Содержание страницы
1. Особенности плазменной сварки
Получение сжатой дуги.
Плазменной сваркой называют сварку сжатой дугой. При сжатии температура дуги повышается до 12 000– 20 000 °С (температура обычной сварочной дуги 6000 °С). Столб дуги помещают в узкий канал, который ограничивает его расширение. Устройство для получения сжатой дуги называют плазмотроном.
Наиболее распространены способы получения плазменных струй путем сжатия и интенсивного охлаждения газовым потоком столба дугового разряда, горящего в сравнительно узком водоохлаждаемом канале плазменной горелки.
Простейший плазмотрон (см. рисунок) состоит из изолятора, неплавящегося электрода и медного охлаждаемого водой сопла.
Схемы дуговых плазмотронов прямого (а) и косвенного (б) действия: 1 – изолятор; 2 – электрод; 3 – сопло; 4 – обрабатываемая деталь; 5 – сварочная дуга
В сопло тангенциально (по касательной к его цилиндрической поверхности) или аксиально (вдоль оси электрода) подают плазмообразующий инертный, нейтральный или содержащий кислород газ, который в столбе сварочной дуги нагревается до высокой температуры. Плазмотроны могут работать на постоянном и на переменном токе.
Применение сжатой дуги.
Сварку сжатой дугой применяют при изготовлении изделий из высоколегированных сталей, титана, никелевых сплавов, молибдена, вольфрама и многих других металлов и их сплавов. Пятну нагрева при сварке сжатой дугой может быть придана различная форма при помощи специальных сопел. Если необходимо иметь пятно нагрева вытянутой формы, в сопле делают два дополнительных отверстия. Через них поступает холодный плазмообразующий газ. Он уменьшает поперечный размер пятна нагрева и придает ему вытянутую форму.
При сварке таким соплом зона термического влияния сужается, а скорость сварки возрастает на 50–100 %. Соплом с дополнительными отверстиями создают фокусирующий газовый поток, направленный под углом к оси столба дуги и дополнительно сжимающий дугу.
При плазменной сварке применяют сварочный ток силой 3–300 А, напряжение дуги достигает 25–35 В, средняя скорость сварки составляет 30–50 м/ч. Расход аргона в 5–6 раз меньше, чем при сварке свободной дугой. Сжатой дугой сваривают детали толщиной 0,05–10,0 мм, отношение глубины проплавления к ширине шва (коэффициент формы шва) составляет 3:1 при толщине свариваемых кромок 3–10 мм.
Сжатой дугой можно производить сварку с глубоким проплавлением, образуя в сварочной ванне сквозное отверстие, по форме напоминающее сверху замочную скважину. Столб дуги при этом погружается в ванну почти на всю толщину кромки детали, выдавливая жидкий металл. При движении дуга как бы раздвигает расплавленный металл, направляя его в хвостовую часть сварочной ванны.
Процесс похож на плазменную резку, но жидкий металл из ванны не удаляется. С обратной стороны через отверстие вырывается факел остывающего газа. Такой способ сварки требует очень точного поддержания режимов сварки и качественной подготовки стыка, так как металл в ванне удерживается только за счет сил поверхностного натяжения.
Расход плазмообразующего газа устанавливают таким, чтобы его истечение из сопла было спокойным, без завихрений. Давление плазменной струи на поверхности сварочной ванны не должно нарушать формирование шва.
Сжатой дугой сваривают встык за один проход без разделки кромок и без присадки листы толщиной до 10 мм. В этом случае сжатая дуга особенно эффективна. Сжатой дугой можно сваривать практически в любом пространственном положении. При сварке листов толщиной до 25 мм требуется Vили U-образная разделка кромок.
Глубина и угол разделки значительно меньше, чем при сварке открытой дугой в аргоне. Количество присадочного металла при сварке сжатой дугой снижается примерно в 3 раза. Для предохранения металла шва от окисления обратную сторону шва рекомендуется защищать инертным газом. Для этого применяют подкладные планки с канавками.
При сварке сжатой дугой, кроме общеизвестных параметров режима дуговой сварки, назначают диаметр сопла плазмотрона, а также состав и расход плазмообразующего газа.
