СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Плазменная сварка

Сущность, область применения и разновидности плазменной сварки

Сущность плазменной сварки. Плазменная сварка, или сварка сжатой дугой — это сварка плавлением, при которой нагрев про­водится направленной плазменной струей. Наиболее распростране­ны способы получения плазменных струй путем сжатия и интен­сивного охлаждения газовым потоком столба дугового разряда. Столб дуги помещают в узкий канал, который ограничивает его расширение.

Плазма — ионизированный газ с достаточно высокой концен­трацией заряженных частиц, содержащий практически одинако­вые количества положительных и отрицательных зарядов. Причем, хаотическое движение частиц преобладает над их упорядоченным движением в электрическом поле. Плазму, получаемую нагревом газа электрическим дуговым разрядом, принято называть сжатой дугой, ее температура может составлять 15 ООО... 30 ООО К.

Различают сварку плазменного и плазменно-дугового действия. В первом случае (рис. 3.1, а) активные пятна дуги находятся на электроде и внутренней или боковой поверхности сопла плазмо­трона — это сжатая дуга косвенного действия. В этом случае тепло­та передается к свариваемой детали за счет теплопроводности ма­териала, конвекции или излучения сжатой дуги, КПД в среднем составляет 10... 30%.

При нагреве сжатой дугой прямого действия (рис. 3.1, б) к пе - речисленным механизмам теплопередачи добавляется передача энергии заряженными частицами, движущимися в электричес­ком поле. Процесс сварки по этой схеме принято называть плаз­менно-дуговым, поскольку плазменная струя совмещена со стол­бом дугового разряда. Эффективный КПД такой сжатой дуги со­ставляет 65... 75 % и более. Максимальная плотность теплового по­тока на детали на порядок выше по сравнению со сжатой дугой косвенного действия. Допустимая электрическая и тепловая мощ­ности при прочих равных условиях выше, что обусловлено отсут­ствием активного пятна в канале сопла плазмотрона. Стойкость сопла и стабильность горения сжатой дуги прямого действия так­же выше.

Основным достоинством сжатой дуги является ее повышенная Пространственная устойчивость. Снижена возможность блуждания активного пятна по поверхности детали из-за стабилизирующего действия плазмообразующего газа, что способствует улучшению формирования шва.

В качестве плазмообразующих газов используют аргон, гелий, углекислый газ, воздух, кислород, азот, водород. При сварке в большинстве случаев применяют аргон, который имеет хорошие защитные свойства и обеспечивает высокую стойкость электрода. Теплоемкость и теплопроводность аргона меньше, чем у других

1 — изолятор; 2 — неплавящийся электрод; 3 — дуга; 4 — плазменная струя; 5 — деталь; 6 — сопло; 7 — источник питания дуги

Рис. 3.2. Схема двойной дуги при плазмен­но-дуговой сварке:

1 — неплавящийся электрод; 2 — сопло; 3 — вторые «свободные» дуги; 4 — деталь; 5 — пер­вая плазменная сжатая дуга; 6 — источник питания дуг

газов, поэтому дуга в нем имеет более низкое напряжение, что особенно важно при ручной сварке. Ценным свойством сжатой дуги является малая чувствительность глубины проплавления и ширины шва к изменению длины между соплом и свариваемой деталью (в пределах 4...8 мм) при износе вольфрамового элект­рода. Энергетические возможности сжатых дуг ограничены воз­можностью возникновения аварийного режима работы плазмо­трона — двойного дугообразования. При увеличении силы тока сжа­той дуги до определенного значения столб дуги распадается, об­разуя каскад дуг (рис. 3.2). Внешнее двойное дугообразование про­является в том, что вместо одной дуги, горящей между неплавя - щимся электродом и деталью, горят две дуги: между неплавящимся электродом и соплом, а также между соплом и деталью. Для борь­бы с двойным дугообразованием применяют конструктивные при­емы. Например, на некотором расстоянии от канала в сопло уста­навливают вставку из вольфрама, немного выступающую из тор­цевой плоскости сопла. Дуга фиксируется на вставке из-за мень­шего приэлектродного напряжения на вольфраме, чем на меди, из которой изготовлено сопло. В результате сопло не разрушается.

