EA004439B1 - Способ и устройство для обработки электропроводных материалов с помощью атмосферной плазмы - Google Patents

Abstract

Предлагаемое изобретение относится к атмосферно-плазменному способу обработки поверхности объекта, включающему действие генерирования плазменных струй с помощью плазмоструйных генераторов, направляемых на поверхность обрабатываемого объекта, и действие перемещения обрабатываемого объекта относительно плазмоструйных генераторов. По меньшей мере одна из плазменных струй является катодной плазменной струей и по меньшей мере одна плазменная струя является анодной плазменной струей, при этом место приложения к поверхности обрабатываемого объекта анодной плазменной струи находится вблизи места приложения катодной плазменной струи.

Description

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение

Предлагаемое изобретение относится к способу и устройству для обработки предметов, изготовленных из электропроводных материалов, с помощью плазмы. В частности, предлагаемое изобретение относится к обработке предметов, имеющих форму фольги или проволоки, например, после их получения путем прокатки или волочения, с помощью атмосферной плазмы.

Обработка материала может включать одну или несколько из следующего перечня операций:

очистка одной или двух поверхностей проволоки или фольги для удаления органических остатков и технологических масел и жиров;

дезодорация;

дезинфекция, стерилизация;

активация поверхности для улучшения адгезионных свойств или смачиваемости;

модификация поверхностного слоя путем заплавления микротрещин, полирования или нанесения поверхностного сплава;

зачистка;

отжиг; нанесение пленок.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

Известно применение способов и устройств для очистки поверхностей фольги или проволоки после их изготовления путем прокатки или волочения соответственно для удаления с этих поверхностей остатков жировых веществ, использовавшихся при производстве. Наиболее часто используются устройства для обработки поверхностей, такие как диффузионные печи, газовые горелки, химические ванны, пароструйные устройства, разрядные устройства для получения электрического разряда барьерного типа или темного (тихого) разряда и плазмоструйные устройства.

К недостаткам диффузионных печей при их использовании для очистки поверхностей металлической фольги, как при использовании воздуха, так и при использовании кислорода, относится то, что они требуют больших затрат электрической энергии и медленно работают. Для полной очистки поверхностей фольги, которая обычно загружается в диффузионную печь свернутой в рулон, требуются дни, если не недели. Процесс такой очистки состоит в нагревании рулона и обеспечении условий для проникновения воздуха или кислорода в пространство между слоями свернутой фольги для окисления органических остатков и удаления, главным образом, путем диффузии, остаточного газа из пространства между наложенными друг на друга слоями фольги, плотно свернутой в рулон. Таким образом, производительность и эффективность таких диффузионных печей низка.

Диффузионные печи используются только для очистки и отжига материалов.

Горелки с линейным пламенем по причине их низкой эффективности и ограниченной возможности изменения композиции пламени, содержащего продукты сгорания углерода, используются мало.

Химические бани требуют использования значительных количеств химических продуктов, которые затем требуют утилизации. Способы, основывающиеся на применении химических ванн, имеют свои ограничения, связанные с высокими затратами на утилизацию и необходимостью соблюдения все более ужесточающихся экологических стандартов.

Пароструйные устройства используются для очистки поверхностей проволоки. Эта очистка, принимая во внимание ее низкую эффективность, используется практически только для операции предварительной грубой очистки, за которой обычно следует операция химической очистки.

При использовании разрядных устройств для получения электрического разряда барьерного типа или темного (тихого) разряда обеспечивается преимущество, состоящее в равномерности обработки поверхности материала, однако, они не пригодны для промышленного применения по причине ограниченной производительности способов обработки, основывающихся на использовании таких устройств.

Обработка поверхностей с помощью струй атмосферной плазмы относительно эффективна, так как эта обработка осуществляется с помощью в высшей степени активированного газа, и окисление является результатом плазмохимической реакции. Кроме того, производительность способов, основывающихся на этом принципе, является высокой благодаря достижению высокой плотности мощности. Устройства плазмоструйной обработки в целом просты, недороги и технологичны. Кроме того, они обеспечивают возможность очистки поверхности, отжига, зачистки или нанесения пленки, при этом для приспособления к желаемому виду обработки поверхности достаточно подобрать газовый состав плазмы.

Недостаток способов, основывающихся на использовании плазменных струй, состоит в том, что при применении этих способов трудно достичь однородности обработки по всей поверхности фольги или проволоки.

Для преодоления этого недостатка некоторыми изобретателями предпринимались попытки создания устройств, в которых используются линейные плазмотронные агрегаты, позволяющие получать плазменные завесы.

Например, в публикации XVО 97/18 693 описан плазмоструйный генератор, который выполнен с возможностью генерирования плазмы в виде завесы путем наложения нескольких плазменных струй, генерируемых несколькими плазмотронами, имеющими два сопла. Недостатком способа обработки поверхностей, основывающегося на использовании такого плазмоструйного генератора, является то, что в большинстве его промышленных применений, представляющих практический интерес, является невозможность достижения желаемой равномерности распределения параметров обработки, таких как, например, температура. На практике распределение газовых потоков через плазмотроны и их скоростей не позволяет получить, во всех случаях, желаемой равномерности распределения параметров. Даже в тех случаях, когда температура одинакова по всей длине плазменной завесы, скорость и/или газовый состав плазмы вовсе не обязательно будут распределены равномерно, и, в результате, однородность обработки поверхности достигнута не будет.

Кроме того, так как при применении линейного плазмоструйного генератора такого типа для обработки поверхности металлической фольги требуется высокая скорость прохождения обрабатываемой фольги через плазменную завесу, движущаяся фольга тянет за собой значительный газовый или воздушный поток. Этот турбулентный газовый поток взаимодействует с плазменным потоком, в результате чего происходит охлаждение плазмы, она теряет свою энергию, то есть ту ее часть, которая является потенциальной энергией ее частиц, и становится турбулентной. При охлаждении плазмы эффективность обработки поверхности резко падает. Турбулентность плазменного потока может стать причиной деформаций обрабатываемой фольги, таких как сморщивание, особенно если фольга тонкая.

Краткое описание предлагаемого изобретения

Целью предлагаемого изобретения является улучшение равномерности обработки поверхности, осуществляемой с помощью плазмы, в частности, для промышленных применений, в том числе для обработки объектов (изделий), имеющих большие площади поверхности, в частности для обработки поверхностей фольги или проволоки, когда требуются большие скорости обработки, а также создание устройства для осуществления такой обработки.

Представляется желательным создание способа плазменной обработки поверхностей и устройства для осуществления такого способа, которое могло бы быть использовано, в частности, для обработки поверхностей фольги или проволоки из электропроводных материалов, и было бы надежным, производительным и недорогим.

Кроме того, представляется желательным создание и устройства для осуществления такого способа, которое могло бы быть использовано для таких операций, как очистка, отжиг, осаждение пленок, активация поверхностей, зачи стка и стерилизация, или же комбинация таких операций.

Цели предлагаемого изобретения достигаются с помощью способа по п.1 и выполненного с возможностью реализации этого способа устройства по п.22 формулы изобретения.

Являющийся предметом предлагаемого изобретения способ обработки поверхности изделия из электропроводного материала с помощью атмосферной плазмы включает такие стадии, как генерирование плазменных струй с помощью плазмоструйных генераторов, приложение этих плазменных струй к поверхности, подлежащей обработке, и перемещение обрабатываемого изделия относительно плазмоструйных генераторов, и характеризуется тем, что по меньшей одна из плазменных струй является катодной струей и по меньшей мере одна из плазменных струй является анодной струей, при этом анодная струя прилагается к зоне поверхности обрабатываемого объекта, расположенной вблизи катодной струи. Способ по предлагаемому изобретению может быть преимущественно применен к изделиям, производимым с помощью непрерывного процесса или имеющим большие площади поверхности, таким как металлическая фольга, металлическая проволока или части автомобильного корпуса, выполненные из металлических листов.

Электрический ток для генерирования катодной и анодной плазменных струй разделяется на три ветви: токи 1₁ и 1₂ подаются на анодную и катодную плазменную струю соответственно, а ток 1₃ протекает через обрабатываемое изделие.

В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения катодная плазменная струя образует с поверхностью обрабатываемого объекта некоторый острый угол α, а анодная плазменная струя образует с поверхностью обрабатываемого объекта некоторый угол β, который больше, чем угол α, образованный между катодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта. В альтернативном варианте осуществления предлагаемого изобретения угол β, образованный между анодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта, приближается к 90° или практически равен 90°, а угол α, образованный между катодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта, находится в диапазоне от 25 до 60°.