При сварке труб сжатая дуга резко повышает производительность. Замена аргонодуговой сварки открытой дугой на сварку сжатой дугой труб из коррозионно-стойкой стали с толщиной стенки 2,3–7,0 мм увеличивает скорость сварки на 50–200 %.
К преимуществам сварки сжатой дугой относят стабильность процесса сварки и формирования сварного шва; высокое качество защиты сварного шва при меньшем расходе аргона (в 10–30 раз); большие скорости сварки; меньшие остаточные деформации свариваемых изделий; улучшение условий работы сварщиков.
2. Плазмотроны
Плазмотроны для сварки – это сочлененные в едином корпусе изолированные друг от друга катодный и сопловой узлы. Электрический ток, охлаждающая вода, рабочий и защитный газы подводятся к плазмотрону по кабельному шланговому пакету, который стыкуется с плазмотроном либо внутри рукоятки ручной плазменной горелки, либо посредством штуцерных соединений, расположенных в верхней части плазмотрона, предназначенного для механизированной сварки.
В плазмотронах для сварки в качестве рабочего и защитного газов используется в основном аргон (реже гелий), а в качестве катода тугоплавкий, стойкий к инертной среде вольфрамовый стержень, закрепленный в цанговом зажиме или впаянный в медный водоохлаждаемый катододержатель.
Плотность тока в канале сопла j = 4I / (πd2), где I – ток дуги; d – диаметр канала сопла. Обычно j невысокая (7–14 А/мм2 на токах 200–300 А), чем обусловлено формирование слабообжатой плазменной дуги, обеспечивающей спокойный (без выплесков) процесс сварки или наплавки.
Широкое применение нашли плазмотроны типов УСДС, Р-45 и Т-169, входящие в комплект установок МПУ-4 и выпускавшиеся ранее для микроплазменной сварки алюминия А-1281, А-1343, Н-136 и др. Плазмотроны ОБ-2592 и ОБ-2628 отличаются высокими техническими характеристиками, удобством в эксплуатации и обслуживании, ими комплектуются источники питания УМПС-0301, Н-167, Н-155.
Различают плазмотроны прямого и косвенного действия. В плазмотронах косвенного действия дуга горит между электродом и соплом. Их применяют при обработке неэлектропроводных материалов и в качестве нагревателей газа.
Для сварки и резки чаще применяют плазмотроны прямого действия. В них дуга горит между электродом и обрабатываемой деталью (см. рисунок). Расстояние между ними в плазмотроне больше, чем при сварке горелками для свободной дуги, поэтому сжатую дугу зажигают в две стадии. После подачи в плазмотрон газа зажигают вспомогательную (дежурную) дугу между электродом и соплом плазмотрона искровым разрядом от осциллятора или замыкают промежуток «электрод – сопло» графитовым стержнем, хотя последнее и повышает износ электрода и сопла.
Дежурную дугу питают от отдельного маломощного источника или от основного источника через ограничивающее сопротивление, чтобы ограничить ее ток и уменьшить износ сопла. Под действием газа дежурная дуга образует струю плазмы небольшой мощности. При ее соприкосновении с обрабатываемой деталью зажигается рабочая дуга. Если в цепь детали включить контактор, рабочую дугу можно зажигать в нужный момент времени. После зажигания рабочей дуги дежурная при автоматической сварке может отключаться. Для ручной сварки лучше, если дежурная дуга горит постоянно.
Напряжение сжатой дуги всегда выше, чем свободной, при их одинаковой длине. Это объясняется тем, что при сжатии дуги стенками сопла в ней возрастает плотность тока, что ведет к увеличению напряженности электрического поля.
Плазмообразующий газ, попадая в дугу, проникает в ее столб и, проходя вдоль канала, нагревается. Плотность газа уменьшается, возрастает его объем. Поэтому резко увеличивается скорость газа по мере его движения вдоль канала. Она достигает максимума на выходе из сопла. Нагретый в дуге газ, сталкиваясь с поверхностью свариваемой детали, нагревает и оплавляет ее. Под давлением газа расплавленный металл раздвигается, тепло передается непосредственно твердому металлу дна сварочной ванны. Поэтому эффективная тепловая мощность примерно в 2 раза выше, чем у свободной дуги.