Область применения плазменной сварки. Плазменная сварка является дальнейшим этапом развития дуговой сварки в защит - нух газах неплавящимся электродом. Необходимость разработки процессов сварки сжатой дугой обусловлена возросшими требо­ваниями к сварным соединениям по формированию шва, оста­точным деформациям, механическим, антикоррозионным и дру­гим свойствам. Обеспечение этих требований возможно при ис­пользовании высококонцентрированных источников энергии. Плаз­менная сварка успешно конкурирует со сваркой в среде защитных газов неплавящимся и плавящимся электродами по производи­тельности, экономичности и качеству получаемых соединений. Поэтому ее стали применять в первую очередь в авиа - и ракето­строении, приборостроении, электронном и химическом маши­ностроении и других отраслях, где широко используют аргоноду­
говую сварку. По сравнению с аргонодуговой сваркой неплавя - щимся электродом плазменная сварка обладает следующими дос­тоинствами:

1 • независимость геометрических размеров зоны расплавления;

• надежность зажигания сжатой дуги благодаря наличию де­журной дуги;

• отсутствие включений вольфрама в сварном шве;

• высокая скорость сварки;

• концентрированное тепловложение и, следовательно, сни­жение деформаций свариваемых деталей при большей глубине проплавления.

При одинаковой скорости сварки для сжатой дуги необходим почти в два раза меньший ток по сравнению с аргонодуговой свар­кой. При этом обеспечивают получение более узких швов с пол­ным проплавлением. Применение сжатой дуги целесообразно так­же в тех случаях, когда требуется жесткий контроль тепловложе - ния, например при сварке тонкостенных корпусов полупровод­никовых элементов, сильфонных узлов, фильтров, датчиков, тон­костенных труб диаметром 5... 10 мм из высоколегированных ста­лей различного назначения. О широких возможностях плазменной сварки свидетельствуют примеры использования этого процесса для изготовления ответственных сварных конструкций толщиной

3.. .20 мм из низкоуглеродистых, низколегированных, высокопроч­ных и коррозионно-стойких сталей, никелевых и титановых спла­вов, меди и ее сплавов, алюминиевых сплавов. Наряду с обычны­ми условиями плазменную сварку используют для сварки метал­лов под водой и в вакууме.

Разновидности плазменной сварки. На практике чаще применя­ют сварку на постоянном токе прямой полярности, которая обеспе­чивает более высокую стойкость неплавящегося электрода. Кроме того, такая дуга передает детали наибольшую мощность, поэтому представляется возможным сваривать легированные стали, тита­новые сплавы, медь. При сварке алюминиевых сплавов сжатую дугу прямой полярности не используют, так как при этом не обес­печивается разрушение тугоплавкой оксидной пленки. Алюмини­евые сплавы успешно сваривают сжатой дугой в аргоне при обрат­ной полярности. Однако при этом низка эффективность передачи теплоты и высока тепловая нагрузка на электрод плазмотрона — анод. Допустимый ток на электрод в этом случае в 20 раз меньше, чем при прямой полярности. Повышают стойкость электродов, применяя плазмотроны с интенсивным охлаждением электрода.

Промежуточное положение по своим параметрам занимает свар­ка дугой переменного тока. Так как при переменном токе электрод является попеременно катодом и анодом, стойкость электрода всегда обеспечивается. Разрушение оксидной пленки в полупери - од обратной полярности происходит достаточно интенсивно, что обеспечивает хорошее качество сварного соединения. Главный не­достаток дуги переменного тока — низкая устойчивость повтор­ных зажиганий при смене полярности. Это усугубляется в сжатой дуге, так как ее столб интенсивно охлаждает плазмообразующий газ. Чтобы повысить устойчивость дуги, необходимы или высокое напряжение источника питания, или сложные специальные ста­билизаторы. Реализовать достоинства плазменной сварки алюми­ния позволяет возможность применения асимметричного перемен­ного сварочного тока прямоугольной формы. Схема такого процесса показана на рис. 3.3. При этом длительность протекания тока при обратной полярности выбирается минимальной, но достаточной для катодной очистки свариваемых кромок и присадочного ме­талла, что снижает тепловыделение на электроде. Прямоугольная форма сварочного тока позволяет обеспечить стабильное горение сварочной дуги при перемене полярности благодаря минималь­ному времени установления рабочего значения тока. Для этого вида плазменной сварки создан специальный источник питания И-196 и плазмотроны для работы на токе силой до 300 А. Плазменная сварка на асимметричном переменном токе может быть рекомен­дована для изготовления узлов и конструкций из высокопрочных, нагартованных алюминиевых сплавов, склонных к разупрочнению, образованию пористости и включений оксидных пленок. Данный

1 — основной источник питания; 2 — источник питания дежурной дуги; 3 ~ плазмотрон; 4 — деталь; 5 — плазмоформирующее сопло; 6 — внешнее сопло для направления защитного газа

Рис. 3.4. Схема плазмотрона для трех­фазной сжатой дуги:

] — деталь; 2 — неплавящиеся электроды; и— токоподводы-электрододержатели; 4- йзолятор; 5 — источник трехфазного тока; 6 — корпус плазмотрона; 7 — тугоплавкая вставка-сопло

способ перспективен для скоростной сварки полотнищ, стрин­герных панелей, труб различного назначения.

