МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

СПОСОБЫ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ

1. СУЩНОСТЬ МИКРОПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Изложенные выше результаты исследования свидетельствуют о том, что изменением состава среды можно эффективно воздей­ствовать на энергетические характеристики дуги и создавать высококонцентрированные источники тепла. Они явились осно­вой ноьых способов термической обработки материалов малых толщин, в частности микроплазменной сварки как при нормаль­ном, так и при низком давлении. Большая потребность многих отраслей промышленности в получений высококачественных сварных соединений при изготовлении различных гонкостенных изделий и прецизионных конструкций открыла микроплазменной сварке широкие перспективы и определ-ила темпы ее развития.

Способ микроплазменной сварки на постоянном токе дугой прямой полярности был разработав в Швейцарии фирмами «Сешерон» и «Мессер — Грисхайм» в 1965 г. В этом же году оборудование по швейцарскому образцу было создано в Англии фирмой «Бристол аэроджет».

Другая английская фирма «Бритиш оксиджен корпорейшн» в 1968 г. сообщила о разработанной ею аппаратуре для микро­плазменной сварки. В эти же годы микроплазменная сварка на­чала применяться и во Франции. В США этот вид сварки впер­вые был внедрен фирмой «Линде» в 1966 г.

С 1966 г. плазменной сваркой металлов малых толщин (Ь < ] мм) занимаются в ЧССР, позже — в НРБ, ГДР и ПНР.

В Советском Союзе малоамперная сжатая дуга для сварки тонких материалов применялась в начале 60-х годов. Работы велись в основном в НИИАТе и в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР. В ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР были начаты комплексные исследования по изучению физических процессов в малоамперной дуге, на основе которых были разработаны новые способы микроплазменной сварки металлов малых тол - шин, в том числе алюминия и его сплавов на переменном токе, а также других металлов и сплавов однополярными и разномо­лярными импульсами тока. Создана аппаратура и разработана технология микроплазменной сварки практически всех метал­лов и сплавов. Основные разработки института по данной про­блеме защищены патентами многих стран.

Основными недостатками малоамперной аргоновой дуги, за­трудняющими осуществление качественной сварки металлов малых толщин, являются низкая стабильность (во времени и в пространстве) дуги на малых токах и малая плотность тока в анодном пят. не. Повышение плотности тока путем правильного выбора защитного газа ведет к увеличению падения напряже­ния на дуге и к еще большему снижению устойчивости ее горе­ния. Кроме того, свободно горящая дуга с вольфрамовым като­дом не позволяет применять в качестве защитных сред химически активные газы, которые существенно повышают плот­ность тока в анодном пятне.

Работы по плазменной сварке на больших токах показали, то сжатая дуга, формируемая каналом плазмотрона, имеет значительно большую пространственную устойчивость, чем сво­бодно горящая, а раздельная подача плазмообразующего и защитного газов позволяет применять при сварке различные смеси газов, в том числе и обигащенные химически активными газами.

Указанные преимущества сжатой дуги приемлемы также и Дw7Я сварки металлив малых толщин (о< 1 мм), что обусло­вило появление по существу нового способа — микроплазменной сварки.

Сжатая дуга, используемая в качесіве концентрированного источника тепла, получила за рубежом название микроплазмы, что подчеркивало основное ее назначение: обработка тонких и особо тонких материалов.

Микроплазма формируется специальной горелкой — плазмо­троном. Использование различных защитных газов делает мик­роплазму высококонцентрированным дуговым источником теп­ла. Применение дежурной дуги обеспечивает устойчивость про­цесса даже при весьма малых токах, вплоть до /д « 0,1 А, что позволяет осуществлять сварку металлов таких малых толщин (о ~ 0,01 мм), которые недоступны при аргонодуговой сварке.

Сварка подавляющего большинства металлов производится в непрерывном или импульсном режиме дугой прямой поляр­ности, горящей между вольфрамовым электродом плазмотрона и изделием в струе плазмообразующего инертного газа, как правило, аргона.

Для предотвращения взаимодействия расплавленной ван­ночки жидкого металла и околошовной зоны с атмосферой по

2 в-247
периферии дуги подают защитный газ: аргон, гелий, азот, угле - кислый газ, смеси аргона с водородом, аргона с гелием, аргона с азотом и другие смеси в зависимости от свойств свариваемого металла.

Раздельная подача плазмообразующего газа и защит­ного обусловливают отличительную особенность микроплаз­мы: ее прикатодная область существует в среде плазмо­образующего газа, а столб и прианодная область — пре­имущественно в среде защитного газа. Это обстоятельство позоляет управлять формой дуги и ее технологическими свойствами. Степень неоднородности газовой среды в раз­рядном промежутке зависит от соотношения расходов плаз­мообразующего и защитного газов, формы и геометри­ческих размеров сопел плазмотрона, а также теплофизических свойств газа. Правильный выбор защитного и плазмообразую­щего газов, их расходов, а также конструктивные особенности горелки обеспечивают конусообразную форму сжатой дуги с вершиной, обращенной к изделию (рис. 14), и высокую концент­рацию энергии на аноде. Такую форму дуги легко объяснить, исходя из изложенных выше результатов теоретических иссле­дований. У среза сопла плазма существует преимущественно в струе аргона. По мере приближении к аноду плазмообразую­щий и защитный газы все сильнее перемешиваются, и разряд горит уже в смеси этих газов. Чем ближе к аноду, тем больше процентное содержание защитного газа. Если при этом защит­ный газ имеет больший коэффициент теплопроводности, чем

Рис* 14*

Внешний вид дуги при микроплазменной свар­ке* Защитный газ —смесь 90% Аг + 10% На.