В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения мощность импульса катодной плазменной струи больше, чем мощность, принимаемая анодной плазменной струей.

При осуществлении способа по предлагаемому изобретению обеспечивается возможность получения хорошей равномерности обработки поверхности благодаря созданию условий для особого движения анодных пятен (областей контакта плазменной струи с поверхностью обрабатываемого объекта) вдоль поверхности обрабатываемого объекта. При этом движении анодных пятен обеспечивается уменьшение влияния пограничного слоя, образованного на поверхности обрабатываемого объекта. Улучшение равномерности обработки поверхности обеспечивается, с одной стороны, благодаря смещению анодных пятен из-за нагревания пограничного слоя, а с другой стороны - благодаря их смещению под действием собственного магнитного поля. При поперечной делокализации электрического тока обеспечивается равномерное поперечное распределение термической и плазменно-химической обработки по всей поверхности обрабатываемого объекта.

При использовании катодных и анодных пятен при обработке поверхности фольги или проволоки способом по предлагаемому изобретению обеспечивается возможность увеличения термической эффективности процесса обработки.

Устройство, с помощью которого обеспечивается осуществление способа по предлагаемому изобретению, содержит по меньшей мере один катодный плазмоструйный генератор и по меньшей мере один анодный плазмоструйный генератор, которые расположены таким образом, что обеспечено расположение зоны поверхности обрабатываемого объекта, к которой приложена анодная плазменная струя, поблизости к катодной плазменной струе.

Электрическая цепь устройства для создания плазменных струй содержит контур, замыкаемый некоторым участком обрабатываемого изделия и средством для изменения электрического тока 1₃, протекающего через обрабатываемое изделие.

Для увеличения площади приложения плазмы к поверхности обрабатываемого объекта и достижения, тем самым, хорошей равномерности обработки по поперечному направлению плазменные струи, генерируемые плазмоструйными генераторами, по отношению к направлению движения обрабатываемого изделия, могут отклоняться на некоторый острый угол γ относительно плазмоструйного генератора.

Хорошая равномерность обработки в поперечном направлении может быть достигнута также генерированием такого переменного магнитного поля, под действием которого обеспечиваются «прочесывающие» колебания плазменных струй. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения частота ν колебаний этого магнитного поля или больше, чем отношение относительной скорости движения обрабатываемого изделия к диаметру плазменных струй, или равна этому отношению.

В своих предпочтительных вариантах осуществления устройство для плазменной об работки поверхностей по предлагаемому изобретению, в целях улучшения равномерности обработки, выполнено с возможностью генерирования одной или нескольких струй реактивного газа, направляемых на плазменные струи таким образом, что обеспечивается возможность расширения или сжатия плазменных струй, направляемых на обрабатываемое изделие.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения к обрабатываемому изделию в процессе плазменной обработки прикладываются вибрации звуковых или ультразвуковых частот, которые порождаются с помощью внешнего генератора вибраций, или же при образовании в процессе генерирования плазмы, например, ударных или акустических волн, имеющих частоты, близкие к резонансным частотам обрабатываемого изделия. Ударные волны могут образовываться при генерировании плазмы с помощью электрических импульсов, когда длительность переднего фронта тока подаваемых электрических импульсов достаточно мала для того, чтобы процесс нарастания тока был изохорическим. В предпочтительном варианте частота подаваемых импульсов электрического тока равна частоте вибраций в звуковом диапазоне частот или близка к ней.

В варианте осуществления устройства по предлагаемому изобретению, предназначенном для обработки поверхности проволоки, катодная и анодная плазменные струи могут быть расположены с образованием раструба, ось которого совпадает с направлением движения обрабатываемой проволоки.

В варианте осуществления устройства по предлагаемому изобретению, предназначенном для обработки поверхности фольги, органы обработки могут быть расположены «выше по течению» относительно зоны плазменной обработки, при этом имеется средство для стабилизации воздушного потока, которое включает дефлекторы, приводимые в действие с помощью механизма, выполненного с возможностью настройки положения этих дефлекторов с обеспечением, тем самым, дозирования количества воздуха, отделяемого от обрабатываемой фольги. Устройство может быть расположено также «ниже по течению» относительно зоны плазменной обработки, при этом с помощью охлаждаемых дефлекторов обеспечивается ламинарность потока.

Преимущество ламинарного характера потока воздуха, увлекаемого обрабатываемой фольгой, состоит в том, что при этом снижается риск сморщивания фольги и существенно повышается эффективность плазменной обработки.

Катодные и анодные плазмоструйные генераторы могут быть расположены с чередованием в поперечном направлении относительно обрабатываемой фольги или проволоки таким

Ί образом, чтобы ось каждого плазмоструйного генератора определенной полярности была расположена на одинаковом расстоянии от осей двух соседних плазмоструйных генераторов, которые имеют противоположную полярность.

Устройство для плазменной обработки поверхностей по предлагаемому изобретению может содержать два идентичных плазмоструйных генератора, расположенных по разные стороны фольги из электропроводного материала, так, чтобы была обеспечена возможность одновременной или последовательной обработки обеих поверхностей этой фольги.

Другие цели и преимущества предлагаемого изобретения станут ясны из формулы изобретения, из дальнейшего описания вариантов его осуществления и из прилагаемых чертежей.

Краткое описание прилагаемых чертежей

На фиг. 1 упрощенно показана в аксонометрии установка для обработки поверхности фольги, содержащая устройства для плазменной обработки по предлагаемому изобретению.

На фиг. 2 упрощенно показано поперечное сечение установки для обработки поверхности фольги, содержащей устройства для плазменной обработки по предлагаемому изобретению.

На фиг. 3 упрощенно показано поперечное сечение устройства для плазменной обработки поверхностей с помощью плазменных струй по предлагаемому изобретению.

На фиг. 4а на виде спереди, то есть по направлению, параллельному плоскости обрабатываемой фольги, показано расположение электродов и плазменных струй.

На фиг. 4Ь расположение электродов и плазменных струй показано на виде по направлению стрелки 1УЬ (см. фиг. 4а).

На фиг. 4с показано на виде сбоку, то есть по направлению, перпендикулярному плоскости обрабатываемой фольги, расположение электродов и плазменных струй в альтернативном варианте устройства по предлагаемому изобретению, отличающемся от проиллюстрированного на фиг. 4Ь.

На фиг. 46 расположение электродов и плазменных струй показано на виде по направлению стрелки 1У6 (см. фиг. 4с).

На фиг. 4е показано на виде спереди, то есть по направлению, параллельному плоскости обрабатываемой фольги, расположение электродов и плазменных струй в варианте устройства по предлагаемому изобретению, обеспечивающем возможность плазменной обработки фольги с обеих сторон.

На фиг. 4£ показано на виде спереди, то есть по направлению, параллельному плоскости обрабатываемой фольги, расположение электродов и плазменных струй в альтернативном, то есть отличающемся от проиллюстрированного на фиг. 4е, варианте устройства по предлагаемому изобретению, обеспечивающем воз можность плазменной обработки фольги с обеих сторон.

На фиг. 5 устройство для обработки поверхности фольги с помощью плазменных струй по предлагаемому изобретению показано без анодов.

На фиг. 6 схематично показано движение плазменных струй, направленных на обрабатываемую поверхность фольги при осуществлении предлагаемого изобретения.

На фиг. 7а, 7Ь, 7с и 76 показана обработанная способом по предлагаемому изобретению фольга, подвергаемая тесту на смачиваемость.

На фиг. 7е показана обработанная фольга, подвергаемая проверке на очистку.

На фиг. 8а показана сделанная с помощью растрового электронного микроскопа фотография алюминиевой фольги, подвергнутой отжигу путем плазменной обработки по предлагаемому изобретению.

На фиг. 8Ь показана сделанная с помощью растрового электронного микроскопа фотография необработанной алюминиевой фольги.

На фиг. 8с показана сделанная с помощью растрового электронного микроскопа фотография поперечного сечения нескольких наложенных один поверх другого слоев алюминиевой фольги, подвергнутой плазменной обработке по предлагаемому изобретению.

На фиг. 9 упрощенно показано в аксонометрии устройство по предлагаемому изобретению в одном из вариантов своего осуществления, содержащее средство для генерирования магнитного поля.

На фиг. 10а упрощенно показана в аксонометрии установка для плазменной обработки проволоки по способу по предлагаемому изобретению.