Меняя расход газа и диаметр канала сопла, можно изменять давление струи плазмы, а также плотность теплового потока, передаваемого от дуги к детали. Это основные технологические преимущества сжатой дуги, позволяющие регулировать размеры и форму сварочной ванны.
В сжатой дуге достигается более высокая плотность теплового потока, особенно при малой мощности дуги. Это позволяет получать узкие швы с малой шириной зоны термического влияния и увеличивать скорость сварки.
Поскольку плазмообразующий газ передает детали значительную долю общей полезной мощности, а нагрев газа сильно зависит от всех параметров режима, эффективный КПД сжатой дуги можно изменять в пределах 30–80 %. Другим преимуществом сжатой дуги является повышение ее пространственной устойчивости. Уменьшается блуждание активного пятна по поверхности детали из-за стабилизирующего действия плазмообразующего газа. Это улучшает формирование шва.
Напряжение сжатой дуги существенно зависит от рода плазмообразующего газа. Это обусловлено различной способностью газов поглощать энергию при высокой температуре дуги. Более высокое напряжение имеет дуга, горящая в газе, имеющем большие теплоемкость и теплопроводность.
При сварке в качестве плазмообразующего газа обычно берут аргон. Он имеет хорошие защитные свойства и обеспечивает высокую стойкость электрода. Теплоемкость и теплопроводность аргона низкие, поэтому дуга в нем имеет самое низкое напряжение, что удобно при ручной сварке.
Назначение и конструкция сопла.
Назначение сопла – регулирование энергетических характеристик дуги. К основным параметрам сопла относятся диаметр и высота его канала, форма рабочей камеры плазмотрона. Диаметр и высоту сопла выбирают в зависимости от силы рабочего тока, состава и расхода плазмообразующего газа. При этом приходится подбирать наиболее благоприятное сочетание таких показателей, как технологические возможности и надежность работы плазмотрона, стойкость сопла и электрода. Более важен показатель надежности.
Дуга постоянного тока прямой полярности.
На практике чаще применяют дугу прямой полярности, обеспечивающую более высокую стойкость неплавящегося электрода. Кроме того, такая дуга передает детали наибольшую мощность, ею сваривают высоколегированные стали, титановые сплавы, медь.
При сварке алюминиевых сплавов сжатая дуга прямой полярности не используется, так как не обеспечивает разрушения тугоплавкой оксидной пленки. Хорошо разрушается пленка оксида алюминия при сварке аргоновой сжатой дугой на обратной полярности, однако при этом низка тепловая эффективность передачи теплоты детали и высока тепловая нагрузка на электрод плазмотрона – анод. Допустимый ток на электрод в этом случае в 20 раз меньше, чем при прямой полярности. Стойкость электродов повышают, применяя плазмотроны с интенсивным охлаждением электрода.
Дуга переменного тока.
Главный недостаток дуги переменного тока – низкая устойчивость повторных зажиганий при смене полярности. Это усугубляется в сжатой дуге, так как ее столб интенсивно охлаждается плазмообразующим газом. Чтобы повысить устойчивость дуги, необходимы или высокое напряжение источника питания, или специальные сложные стабилизаторы. Поэтому сжатая однофазная дуга переменного тока практически не используется.
Конструкция катода.
Тип и конструкция катода плазмотрона определяются составом плазмообразующего газа. Для работы в инертных газах (аргон, азот и их смеси) применяют катоды из вольфрама. Их выполняют в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным в электродном узле плазмотрона, или в виде стержня вольфрама, закрепленного в медной держалке.
Последняя конструкция предпочтительнее, так как благодаря лучшим условиям для отвода теплоты обеспечивает более высокую плотность тока на катоде и уменьшает расход дорогостоящего вольфрама. Катоды, работающие в содержащих кислород газах (например, в углекислом газе), называют термохимическими. Их делают в виде активных вставок из гафния и циркония, которые запрессовывают заподлицо в медные держалки с диаметром, зависящим от тока дуги.