шіазмообразующий, то степень сжатия дуги по мере прибли­жения к аноду увеличивается.

Отмеченная форма дуги наблюдается в аргоно-водородной смеси, гелии, азоте, углекислом газе при правильно выбранном расходе плазмообразующего газа. Если защитным газом являет­ся аргон, форма дуги цилиндрическая «ли даже расходящаяся в направлении к изделию. Практически цилиндрическую фор­му приобретает дуга также на токах более 20 А, где, как пока­зали теоретические исследования, влияние среды на контраги - рован-ие дуги заметно ослабляется. В этом случае ее диаметр определяется в основном диаметром канала сопла. При боль­ших расходах плазмообразующего газа из зоны горения дуги оттесняется защитный газ и эффект фокусировки также ослаб­ляется.

Для получения качественных сварных соединений из особо тонких металлов (й < 0,2 мм) в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР разработан способ импульсной микроплазменной сварки, сущность которого сводится к следующему. Нагрев и плавление металла осуществляются в течение импульса тока длительностью ти дугой прямой полярности. В промежуток вре­мени между импульсами (во время паузы тп) ванночка жидкого металла остывает, металл кристаллизуется и формируется свар­ная точка. Частота импульсов и скорость сварки выбираются так, чтобы обеспечить определенную величину перекрытия свар­ных точек. Таким образом, новая сварная точка формируется из непроплавленного и частично переплавленного металла. Под­бирая амплитуду и длительность импульса тока, а также дли­тельность паузы, можно исключить прожоги металла даже в случаях остановки плазменной горелки или неравномерности ее перемещения, характерной для ручной сварки. Импульсная микроплазменная сварка значительно облегчает процесс свар­ки и улучшает качество сварных соединений. Она позволяет получать качественные соединения из металлов и сплавов, со­держащих легко испаряющиеся химические элементы, сварка которых дугой постоянного тока всегда сопровождается значи­тельными трудностями. Импульсную микроилазменную сварку успешно применяют при изготовлении (герметизации) метал - лостеклянных изделий, корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, где не допускается перегрев приборов.

Развитие сварочной техники связано с поиском новых сред для защиты ванночки расплавленного металла. Существующие защитные среды в некоторых случаях не удовлетворяют требо­ваниям современной техники. При сварке химически активных и тугоплавких металлов необходимо применять более эффек­тивные средства защиты с минимальным содержанием кисло­рода, азота, водорода и паров воды. Такой средой является тех - 2*

Глава вторая. Способы ^«яроплазменной сварки

нический вакуум, хорошие защитные свойства которого под­тверждены экспериментально при сварке активных и тугоплав­ких металлов.

Способ плазменной сварки в вакууме (10_J — 5 * I0-4 мм рт. ст.) обеспечивает хорошие качества неразъемных соединен ний металлов толщиной более 1 мм. Это достигается благодаря контрагированию дуги низкого давления, наблюдаемому на то* ках свыше 80 А. При снижении тока, что необходимо для свар­ки металлов толщиной менее 1 мм, качество формирования шва резко ухудшается, а при токах менее 50 А вести сварку без спе­циальных магнитных линз невозможно, так как при этом эф - фект замагниченности электронов собственным магнитным по­лем тока дуги уменьшается и столб дуги сильно расширяется.

Результаты исследований процесса контрагирования и энер­гетических характеристик импульсной дуги низкого давления позволили рекомендовать этот источник нагрева для сварки тонких металлов. Питание дуги импульсами тока дает возмож­ность уменьшить средний сварочный ток и при ампаитуде боль­ше 80 А сохранить высокую плотность (примерно 50 А/мм2) в течение всего импульса. Выбором параметров импульсною ре­жима (ампл-итуды тока, длительности импульсов, частоты и следования) можно регулировать в широком диапазоне средний ток (2,5—50 А) и мощность (0,1—2,5 кВт) дуги низкого давле­ния. При этом удается сваривать металл весьма малой толщи­ны (0,1—0,2 мм).

Применение прямонакального катода упрощает процесс воз­буждения и обеспечивает стабильное горение импульсной дуги на малых частотах следования импульсов тока вплоть до оди­ночных.

Импульсной дуюй прямой полярности можно сваривать различные химически активные металлы (титан, никель, молиб­ден, тантал), углеродистые и нержавеющие стали, цветные металлы и их сплавы и т. п.

Микроплазма прямого действия нашла широкое применение в промышленности для сварки и резки тонких металлов. В то же время для пайки, сварки фольги, а также резки фольги и тонких сеток часто требуется точная дозировка малых тепло­вых мощностей. Таким источником тепла может служить мик­роплазма косвенного действия. Ее преимуществом является также то, что она позволяет обрабатывать неметаллические ма­териалы. В этой связи микроплазма косвенного действия откры­вает интересные возмож-ности для решения ряда задач, напри­мер автоматического раскроя текстильных и других волокнист тых материалов.

Таким образом, микроплазма как высококонцентрироваштый источник тепла на прямой полярности в непрерывном и им­
пульсном режиме применяется: для высококачественной сварки тонкостенных изделий и прецизионных конструкций из различ­ных черных и цветных металлов и их сплавов (сталь, никель, титан, молибден, ниобий, палладий, ковар, медь, латунь и др.)» для прецизионной наплавки и заварки микротрещин и микро - дефекюв ь готовых изделиях; для приварки проводов при изго­товлении различных электро - и радиотехнических устройств; для пайки, резки и других процессов термической обработки тонких материалов, требующих концентрированного источника тепла.