На фиг. 10Ь установка для плазменной обработки проволоки способом по предлагаемому изобретению, проиллюстрированная на фиг. 10а, упрощенно показана в поперечном сечении.

На фиг. 11а иллюстративно показаны плазмоструйные генераторы для плазменной обработки поверхности металлической фольги согласно варианту осуществления предлагаемого изобретения, в котором одна часть рабочих газов направляется между плазменными струями, а другая часть рабочих газов направляется в область плазменных струй «ниже по течению» в зоне, подвергающейся обработке таким образом, что обеспечивается сжатие потока плазмы, направляемого на обрабатываемую поверхность, и расширение его задней части.

На фиг. 11Ь плазмоструйные генераторы, проиллюстрированные на фиг. 10а, показаны на частичном виде по стрелке Х1Ь (см. фиг. 11а).

На фиг. 11с иллюстративно показаны плазмоструйные генераторы для плазменной обработки поверхности металлической фольги по предлагаемому изобретению, при этом пока заны также внешние генераторы акустических, в частности ультразвуковых, вибраций.

На фиг. 12а упрощенно в поперечном сечении в одном из вариантов своего осуществления показана установка для плазменной обработки поверхности фольги способом по предлагаемому изобретению, содержащая устройства для плазменной обработки, средство для стабилизации воздушных потоков и газодинамические подшипники скольжения.

На фиг. 12Ь показан частичный вид подшипника, относящегося к варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 12а.

На фиг. 13а упрощенно в аксонометрии в одном из вариантов своего осуществления показана установка для плазменной обработки способом по предлагаемому изобретению изделий с большой площадью поверхности, таких как части автомобильного корпуса, изготовленные из металлических листов.

На фиг. 13Ь иллюстративно показано расположение плазмоструйных генераторов, относящихся к варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 13 а.

На фиг. 13с на частичном виде в поперечном сечении показан плазмоструйный генератор, относящийся к варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 13 а.

Подробное описание предлагаемого изобретения

На фиг. 1 и 2 упрощенно показана часть установки 1 для плазменной обработки фольги, например алюминиевой фольги 2, полученной путем прокатки и поступившей на плазменную обработку в виде рулона 3, который устанавливается в рассматриваемой установке с возможностью вращения вокруг своей оси. Фольга 2 удерживается в натянутом состоянии между сматывающимся рулоном 3 и наматывающимся рулоном 4 с обеспечением взаимодействия фольги 2 последовательно с группой роликов: с направляющими роликами 5, с натяжными роликами 6 и далее с другими направляющими роликами 7, при этом все эти ролики 5, 6 и 7 установлены с возможностью их вращения вокруг своих осей, некоторые на пружинах - для обеспечения точных значений сил натяжения, прилагаемых к алюминиевой фольге 2. Некоторые из направляющих роликов 5 и 7 служат также для задания положения алюминиевой фольги относительно устройств 8, предназначенных для обработки поверхностей плазменными струями (плазмоструйные устройства). Установки 1, показанные на фиг. 1 и 2, содержат по меньшей мере два плазмоструйных устройства 8, с помощью которых обеспечивается возможность обработки обеих поверхностей: 2а и 2Ь фольги 2. Установка 1 может содержать два или более рядов плазмоструйных генераторов или плазмоструйных устройств, расположенных последовательно вдоль одной стороны обрабатываемой фольги 2, при этом каждое такое уст ройство содержит по меньшей мере один катодный плазмоструйный генератор и по меньшей мере один анодный плазмоструйный генератор.

Как можно видеть на фиг. 2, плазмоструйные устройства 8 могут быть установлены на подвижных опорах 9, благодаря чему обеспечивается, например, возможность поворота плазмоструйного устройства 8 вокруг некоторой оси, расположенной практически параллельно осям вращения роликов 5, 6 и 7, и тем самым для плазмоструйных устройств 8 обеспечена возможность занятия различных положений по отношению к обрабатываемой фольге 2. Положение I является подходящим для обработки противоположных поверхностей фольги 2 (движущейся вдоль воображаемой линии), когда два плазмоструйных устройства 8а и 8Ь расположены по разные стороны полотна обрабатываемой фольги 2. В положении II и положении III плазмоструйные устройства 8 расположены вблизи двух направляющих роликов 5 и 7 таким образом, что обеспечивается возможность плазменной обработки обеих поверхностей фольги 2 под разными углами. Положение IV - это положение, в котором плазмоструйные устройства 8 выведены из взаимодействия с фольгой 2, подлежащей обработке; в этом положении осуществляется запуск установки, в частности включение плазменных струй. В положении V плазмоструйные устройства 8 также выведены из взаимодействия с фольгой 2, подлежащей обработке; в этом положении обеспечивается возможность проведения ремонтных работ и технического обслуживания плазмоструйных устройств.

Кроме того, установка 1 может содержать стабилизирующие средства 10, предназначенные для стабилизации воздушного потока, эти стабилизирующие средства 10 расположены «вверх по течению» по отношению к рабочим положениям II и III плазмоструйных устройств 8 вблизи поверхности обрабатываемой фольги 2. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения, в целях стабилизации потока воздуха, увлекаемого движением фольги, и в частности в целях обеспечения ламинарности этого потока, стабилизирующие средства 10 представляют собой два отклоняющих элемента, которые расположены по разные стороны полотна обрабатываемой фольги 2, благодаря чему обеспечивается сведение влияния этого воздушного потока на плазменные струи к минимуму. Кроме того, эти отклоняющие элементы стабилизирующих средств 10 установлены с возможностью ограничения колебаний обрабатываемой фольги 2, обусловленных турбулентностью, благодаря чему обеспечивается предотвращение сморщивания обрабатываемой фольги 2. Отклоняющие элементы стабилизирующих средств 10 служат в качестве дефлекторов, положение которых относительно обрабатываемой фольги 2 может настраиваться таким образом, чтобы обеспечивалось увеличение или уменьшение потока воздуха, увлекаемого движением обрабатываемой фольги 2. Тем самым обеспечивается также возможность регулирования режима плазменной обработки путем большей или меньшей подачи воздуха. Возможно также размещение далее по ходу движения обрабатываемой фольги 2 или также в других местах других, аналогичных, стабилизирующих средств 10', что способствовало бы дальнейшей ламинаризации воздушного потока и предотвращению сморщивания обрабатываемой фольги 2.

Как можно видеть на фиг. 3, плазмоструйное устройство 8 содержит обеспечивающие генерирование плазменных струй плазмоструйные генераторы 11, снабженные электродами, включенными в электрическую цепь 12, которая содержит источник электрической энергии 13, необходимый для генерирования плазмы. Плазмоструйные генераторы 11 имеют электрическое соединение с обрабатываемой фольгой 2 через контакт 14, расположенный, например, на направляющем ролике 5 или 7, и балластные резисторы КТ и К2. Обрабатываемая фольга 2 состоит из электропроводного материала и образует часть контура электрической цепи, содержащей плазменные струи 15. Обеспечена возможность регулирования электрического тока, протекающего через обрабатываемое изделие, с помощью резистора К.1, при этом обеспечена также возможность сведения этого электрического тока к нулю.

В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения имеется два ряда плазмоструйных генераторов противоположной полярности: 11а и 11Ь, а именно ряд анодных плазмоструйных генераторов 11Ь и ряд катодных плазмоструйных генераторов 11а. Плазмоструйные генераторы 11а и 11Ь соответствующего ряда расположены практически на одной линии в ряд. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения линия, вдоль которой расположены плазмоструйные генераторы одного ряда, смещена относительно линии, вдоль которой расположены плазмоструйные генераторы другого ряда, таким образом, что плазмоструйные генераторы разных рядов расположены как бы в шахматном порядке, как показано на фиг. 4а и 4Ь.

Каждый плазмоструйный генератор 11 содержит электрод 16, вмонтированный в корпус 17, в котором имеется канал 18, предназначенный для прохождения плазменной струи 15. Плазменный канал 18 имеет сообщение с впускными патрубками 19 и 20, предназначенными для впуска рабочего газа (или рабочих газов). В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения показаны два впускных патрубка, но в других вариантах может быть и большее количество впускных патрубков, имеющих сообщение с плазменным кана лом 18. Место сообщения с плазменным каналом 18 первого впускного патрубка 19 расположено приблизительно на уровне электрода 16, а место сообщения с плазменным каналом 18 второго впускного патрубка 20 расположено далее по ходу плазменной струи 15.

