МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ

Микроплазменную сварку применяют в настоящее время прак­тически для всех металлов и сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов. Наибольшее распространение для изготовления тонкостенных сварных конструкций получили углеродистые н легированные стали. За ними следуют алюми­ний и алюминиевые сплавы. В последние годы в промышлен­ности широко используют также тонколистовую медь, никель, титан, тугоплавкие металлы и сплавы, а в некоторых случаях и благородные металлы.

Технология сварки различных металлов и сплавов во многом зависит от их физико-химических свойств. В настоящей главе приведены основные сведения о характерных особенностях и режимах сварки черных и цветных металлов. Техника сварки в каждом конкретном случае должна разрабатываться с учетом свойств данного металла или сплава, а также типов соедине­ний и конструкции изделия. При выборе технологии следует учитывать технические требования к качеству сварных сое­динений, наличие соответствующего оборудования и технологи­ческой оснастки.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКЕ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ

Сварное соединение, выполняемое микроплазменной сваркой, состоит из основного металла, металла околошовной зоны, зо­ны сплавления и шва. Исходя из конструкции изделия, шов при данном способе сварки можно получать только за счет пере­плавленного основного металла или за счет основного и допол­нительного (присадочного) металла. Размеры околошовной
зоны, прилегающей к шву и претерпевающей определенные структурные изменения вследствие нагрева и последующего ох­лаждения, при микроплазменной сварке обычно не превышают нескольких миллиметров. Зона сплавления, представляющая собой совокупность пограничных участков околошовной зоны и металла шва, в большинстве случаев при микроплазменной сварке практически пе обнаруживается.

Вследствие многообразия условий изготовления и эксплуа­тации изделий сварные соединения металлов малых толщин можно классифицировать по различным признакам. В зависи­мости от взаимного расположения свариваемых элементов при­меняют стыковые, угловые и нахлесточные соединения. Стыко­вые соединения сваривают, как правило, стыковыми швами. В угловых и нахлесточных соединениях при расплавлении сва­риваемых кромок образуются швы более сложной формы, отли­чающиеся от швов, получаемых при дуговой сварке металлов средних и больших толщин.

При микроплазменной сварке стыковые соединения (рис. 87, а) применяют для металлов толщиной 0,1—2,0 мм. Разделка свариваемых кромок для этих толщин не произво­дится. В случае необходимости сварки элементов различной толщины на более толстом из них выполняют скос кромок с одной или двух сторон до толщины меньшего элемента (рис. 87,6). В том случае, если разница в толщинах неболь­шая (не более чем в 2—3 раза), скос кромок не производят. Частым вариантом стыковых соединений металлов толщиной менее 0,2—0,3 мм являются соединения с отбортовкой кромок (рис. 87, в).

Сварку стыковых соединений осуществляют в прецизионных зажимных приспособлениях на технологических подкладках. При сварке легких металлов и сплавов толщиной 0,5—2,0 мм с использованием присадочной проволоки в подкладках преду­сматривают канавки овальной, прямоугольной или треугольной формы. Канавки служат для формирования обратной стороны шва. Ширина и глубина формирующей канавки в зависимости от толщины металла соответственно равны 2—3 и 0,2—0,5 мм. Металлы толщиной до 0,3 мм сваривают преимущественно на подкладках без формирующих канавок.

Качественное соединение легких металлов и сплавов тол­щиной 0,2—0,5 мм при сварке с присадочной проволокой может быть получено, если стыкуемые кромки соединяемых элемен­тов деформировать по форме канавки в подкладке с выводом торцов кромок в корень шва за пределы основного металла (рис. 87, г) [53]. По этой схеме в процессе сборки стыковых соединений производят предварительный изгиб свариваемых кромок по форме канавки в технологической подкладке, к кото­рой поджимают кромки свариваемых металлов. Сборку осу­ществляют с перекрытием кромок друг другом на величину (2—4)й. Образовавшееся углубление заплавляют в процессе сварки присадочной проволокой.

При оплавлении кромки верхнего листа образуется ванночка жидкого металла, которая, растекаясь, уплотняет зазор между свариваемыми кромками, что дает возможность производить сварку тонкого металла без прожогов. Предварительное форми­рование кромок по канавке позволяет вывести нахлесточное соединение за пределы плоскости основного металла. Последнее способствует удалению окисных пленок из рабочего сечения шва. При этом достигается стабильное сплавление обеих кро­мок. Введение дополнительной присадки обеспечивает качест­венные швы, толщина которых превышает толщину свариваемо­го металла. Варьируя количество присадочного металла и глу­бину канавки в технологической подкладке, можно получать усиление швов различной формы, в том числе заподлицо с ос­новным металлом.