Разновидностью плазменной сварки на переменном токе явля­ется сварка сжатой трехфазной дугой. В плазмотроне для трехфаз­ной сжатой дуги (рис. 3.4) устанавливают два неплавящихся элек­трода. Дежурной дугой служит дуга между этими электродами, а сопло остается электрически нейтральным. Дежурная дута питает­ся от фаз основного источника питания. Когда дуги между элект­родами и деталью еще не возбуждены, сила тока межэлектродной дуги невелика, но достаточна для зажигания основных дуг. При зажигании рабочих дуг электроды — деталь легко получить отно­шение тока в детали /д к току в электроде /э: КТ = — = 1,73. Это

1э

дает возможность применять меньший диаметр электродов и по­зволяет снизить габаритные размеры и массу плазмотрона. Другое достоинство сжатой трехфазной дуги — повышение стабильности повторных зажиганий в моменты перемены полярности, так как межэлектродная дуга постоянно ионизирует дуговой промежуток электроды — деталь. Благодаря этому по устойчивости трехфазная дуга близка к дуге постоянного тока.

Весьма совершенной является плазменная сварка с аксиальной подачей плавящегося электрода через неплавящийся полый медный цилиндрический электрод (рис. 3.5). Наилучщие результаты получа­ют при применении источника питания дуги неплавящийся элек­трод — деталь с крутопадающей вольт-амперной характеристикой (ВАХ), а для дуги плавящийся электрод -- деталь — с жесткой. В этом случае наблюдается саморегулирование, обеспечивающее

при заданных условиях сварки плавление сварочной проволоки около оси сжатой дуги. Установка состоит из источника питания 9 с крутопадающей ВАХ, соединенного с кольцевым неплавящим - ся электродом и свариваемой деталью 1, тиристорного выпрями­теля 8, соединенного одним полюсом с деталью, а вторым через втулку с верхней частью мундштука 6, ‘обеспечивающего подачу сварочной проволоки — плавящегося электрода 5. Цепь обратной связи по управляющему напряжению тиристорного выпрямителя соединена с мундштуком через центрирующий элемент 7, внутри которого находится направляющая трубка, выполненная из ди­электрика. Установка надежно работает при сварочном токе сжатой дуги до 400 А, при сварочном токе дуги, горящей между плавя­щимся электродом и изделием, до 300 А; диаметр плавящейся сварочной проволоки составляет 2 мм.

Микроплазменной сваркой называют сварку сжатой дугой на малых токах (0,1... 15 А). При таких токах сваривают детали с тол­щиной кромок 0,025...0,8 мм. По сравнению со сваркой открытой дугой изменение длины малоамперной сжатой дуги оказывает зна­чительно меньшее влияние на качество сварного соединения. Ус­тойчивого и стабильного горения такой дуги на малых токах дос­тигают благодаря высокой степени сжатия столба дуги каналом сопла малого диаметра (менее 1 мм). При этом возрастает про­странственная устойчивость дуги. При микроплазменной сварке используют плазмообразующий газ аргон. В качестве защитных га­зов — аргон, гелий, азот; смеси аргона с водородом или гелием и другие газы в зависимости от свариваемого металла. Катодная об­ласть малоамперной сжатой дуги постоянного тока находится в атмосфере плазмообразующего газа, а столб дуги и анодная об­ласть — в атмосфере защитного газа. Применение в защитной сме­си молекулярных газов (азота, водорода) повышает напряжение дуги, увеличивает ее проплавляющую способность. В столбе дуги молекулы этих газов диссоциируют, поглощая энергию, что при­водит к дополнительному сжатию дуги. При микроплазменной сварке дуга может принимать конусообразную форму или приоб­ретать форму иглы, сходящейся к свариваемой детали. Плотность тока на острие этой иглы достигает 5 ООО А/см2. Высокая концен­трация энергии и иглоподобная форма малоамперной сжатой дуги обеспечивают получение узкого шва и малой зоны термического влияния, что снижает деформацию изделий на 25...30% по срав­нению с аргонодуговой сваркой. Микроплазменную сварку при­меняют для соединения особо тонких материалов, исправления микродефектов (царапин, микротрещин) миниатюрных деталей, резки металлов и неметаллов, прецизионной наплавки. Малоапер - ная сжатая дуга нашла применение в радиоэлектронике и прибо­ростроении при изготовлении полупроводников, термопар, мем­бран с арматурой, миниатюрных трубопроводов, сильфонов.