Корпус 17 может быть снабжен системой охлаждения (не показана), в которой обеспечена циркуляция хладагента, с помощью которого обеспечивается охлаждение плазмоструйных генераторов 11.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения рабочим газом, вводимым в первый впускной патрубок 19, является инертный газ, например аргон (Аг), при применении которого, с одной стороны, обеспечивается возможность окружения электрода 16 и защиты его, тем самым, от окисления, а с другой стороны, облегчается генерирование плазмы. Второй впускной патрубок 20 может быть использован для введения потока дополнительного рабочего газа, например воздуха, аргона, кислорода, азота, гелия, двуокиси углерода, природного газа, органометаллических паров, или же смеси из нескольких из вышеперечисленных газов, в зависимости от типа обработки, требуемой для фольги 2. Дополнительный рабочий газ, используемый для катодных плазмоструйных генераторов 11а, может быть не тем же самым, что дополнительный рабочий газ, используемый для анодных плазмоструйных генераторов 11Ь.

Плазмоструйные генераторы первого ряда (11а) расположены таким образом, что обеспечено образование плазменных струй 15а, которые ориентированы приблизительно по направлению, образующему острый угол а с плоскостью зоны 21 обрабатываемой фольги 2, находящейся в каждый текущий момент времени в контакте с этой плазменной струей 15а, или с плоскостью, касательной к этой зоне 21, при этом в предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения направление каждой плазменной струи 15а противоположно направлению движения обрабатываемой фольги 2. При таком расположении плазмоструйных генераторов 11 в устройстве по предлагаемому изобретению, иллюстрируемом также на фиг. 5, обеспечивается такое преимущество, как улучшение равномерности обработки поверхности фольги 2 или других изделий с большой площадью поверхности, подлежащей обработке, например изделий, имеющих форму пластин или цилиндров.

В варианте осуществления предлагаемого изобретения, проиллюстрированном на фиг. 3, плазмоструйные генераторы второго ряда (11Ь) расположены таким образом, что угол β между каждой плазменной струей 15Ь, исходящей из плазмоструйного генератора второго ряда (11Ь), и плоскостью зоны 21 обрабатываемой фольги

2, находящейся в каждый текущий момент времени в контакте с этой плазменной струей 15Ь, или касательной к этой зоне 21, больше, чем упоминавшийся выше острый угол а, образуемый плазменными струями 15а. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения угол β, образуемый плазмоструйными генераторами второго ряда с поверхностью обрабатываемого объекта, близок к 90°. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения электроды 16 плазмоструйных генераторов первого ряда (11а) являются катодами, а электроды 16 плазмоструйных генераторов второго ряда (11Ь) являются анодами. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения газовые потоки из плазмоструйных генераторов 11 отрегулированы таким образом, что импульсы плазменных струй 15а, исходящих из плазмоструйных генераторов первого ряда (11а), являются более мощными, чем импульсы плазменных струй 15Ь, исходящих из плазмоструйных генераторов второго ряда (11Ь).

В местах контакта анодных плазменных струй 15Ь с обрабатываемой поверхностью фольги 2 образуются анодные пятна 22, на которых происходит высвобождение органических веществ, покрывающих эту обрабатываемую поверхность, после их разрыхления и плазмохимического окисления. При этих плазмохимических реакциях происходит образование газов, таких как двуокись углерода (СО₂), которые могут быть отведены через отсосный короб 23, жерло которого расположено над переходной обрабатываемой зоной 21. Протекание электрического тока 1₃ между катодной плазменной струей 15а и обрабатываемой поверхностью фольги 2, через зону образования анодного пятна 22, способствует дополнительному нагреванию материала и интенсифицирует процесс разложения веществ, находящихся в верхнем слое этой поверхности обрабатываемого объекта. Остатки этих веществ сгорают в анодной плазменной струе 15Ь, в которой состав рабочего газа, а следовательно плазмы, выбирается в соответствии с природой этих остаточных веществ. В частности, для обеспечения разложения органических остатков и углеводородов посредством их окисления в качестве рабочего газа может быть использован воздух или кислород.

Окисленная поверхность фольги 2 может быть очищена путем введения в катодную плазменную струю 15а дополнительного рабочего газа, обладающего восстанавливающими свойствами, например водорода (Н₂), пользуясь тем обстоятельством, что катодная плазменная струя 15а вступает с обрабатываемой поверхностью фольги 2 в более тесный контакт, нежели анодная плазменная струя 15Ь.

При применении предлагаемого изобретения равномерность обработки поверхности фольги 2 гарантируется расположением анодных и катодных плазмоструйных генераторов.

Так как угол а между подлежащей обработке поверхностью фольги 2 или другого изделия и плазменной струей является острым, электрические токи I! и 1₃, циркулирующие в плазме и фольге 2 соответственно, противоположны по направлению, в результате чего между ними возникают силы отталкивания. Следовательно, как можно видеть на фиг. 6, катодные плазменные струи 15а и, соответственно, анодные пятна 22 перемещаются из положения А (в котором они находились в момент времени τ₁) в положение В (на момент времени τ₂), а затем далее - в положение С (на момент времени τ₃). Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока разность потенциалов не станет выше, чем напряжение короткого замыкания между точками А и Ό. После короткого замыкания этот процесс повторяется. Таким образом, имеет место непрерывное и быстрое колебательное движение анодного пятна 22 по обрабатываемой поверхности фольги 2. Скорость этого движения по направлению перемещения обрабатываемой поверхности фольги 2 (продольное направление) существенно выше, чем скорость перемещения этой поверхности обрабатываемого объекта. Благодаря этому обеспечивается равномерность обработки поверхности фольги 2 в продольном направлении и предотвращается повреждение этой поверхности из-за избыточного местного нагрева.

Хорошая равномерность обработки поверхности в направлении, поперечном по отношению к продольному направлению, то есть вдоль плазменного фронта, достигается благодаря расположению анодных плазмоструйных генераторов 11Ь и катодных плазмоструйных генераторов 11а с чередованием, как показано на фиг. 4а и 4Ь. В результате такого расположения каждый из плазмоструйных генераторов 11 оказывается электрически соединенным с двумя плазмоструйными генераторами 11 противоположной полярности. Распределение электрического тока, протекающего вдоль обрабатываемой поверхности фольги 2, является практически равномерным в направлении, поперечном по отношению к направлению движения фольги 2, благодаря чему обеспечивается равномерность обработки поверхности фольги 2.

В тех случаях, когда очистки поверхности не требуется или когда требуется только термическая обработка, например отжиг, заплавление микротрещин, или полирование поверхности, предпочтительным является такое использование катодного плазмоструйного генератора 11а, которое показано на фиг. 5.

Одновременная обработка обеих поверхностей фольги может быть осуществлена с помощью по меньшей мере двух рядов плазмоструйных генераторов 11, по одному с каждой стороны полотна фольги, как показано на фиг. 1 или на фиг. 2, а также на фиг. 4ά-4£.

Плазмоструйные генераторы 11 по обе стороны полотна обрабатываемой фольги 2 могут быть расположены или напротив друг друга, как показано на фиг. 4ά, или со смещением, как показано на фиг. 4е и фиг. 4£. В этих вариантах, в которых плазмоструйные генераторы 11 по разные стороны полотна фольги 2 расположены со смещением, преимуществом является то, что промежуточные зоны 24 между двумя соседними плазмоструйными генераторами 11, расположенными с одной и той же стороны полотна фольги 2, получают нагрев от плазменных струй 15 плазмоструйных генераторов 11, расположенных с другой стороны полотна фольги 2, благодаря чему обеспечивается улучшение качества обработки.

В варианте, проиллюстрированном на фиг. 4с и 4ά, оси катодных плазмоструйных генераторов 11а образуют с направлением движения ν обрабатываемой фольги 2 угол γ, так что обеспечивается увеличение площади приложения плазменных струй 15 к поверхности обрабатываемого объекта, то есть увеличение зоны плазменной обработки, благодаря чему обеспечивается улучшение равномерности обработки поверхности. На практике этот угол γ находится в диапазоне от 30 до 60°, а в предпочтительном варианте он равен 45°.

Нанесение пленок может быть осуществлено при добавлении газов или паров химически активных веществ, например газовой смеси, содержащей пары металлоорганических веществ, к дополнительному рабочему газу 01, 02 или непосредственно в зону 21, в которой имеет место контакт плазмы с обрабатываемой поверхностью.

Кроме того, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность осуществления других операций, таких как полирование поверхности, удаление поверхностных трещин и отслаивание тонких электропроводных фольг.