Ориентировочные размеры стыковых швов на металлах тол­щиной 0,3, 0,5 и 1,5 мм приведены на рис. 88 [54, 55]. Основ­ными конструктивными элементами таких швов являются об­щая толщина шва, ширина провара в верхнем и нижнем осно­ваниях, величина проплава и высота усиления (ослабления).

При микроплазменной сварке стыковых соединений приме­няют односторонние швы, выполняемые обычно за один проход с полным проплавленисм кромок на всю толщину металла. Для обеспечения высококачественных соединений в некоторых случаях может предусматриваться также многократное ведение дуги вдоль шва с одной стороны. Параметры режимов каждого прохода при этом изменяются. Такие приемы используют, на­пример, для стыковых соединений кольцевых швов. Первый проход, выполняемый на малых токах, служит для прихватки соединяемых кромок. Следующим проходом добиваются пол­ного проплавлення кромок.

В угловых соединениях (рис. 89) угол между сопрягаемыми элементами может быть прямым, острым или тупым. Швы угло­вых соединений в зависимости от угла расположения детален по форме являются стыковыми и торцовыми. Угловые соеди­
нения с тупым углом между сопрягаемыми элементами толщи­ной более 0,5 мм спаривают аналогично стыковым соединениям. Если толщина металла меньше 0,5 мм, соединяемые кромки - собирают впритык и выполняют сварку торцовым швом. Затем сваренные элементы разгибают на необходимый угол. Соеди­нения впритык (иногда их называют торцовыми или бортовыми соединениями) весьма распространены при микроплазменной сварке. Такие соединения для данного способа сварки наибо­лее технологичны, поскольку при их выполнении отпадает необ­ходимость применения присадочной проволоки и технологиче­ских подкладок.

Как известно, аргонодуговая сварка не всегда обеспечивает качественные торцовые соединения, особенно для металлов с тугоплавкими поверхностными окислами. Вследствие более вы­сокой концентрации энергии при микроплазменной сварке такого типа соединений достигается глубина проплавления, превышаю­щая толщину свариваемого металла. Это обстоятельство позво­ляет рекомендовать торцовые соединения для изделий, от кото­рых требуются высокая прочность и плотность. Торцовые соеди­нения выполняют, как правило, за один проход.

В нахлесточных соединениях при микроплазменной сварке предусматривают проплавление верхнего и нижнего листов на всю их глубину (рис. 90, а). Как и при других способах сварки плавлением, микроплазменной сваркой можно получать также

Рис. 88.

Размеры стыковых швов металла толщиной 0,3 (а), 0,5 (б) и 1,5 (в) мм.

нахлесточные соединения с электрозаклепочными и шпоночными швами, заполняемыми присадочным металлом (рис. 90, б, в). Техника сварки тавровых соединений при микроплазменпом способе затруднена. Такие соединения следует заменять стыко­выми, угловыми или торцовыми.

Микроплазменную сварку применяют для нижних, верти­кальных, горизонтальных и потолочных швов (рис. 91). Естест­венно, технологически в большинстве случаев наиболее просто выполнять швы в нижнем положении. Однако, поскольку при микроплазменной сварке объем сварочной ванны небольшой, возникают благоприятные возможности получения качественных швов, расположенных в различных пространственных положе­ниях. Примером служит сварка неповоротных стыков трубо­проводов, ось которых занимает горизонтальное положение. Вследствие малого объема сварочной ванны силы поверхност­ного натяжения надежно удерживают жидкий металл от стека - иия, в том числе при сварке участков швов, расположенных в потолочном положении. Следует отметить, что выполнение потолочных и горизонтальных швов в значительной мере упро­щается при импульсной микроплазменной сварке.

Поскольку микроплазменную сварку применяют Для тонко­стенных, а в некоторых случаях и для миниатюрных изделий, к технике сборки и сварки соединений предъявляются повышен­ные требования. Резку листовых заготовок осуществляют на ручных и механических гильотинных ножницах, рабочие части которых тщательно очищены от загрязнений. Из-за малой тол­щины заготовок размечать их керном или чертилкой рекомен­дуется только для линий реза. Остальная разметка произво­дится карандашом. Кромки стыков тщательно очищают от поверхностных загрязнений. Рихтовку заготовок следует произ­водить деревянным молотком с плоским рабочим основанием.

