínén) sugárzási övek. plazma flow adódó erőteljes napkitörések változtatni az állam az ionoszféra. Gyors elektronok és protonok belépő Föld légkörébe, ami a megjelenése az északi szélességi aurora.

1. ábra a plazma ejekciós felszínén a nap

A földi körülmények miatt a viszonylag alacsony hőmérséklet és a nagy sűrűségű plazma természetes földfelszíni számít ritka. Az alsó légkör a Föld kivételével talán villámlás. A felső réteg a légkör a sorrendben, több száz kilométernyi magasságban kiterjesztett réteget létezik részlegesen ionizált plazma, az úgynevezett az ionoszféra. ami által létrehozott UV sugárzás a nap.

A gyakorlatban az emberi tevékenység plazmát használjuk világítástechnika, elektromos hegesztő, plazmavágó, hegesztő és egyéb alkalmazásokhoz.

A gáz és a plazma nincs éles határvonal. Bármely anyag kezdetben szilárd állapotban, a hőmérséklet növekedésével olvadni kezd, és amikor a további melegítés bepároljuk azaz Kiderült gázzá. Ha ez a molekuláris gázok (például hidrogén vagy nitrogén), majd ezt követően a hőmérséklet emelésével a bomlás a gázmolekulák single atomok (disszociációs). A még magasabb hőmérsékletű gáz ionizálódik, úgy tűnik, pozitív ionok és szabad elektronok.

A „plazma”, mint alkalmazott nonquasineutrality ionizált gáz bevezetésre került az amerikai fizikus és Tonks Langmuir 1923 jelenségek leírásában a gázkisüléses.

Kétféle plazma: izoterm során keletkező fűtés a gázt olyan hőmérsékletre kezdetének termikus a gáz ionizációja, és mentesíti során keletkező elektromos kisülések gázokban.

A gáz nyomása a légköri nyomás felett és megfelelő potenciális különbség és a jelenlegi a gázkisülés formájában fordul elő az elektromos ív. Mentesítés jelenségek koncentrálódnak egy keskeny és világos csatornák, amely kiáll az egyik elektród a másikra, és formáját ölti az ív hatása alatt konvekciós áramlás hevített gáz kisülési. Plazma gázokat az ív részlegesen ki van téve a disszociációs és az ionizációs, így elektromosan vezetők. Adódóan nagy energiasűrűségű és hőmérsékletű plazma kitágul és közeledik a cikk olyan sebességgel, hogy a háromszorosa a hangsebesség. A gáz hőmérséklete az elektromos ív oszlopon atmoszféra nyomás 5000-6000 K, ez növeli a nyomás emelkedését, és csökkentése miatt ez a keresztmetszeti területe az ív oszlop. A gáz az ív oszlopában van a plazma állapotban.

Az áramsűrűség során plazma vágás eléri a 100 A / mm 2, és egy meghatározott kapacitása 2'10 6 W / cm 2, amely elég ahhoz, hogy megolvadjanak szilárd. Változó alakja a elülső felülete a vágási magasság eloszlása ​​tükrözi azt a hőmennyiséget be az üregbe a vágási magasság. Ebben az esetben, a felső felületi rész tipikusan van egy mélyedés, amely jelzi a bemeneti hő ezen a területen egy további műveletet anód helyszínen.

Plazmasugaras folyamatok zajlanak jelenlétében a plazma-képző gáz-halmazállapotú közeg. A reakcióközeg összetétele állhat egy-, két- vagy többkomponensű gázok, amelyek különböznek egymástól fizikai-kémiai tulajdonságokat és aktivitást a fémek. A plazma-képző tápközeg kell adnia a legmagasabb fajhője gáz előre meghatározott áramlási sebességgel, és egy elhasznált elektromos energiát. Mivel a plazma-képző alkalmazott közeg argon, nitrogén, levegő, argon és egy keverékét nitrogén és hidrogén, ammónia. Az is lehet, a használt vizet, amely magas hőmérsékleten az ív oszlop részben gőzzé alakul át, és disszociált hidrogén és oxigén.