В зависимости от свойств электропроводной фольги, подлежащей обработке, таких как ее толщина, и параметров обработки, таких как скорость протяжки, а также в зависимости от требований, предъявляемых к обработке (например, очистка или обезжиривание без отжига, обезжиривание с отжигом, отжиг разной интенсивности), обработке могут подвергаться обе стороны полотна фольги одновременно или по очереди или же, далее, обе стороны после приведения их в контакт с охлажденной опорой, например с металлическим роликом. Эти варианты проиллюстрированы на фиг. 2, на которой можно видеть пример устройства, обеспечивающего возможность осуществления различных видов обработки поверхности, упоминавшихся выше, благодаря наличию поворотного механизма, выполненного с возможностью ус тановки устройства для плазмоструйной обработки поверхностей в разные положения (I, II, III) относительно металлической фольги, подлежащей обработке. Этот поворотный механизм обеспечивает также еще два положения (IV, V), предназначенных, соответственно, для запуска плазмоструйного генератора и для обеспечения возможности проведения работ по обслуживанию и ремонту, когда это необходимо. В зависимости от различных режимов обработки поверхности могут применяться различные системы перемотки фольги.

Как показано на фиг. 11а, эффективность обработки может быть повышена при подаче дополнительных рабочих газов через патрубки 25 по направлению, близкому к биссектрисе угла, образованного между катодными плазменными струями 15а и анодными плазменными струями 15Ь.

Для достижения хорошей равномерности обработки поверхности можно, с обеспечением преимущества, вводить дополнительные рабочие газы непосредственно перед зоной воздействия плазменных струй 15а и 15Ь на обрабатываемую поверхность фольги через патрубки 26. Газы, выпускаемые на обрабатываемую фольгу, переносят на нее частицы химически активных веществ, а кроме того, они способствуют распределению плазмы таким образом, чтобы она покрывала обрабатываемую зону 21, которая более обширна, нежели зоны, на которые плазменные струи 15а и 15Ь непосредственно попадают (см. фиг. 11а и 11Ь).

Еще в одном варианте осуществления предлагаемого изобретения, который показан на фиг. 11с и который направлен на достижение эффективности взаимодействия плазмы с поверхностью обрабатываемого объекта, эта поверхность обрабатываемого объекта подвергается вибрациям, генерируемым одним или несколькими генераторами вибраций 27 и 28, которые установлены перед зоной обработки и/или за ней. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения частота вибраций находится в ультразвуковом диапазоне. Действие вибраций проявляется в усилении взаимодействия между поверхностью обрабатываемого объекта и плазмой, аналогичном усилению взаимодействия, имеющему место при повышении температуры, благодаря увеличению кинетической энергии атомов материала поверхности обрабатываемого объекта. Кроме того, благодаря вибрациям поверхности обрабатываемого объекта обеспечивается улучшение условий для протекания плазмохимических реакций между дополнительным рабочим газом плазмы и материалом поверхности обрабатываемого объекта, так как улучшаются условия для эвакуации и замещения газов, присутствующих на поверхности обрабатываемого объекта.

Вибрации звуковой частоты могут порождаться также самой плазмой, что достигается при создании плазменной дуги с пульсирующим током, который может быть как однонаправленным, так и переменным. Длительность переднего фронта импульсов выбирается таким образом, чтобы плазма зарождалась сначала в изохорическом процессе, с тем чтобы было обеспечено образование в каждом импульсе ударной волны, которая передаст свою кинетическую энергию поверхности обрабатываемого объекта в виде вибраций. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения частота повторения импульсов электрического тока, порождающего плазму, выбирается таким образом, чтобы она соответствовала частоте вибраций поверхности обрабатываемого объекта. Авторами предлагаемого изобретения было обнаружено, что, когда под действием импульсов происходят вибрации в звуковом диапазоне частот, плазма «поет». Наличие такого «пения» автоматически влечет за собой существенное увеличение эффективности обработки поверхности. В предлагаемом изобретении интенсивность и частота поверхностных колебаний поверхности обрабатываемого объекта контролируются с помощью детектора вибраций в звуковом или ультразвуковом диапазоне частот.

Еще водном варианте осуществления предлагаемого изобретения, который проиллюстрирован на фиг. 9, плазменные струи 15а и 15Ь подвергаются действию переменного магнитного поля Н, генерируемого генератором магнитного поля 28, при этом силовые линии этого магнитного поля направлены перпендикулярно линиям течения катодных плазменных струй 15а и анодных плазменных струй 15Ь. Это приводит к колебаниям плазменной струи, приложенной к поверхности обрабатываемого объекта, которые обусловлены действием амперовых сил, и, таким образом, имеет место ометание этой поверхности качающейся плазменной струей с размахом Ь, зависящим от величины электрического тока и напряженности магнитного поля. Частота ν колебаний магнитного поля выбирается таким образом, чтобы плазма покрывала поверхность в пределах размаха ометания полностью, то есть должно удовлетворяться условие ν<ν/6 где ν - это скорость перемещения поверхности обрабатываемого объекта относительно плазмоструйных генераторов 11а и 11Ь, а

- диаметр проекции плазменной струи на обрабатываемую поверхность.

На фиг. 12а иллюстрируется один из предпочтительных вариантов осуществления устройства по предлагаемому изобретению, предназначенного для обработки поверхностей длинной тонкой фольги, например алюминиевой фольги, которое содержит плазмоструйные генераторы 11а и 11Ь, газодинамические подшипники 29 и 30 и стабилизирующее средство 10, предна значенное для стабилизации воздушного потока. Конструктивный узел, показанный на фиг. 12а, может являться частью установки для плазмоструйной обработки поверхностей, например такой, которая проиллюстрирована на фиг. 2.

Благодаря использованию стабилизирующего средства 10, расположенного вблизи плазмоструйных генераторов 11а и 11Ь, не только обеспечивается ламинарность воздушного потока, протекающего вдоль обрабатываемой поверхности фольги 2, чем предотвращается сморщивание этой фольги 2, но также осуществляются регулирование и контроль над количеством и давлением газовой смеси в зоне, подвергающейся обработке. Стабилизирующее средство 10 включает два тела 31, расположенных таким образом, что между ними образован узкий зазор 32, предназначенный для прохождения обрабатываемой фольги 2. Смеси О дополнительных химически активных рабочих газов подаются в зазор 32 через отверстия 33, выполненные в обоих телах 31 и соединенные с входным каналом 34 через коллектор 35, в результате чего обеспечивается хорошее распределение дополнительного рабочего газа по отверстиям 33.

Газодинамические подшипники 29 расположены перед стабилизирующим средством 10 и плазменными генераторами 11 («выше по течению»), а газодинамические подшипники 30 расположены за ними по ходу перемещения обрабатываемого объекта - фольги 2 («ниже по течению») - по обе стороны фольги 2 с некоторым перекрытием зон действия и служат для натягивания, стабилизации и управления положением обрабатываемой фольги 2 по отношению к стабилизирующему средству 10 и плазменным генераторам 11. Преимущество использования этих газодинамических подшипников 29 и 30 состоит в том, что выполнение вышеуказанных функций обеспечивается без значительного увеличения сил трения. Каждый из газодинамических подшипников 29 и 30 содержит впускной канал 36, в который под давлением подается воздух и который имеет сообщение через коллектор 37 с выходными выпускными каналами 38, вектор направления течения воздуха в которых имеет составляющую, противоположную направлению ν движения обрабатываемой фольги 2, благодаря чему обеспечивается создание воздушной подушки между фольгой 2 и корпусом 39 соответствующего газодинамического подшипника 29 или 30. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения выходные отверстия выпускных каналов 37 имеют продолговатую форму и распределены в направлении поперек направления движения полотна фольги 2. Угол δ между продольным направлением выходных отверстий выпускных каналов 37 и направлением движения ν обрабатываемой фольги 2 близок к 0° в центральной части полотна фольги 2 и постепенно увеличивается по мере приближения к боковым краям 40 фольги 2, как показано на фиг. 12Ь, возможно даже вплоть до 90°.

Для расположенных «ниже по течению» газодинамических подшипников 30 может быть обеспечено охлаждение с помощью контура с циркуляцией воды 41, так чтобы обеспечивалось охлаждение как газодинамических подшипников 30, так и обрабатываемой фольги 2 далее по ходу ее движения.

