Сопла

Наряду с катодом сопло является основным элементом плазмотрона, определяющим его технические характеристики и ресурс работы. Назначение сопла — управление геометрическими и энергетическими параметрами дуги. Кроме того, оно формирует и стабилизирует прикатодную область дугового столба. К основным параметрам сопла относятся диаметр и высота канала, геометрия рабочей поверхности, или, точнее, рабочей камеры плазмотрона.

Диаметр и высоту канала сопла выбирают в зависимости от величины рабочего тока, состава и расхода плазмообразующего газа, при этом приходится находить наиболее благоприятное сочетание таких показателей, как технологические возможности и надежность работы плазмотрона, т. е. стойкость сопла и электрода, причем наиболее важным является все-таки показатель надежности.

Так, в плазмотронах для резки при заданном токе и расходе плазмообразующего газа необходимо стремиться к уменьшению диаметра и увеличению высоты канала. Такое изменение размеров канала сопла благоприятно сказывается на технологических возможностях плазмотрона— увеличивается скорость резки, повышается чистота и вертикальность кромок реза, уменьшается ширина реза. Вместе с тем падает стойкость сопла и возникают трудности с зажиганием дуги. Вследствие уменьшения диаметра прикатодной области дуги растут тепловые потоки в электрод, что приводит к снижению ресурса его работы.

Анализ причин выхода из строя сопел плазмотронов позволяет сделать вывод, что существуют два механизма эрозии сопла: вследствие превышения допустимых тепловых нагрузок на него и из-за возникновения так называемой двойной дуги, причем, как правило, превышение тепловых нагрузок на сопло приводит к возникновению двойной дуги. Объясняется это тем, что теплопроводность газовой оболочки, примыкающей к внутренней поверхности канала, при увеличении теплового потока выше допустимого возрастает, при этом происходит интенсивный разогрев пристеночного слоя плазмообразующего газа, что создает условия для электрического пробоя этого слоя и возникновения двойной дуги.

Из сказанного ясно, что наряду с обеспечением достаточного охлаждения сопла необходимо оптимизировать процесс подачи плазмообразующего газа в его канал, т. е. при конструировании следует учитывать не только канал сопла, но и дуговую камеру плазмотрона в целом.

Одним из элементов дуговой камеры является вихревая закрутка, которая обеспечивает тангенциальную подачу плазмообразующего газа в канал сопла. Конструктивно закрутка представляет собой многозаходную резьбу (3—6 заходов) с большим шагом (6—12 мм), выполненную концентрично на боковой поверхности электрододержателя.

Основное преимущество тангенциальной подачи заключается в том, что она позволяет более жестко локализовать столб дуги в канале сопла, образовать устойчивый плотный пристеночный слой плазмообразующего газа в основном за счет турбулизации пограничного слоя в канале, лучшего конвективного теплообмена с нагретой поверхностью канала сопла и более высокой скорости газа.

Аксиальная подача газа дает возможность лучше организовать поток плазмы, истекающий из сопла, с точки зрения воздействия на обрабатываемое изделие. Однако при этом снижается пространственная стабилизация столба дуги и увеличивается вероятность двойного дугообразования. И тогда для каждого конкретного случая приходится находить наиболее благоприятное сочетание факторов технологических возможностей и надежности плазмотрона.