Energia, amely kell adódik át a elektron ionizációs nevezik ionizációs potenciál és kifejezett V (elektronvolt). A legalacsonyabb ionizációs potenciálja 3.9 eV a cézium-párok - a legnehezebb az alkálifémek. A legmagasabb, ionizációs potenciál 24,6 eV figyelhető meg a legkönnyebb a nemesgázok - hélium. Electron héj a nemesgázok a legtartósabb.

2. ábra függése entalpiája különböző gázok azok hőmérséklete

Amikor kiválasztunk egy plazma-gáz mindig figyelembe kell venni a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

- az ionizációs energiája egyatomos gáz

- disszociációs energiája poliatomos gáz

- atomsúlya és a molekulatömeg

Az 1. táblázat összehasonlítja a alapvető fizikai tulajdonságait gázok, amelyeket a plazma vágás.

Argon - egyértékű kémiailag inert gáz az alacsony hővezető, ezért hatástalan átalakítani elektromos energia hőenergiává. Ez a legalacsonyabb intenzitás az ív oszlop pályát. Következésképpen, az azonos aktuális argon ív kiosztott egy 1 cm-es hosszúságú ezek kevesebb energiát, mint más gázokkal. Azonban, mivel a nagy atomsúly, argon megkönnyíti elmozdulása olvadt anyag a forgácsolási zónából a nagy sűrűségű plazmasugár impulzusok. Alacsony ionizációs energia, ami 15,8 eV argon elég könnyen lehet ionizálja. Emiatt tiszta argont gyakran használják a plazma ív gyújtást.

Hélium - egyatomos inert gáz a nagy hővezető képességű. Azonban, az ionizációs hélium molekulák ez megköveteli a nagyon magas hőmérsékletet. Ebben az összefüggésben, a használata esetén ez tiszta formában plazmavágáshoz történik gyors fűtés és lebomlása a fúvóka. Hélium nagy intenzitású ív oszlopon mező (megközelítőleg 4-szer magasabb, mint az argon-plazma). Hélium a legjobb arc átalakító hő és használják keverve argon.

A területen az ív oxigénnyomás alacsonyabb, mint a nitrogén, úgy, mint egy gáz-átalakító villamos energia hővé kevésbé hatékony. Azonban, mivel az aktív termokémiai reakciók reagáltatjuk oxigén plazma fémforgácsoló folyamat segítségével oxigént által biztosított nagyobb forgácsolási teljesítmény (nem csak a szén-dioxid, hanem ötvözött acélok), mint amikor nitrogén alkalmazásával, vagy levegőt. Azonban, nem csak az oxigén oxidálja a fémet kell vágni, hanem csökkenti az ellenállást a katód és a fúvóka; plazma vágási folyamat oxigént használ kevésbé megbízható és stabil, mint a levegő használata.

A víz kémiailag összetett anyagot, amely magában foglalja a hidrogénatom. Víz használható önmagában, mint a plazma-képző közeg gőz formájában, vagy mint egy kiegészítő a munkagáz. A vízmolekulák egy nagy ellenállás a hő. Csak a T = 1000 C kezd disszociál vízgőz hidrogénre és oxigénre. Abban az esetben, plazmavágó vízbesajtolást plazmavágó vízzel képernyőn a víz egy részét használják hőátadás, míg a másik része segít elvégezni a tömörítés a plazma ív, és hűtsük le a fúvókát.

A plazma-képző környezet jelentős hatással változás a fázis összetétele a fém szomszédos a vágási felületet annak kémiai összetételét és tulajdonságait.

Tiszta argon ritkán használják, főleg a vágás fémlemez.

Argon-plazma vágás ad okot, hogy megnövekedett hőhatásövezetben a széleken a vágott alkatrészek. Az alakja a vágás jellemzi egy nagy ferde élek és a jelenléte a saját alsó felület trudnootdelimogo nemkívánatos. Ez azért van, mert a hőt a plazmaív valósul elsősorban a tetején vágott üreget, és ezáltal az áramlási le a falak a vágási termékek az alján a vágás szinte dezoxidélás: ezek nem megfelelően alacsony viszkozitású, és ezért kevéssé távolítható gázsugár. Vágás argon nem igényel nagyfeszültségű meghajtásához az ív megbízható és stabil folyamat. Ha ezt használják a legegyszerűbb kialakítása olyan tengelyirányú plazmaégő betáplált gáz.