На фиг. 10а и 10Ь проиллюстрирован пример осуществления устройства по предлагаемому изобретению, выполненного с возможностью плазмоструйной обработки поверхности проволоки (ее очистки, зачистки, отжига, нанесения на нее поверхностного сплава, осаждения на ней пленки). Установка для обработки поверхности содержит плазмоструйные генераторы 11, расположенные вокруг обрабатываемой проволоки 2'. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения плазмоструйные генераторы 11, количество которых четыре или более, расположены вокруг проволоки 2' симметрично, при этом катодные плазмоструйные генераторы 11а и анодные плазмоструйные генераторы 11Ь расположены с чередованием. Однако возможны и другие схемы расположения плазмоструйных генераторов 11, допускается даже, что количество катодных плазмоструйных генераторов 11а и количество анодных плазмоструйных генераторов 11Ь не будет одинаковым, и это не считается превышением объема предлагаемого изобретения.

В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения устройство может содержать один или несколько рядов 8' плазмоструйных генераторов 11, расположенных вдоль обрабатываемой проволоки 2', при этом каждый ряд 8' содержит по меньшей мере один катодный плазмоструйный генератор 11а и по меньшей мере один плазмоструйный генератор 11Ь. Между соседними рядами 8' может быть расположен трубчатый кожух-реактор 42, например, цилиндрической формы, предназначенный для изолирования обрабатываемой проволоки 2' от атмосферного воздуха, при этом длина этого трубчатого кожуха-реактора 42 приблизительно равна расстоянию, на протяжении которого плазма сохраняет активность. Трубчатый кожух-реактор 42 снабжен входным коллектором 42а и выходным коллектором 42Ь, предназначенными соответственно для впуска и выпуска дополнительных рабочих химически активных газов, а также входными и выходными направляющими 43, предназначенными для придания направления обрабатываемой проволоке 2' при ее прохождении через устройство в процессе обработки. При прохождении обрабатываемой проволоки 2' через обрабатывающее устройство ее стабилизация и центровка обеспечиваются с помощью направляющих 43. С обеспечением преимущества эти направляющие 43 можно использовать также для приложения к обрабатываемой проволоке 2' вибраций в диапазоне звуковых или ультразвуковых частот. Дополнительные рабочие химически активные газы О вводятся в устройство через впускные патрубки 44, а удаляются через выпускные патрубки 45.

На фиг. 13а и 13Ь проиллюстрирован пример осуществления устройства по предлагаемому изобретению, выполненного с возможностью плазмоструйной обработки изделия 2 с поверхностью сложного профиля, как, например, части автомобильного корпуса, выполненные из металлических листов, которое содержит обрабатывающий узел 8, установленный на перемещающем средстве 46, в качестве которого может быть использован промышленный робот. Обрабатывающий узел 8 содержит ряд блоков 47 плазмоструйных генераторов 11а и 11Ь, расположенных с возможностью перемещения относительно друг друга таким образом, что обеспечена приспособляемость блоков 47 к сложному профилю поверхности обрабатываемого объекта. Каждый блок 47 может быть снабжен чувствительным элементом (не показан), предназначенным для контролирования расстояния между блоком 47 и поверхностью обрабатываемого объекта и для управления двигателем (не показан), с помощью которого осуществляется перемещение блока 47.

Каждый блок 47 содержит по меньшей мере один катодный плазмоструйный генератор и по меньшей мере один анодный плазмоструйный генератор. Кроме того, каждый блок 47 может также содержать отверстие 48, стенки 49 которого снабжены охладительным контуром 50, при этом отверстие 48 выполнено с возможностью стабилизации плазменной струи и схватывания стабилизирующей газовой струи вокруг нее, с обеспечением сжатия, тем самым, плазменной струи 15, направляемой на поверхность обрабатываемого объекта.

Далее будут рассмотрены некоторые, не исчерпывающие объема предлагаемого изобретения, примеры осуществления способа по предлагаемому изобретению.

Пример 1. Очистка алюминиевой фольги от остатков прокатной смазки.

Два устройства для плазмоструйной обработки поверхности содержали по 10 пар анодных и катодных плазмоструйных генераторов, расположенных по обе стороны полотна обрабатываемой фольги в целях обработки фольги с обеих сторон. Было испытано два варианта расположения устройств: в первом варианте устройства были ориентированы таким образом, что обеспечивалась одновременная плазмоструйная обработка фольги с обеих сторон, как показано на фиг. 2, положение I, а во втором варианте устройства были ориентированы таким образом, что плазмоструйная обработка фольги с той и другой стороны осуществлялась последовательно, как показано на фиг. 2, положение II или положение III. Различие вариантов расположения устройств обусловило различие режимов обработки, проявляющееся в том, что температура обрабатываемой фольги в зоне, подвергающейся обработке в первом варианте (положение I) была выше, чем во втором варианте (положение II или положение III), так как в первом варианте обрабатываемая фольга не получала охлаждения от роликов, а также отсутствовал временной промежуток для охлаждения фольги, как это имеет месте при последовательной обработке. Обработке подвергалась алюминиевая фольга толщиной 100 мкм и шириной 20 см, полученная путем прокатки.

Параметры обработки были следующими.

Катодный ток (I!)	15 А
Анодный ток (Е) Ток, протекающий через обрабаты-	10 А
ваемый материал Угол между осью анодной плазмен-	5 А
ной струи и обрабатываемой фольгой Угол между осью катодной плазмен-	90°
ной струи и обрабатываемой фольгой	35°
Расход защитного газа (аргона) (Аг)	0,5 л/мин (на каждую струю)

Расход дополнительного рабочего газа: анодных плазменных струй (кислород) Р₁=0,5 л/мин катодных плазменных струй (воздух) О₂=2 л/мин Скорость протяжки фольги 3 м/с

Результаты обработки были проверены с помощью теста согласно европейскому стандарту ΕΝ 546-4, как проиллюстрировано на фиг. 7а7е. Результаты обработки получили отметку А+, что значит, что они лучше, чем наилучшие результаты, получаемые при обычно применяемых технологиях очистки.

В частности, смачиваемость фольги была проверена путем нанесения на обработанную поверхность, ориентированную горизонтально, ряда капель дистиллированной воды, как показано на фиг. 7а, и последующего наклонения этой поверхности, как показано на фиг. 7Ь.

Равномерность обработки поверхности была проверена путем нанесения на обработанную поверхность сплошной полоски из воды и последующего наклонения этой поверхности, как показано на фиг. 76.

Эти две проверки позволили продемонстрировать превосходную равномерность обработки поверхности.

Для определения остаточного углерода был применен метод Стрёльхайна (8!тоШет), в результате чего было установлено, что присутствие остаточного углерода на обработанной поверхности ниже, чем 0,1 г/м².

Обработанная поверхность была проверена также на возможное наличие твердых остатков, таких как порошки или окислы, эта проверка была выполнена путем протирания обработанной поверхности тряпочкой из гигроскопич ной хлопковой ткани, как показано на фиг. 7е. После протирки тряпочка осталась чистой, что свидетельствует об отсутствии на обработанной поверхности твердых остатков.

Исследование с помощью растрового электронного микроскопа в масштабе меньше, чем 1000 А:1 см, подтвердило, что обработанная поверхность является чистой.

Пример 2. Отжиг металлической (алюминиевой) фольги.

Отжигу подвергалась алюминиевая фольга

толщиной 100 мкм.
Устройство	Ток в
Ток	фольге нулевой 20 А
Напряжение	50 В
Угол между плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта	α=30°
Угол отклонения плазменных струй	γ=45°

Полный отжиг наблюдается при скорости протяжки фольги 0,6 м/с.

Поверхностная структура металла до и после обработки исследовалась с помощью растрового электронного микроскопа. Фотографии поверхности фольги, сделанные с помощью растрового электронного микроскопа, показаны на фиг. 8Ь (до обработки) и фиг. 8а (после обработки). На фиг. 8а можно видеть грануляционную картину отжига.

На фиг. 8с можно видеть однородную структуру, также гранулированную, по всей толщине обработанной фольги.

Измеренные величины разрывного напряжения (предельное натяжение в сочетании с растяжением) находились в пределах 300±20 кПа. Это значение соответствует наилучшим значениям для образцов алюминиевой фольги, отожженной с помощью известных способов. Было установлено, что разрыв является равномерным (±10%) по всей ширине образцов обработанной фольги.

Пример 3. Стерилизация стальной фольги.

Качество стерилизации при применении способа по предлагаемому изобретению было проверено при заражении стальной фольги микроорганизмами четырех видов. Температуры, необходимые для уничтожения этих микроорганизмов путем простого термического действия, такого как пастеризация, указаны в приводимой ниже табл. 1.

