Плазма и ее свойства

     Содержание 

     Введение………………………………………………………………...3

     1. Определение плазмы и ее свойства………………………………...4

     2. Плазменные технологии…………………………………………….7

     2.1 Плазменная сварка………………………………………………….7

     2.2 Плазменная наплавка и напыление………………………………12

     2.3 Плазменная резка………………………………………………….16

     2.4 Обработка поверхностей…………………………………………..22

     Заключение……………………………………………………………..25

     Список  литературы…………………………………………………….26 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Плазмой называется частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие,  которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

     Различают низкотемпературную плазму с температурой ниже 10⁵ К и высокотемпературную — с температурой 10⁶—10⁸ К и более.

       В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной — звезды, звёздные атмосферы, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли.

     В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма образуется в электрическом разряде в газах, в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах и во многих других устройствах. Низкотемпературная плазма в настоящее время широко используется для решения не только разнообразных научных, но и конкретных производственных задач.

     Низкотемпературная  плазма применяется в газоразрядных источниках света – в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах – квантовых источниках света.

     Недавно был создан новый прибор – плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.

     1. Определение плазмы и ее свойства

     Плазма - наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99% массы Вселенной. Однако самой науки, изучающей это агрегатное состояние вещества, исполняется всего 80 лет. Именно столько времени прошло с тех пор, как Нобелевский лауреат Ирвинг Ленгмюр впервые использовал слово «плазма».

     Состояние вещества меняется в зависимости  от температуры. Например, вода при  отрицательных (по шкале Цельсия) температурах находится в твердом состоянии, в интервале от 0 до 100 °С — в  жидком, выше 100 °С — в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются, и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма полностью ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Солнце, большинство звёзд, туманности – все они состоят из полностью ионизованной плазмы. Внешняя часть земной атмосферы – ионосфера - тоже стоит из плазмы. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — все это различные виды ионизированного газа, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле.

     В конце 1928 году Ирвинг Ленгмюр впервые  использовал слово «плазма» для  обозначения того, что сейчас принято  называть четвертым агрегатным состоянием вещества. В своей работе для Национальной Академии наук США, он обозначил этим неологизмом «состояние, содержащее сбалансированный заряд ионов и электронов». Само слово «плазма» позаимствовано из греческого языка и обозначает «вылепленный, сформировавшийся». Этим фонемой древние эллины называли яркие молнии, образующие сложный рисунок на небе. Четвертое агрегатное состояние вещества впервые было получено в 1879 году английским химиком и физиком сэром Уильямом Круксом. Однако, для того, чтобы выработать четкое научное представление о природе плазмы, потребовалось почти тридцать лет.

     В настоящее время известно, что  плазма представляет собой полностью  или частично ионизированный газ, суммарный  заряд которого равен или стремиться к нулю. Тем не менее, раздельное существование в газе ионов и  электронов наделяет плазму свойствами, отличными от обычного газового состояния. Работы Ирвинга Ленгмюра легли в основу физики плазмы – его первые эксперименты в этой области включали в себя исследования электропроводности плазмы и ее реакции при взаимодействии с магнитными полями.

     Свойства  плазмы и неионизированного газа различны по следующим причинам. Поведение газа полностью описывают классические газовые законы физики. Они основаны на учете простых механических соударений нейтральных атомов или молекул между собой либо с поверхностями твердых тел. В случае же плазмы главную роль играют эффекты электрического взаимного влияния между заряженными частицами на расстоянии, а также их взаимодействия с внешними и порожденными при движении потоков самой плазмы электрическими и магнитными полями.

     Свойства плазмы в большой степени зависят от ее концентрации, степени ионизации, температуры. Существенную роль играют и интенсивности «вмороженных» - содержащихся внутри плазменных облаков - и внешних магнитных полей. Плазменное облако неразрывно связано со своим внутренним - вмороженным - магнитным полем. Это поле подобно гибкому и растягивающемуся, но упругому скелету. Оно заставляет деформирующееся под действием внешних воздействий плазменное образование сохранять свою целостность. При достаточно энергичном внешнем воздействии фрагмент плазменного облака все же может отделиться от основной его части. Однако при этом произойдут пересоединения силовых линий вмороженного магнитного поля. Поле вновь замкнется и образуется новый, похожий на «материнский», но меньший плазменный объект. 

     Важным  свойством обособленного плазменного  образования, обладающего вмороженным  магнитным полем, является его сопротивление  слиянию с другим плазменным объектом. Эта особенность, например, определяет процессы в солнечной фотосфере  и в нижележащих солнечных слоях, взаимодействие облаков солнечного ветра с магнитосферами планет и т. д. То есть везде, где имеется достаточное количество взаимодействующих плазменных объектов. 

