Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Плазменная сварка

Плазма (от греч. plasma, букв. — вылепленное, оформлен­ное) — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практичес­ки одинаковы.

Термин «плазма* ввели в 1929 г. И. Ленгмюр и Л. Тонке. Большой вклад в развитие учения о плазме внесли советские уче­ные — Л. Д. Ландау, А. А. Власов, А. Д. Сахаров, американские ученые И. Е. Тамм, Л. Спитцер.

Современные ученые выделяют плазму как четвертое состо­яние вещества, наряду с газом, жидкостью и твердыми телами. В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселен­ной — звезды, звездные атмосферы, межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, проявления которого мы наблюдаем о виде полярных сияний.

При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, рез­ко усалится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превратятся в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть выз­вана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фото - иониаация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Свободные заряженные частицы, особенно электроны, лег­ко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в со­став плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внут­ри плазмы было равно нулю - Именно отсюда вытекает необходи­мость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в плазме — ее квазинейтральности. Нарушение квазиней - тральности плазмы в объеме, ею занимаемом, ведет к немедлен­ному появлению сильных электрических полей пространствен­ных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность.

Принято выделять два типа плазмы:

- низкотемпературная плазма с температурой внутри её ниже 105 К;

- высокотемпературная плазма с температурой выше 10в-108К.

На сегодняшний день плазму получают следующими спосо­бами:

- электрическим разрядом в газах (дуговой, искровой, тле­ющий);

- в процессах горения и взрыва.

Плазма обладает так называемыми коллективными процес­сами. Ее можно рассматривать как упругую среду, в которой лег­ко возбуждаются и распространяются различные шумы, колеба­ния и волны. Причем плазма обладает наличием собственных колебаний и волн. Таким образом, плазма резко отличается от газов. Например, электропроводность полностью ионизированной плазмы превосходит электропроводность серебра. Поэтому плаз­му можно рассматривать как идеальный проводник.

Плазменная технология подразумевает различные методы обработки и получения материалов с использованием плазменной струи или плазменной дуги.

Наиболее широкое распространение получили атмосферные (при нормальном давлении) плазменные методы обработки мате­риалов — резание, напыление, наплавка, сварка, выращивание монокристаллов.

В 1980-х годах эффективное развитие получили ионно-плаз­менные технологии. Процессы обработки материалов с помощью ионно-плазменной технологии реализуются в вакууме с помощью плазменных ускорителей. Благодаря этому удается наносить сверхтвердые, жаростойкие, коррозионно-стойкие покрытия.

Плазму получают в специальных устройствах — плазмотро­нах. Плазмотрон — устройство для создания плотной (с давле­нием порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (до 104 К) с помощью электрического разряда в газах, дающее плазменный поток.

Принцип работы плазмотрона заключается в следующем: холодный газ непрерывным потоком продувают через область, где горит стационарный разряд. Газ нагревается, ионизирует­ся, превращается в плазму, которая истекает в виде плазменной струи.

На практике применяют следующие виды плазмотронов,

работающих^

- на дуговом разряде;

- пеннинг-разряде;

-ВЧ и СВЧ-разрядах (высоко - и сверхвысокочастотных);

- с ионизацией газа электронным пучком;

~ фокусировкой оптического разряда с помощью лазера.

Наибольшее практическое применение получили плаз - мотроны на дуговом электрическом разряде. Дуговой плазмот­рон может работать на постоянном или переменном токе. Мощ­ность дуговых плазмотронов — от 102 до 107 Вт.

Температура на срезе сопла — 3000-20 000'С. Скорость истечения струи 1—104м/с> промышленный к. п.д — 50-90%. Плотность тока в плазмотронах достигает 100 А/мм2.

В качестве плазмообразующего газа используют аргон (температура плазмы— 15000-30000'С), азот (температура плаз­мы —10000-15000°С) или смесь газов, а также водяной пар (тем­пература плазмы до 10000°С).

Применяют два основных плазменных источника нагрева для сварки:

- плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги;

- плазменную дугу, совмещенную с плазменной струей.