3. Установки для плазменной сварки
Для ручной и механизированной сварки плазменной дугой применяют как универсальные, так и специализированные установки. Плазменные установки представляют собой комплекты из плазмотрона (плазменной горелки), источника его питания, механизма подачи присадочной проволоки, механизма перемещения плазмотрона вдоль и поперек оси шва и системы управления электрическими и газовыми параметрами плазменной дуги.
Источники питания плазмотронов для сварки выполнены на базе сварочных выпрямителей с падающими внешними вольтамперными характеристиками и повышенным напряжением холостого хода (до 80 В) марок ВДУ-305, ВДУ-504-1 и др.
Система управления включает в себя пульт и при необходимости шкаф управления, в которых размещены устройство зажигания дуги УПД-1 (или осцилляторы ОСИ-300, ОСИ-500), регуляторы расхода газа, электроблокировки, отсекатели и другие элементы водяных и газовых коммуникаций, коллектор кабельшлангового пакета плазмотрона, разъем электрического кабеля для подключения к источнику питания. На пульте расположены приборы контроля и регулирования параметров плазменного процесса. В установках для ручных плазменных процессов пульт управления чаще всего встроен в корпус источника питания, а в установках для механизированных процессов вмонтирован в панель управления установок.
Для ручной сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной до 5 мм выпускают установки УПСР-300-2 и УПСР-300-3, в состав которых входят источник питания ВД-303, шкаф управления и плазмотрон ПРС-0401.
Установки для плазменной сварки производят двух типов: для ручной сварки УПС-301 и механизированной УПС-503.
Комплект установки УПС-301 содержит источник питания ВДУ-305, блок управления, комплект ротаметров и ручной плазмотрон ПРС-0301. Установка УПС-301 предназначена для сварки на постоянном токе прямой полярности меди и ее сплавов толщиной 0,5–3,0 мм; коррозионно-стойкой стали толщиной 0,5– 5,0 мм и на постоянном токе обратной полярности алюминия и его сплавов толщиной 1–8 мм; может быть использована для ручной аргонодуговой сварки.
Напряжение холостого хода этой установки 80 В, рабочее напряжение дуги 18–40 В. Плазмотрон установки УПС-301 имеет комплект сменных сопел с различными диаметрами канала и обеспечивает сварку на токах силой 25–315 А при прямой и 25–70 А при обратной полярности. Его конструкция обеспечивает возможность возбуждения дуги касанием свариваемого изделия.
Наличие переносного пульта управления позволяет приблизить его к сварщику, облегчает зажигание дуги, настройку расхода газа и величину сварочного тока. Установка обеспечивает работу в трех режимах: непрерывном, импульсном, точечном. Длительность импульса и паузы регулируют в пределах 0,1–1,0 с.
Установка УПС-503 предназначена для сварки в среде инертных газов на постоянном токе прямой полярности меди и ее сплавов толщиной до 6 мм, коррозионно-стойкой стали толщиной 3–8 мм и на постоянном токе обратной полярности алюминия и его сплавов толщиной 5–16 мм. В состав установки УПС-503 входят самоходная подвесная головка с направляющей балкой, источник питания ВДУ-504-1, блок управления и блок газовой и водяной аппаратуры, плазмотроны ПМС-315 и ПМС-501.
Специализированные установки снабжены автоматическими системами управления сварочными режимами и коммутационной аппаратурой. Установка УДГ-161 предназначена для сварки коррозионно-стойких сталей постоянным током. Защитный газ подается за 1–2 с до начала сварки и прекращается через 10 с после ее окончания. Дистанционный пульт управления позволяет с расстояния до 10 м регулировать режим сварки, изменять время заварки кратера, управлять газовым клапаном и встроенным осциллятором.
Установка УДГ-501-1 предназначена для сварки переменным током алюминия и его сплавов. У этого аппарата две ступени плавного регулирования сварочного тока. Время заварки кратера от 0 до 30 с, после чего ток автоматически отключается.
4. Установки для микроплазменной сварки
Особенности микроплазменной сварки.
Сварка сжатой дугой на малых токах (0,1–10,0 А) получила название микроплазменной сварки. При таких токах сваривают детали с толщиной кромок 0,05–0,8 мм. По сравнению со сваркой открытой дугой изменение длины малоамперной сжатой дуги оказывает значительно меньшее влияние на качество сварного соединения. Сильно возрастает пространственная устойчивость дуги.