Vágási sebesség a nitrogén sokkal magasabb, mint az argon. A nitrogén-ív jó átütő ereje. Vágási szélessége és száma sorja a széleken alkalmazásával nitrogén kevesebb, mint argonnal. Amikor a vágás fémek kis vastagságú gyöngyök hiányzik. A nitrogén-elegendően magas minőségű rozsdamentes acél vágásához. Minőségi aluminium és rézötvözetek kevesebb mint amikor a nitrogén-hidrogén keverékek, de ez jobb, mint argonban. Azonban, míg a nitrogén-argon erősen kölcsönhatásba lép a volfrám alkotnak volfrám-nitrid, és ezáltal csökkenti annak hatékonyságát.

Argonovodorodnaya keverék, amely legfeljebb 35 tömeg% -os hidrogén, lehetővé teszi vágás alumínium és ötvözetei megszerezni minőségű vágott vágógép tiszta és sima élek, és mentes a lerakódások Burr (3. ábra). Alkalmazásakor argonovodorodnoy oxidációs keveréket csökken és tapadását a részecskék eliminálódik, és a megolvadt alumínium-oxid, hogy a vágási felületet. A hozzáadott hidrogén mennyisége a keverék hatékonyabb annál nagyobb a vastagsága vágott lap. Vastag fémlemezek nagy hővezető képességű (réz, alumínium és ötvözeteik) nem lehet vágni argon keverékek nem hidrogént tartalmazó, mert a szükséges hőáram sűrűsége körülbelül 10 3 kW / cm a vágás lehet beszerezni csak ha hidrogént tartalmazó környezetben.

3. ábra felületi plazma vágás alumínium ötvözet:

Jelenleg, a hidrogén plazma vágás korlátozott, mivel ez együtt jár számos nehézséggel. A hidrogén robbanásveszélyes és gyúlékony, szagtalan, hidrogén szállítására nehéz. A legkönnyebben hozzáférhető kémiai vegyület, mely hidrogén-földgáz, tinuous elsősorban metánból. Azonban, a szén, amely része a metán, negatív hatással van az elektróda alkotnak volfrám-karbidok, amelyek vezet a gyors kopás a katód.

A mellett, amelyekben hélium van argon növelheti az energia paramétereit az ívet az azonos módon, mint a hidrogén-hozzáadást. A legcélszerűbb keverékeinek használata hélium, argon plazmavágáshoz titán, amelyek esetében a kölcsönhatás a hidrogént, nitrogént és oxigént nem kívánatos.

Alkalmazási lehetőség a levegő és az oxigén tiszta formában után megjelent rarabotki katódok a cirkónium és hafnium-oxid film képződik a felületen a vágás során a oxigéntartalmú környezetben. A olvadáspontja ez a film magasabb, mint az alapfém. Ez védi a katód a gyors megsemmisítése.

A változás a kémiai összetétele a fém jelentősen befolyásolja a plazma-képző tápközeg. Továbbá, a felületi réteg alá telítettség gázokat, amely károsan befolyásolja a fém hegeszthetőség. A legnagyobb változás az ilyen jellegű zajlanak az öntött réteg.

A hatás időtartama a magas hőmérséklet a szélén a vágás függ hossza a hőterhelésnek kitett (HAZ) zóna, és a lehetőséget a szerkezeti változások, mint például a karbidok kiválási szemcsehatárokon az ausztenit, rozsdamentes acél és az oxid „kéreg” (Cr 2O 3), csökkenését okozza a saját korrózióállóság (4. ábra).

A 4. rozsda foltok a felületen a plazmavágó rozsdamentes 08H18N10

Csökkenő sebességű vágó, miközben a többi paraméter konstans növekszik a ház. A növekedés gázáram és csökken a jelenlegi csökkenti. Amikor vágó acélból lég- és oxigén plazma ív HAZ kisebb, mint az inaktív vágás gázokat. Vágás hidrogéngáz keveréke jellemezhető megnövekedett hőterhelésnek kitett tartományban. Amikor a vágás szélessége a levegő öntött réteg körülbelül 0,03 mm, vágás oxigén - 0,014 mm.