Соответственно применяют два типа плазменных горелок.

В горелках (рис. 9а) для получения плазменной струи дуга (1) горит между вольфрамовым электродом (2) и соплом (4), к которому подключен положительный полюс источника тока. Электрод изолирован от корпуса горелки керамической проклад­кой (3). Сопло интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит яркосветящаяся плазменная струя (5). Горелка питается током прямой полярности от источников С падающей характеристикой.

Плазменная струя представляет собой независимый источ­ник теплоты» позволяющий в широких пределах изменять сте­пень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Теп­ловая мощность плазменной струн ограничена, ее применяют для резки и сварки тонких металлических листов и диэлектрических материалов, а также для напыления тугоплавких материалов на поверхность заготовок.

Горелки, предназначенные для сварки, снабжены вторым концентрическим соплом (б), через которое подается защитный газ. Сопло электрически нейтрально и служит для сжатия и ста­билизации дуги.

Сжатие столба происходит следующим образом: рабочий газ, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи.

Плазменная струя имеет форму ярко выраженного конуса (рис. 9а) с вершиной, обращенной к изделию и окруженной факелом.

Устройство горелок для получения плазменной дуги (рис. 96) принципиально не отличается от устройства горелок первого типа. Только дуга горйт между электродом и изделием.

Процесс возбуждения плазменной дуги между электродом И ' изделием осуществить очень трудно. Поэтому дуга вначале возбуждается между электродом и соплом (дежурная дуга), а за­тем при касании ее факела изделия происходит автоматическое зажигание основной дуги между электродом и изделием. Для это­го к соплу подключен токопровод от положительного полюса ис­точника тока.

Плазменная дуга обладает большей тепловой мощностью по сравнению с плазменной струей, т. к. в изделие вводится допол­нительное тепло от электрического тока дуги. Плотность тепло­вого потока плазмотрона в десятки раз больше теплового потока при сварке плавящимся электродом.

Различают следующие виды плазменной технологии:

- плазменная сварка со сквозным проплавлением (толщина материала свыше 3 мм);

- плазменная сварка плавлением (толщина материала 1-3 мм);

- микроплазменная сварка (толщина материала 0,01-1 мм).

На рисунке 10 представлена конструкция микроплазменной

горелки.

Оборудование для плазменно-дуговой сварки, резки, напыления:

- источник питания плазменной дуги с вертикальной вольт - амперной характеристикой;

- плазменная горелка-плазмотрон;

- системы подачи газа и охлаждения горелки;

- порошковый питатель (для напыления);

- устройства перемещения и фиксации деталей;

- система приточно-вытяжной вентиляции.

Преимущества плазменной технологии:

- высокая концентрация теплоты;

- высокая стабильность горения, что обеспечивает лучшее качество сварных швов;

- возможность сварки металлов до 10 мм без разделки кро­мок и применения присадочных материалов;

- возможность вести сварку на низких токах ОД-25 А, в режиме микроплазменной сварки листов металла толщи­ной 0,01-0,8 мм;

- при увеличении тока дуги и расхода газа проникающая плазменная дуга позволяет вести резку любых современ­ных материалов;

- введением в плазменную дугу присадочных металлов производят напыление, наплавку любых металлов, от лег­коплавких и до тугоплавких;

-возможность сваривать металлы с неметаллами;

- минимальная, по сравнению с другими способами, зона термического влияния;

- более низкие термические деформации по сравнению с другими видами сварки;

-возможность обработки (сварка, напыление, резка) тугоплавких, жаропрочных металлов;

- пониженный расход защитных газов по сравнению с ар - гонно-дуговой сваркой;

- высокотехнологичный процесс, возможность автомати­заций.

Недостатки плазменной технологии:

- высокочастотный шум в комбинации с ультразвуком;

- электромагнитное излучение оптического диапазона (УФ, ИК, видимый спектр);

-ионизация воздуха;

- выделение паров материала в виде аэрозолей;

- недолговечность сопла плазменной горелки вследствие высокотемпературной нагрузки;

- сложность аппаратуры требует подготовки высоко­квалифицированного персонала.