Плазма представляет собой вещество в сильно ионизированном состоянии. В I см3 плазмы содержится 109—1010 и более заряжен­ных частиц (ионов, электронов). Ионизация плазмообразующего вещества происходит в результате потери одного или нескольких электронов из оболочки его атомов, вызванной приложением внешних сил. Такими внешними силами являются упругие столк­новения частиц, вызываемые либо действием высокой темпера­туры, либо действием высокочастотного. электрического поля.

Для того чтобы соударения частиц привели к осуществлению процесса ионизации вещества, необходима затрата определенного количества энергии. Выраженная в вольтах эта энергия назы­вается потенциалом ионизации. Наименьший потенциал иониза­ции одноатомных элементарных газов колеблется в пределах от 3,9 (цезий) до 24,5 в (гелий) [98]. Выделяющаяся в дуговом проме­жутке энергия оказывается достаточной для ионизации вещества в этом промежутке.

Практически в любом дуговом разряде образуется плазма. В результате короткого замыкания находящихся под напряже­нием двух электродов в точках контакта выделяется большое количество тепла, под действием которого катод начинает эмитти - ровать электроны, а находящийся в межэлектродном про­странстве газ ионизируется. Межэлектродное пространство ока­зывается заполненным ионами, электронами и парами электродных материалов. Поскольку электроды находятся под напряжением, то под действием электрического поля возникает направ­ленное движение частиц, скорость которых достигает 300— 1000 м/сек [49]. В результате соударения движущихся с такой большой скоростью заряженных частиц с нейтральными_атомами, а/также столкновений нейтральных атомов между собой, степень ионизации газов в межэлектродном пространстве значительно повышается и, по существу, поток заряженных частиц между элек­тродами представляет собой поток плазмы.

Одной из характерных особенностей плазмы является ее квази­нейтральность, т. е. содержание в ней практически одинакового количества положительных и отрицательных зарядов, так как в плазме вместе с процессом ионизации одновременно протекают и обратные процессы: рекомбинация, молизация и др.

Плазма характеризуется повышенной электропроводностью, поддается действию магнитных полей. Существование плазмы поддерживается непрерывно протекающим процессом ионизации. Высокая степень ионизации обусловливает высокую температуру плазмы вещества. Интенсифицировать процесс плазмообразова - ния можно путем обдува дуги соосным потоком газа. Если же часть столба дуги поместить в узкий канал с охлаждаемыми стенками, то будет достигнута дальнейшая интенсификация плазмы. Это объясняется тем, что в узком канале столб дуги сжимается, осо­бенно при обдуве ее соосным столбу дуги потоком газа. Так как с увеличением тока столб дуги из-за ограничивающего действия стенок канала расширяться не может, температура газа и степень его ионизации резко повышаются. Практически почти весь газ, проходящий сквозь столб сжатой дуги, ионизируется и превра­щается в плазму. На этом принципе и основано устройство приме­няемых при наплавке плазмотронов, или головок для плазменной наплавки.

Благодаря тому что энергетические, тепловые и газодинами­ческие параметры плазменной струи сравнительно легко регули­руются в достаточно широких пределах, плазменная струя в ка­честве источника теплоты находит широкое применение в различ­ных технологических процессах обработки материалов, в том числе в сварке и наплавке металлов.

Различают два типа плазменной струи: струя, выделенная из столба дуги, и струя, совпадающая со столбом дуги. Соответ­ственно различаются и два принципиально различных типа плаз­мотронов, обеспечивающих получение первого и второго типов струй. Для получения плазменной струи, выделенной из столба дуги, могут применяться дуговые плазменные головки как с раз­дельным, так и с совмещенным соплом и каналом. Принципиаль­ные схемы дуговых плазменных головок [48] представлены на рис. 5.

В головках с плазменной струей, выделенной из столба дуги, дуга горит между неплавящимся электродом, который служит катодом, и охлаждаемым водой соплом. В этом случае плазменная струя является независимой по отношению к изделию (рис. 5, а). Такой тип головок применяется для металлизации и напыления тугоплавких металлов и соединений (карбидов, окислов и т. д.).

В головках с плазменной струей, совпадающей со столбом дуги, дуга горит между неплавящимся вольфрамовым электродом (катодом) и изделием, подключенным к положительному полюсу

источника питания (рис. 5, б). Такие головки чаще всего приме­няются для резки металлов [15] и реже для сварки [28] и на­плавки [36]. Но если к положительному полюсу подключить

не изделие, а присадочную проволоку, то такая схема и представляет схему наплавки плазменной струей с токове­дущей присадочной проволокой [44]. Имеются еще головки комбинированного типа, где одновременно горят две дуги— между неплавящимся электродом и вну­тренним соплом и между неплавящимся электродом и изделием [22]. По такой схеме осуществляется наплавка с вду­ванием металлического порошка в плаз­менную струю.

Поскольку для наплавки в основном находит применение плазменная струя, совпадающая со столбом дуги, рассмо­трим некоторые характеристики этой струи.

Температура плазменной струи до­стигает 10 ООО—-15 000° К и выше [48]. Такая высокая температура обуслов­лена в основном высокой плотностью энергии в столбе разряда в результате его обжатия газовым потоком в узком канале плазменной головки. Температура столба плазменной струи различна по сечению столба: чем дальше от оси столба струи, тем температура ниже — рис. 6 [8]. На температуру плазменной струи большое влияние оказывает величина тока между неплавящимся электродом и изделием: с увеличением тока

от 50 до. 350 а, по данным [8], средняя темнература струй уве­личивается примерно от 10 ООО до 14 500° К - В свою очередь, с ростом температуры струи увеличиваются электронная концен­трация (до 1017 и более заряженных частиц в 1 см3 струи при тем­пературе 14 000° К) и электропроводность.

Основными характеристиками плазменной струи как источника теплоты являются ее эффективная мощность, определяющая коли­чество теплоты, вводимой в основной металл за единицу времени, и коэффициент сосредоточенности, определяющий распределение удельного теплового потока по поверхности обрабатываемого изделия. Знание этих характеристик необходимо для возможности осуществления расчета тепловых процессов при сварке или на­плавке.

2*

В случае наплавки плазменной струей, совпадающей со стол­бом дуги (рис. 5, б), эффективная тепловая мощность определяется [79] выражением

q = 0,24 цииі, (1)

где Г)ц — эффективный' к. п. д. процесса плазменного нагрева изделия;

U — напряжение дуги в в; - / — ток дуги в а.

Потери тепла при наплавке плазменной струей определяются расходом части энергии дуги на нагрев сопла т)с, канала электрода Т1э, а также на лучеиспускание и конвекцию.

Эффективная тепловая мощность плазменной струи и эффек­тивный к. п. д. процесса. нагрева зависят от величины тока, рас­стояния от сопла головки до изделия, диаметра сопла и расхода газа. Для случая плазменной струи, совпадающей со столбом дуги, эти зависимости по данным [48] представлены на рис. 7.