     Применение  в химической технологии и металлургии  получила термическая или, в иной терминологии, низкотемпературная плазма, для которой, в отличие от космической или термоядерной, характерен диапазон температур 10 -10 К, достижимый в специальных электроразрядных устройствах, называемых плазматронами. Как правило, в металлургии используют их электродуговой вариант, но для получения особо чистых материалов можно применять и безэлектродные высокочастотные установки. В первых плазма образуется в результате дугового разряда и затем стабилизируется. Во вторых — вследствие разряда между обкладками конденсатора или при воздействии высокочастотных полей на газовую среду.

     Термическая плазма в данном случае является высокотемпературным теплоносителем; с его помощью материал плавится, испаряется, претерпевает физико-химические превращения, а затем конденсируется, т.е. возвращается в твердое состояние. Отсутствие температурных ограничений, существующих в традиционных технологиях, позволяет интенсифицировать физико-химические процессы и обеспечивает создание продуктов требуемого химического состава, агрегатного состояния и форморазмеров.

     2. Плазменные технологии

     2.1 Плазменная сварка

     В центральной части сварочной  дуги газ нагрет до температур свыше 5000° С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах. 
Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50-100 и более раз приводит к истечению плазмы со сверхзвуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл.

     Дуговую плазменную струю для сварки и  резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого  действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение. 
Дуговая плазменная струя - интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно использовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов, так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенного действия). Тепловая эффективность дуговой плазменной струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемещения горелки (скорости сварки или резки) и т. д. Геометрическая форма струи может быть также различной (квадратной, круглой и т. д.) и определяться формой выходного отверстий сопла.

     Сварка  деталей малых толщин (5 - 0.2 мм) является сложной задачей при использований  многих других методов сварки плавлением.

     Малоамперная плазменная дуга, сформированная специальным плазмотроном с вольфрамовым электродом, имеет конусообразную форму с вершиной, обращенной к изделию. Такая форма ее обеспечивается конструктивными особенностями плазмотрона, правильным выбором плазмообразующего и защитного газов и их расходом. Наиболее часто в качестве плазмообразующего газа используется аргон. У нижнего среза сопла плазменная дуга существует только в струе аргона. По мере приближения к аноду (изделию) плазмообразующий и защитный газы перемешиваются и плазменная дуга горит уже в смеси этих газов. Чем ближе к аноду, тем больше в смеси содержится защитного газа. Если защитный газ имеет больший коэффициент теплопроводности, чем плазмообразующий, то степень сжатия дуги по мере приближения к аноду увеличивается, и она приобретает конусообразную форму (форму копья).

     При правильно выбранном расходе  плазмообразующего газа указанная  форма малоамперной плазменной дуги образуется при использовании в  качестве защитного газа аргоноводородной смеси, гелия, азота и углекислого газа. Если защитный газ аргон, то форма дуги цилиндрическая или слегка расширяющаяся в направлении к аноду. Такая же форма дуги сохраняется при ее существовании на токах больших 20 А, так как влияние защитного газа на сжатие дуги заметно ослабляется. Эффект сжатия дуги уменьшается и при увеличении расхода плазмообразующего газа более оптимального.

     Особо тонкие металлы свариваются малоамперной дугой в импульсном режиме с формированием  однополярных или разнополярных  импульсов. Нагрев и плавление свариваемого металла происходит в течение импульса тока определенной длительности дугой прямой полярности. Во время паузы, когда ток в рабочей цепи питания плазменной дуги равен нулю, жидкий металл кристаллизуется и формируется сварная точка. Время импульса и паузы, а также скорость сварки выбираются таким образом, чтобы обеспечивалась определенная величина перекрытия кристаллизующихся точек.

     Импульсная  микроплазменная сварка значительно  облегчает процесс получения  качественного сварного соединения, поскольку позволяет таким образом подобрать амплитуду тока, длительности импульсов сварки и паузы, что прожоги свариваемого металла практически исключаются даже в случае остановки процесса или неравномерности его осуществления.

     Разновидностью  способа микроплазменной сварки в импульсном режиме является сварка разнополярными импульсами. В течение импульса тока прямой полярности свариваемым кромкам передается достаточное количество теплоты, которая обеспечивает их расплавление, образование сварочной ванны и, после ее кристаллизации, формирование сварной точки. В течение импульса тока обратной полярности в свариваемые кромки вводится меньшее количество теплоты, достаточное только для разрушения окисной пленки. За это время сварочная ванна охлаждается до полной или частичной кристаллизации. Следующий импульс тока прямой полярности создает сварную точку на определенном (в зависимости от скорости сварки) расстоянии от предыдущей. Перекрытие точек задается их размером и шагом.