ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Плазменная сварка

Плазменная сварка - сварка плавлением, при которой нагрев производится сжатой дугой.

Источником теплоты при плазменной сварке является плазмен­ная струя - направленный поток ионизированных частиц газа, с тем­пературой до 20000оС. Плазменная дуга, являясь концентрированным источником теплоты, обладает большой проплавляющей способно­стью.

Плазменной дугой можно сваривать заготовки без разделки кромок толщиной до 10 мм. Плазменная дуга, обладая высокой ста­бильностью, позволяет выполнять микроплазменную сварку заготовок толщиной 0,025.0,8 мм. Если увеличить расход плазмообразующего газа, то можно резко поднять тепловую мощность, скорость истечения и давление плазмы. Такая дуга дает сквозное проплавление, и выдува­ет расплавленный метал, т. е. возможно осуществлять резку металла. Плазменную дугу используют для сварки металлов (высоколегиро­ванной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама) и неме­таллов; резки всех материалов; наплавки; напыления и так далее.

Различают два вида плазмы: изотермическую (возникает при на­греве газа до температур, достаточных для термической ионизации га­за) и газоразрядную (образуется при электрическом разряде газа).

Получение изотермической плазмы требует предварительного нагрева газов до 3000. 5000оК. При этих температурах кинетическая энергия атомов достигает значений, при которых в результате взаим­ных столкновений, разрушаются их внешние электронные оболочки, и нейтральные атомы превращаются в положительно заряженные ионы. Освободившиеся электроны выбивают новые электроны с оболочек других атомов, и процесс наращивания электронов и ионов приобре­тает лавинообразный характер. Г аз переходит в состояние плазмы. Если плазмообразующим газом является водород, то практически все его ядра теряют электронную оболочку и плазма представляет собой смесь их положительно заряженных ядер и не связанных с ними отри­цательно заряженных электронов. Если в образовании плазмы участ­вуют ядра с большим, чем у водорода атомным весом (имеющих большее количество электронных оболочек, например - аргон), то атомы теряют электроны с внешних оболочек. При температуре 10000. 2000оК ионизация не заканчивается. Плазма состоит из сво­бодных электронов и ионов сохранивших на своих внутренних обо­лочках электроны. Следовательно, проникающая (проплавляющая) способность такой плазмы выше, чем у водородной. Однако для зажи­гания такой плазмы необходим дополнительный нагрев (введение до­полнительной энергии).

Возбуждение газоразрядной плазмы осуществляется с помощью дугового разряда. При соответствующей разности потенциалов и силе тока, между катодом и анодом возбуждается дуговой разряд. При ат­мосферном давлении температура столба электрической дуги равна 5000. 6000оК. Если электрический дуговой разряд обдувать потоком плазмообразующего газа, то возможно возбуждение плазменной дуги.

Строение возбужденной плазменной дуги показано на рис. 2.29. По длине дуги можно выделить три области: I - анодная; II - столб дуги и III - катодная. На аноде электроны свободно входят в материал электрода, ионам покинуть электрод значительно труднее. Поэтому у анода произойдет скопление электронов. В анодной области появится отрицательный объемный заряд, обуславливающий падение напряже-

Л

ние иа (иа=1.5 В, плотность тока /а=1.100 А/ мм ). На катоде ионы газа свободно проходят к электроду, а электронам, для того чтобы выйти из электрода, необходимо преодолеть потенциальный барьер. Это приводит к скоплению ионов у катода. В катодной области поя­вится положительный объемный заряд обуславливающий падение на­Л

пряжение ик (ик=5..10 В, плотность тока /к=10. 1000 А/ мм ). Обе пе­реходные области (анодная и катодная) растянуты на величину соиз­меримую с длиной свободного пробега электрона и характеризуются резким скачком температуры от относительно холодных электронов к горячей плазме. Между переходными областями располагается ци­линдрический канал, заполненный квазинейтральной плазмой (столб дуги III). Под квазинейтральностью (квази - как бы) плазмы понима­ют равенство нулю алгебраической суммы зарядов в достаточно большом объеме (нет избытка электронов или ионов). Масса ионов на порядок больше массы электронов, поэтому, более подвижные элек­троны отбирают практически всю энергию электрического поля дуги. Поэтому принято считать, что ток в столбе дуги переносится электро­нами.