При микроплазменной сварке в качестве плазмообразующего газа используют аргон, а в качестве защитного – аргон, гелий, азот, смеси аргона с водородом или с 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 сжатой дуги, увеличивает ее проплавляющую способность, так как в столбе дуги молекулы этих газов диссоциируют, поглошая энергию, что приводит к дополнительному сжатию дуги. Дуга приобретает форму конуса («иглы»), сходящегося к изделию. Плотность тока на острие этой «иглы» достигает 5000 А/см2.
Применение микроплазменной сварки.
Микроплазменную сварку током прямой полярности в непрерывном и импульсном режимах горения дуги широко используют при изготовлении изделий из углеродистых и легированных сталей, различных цветных металлов (медь, никель, титан), а также из благородных металлов и сплавов.
Микроплазменную сварку применяют для соединения особо тонких материалов, исправления микродефектов (микротрещин, царапин, раковин) миниатюрных деталей, резки металлов и неметаллов, для прецизионной наплавки. Малая площадь нагрева и незначительная ширина зоны термического влияния обеспечивают высокое качество соединений миниатюрных и высокоточных деталей: гофрированных трубок (сильфонов) и мембран с арматурой, миниатюрных трубопроводов, полупроводниковых приборов, конденсаторов, термопар и т. п.
Оборудование для микроплазменной сварки.
Для микроплазменной сварки выпускают оборудование серии МПУ. Установки этой серии предназначены для ручной сварки низколегированных сталей и цветных металлов толщиной 0,1–1,5 мм. Комплект оборудования включает в себя источник питания с крутопадающей внешней характеристикой, обеспечивающий четыре режима сварки в непрерывном и импульсном режимах; плазмотрон и газовую аппаратуру. Например, установка МПУ-4 рассчитана на сварку черных, цветных, легких и тугоплавких металлов и сплавов малых толщин (0,15–1,5 мм) в зависимости от физикохимических свойств свариваемых металлов и типа шва на постоянном и импульсном токе прямой и обратной полярности. Ступенчатое регулирование силы сварочного тока осуществляют переключением катушек трехфазного сварочного трансформатора, плавное – их перемещением.
Аппарат Н-146 служит для сварки черных и цветных металлов, в том числе алюминия и его сплавов, толщиной менее 2,5 мм на постоянном и переменном токе. Аппарат снабжен встроенной системой охлаждения и может быть использован как в стационарных, так и в полевых условиях. Сварочный ток регулируется перемещением подвижных катушек однофазного сварочного трансформатора.
Аппарат Н-155 предназначен для сварки переменным асимметричным током алюминия, магния и их сплавов при толщине 0,4–2,5 мм. Безынерционное регулирование сварочного тока осуществляют изменением угла открытия силовых тиристоров, раздельно включенных в цепи электрода и плазмообразующего сопла. Аппарат обеспечивает плавное нарастание и снижение величины сварочного тока, высокую устойчивость сварочной дуги вследствие ускоренного перехода сварочного тока через нулевое значение и включения при этом в дуговой промежуток стабилизирующих импульсов напряжения.
Аппарат Н-167 рассчитан на сварку черных и цветных металлов (кроме алюминия, магния и их сплавов) толщиной 0,5–3,0 мм в непрерывном и импульсном режимах тока прямой полярности. Принцип работы аппарата основан на формировании крутопадающей (близкой к «штыковой») внешней вольт-амперной характеристики сварочного трансформатора, что достигается подмагничиванием постоянным током магнитного шунта, расположенного между первичными и вторичными обмотками трехфазного сварочного трансформатора.
Аппарат характеризуется пониженными пульсациями сварочного тока и высокими нагрузочными параметрами (ПН = 100 %), что позволяет применять его в составе автоматических линий и механизированных участков при высоких скоростях сварки. В аппарате обеспечиваются снятие напряжения с плазмотрона при преднамеренном или случайном обрыве дежурной дуги и плавное гашение дуги (заварка кратера) в конце процесса сварки.