Plazma acélok 12X18H10T vezet, hogy csökken az olvadt zóna az ezt követő kristályosítás növelhető α-fázis és egy jelentős szemcsefinomító. Ez ahhoz vezet, hogy némi növekedés a HAZ keménysége a fém mellett a vágási felület.

Ábra 5. Változások a kémiai összetétele a hőterhelésnek kitett tartományt a plazma vágás acélok: és - ST3; b - 09G2S

(Sheet vastagsága 10 mm, a levegő-plazma vágás)

A plazmában vágás a leadott rézréteg szélén függően a vágási feltételeket lehet kialakítva salak zárványok, mikroporozitás, a kémiai vegyület a réz-oxid formájában. Ezek a zárványok belépő varratfém csökkenti az alakíthatóság és az erőt. A gyártás a kritikus szerkezetek a réz-hegeszteni peremrészei kell feldolgozni mechanikusan, hogy a mélysége 1,5 mm. Ez az a réteg, amely tartalmaz oxigént eutektikus.

Mivel a felület plazma vágás kellően higroszkópos, könnyen válhat szennyezett idegen anyag (tartósítószerek kenőanyagok, mosóoldatok és mások.). A felszínen a vágási thermostrengthened ötvözet képezhet repedések. Mindez hátrányosan befolyásolja a hegesztés minőségét.

A legnagyobb számú pórusok képződnek a hegesztési minták vágott argon-plazma. Abban az esetben az oxigént viszonylag alacsony vágási sebesség pórusokat varratok hiányzik. A nitrogén jelenlétében a felületi réteg a plazma vágás mindig okoz a pórusok képződését a varratok. Úgy találták, hogy hozzáadásával kis mennyiségű hidrogéngáz a plazma észrevehetően csökkentheti a pórusok száma a varratok. Ugyanez a hatás érhető el, hogy kis mennyiségű víz a plazmában, mint például a vágás közben a levegő.

Plazma vágás alumínium és ötvözetei kell végezni argonatmoszférában hidrogénnel. Cutting engedélyezett nitrogén, levegő és oxigén a vízben a víz. Réz és rézötvözetek jellemző a magas hővezető, így a vágási ív tápenergiáját nagyobbnak kell lennie, mint amikor vágás acél. Az itt használt argonovodorodnuyu plazma gázkeverék, nitrogén vagy levegő. Amikor a vágás réz kis és közepes vastagságú, előnyösen levegő plazmavágó. Amikor a vágás réz használja ugyanazt a folyamatot gázokat, mint a vágási réz; vágási sebesség növekszik 20-25% -kal szemben a réz vágási sebesség.

A legfontosabb elemei a plazmaégő egy plazmafúvóka és az elektród. Mivel a fúvóka és az elektróda kopó alkatrészek. Megfelelő kiválasztása vagy visszaélés a fúvókát vagy az elektróda jelentősen csökkentheti azok élettartamát, és károsíthatja a vágó. A 2. táblázat mutatja a fúvóka és az elektróda anyagok és gázok, amelyre ezeket alkalmazzuk.

2. táblázat. Jellemző értékei a fogyóeszközök használt plazmafáklyák

Európai szabvány ISO 9013 „Thermal vágás” a besorolás típusú termikus vágás, geometriai paramétereit a termékek és azok minőségét. Ez a szabvány, hogy a fő minőségi paraméterek és értékek (Qualitet). A fő minőségi paraméterek közé tartozik a merőlegességi a vágott sík (kúpos), és a felületi érdesség a vágás. Meg kell jegyezni, hogy az abszolút értékek függőlegesség és felületi érdesség vastagságától függ vágott lap. ISO 9013 meghatározza QLT a kúpos 5 és 4 a minőségi osztály durvaság.

Az alkalmazott technológia a kutatócsoport során plazmavágó eljárás lehetővé teszi, hogy szerezzen termékeket a minőségi paraméterek megfelel a második harmada Qualitet ISO 9013. Ezek az alkatrészek nem igényelnek további gépi feldolgozás és fel lehet használni a gyártási folyamat a gyártás fontos struktúrákat.

A 6. Példák a nyert termékek plazma vágás

tekintve a termelés

144000, Moszkva régióban

Elektrostal, st. Piros, 0/10