В процессе сборки изделий для фиксации отдельных элемен - тов применяют прецизионную оснастку с соответствующими

удобными зажимными устройствами. При сборке без прихваток сборочные приспособления должны обеспечивать минимальные величины зазоров и превышений кромок. В случае протяжен­ных швов перед сваркой производят постановку прихваток длиной 3—5 мм. При сборке и сварке особо тонких заготовок (Ь <0,1 ч-0,2 мм) целесообразно пользоваться оптическими средствами, обеспечивающими многократное увеличение объек­тов изображения.

Стабильность процессов микроплазмеиной сварки в значи­

тельной мере зависит от формы рабочей части вольфрамового электрода и его расположения в сопле. Перед установкой вольф­рамового электрода в цапгу горелки конец его затачивают на конус с углом в вершине 10—15°. Непосредственно перед свар­кой следует проверить центровку вольфрамового электрода в

плазмообразующем сопле. Острие электрода должно находить­

ся строго по оси внутреннего канала сопла с глубиной погру­жения относительно нижнего среза не более 0,5 мм. При откло­нении электрода от центра или глубоком погружении его в сопло затрудняются возбуждение и горение дежурной дуги, нарушается устойчивость горения основной дуги. Если электрод установлен правильно, длина факела дежурной дуги, выдува­емого из отверстия сопла, должна быть не менее 1,5—2 мм.

При горении вспомогательной дуги возбуждение основной дуги достигается довольно легко сближением горелки с местом сварки. После зажигания дуги на изделии необходимо выдер­жать некоторое время, пока расплавится основной металл и образуется ванночка с блестящей поверхностью. Только после этого в ванну можно подавать присадочную проволоку. Если конец присадочной проволоки окислился, производят удаление окисленной части с помощью кусачек. При ручной микроплаз­менной сварке горелку следует располагать к изделию под уг­лом вперед на 60—80°, а при автоматической — на 80—90°. Угол между присадочной проволокой и горелкой в процессе сварки должен быть около 90°. Поперечное колебание при мик­роплазменной сварке не производят. Присадочный пруток вво­дят впереди дуги. Включение и выключение дуги осуществляют обычно с помощью малогабаритной кнопки, расположенной на горелке. Защитный газ после отключения дуги подают еще в течение нескольких секунд для предохранения нагретого участка шва от окисления.

В качестве неплавящихся электродов при микроплазменной сварке используют проволоку из вольфрама с активирующими присадками окислов лантана, иттрия или тория. Электроды из чистого вольфрама не обеспечивают стабильного зажигания

и горения микроплазменной дуги. Выпускаются лантанирован - ные электроды марок ЭВЛ-10 и ЭВЛ-20 и иттрированные — марки ЭВИ-30. Цифры в обозначении ьольфрамовых электро­дов указывают на количество активирующих присадок в деся­тых долях процента. Так, в электроде марки ВИ-30 содержится около 3% окиси иттрия, в электроде ВЛ-10 содержится 1% лантана. Следует отметить, что вследствие естественной радиоак­тивности тория производство и применение торированных вольф­рамовых электродов для сварки в настоящее время ограничено.

Добаьки к вольфраму окислов лантана и иттрия повышают стойкость электрода, облегчают зажигание дуги и увеличивают устойчивость дугового разряда. Применение вольфрамовых электродов возможно только при использовании неокислитель­ной атмосферы (инертные газы и вакуум), а также азота, с которым вольфрам не реагирует даже при высоких темпера­турах.

Сопла плазменных горелок изготовляют из молибдена марки М4 (рис. 92, а, б). Рекомендации по выбору сопел и диаметров вольфрамовых электродов при сварке постоянным током пря­мой полярности приведены в табл. 12.

Надежность газовой защиты оказывает решающее влияние на качество сварных соединений. Защитный газ должен изо­лировать от атмосферного воздуха как ванночку расплавлен­ного металла, так и нагретый конец присадочной проволоки. Вольфрамовый электрод и внутренняя полость молибденового сопла защищаются плазмообразующим газом (аргоном). На эффективность газовой защиты зоны плавления влияют многие факторы: расход газа, форма и размеры сопла, расстояние от сопла до изделия, герметичность узлов горелки, положение горелки, геометрия сварного соединения, скорость перемещения

Рис. 92.