Таблица 1

№ п/п	Микроорганизм	Темп-ра термич. разрушения при воздействии в течение 1 мин
1	АзрегдШиз ищет	68°С
2	Зассйатошусез сетеу181ае	78°С
3	Ву88оеЫаш18 Гн1ма	98°С
4	ВасШиз 8иЬШ18	140°С

Капли воды, содержащие вышеуказанные микроорганизмы в концентрации 10⁹ на 1 мл, были нанесены на поверхность стальной фольги и высушены на ней перед обработкой. Плазмоструйная обработка зараженной фольги выполнялась при постоянной скорости прочесываю щего движения плазменных струй.

Условия эксперимента указаны в приво· димой ниже табл. 2.

Таблица 2

Режим обработки, № п/п	Ток, А	Рабочий газ (расход в л/мин)	Скорость прочесывания, м/с	Продолжительность воздействия плазменной струей, с
Катодный	Анодный	В фольге	В катодных струях	В анодных струях
I	15	10	5	Аргон (0,5)	Аргон (0,5)	2	0,01
II	20	10	10	Аргон (1)	Аргон (1)	1	0,01
III	25	15	10	Аргон (0,5) Воздух (2)	Аргон (0,5) Воздух (2)	1	0,01
IV	25	15	10	Аргон (0,5) Кислород (0,5)	Аргон (0,5) Кислород (0,5)	0,5	0,02

Результаты обработки сведены в приводимую ниже табл. 3.

Таблица 3

№ п/п	Микро-орга- низм	Кол-во перед обработкой	Выживание после обработки
В режиме I	В режиме II	В режиме Ш	В режиме IV
1	ЛзрегдШиз шдег	3,7х107	<10°	<100	<100	<100
2	Зассйаготусез сегеУ181ае	5,4х107	<100	<100	<100	<100
3	Ву88осЫат18 ГиКа	2,9х107	3,8х105	<100	<100	<100
4	ВасШиз зиЫШз	3,9х107	9,1х106	4,9х104	<100	<100

Как можно видеть из данных, приведенных в табл. 3, полная стерилизация, без ухудшения свойств материала, получена при обработке в режиме III при продолжительности воздействия на поверхность материала плазменной струей 0,01 с, то есть на три порядка меньше, чем продолжительность обычной термической обработки.

Примечание. Все результаты, полученные при обработке в режиме IV, показали некоторое изменение материала, что свидетельствовало о слишком большой продолжительности воздействия.

Пример 4. Нанесение пленки из двуокиси кремния (8ίΘ₂) на поверхность алюминиевой (А1) фольги.

Использовалась установка, иллюстрируемая на фиг. 1. Обработке подлежала поверхность алюминиевой фольги толщиной 30 мкм, полученной путем прокатки. Очистка (активация) поверхности фольги с помощью плазменных струй выполнялась способом по предлагаемому изобретению.

Было использовано три режима обработки поверхности.

Режим а).

Плазмоструйная обработка поверхности на постоянном электрическом токе выполнялась при следующих условиях.

Катодный ток (Г)20 А

Анодный ток (Г)12 А

Ток, протекающий через обрабатываемую фольгу6 А

Угол между осью анодной плазменной струи и обрабатываемой фольгой α=90° Угол между осью катодной плазменной струи и обрабатываемой фольгой β=30° Угол отклонения плазменных струй γ=45° Расход защитного газа (аргона) (Аг) 0,5 л/мин Расход дополнительного рабочего газа: анодных плазменных струй (аргон+гексаметилдисилан+кислород) р₁=0,5 л/мин катодных плазменных струй (аргон+кислород) О₂=2 л/мин

Скорость протяжки фольги 0,8 м/с

Эллипсометрический анализ показал, что при этом режиме обработки было осуществлено нанесение не очень равномерной по толщине (±20%) диэлектрической пленки из двуокиси кремния (8ίΘ₂), средняя толщина которой составляла 100 нм. Адгезия пленки была не вполне удовлетворительной. Диэлектрическая прочность пленки составляла 0,2х10⁶ В/см после плазмоструйной обработки. Когда образец обработанной фольги (квадрат 10 см х 10 см) был погружен в воду и подвергнут действию вибраций ультразвуковой частоты (45 кГц) мощностью 300 Вт, произошло отслаивание слоя двуокиси кремния (8ίΘ₂).

Режим Ь).

Плазмоструйная обработка поверхности на постоянном электрическом токе выполнялась при условиях режима а), при этом дополнительно использовалось переменное магнитное поле частотой 800 Гц с магнитной индукцией 1,5х10^-4 Тл, которое прикладывалось к плазменным струям, как показано на фиг. 13. При этом было достигнуто существенное улучшение равномерности толщины нанесенной пленки (±5%). Остальные результаты были практически теми же, что и при обработке в режиме а).

Режим с).

Плазмоструйная обработка поверхности на однополярном импульсном электрическом токе выполнялась при следующих условиях.

Катодный ток (С)	20 А
Анодный ток (12)	12 А
Ток, протекающий через обрабатываемый материал	8 А
Соответствующие углы	α=30°
Частота однополярных импульсов	β=90° γ=45° 25 кГц

Длительность переднего фронта импульса 2 мкс Длительность импульса 20 мкс

Значения расхода газов и скорость протяжки фольги - как в режиме а).

Эллипсометрическйй анализ показал, что при этом режиме обработки было осуществлено нанесение достаточно равномерной по толщине (±5%) диэлектрической пленки из двуокиси кремния (8ίΘ₂), средняя толщина которой составляла 180 нм. Адгезия пленки была вполне удовлетворительной. Отслаивания слоя двуокиси кремния (8ίΘ₂) при погружении образца обработанной фольги (квадрат 10 см х 10 см) в воду и приложений вибраций ультразвуковой частоты (45 кГц) мощностью 300 Вт в течение 20 мин не наблюдалось. Диэлектрическая прочность пленки составляла 0,3х10⁷ В/см.

