Плазмотроны с внешней дугой

Плазмотроны с внешней дугой в рамках рассматриваемой унифицированной модели функциональной структуры содержат внутренний электрод, узел ввода газа и стабилизирующий канал на выходе (сопло), а функцию внешнего электрода выполняет обрабатываемый металлический объект. Сопло только в период зажигания разряда выполняет функцию вспомогательного электрода.

В случае использования плазмотронов с внешней дугой - плазмотроны для сварки и резки металлов, плавки, в которых один конец дугового разряда опирается на обрабатываемую поверхность вне плазмотрона, может быть рекомендована следующая методика расчёта.

В качестве исходных данных принимаются ток разряда I и скорость газа w _х на выходе из плазмотрона, рассчитанная по холодному газу. Температура плазмы на выходе плазмотрона с внешней дугой обычно не задаётся.

В таких системах ток разряда является основным энергетическим фактором рабочего процесса, в частности, определяющим становится приэлектродный процесс на обрабатываемом изделии.

В плазмотронах с внешней дугой струя газа в разных технологических процессах для их реализации играет существенно разную роль.

При плазменно-дуговой резке скоростной напор струи газа выдувает (удаляет) расплавленный материал из полости реза, обеспечивая производительность процесса. Скорость газа на выходе из плазмотрона, рассчитанная по холодному газу, обычно находится в пределах = (50..300) м/с, хотя бывает (10..1200) м/с. При этом диаметр выходного сопла плазмотрона, определяющий ширину реза и производительность резки, желательно иметь минимально допустимым, с учётом рекомендованного отношения тока разряда к диаметру сопла = (14…65)×10⁶ А/м.                      (83)

Соотношение между током разряда и расходом газа обычно в пределах = (8…100)×10⁴ А×с/кг.                                                                     (84)

При плазменно-дуговой сварке поток газа выполняет функцию стабилизации - обжатия столба разряда и защиты места сварки от химического взаимодействия с воздушной средой. Скоростной напор на место сварки должен быть минимальным. Скорость газа на выходе из сопла обычно в пределах w _х= (2...10) м/с. Соотношение между током разряда и расходом газа обычно в пределах = (180…460)×10⁴ А×с/кг.                                                                (85)

Расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности в пределах 2...5 мм.

С учётом этого, заданные температуру и энтальпию плазмы на выходе для таких плазмотронов следует принимать как ориентировочные.

Плазмотроны для сварки и резки прямой дугой следует рассчитывать как плазмотроны с фиксированной длиной дуги, задаваясь током разряда и соответствующим ему расходом газа и диаметром сопла, а затем определяя напряжение на разряде. При этом следует учесть, что для ручной резки напряжение холостого хода источника электропитания не должно превышать по ГОСТ: 180 В, т.е. на разряде не должно быть больше 0,7 от 180 В, т.е. 126 В, и при машинной резке напряжение холостого хода источника не должно превышать, обычно, 350 В, или, примерно, 250 В на разряде.

4.1. Методика расчёта плазмотрона с внешней дугой

Выбираем напряжение источника электропитания для заданного технологического процесса .

Напряжение на разряде плазмотрона .                              (86)

Ток разряда .                                                                                 (87)

Расход газа G определяется из указанных выше соотношений (84), (85) между током разряда и расходом рабочего газа C_G=I/G для соответствующего технологического процесса: .       (88)

Диаметр канала сопла определяется из указанного выше соотношения (83) т.е

.                                                                                                        (89)

или диаметром задаются так, чтобы выдержать рекомендованную скорость газа.

Для расчёта напряженности электрического поля  можно использовать зависимости табл. 2, используя найденные значения тока, расхода газа и диаметра сопла (стабилизирующего канала).

В плазмотронах с внешней дугой длина разряда принимается фиксированной.

Падение напряжения на разряде определяется в виде:

,                                                                      (90)

где  - приэлектродные падения потенциала, определяемые по таблицам 4…6,  - средняя напряженность электрического поля в столбе, определяемая по табл. 2.

Длина разряда в плазмотронах с внешней дугой принимается фиксированной (см. рис. 6)

,                                                                                  (91)

где – длина канала сопла,

– расстояние от сопла до катода (катодной привязки) по оси,

– наименьшее расстояние между катодом и соплом, определяемое из условия зажигания от осциллятора, обычно в пределах 0,8…2,0 мм.

– расстояние от сопла до детали (изделия). Оценивается как 5…20 мм при резке, и 2…5 мм при плазменной сварке.

Длина канала сопла выбирается из соображений отсутствия каскадирования дуги в канале сопла и обычно принимается в пределах .

При расчёте теплового потока в торцевой катод можно учитывать только токовую составляющую .                                                                                                             (92)

А для сопла – только конвективно-лучистую составляющую , (93)

где  или                                                          (94)

и – площадь поверхности сопла, обращённой к катоду.

КПД плазмотрона с внешней дугой: ,                         (95)

где  для торцевого катода.

Газодинамические, и ресурсные характеристики, а также характеристики охлаждения определяются аналогично плазмотронам с внутренней дугой, применительно к рассматриваемой конструкции плазмотрона.

При конструировании таких плазмотронов особое внимание следует обратить на удобства эксплуатации - компактность и лёгкость ручного инструмента, лёгкий доступ к наиболее изнашиваемым деталям - соплу и катоду, лёгкое подсоединение к коммуникациям и т.д.