Кинструкция плазмообразующих сопел горелки ОБ-ПбОА для ручной (о) и горелки ОБ-1213 для автоматической (б) сварки.

воздушных потоков. Наилучший характер истечения газовой струи обеспечивает сопло с цилиндрической или конической формой выходного отверстия. Чрезмерно большой расход газа нарушает ламинарность газового потока. При этом завихрение струи газа приводит к подсосу воздуха, т. е. к ухудшению защиты. При малых расходах защитного газа струя легко откло­няется от сварочной ванны, особенно при работе на сквозняках.

Завихрения газовой струи могут возникать вследствие не­ровностей ибре^а сопла, а также наличия загрязнения на его внутренней поверхности. Газовая защита нарушается также вследствие инжектирования воздуха инертным газ-ом через не­плотности в шлангах или вследствие неправильного положения присадочного прутка. Для обеспечения надежной защиты ме­талла угол между присадочным прутком и плоскостью металла должен быть не более 20—30°. Газовая защита улучшается с уменьшением расстояния от торца сопла до ванны. Однако при этом затрудняется визуальное наблюдение за дугой. Опти­мальное расстояние от торца сопла до плоскости свариваемого металла находится в пределах 2—5 мм. Хорошие условия газо­вой защиты создаются при сварке стыковых швов. Несколько хуже защита при выполнении соединений впритык и угловых соединений. Улучшения газовой защиты в некоторых случаях можно достигнуть применением отражательных экранов, уста­навливаемых в местах расположения швов.

Выпускаемые в настоящее время источники питания для микроплазменной сварки обеспечивают устойчивое горение дуги при ее длине до 4—6 мм. Рабочую длину дуги следует выбирать в пределах 2—3 мм. При этом обеспечивается удовлетворитель­ная защита швов, а неизбежные колебания длины дуги в диа­пазоне ±1,5 мм мало сказываются на ее проплавляющей спо­собности.

По сравнению с аргонодуговой сваркой при микроплазмея - ном способе имеется большее количество параметров режимов. Помимо расхода защитного газа, величины сварочного тока, диаметра вольфрамового электрода, скорости сварки, диаметра и скорости подачи присадочной проволоки при микроплазмен-

ной сварке следует принимать во внимание расход плазмооб­разующего газа, ток дежурной дуги, диаметр канала плазмо­образующего сопла, длительность импульсов и пауз. При сварке асимметричным переменным током или разнополярными им­пульсами немаловажное значение имеют соотношение токов прямой (/пр) и обратной (/Сб) полярности (так называемый коэффициент асимметрии тока), а также жесткость режима, характеризуемая соотношением длительностей импульсов соот­ветствующих полярностей. Каждый из перечисленных парамет­ров режимов микроплазменной сварки оказывает влияние на качество сварных соединений.

Наиболее распространенным дефектом при сварке металлов малых толщин являются прожоги. Они образуются обычно при* завышенной величине сварочного тока, низкой или неравно­мерной скорости сварки, чрезмерно большом расходе плазмо­образующего газа, а также при увеличенном зазоре между сва­риваемыми кромками и неплотном прижатии кромок к техно­логической оснастке. При отсутствии присадочной проволоки или недостаточной скорости ее подачи, большом зазоре между кромками и завышенном сварочном токе могут иметь место заниженные размеры швов. Если скорость подачи присадочной проволоки завышена, а сварочный ток и скорость сварки недо­статочны, образуются швы с увеличенным усилением. Завышен­ные размеры швов связаны с большими сварочными деформа­циями, ухудшением внешнего вида изделий, а иногда и со сни­жением вибрационной прочности сварных соединений. При зани­женных размерах швов уменьшается статическая и вибрацион­ная прочность сварных соединений. Неустойчивый режим свар­ки, переменный зазор между кромками и наличие прихваток завышенного сечения приводят к нарушению равномерного формирования швов. При резких обрывах дуги в швах могут образоваться незаваренные кратеры и даже прожоги. При сварке торцовых соединений из-за завышенной величины тока и низкой скорости сварки образуются односторонние или дву­сторонние наплывы, ухудшающие внешний вид швов и нару­шающие их геометрические размеры. Этот вид дефектов уда­ляют механическим путем.