Claims (45)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ обработки объекта из электропроводного материала с помощью атмосферной плазмы, включающий следующие действия: генерирование плазменных струй с помощью плазмоструйных генераторов, приложение плазменных струй к поверхности объекта, подлежащего обработке, и перемещение обрабатываемого объекта относительно плазмоструйных генераторов, характеризующийся тем, что по меньшей мере одна из плазменных струй является катодной плазменной струей и по меньшей мере одна из плазменных струй является анодной плазменной струей, при этом приложение анодной плазменной струи к зоне обработки на поверхности обрабатываемого объекта осуществляют вблизи места приложения катодной плазменной струи.
2. 2. Способ п.1, характеризующийся тем, что электрический ток для генерирования катодной и анодной плазменных струй разделяют на три ветви, одна из которых (1₃) протекает через обрабатываемый объект, а две других (I! и 1₂) подают на анодные и катодные плазменные струи.
3. 3. Способ по п.1 или 2, характеризующийся тем, что катодная плазменная струя образует с поверхностью обрабатываемого объекта острый угол α.
4. 4. Способ по пп. 1, 2 или 3, характеризующийся тем, что анодная плазменная струя образует с поверхностью обрабатываемого объекта угол β, который больше, чем угол α, образуемый между катодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта.
5. 5. Способ по п.4, характеризующийся тем, что значение угла β, образуемого между анодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта, близко к 90° или практически равно ему.
6. 6. Способ по пп.3, 4 или 5, характеризующийся тем, что значение угла α, образуемого между катодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта, находится в диапазоне от 25 до 60°.
7. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что он включает генерирование ряда анодных плазменных струй и ряда катодных плазменных струй, расположенных с чередованием и ориентированных в направлении, поперечном по отношению к направлению перемещения обрабатываемого объекта относительно плазмоструйных генераторов.
8. 8. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что импульс, получаемый катодными плазменными струями, имеет более высокую мощность, чем импульс, получаемый анодными плазменными струями.
9. 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что поток воздуха или другого рабочего газа, увлекаемого вместе с перемещаемым обрабатываемым объектом, отделяется от поверхности обрабатываемого объекта перед зоной поверхности, подвергающейся обработке.
10. 10. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что потоку рабочего газа, увлекаемого перемещаемым обрабатываемым объектом, придают ламинарность перед зоной поверхности, подвергающейся обработке.
11. 11. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что плазменные струи ориентированы под острым углом γ по отношению к направлению ν перемещения обрабатываемого объекта относительно плазмоструйных генераторов.
12. 12. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что обрабатываемый объект имеет форму фольги.
13. 13. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что плазменные струи располагают по обе стороны полотна фольги.
14. 14. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что плазменные струи, находящиеся с одной стороны полотна фольги, расположены со смещением относительно плазменных струй, находящихся с другой стороны полотна фольги.
15. 15. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что обрабатываемый объект имеет форму проволоки.
16. 16. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что соз дают один или несколько потоков дополнительного рабочего газа О. направленных на плазменные струи для расширения или сжатия плазменных струй, направленных на поверхность обрабатываемого объекта.
17. 17. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что к обрабатываемому объекту во время плазмоструйной обработки прикладывают вибрации звуковой или сверхзвуковой частоты.
18. 18. Способ по п.17, характеризующийся тем, что вибрации звуковой или сверхзвуковой частоты создаются в процессе генерирования плазмы через подаваемые электрические импульсы, при этом длительность переднего фронта тока подаваемых электрических импульсов является недостаточной для того, чтобы процесс нарастания тока был изохорическим.
19. 19. Способ по п.18, характеризующийся тем, что частота подаваемых импульсов электрического тока равна частоте вибраций в звуковом диапазоне частот или близка к ней.
20. 20. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что генерирование переменного магнитного поля осуществляют таким образом, что имеет место качание плазменных струй.
21. 21. Способ по п.20, характеризующийся тем, что частота ν колебаний магнитного поля равна отношению относительной скорости перемещения обрабатываемого объекта к диаметру плазменных струй или больше этого отношения.
22. 22. Устройство для осуществления способа по любому из предшествующих пунктов, характеризующееся тем, что оно содержит по меньшей мере один катодный плазмоструйный генератор и по меньшей мере один анодный плазмоструйный генератор, расположенные таким образом, что обеспечено приложение анодной плазменной струи к зоне обработки на поверхности обрабатываемого объекта вблизи места приложения катодной плазменной струи.
23. 23. Устройство по п.22, характеризующееся тем, что оно содержит электрическую цепь для подачи питания на плазменные струи, при этом замыкание одного из контуров этой электрической цепи осуществлено через часть обрабатываемого объекта и содержит средства для изменения электрического тока 1₃, протекающего через обрабатываемый объект.
24. 24. Устройство по п.22 или 23, характеризующееся тем, что плазмоструйный генератор содержит электрод, стабилизирующий канал, сопло для формирования плазменной струи и систему подачи газов, обеспечивающую возможность введения и регулирования потока газа, с помощью которого осуществлена защита электрода, и дополнительных газов, подводимых к плазменной струе.
25. 25. Устройство по пп.22, 23 или 24, характеризующееся тем, что плазменная струя катод ного плазмоструйного генератора направлена на поверхность обрабатываемого объекта под углом α, который является острым.
26. 26. Устройство по пп.22, 23, 24 или 25, характеризующееся тем, что плазменная струя анодного плазмоструйного генератора направлена на поверхность обрабатываемого объекта под углом β, который больше, чем угол α, образованный между катодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта.
27. 27. Устройство по п.26, характеризующееся тем, что угол β, образованный между анодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта, близок к 90° или практически равен 90°.
28. 28. Устройство по п.26 или 25, характеризующееся тем, что угол α, образованный между катодной плазменной струей и поверхностью обрабатываемого объекта, находится в диапазоне от 25 до 60°.
29. 29. Устройство по любому из пп.22-28, характеризующееся тем, что оно содержит ряд анодных и катодных плазмоструйных генераторов, расположенных с чередованием в направлении, поперечном по отношению к направлению перемещения обрабатываемого объекта относительно плазмоструйных генераторов.
30. 30. Устройство по любому из пп.22-29, характеризующееся тем, что в направлении, поперечном по отношению к направлению ν перемещения обрабатываемого объекта, чередование катодных и анодных плазмоструйных генераторов осуществлено таким образом, что ось каждого плазмоструйного генератора определенной полярности расположена с одинаковым удалением от осей двух соседних плазмоструйных генераторов, которые имеют противоположную полярность.
31. 31. Устройство по любому из пп.29 или 30, характеризующееся тем, что оно содержит по меньшей мере два ряда плазмоструйных генераторов, расположенных по обе стороны обрабатываемого объекта, имеющего форму фольги, таким образом, что обеспечена возможность одновременной или последовательной обработки обеих сторон полотна этой фольги.
32. 32. Устройство по любому из пп.22-31, характеризующееся тем, что оно содержит стабилизирующее средство, предназначенное для стабилизации воздушного потока, расположенное по ходу перемещения обрабатываемого объекта перед зоной плазмоструйной обработки.
33. 33. Устройство по п.32, характеризующееся тем, что стабилизирующее средство включает элементы, расположенные по обе стороны полотна обрабатываемой фольги с образованием узкого зазора для прохождения этой обрабатываемой фольги, и средство для введения в этот зазор дополнительных газов О, выполненное с возможностью контроля и регулирования газовой смеси в зоне плазмоструйной обработки.
34. 34. Устройство по любому из пп.22-33, предназначенное для обработки фольги, характеризующееся тем, что оно содержит стабилизирующее средство, предназначенное для стабилизации воздушного потока, снабженное системой охлаждения, расположенное по ходу перемещения обрабатываемого объекта после зоны плазмоструйной обработки.
35. 35. Устройство по любому из пп.22-34, характеризующееся тем, что оно содержит газодинамические подшипники, расположенные по ходу перемещения обрабатываемого объекта перед плазмоструйными генераторами и после них.
36. 36. Устройство по п.35, характеризующееся тем, что каждый газодинамический подшипник включает корпус, в котором выполнен впускной канал 36, предназначенный для подачи под давлением воздуха и имеющий сообщение через коллектор 37 с выходными выпускными каналами 38, вектор направления течения воздуха в которых имеет составляющую, противоположную направлению ν движения обрабатываемой фольги, благодаря чему обеспечено создание воздушной подушки между фольгой и корпусом газодинамического подшипника.
37. 37. Устройство по п.36, характеризующееся тем, что обеспечено водяное охлаждение газодинамических подшипников, расположенных по ходу перемещения обрабатываемого объекта после плазмоструйных генераторов.
38. 38. Устройство по п.36 или 37, характеризующееся тем, что выходные отверстия выпускных каналов имеют продолговатую форму и распределены в направлении поперек направления движения полотна фольги, при этом угол δ между продольным направлением выходных отверстий выпускных каналов и направлением движения обрабатываемой фольги близок к 0° в центральной части полотна фольги с постепенным увеличением по мере приближения к боковым краям полотна обрабатываемой фольги.
39. 39. Устройство по п.22, предназначенное для обработки проволоки, характеризующееся тем, что оно содержит несколько рядов анодных и катодных плазмоструйных генераторов, расположенных вдоль обрабатываемой проволоки.

    Фиг. 1
40. 40. Устройство по п.39, характеризующееся тем, что каждый ряд плазмоструйных генераторов содержит пары анодных и катодных плазмоструйных генераторов, расположенных практически симметрично относительно обрабатываемой проволоки.
41. 41. Устройство по п.39 или 40, характеризующееся тем, что каждый ряд плазмоструйных генераторов отделен от соседнего ряда с помощью трубчатого кожуха-реактора.
42. 42. Устройство по п.41, характеризующееся тем, что трубчатый кожух-реактор снабжен входным коллектором и выходным коллектором, предназначенными соответственно для впуска и выпуска дополнительных химически активных газов, а также входными и выходными направляющими, предназначенными для придания направления обрабатываемой проволоке при ее прохождении через устройство в процессе обработки.
43. 43. Устройство по п.22, предназначенное для обработки фольги или профилированного листа, характеризующееся тем, что оно содержит ряд блоков 47 плазмоструйных генераторов 11а и 11Ъ, расположенных с возможностью перемещения относительно друг друга таким образом, что обеспечена приспособляемость блоков 47 к сложному профилю поверхности обрабатываемого объекта.
44. 44. Устройство по п.43, характеризующееся тем, что блок снабжен чувствительным элементом, предназначенным для контролирования расстояния между блоком и поверхностью обрабатываемого объекта и для управления двигателем, с помощью которого осуществляется перемещение блока.
45. 45. Устройство по п.43 или 44, характеризующееся тем, что блок включает корпус, имеющий отверстие 48, стенки которого снабжены охладительным контуром 50, при этом отверстие 48 выполнено с возможностью стабилизации плазменной струи и схватывания стабилизирующей газовой струи вокруг нее, с обеспечением сжатия, тем самым, плазменной струи 15, направляемой на поверхность обрабатываемого объекта.