В качестве плазмообразующих газов могут быть использованы аргон, кислород, азот, гелий, водород или их смеси.
Таблица №1. Свойства газовПлотность кг/м3
Газ | Относит. молек. масса | Параметры | Коэффициент теплопроводности Вт/(м2К) | Удельная теплоемкость кДж/(кг К) | Температура плазмы К | Энтальпия плазмы, Дж |
Аргон
|
39,944
|
17,839
|
0,0165
|
525
|
14273
|
152,9
|
Кислород
|
32
|
14,289
|
0,0245
|
915
|
-
|
268,16
|
Азот
|
28,016
|
12,505
|
0,0241
|
105
|
20000
|
290,37
|
Воздух
(сухой)
|
28,96
|
12,928
|
0,0244
|
1008
|
-
|
305,87
|
Гелий
|
4,003
|
1,785
|
0,1427
|
5250
|
20273
|
1569,11
|
Водород
|
2,0156
|
0,898
|
0,1717
|
14313
|
5273
|
4148
|
Таблица №2. Свойства материалов, применяемых для изготовления катодов
Материал | Плотность 10-7г/м3 | Коэффициент теплопроводности при Т=20οС Вт/(м2К) | Температура плавления ο С | Уд. эл. сопротивление при Т=20οС ом · м | Работа выхода электрона эВ |
Медь
|
0,89
|
38,5
|
1083
|
1,75 10-8
|
3,20
|
Вольфрам торийрованный
|
1,93
|
19,7
|
3377
|
5,5 10-8
|
2,63
|
Цирконий
|
0,65
|
2,2
|
1865
|
40 10-8
|
3,84
|
Оксид циркония
|
0,55-0,61
|
2,1
|
2700
|
1 10-2
|
5,8
|
Нитрид циркония
|
0,73
|
3,3
|
3030
|
1 10-2
|
2,92
|
Гафний
|
1,31
|
3-4
|
2222
|
32,4 10-8
|
3,53
|
Оксид гафния
|
_
|
_
|
2780
|
|
2,82
|
Нитрид гафния
|
_
|
_
|
3310
|
|
_
|
Вода дисциллирован.
|
_
|
_
|
_
|
103-104
|
_
|
Вода морская
|
|
|
|
0,3
|
|
Вода речная
|
|
|
|
10-100
|
|
Воздух сухой
|
|
|
|
1014-1015
|
|
Теплоемкость гафния, кДж/(кГ
ο С)-0,147, t
кип=5400
ο С
Использование для плазменной резки 2
х атомных газов предпочтительно, дело в том, что при образовании плазмы с использованием одно атомных газов используется только энергия, высвобождающаяся при ионизации атомов, в случае с 2
хатомными газами добавляется энергия затраченная на диссоциацию молекул газа, которая возвращается во время рекомбинации атомарных газов на поверхности обрабатываемой детали.
В таблице №1 газы расположены по мере возрастания энергии плазмы.
Как видно из таблицы №1:
Аргон обладает самой низким энергосодержанием, поэтому режущая способность плазменной дуги невелика, и он используется в основном как защитный газ при сварочных процессах или в смеси с другими газами при плазменной резке.
Кислород чрезвычайно активный газ применение его сопряжено с определенными требованиями к конструкции плазмотрона и повышенным требованиям к технике безопасности.
Азот – двух атомный газ, при прохождении по столбу дуги диссоциирует в атомарную форму N
2 =2N. Поток газа, соприкасаясь с металлом, охлаждается и атомы азота рекомбинируют с выделением большого количества тепла. При использовании технического азота надо помнить, что он содержит большое количество кислорода, что в свою очередь приводит к быстрому сгоранию вольфрамового электрода. Поэтому желательно применять азот с чистотой не менее 98%.
Гелий достаточно дорогостоящий газ, что делает его применение для резки нецелесообразным.
Водород обладает высокой теплопроводностью, что позволяет получить наилучшие условия теплопередачи мощности дуги в металл. Применение водорода
, как плазмообразующего газа обеспечивает высокие скорости резки, так скорость резки в водороде в 10 раз выше чем в аргоне, и в 4раза выше чем в азоте. Плазменная струя на водороде сохраняет высокую энергию газа на максимальной длине дуги, именно этим объясняется меньший скос кромок и повышенная чистота поверхности реза. Однако применение водорода в чистом виде не возможно из-за высокой теплопроводности, приводящей к быстрому разрушению деталей плазмотрона. Кроме этого водород является самым легким из газов, именно это свойство при работе плазмотрона создает одну из трудно решаемых проблем – стабилизация дуги в сопловом канале, легко нарушается тонкий слой между дугой и поверхностью канала сопла и образуются условия двойного дугообразования. Отсюда высокие требования к точности сопрягаемых деталей плазмотрона. Применение водорода затруднено и еще его способностью, образовывать взрывоопасные смеси с кислородом, что требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Водород широко используют в смеси с аргоном и азотом при плазменном напылении и резке. Целесообразно использовать для резки водородно-аргоновую смесь (65% аргона, 35% водорода), или водородно-азотно-аргоновую смесь.
Воздух является наиболее эффективным для применения в качестве плазмообразующего газа. Как известно в его состав входят: азот -78%, кислород -21%, остальное - водород, аргон, гелий, двуокись углерода, углекислый газ и др. Скорость резки на воздухе в 1,5-2,5 раза выше, чем в азоте. Наличие в воздухе кислорода, при резке железосодержащих металлов дает в полость реза дополнительное тепло. Плазменная резка с использования воздуха лишь немного уступает в мощности плазменной резке с применением водорода. Большое энергосодержание воздуха объясняется наличием в его составе двух атомных газов (азот, кислород, углекислый газ, том числе и небольшое количество водорода), для дис-социации, которых затрачивается дополнительная энергия. Эта энергия не теряется, а практически полностью возвра-щается при рекомбинации газов, в виде тепла в разрезаемый металл. Но до создания термохимического электрода (катода) применение воздуха для плазменной резки было проблематично. Создание же электродов с циркониевой и гафниевой вставкой позволило решить в какой-то мере эту проблему.
Вывод: большое энергосодержание воздуха, простота применения, дешевизна делают его просто незаменимым для плазменной резки, несмотря на присущие недостатки.