Расход плазмообразующего газа при микроплазменной свар­ке в зависимости от толщины и свойств свариваемого металла находится в пределах 0,1—0,8 л/мин. При выборе оптимального расхода плазмообразующего газа необходимо иметь в виду, что чрезмерное его увеличение ухудшает формирование швов и приводит к эффекту резки металла. С другой стороны, малый расход плазмообразующего газа снижает устойчивость горения дуги. Особенно важно правильно выбрать расход плазмообра­зующего газа при сварке металла толщиной менее 0,2 мм.

В зависимости от толщины свариваемого металла величину тока дежурной дуги выбирают в пределах 1—5 А. Меньшей толщине металла соответствуют меньшие значения токов де­журной дуги. При сварке металлов толщиной не более 0,1 мм бо избежание чрезмерного разогрева металла длинный факел дуги не рекомендуется.

Соотношение между параметрами импульсов и скоростью микроплазменной сварки должно обеспечивать перекрытие сварных точек на величину не менее 50% их диаметра. Жест­кость режима сварки G, характеризуемая отношением длитель­ности паузы тп к длительности импульса ти> находится в пре­делах G= —■= 0,5-=-10.

и

В общем случае процесс микроплазменной обработки состо­ит из ряда последовательных операций: возбуждения и поддер­жания горения дежурной и основной дуги; манипуляции горел­кой для придания шву требуемой формы; направления дуги ■и перемещения ее вдоль кромок; подачи присадочного мате­риала и прекращения процесса сварки. По степени механизации указанных операций различают ручную и автоматическую свар­ку. При ручной сварке все перечисленные операции выполняют без применения механизмов; при автоматической — с приме­нением механизмов перемещения горелки, подачи проволоки, корректировки и пр. Возможна также полуавтоматическая мик- роплазменная сварка, при которой присадочную проволоку на­правляют в зону сварки механизмом подачи, а перемещение горелки вдоль шва осуществляют вручную. Применяют микро - плазменную сварку с одной или несколькими горелками. Ис­пользование многодуговой сварки позволяет в несколько раз повысить производительность процесса и довести линейную скорость сварки до нескольких сот метров в час.

Условия работы сварных тонкостенных конструкций во мно­гих случаях характеризуются высокими давлениями, цикли­ческим характером нагрузок, значительными скоростями пере* мещения, повышенными и отрицательными температурами экс­плуатации. Обеспечение надежности и долговечности таких изделий зависит от свойств сварных соединений. Последние определяются качеством основного металла и технологических материалов (присадочной проволоки, защитных и плазмообра­зующих газов), состоянием сборочно-сварочного оборудования и оснастки, квалификацией сборщиков и сварщиков, правиль­ностью сборки деталей и соблюдением заданной технологии и техники сварки. При изготовлении изделий из металлов малых толщин большое значение имеют наличие простых и удобных способов выявления качества сварных соединений, а также возможность быстрым и надежным выборочным контро -

лем предупредить отклонения сварных швов от норм, которые снижают прочность, плотность, коррозионную стойкость, жаро­прочность и другие служебные характеристики сварных изделий, Для предупреждения образования дефектов в соединениях, выполненных микроплазменной сваркой, производят предвари­тельный контроль, контроль в процессе выполнения сварки (текущий контроль) и окончательный контроль готовой про­дукции. Внешний осмотр производят с помощью лупы с увели­чением от 2 до 10 раз. Он обязателен для всех швов и выпол­няется на всем их протяжении. При этом проверяют равномер­ность формирования швов, отсутствие наплывов, подрезов, про­жогов, наружных трещин и пор. Внешнему осмотру подвергают основной металл и исходные сварочные материалы, качество подготовки заготовок и сборки, сборочно-сварочные приспособ­ления и оборудование. Перед сборкой контролируют качество заготовок. Их размеры должны соответствовать требованиям чертежа, а шероховатость поверхности — требованиям техноло­гического процесса. В собранной конструкции определяют пере­косы, несовмещения кромок, величину зазоров, общие размеры узла, размеры и места расположения прихваток. Проверка при­способлений заключается в контроле базовых размеров, фикса­торов и крепежных деталей, а также состояния поверхности мест, соприкасающихся с изделием.

‘ Сварочное оборудование должно обеспечить точность и правильность установки и регулирования режимов сварки. В процессе сварки величину тока и напряжения контролируют амперметром и вольтметром, а в некоторых случаях и осцил­лографами. При окончательном контроле сварных изделий по­мимо внешнего осмотра и обмера швов применяют специаль­ные методы испытаний качества согласно техническим требо - ваниям на данное изделие.

*