Плазмове та мікроплазмове зварювання
Плазмове та мікроплазмове зварювання
Плазмове зварювання - це те ж зварювання плавленням. Тут діє також електрична дуга. Але це вже стиснута дуга, яку дозволяє отримати спеціальний пальник, плазмотрон. Плазмотрон дозволяє отримати стислу дугу з температурою до 30 000°С.
1 – вольфрамовий електрод – катод; 2 - канал сопла; 3 – стовп дуги; 4 - потік плазми
Докладна ілюстрація плазмового зварювання
Сутність способу.Плазма - іонізований газ, що містить електрично заряджені частинки і здатний проводити струм.
Іонізація газу відбувається за його нагріванні. Ступінь іонізації тим вищий, що вище температура газу. У центральній частині зварювальної дуги газ нагрітий до температур 5000-30000 ° С, має високу електропровідність, яскраво світиться і є типовою плазмою. Плазмовий струмінь, що використовується для зварювання та різання, отримують у спеціальних плазматронах, в яких нагрівання газу та його іонізація здійснюються дуговим розрядом у спеціальних камерах.
Газ, що вдується в камеру, стискаючи стовп дуги в каналі сопла плазматрона і охолоджуючи його поверхневі шари, підвищує температуру стовпа. В результаті струмінь проходить газу, нагріваючись до високих температур, іонізується і набуває властивостей плазми. Збільшення при нагріванні об'єму газу 50-100 і більше разів призводить до закінчення плазми з надзвуковими швидкостями. Плазмовий струмінь легко розплавляє будь-який метал.
Дуговий плазмовий струмінь для зварювання та різання отримують за двома основними схемами. При плазмовому струмені прямої дії виріб включений у зварювальний ланцюг дуги, активні плями якого розташовуються на вольфрамовому електроді та виробі. При плазмовому струмені непрямої дії активніплями дуги знаходяться на вольфрамовому електроді та внутрішній або бічній поверхні сопла. Плазмоутворюючий газ може бути також захистом розплавленого металу від повітря. У деяких випадках для захисту розплавленого металу використовують подачу окремого струменя спеціального, дешевшого захисного газу. Газ, що переміщається вздовж стінок сопла, менш іонізований та має знижену температуру. Завдяки цьому попереджається розплавлення сопла. Однак більшість плазмових пальників має додаткове водяне охолодження.
Дуговий плазмовий струмінь - інтенсивне джерело теплоти з широким діапазоном технологічних властивостей. Її можна використовувати для нагрівання, зварювання або різання як електропровідних металів, так і неелектропровідних матеріалів, таких як скло, кераміка та ін (плазмовий струмінь непрямої дії). Теплова ефективність дугового плазмового струменя залежить від величини зварювального струму і напруги, складу, витрати і швидкості закінчення плазмоутворюючого газу, відстані від сопла до поверхні виробу, швидкості переміщення пальника (швидкості зварювання або різання) і т. д. Геометрична форма струменя може бути різною (квадрат, ної, круглої тощо) і визначатися формою вихідного отворів сопла.
Техніка зварювання. Живлення дуги, як правило, здійснюється змінним або постійним струмом прямої полярності (минаючи на електроді). Збуджують дугу за допомогою осцилятора. Для полегшення збудження дуги прямої дії використовують чергову дугу, що горить між електродом і соплом пальника. для живлення плазматрона, що використовується для різання, оптимальна напруга холостого ходу джерела живлення до 300 В.
Плазмовим струменем можна зварювати практично всі метали в нижньому і вертикальному положеннях, В якості плазмоутворюючого газу використовують аргон або гелій, які також можуть бути захисними. До переваг плазмового зварювання відносяться висока продуктивність, мала чутливість до коливань довжини дуги, усунення включень вольфраму у металі шва. Без скосу кромок можна зварювати метал завтовшки до 15 мм з утворенням провара специфічної форми. Це пояснюється утворенням наскрізного отвору в основному металі, через яке плазмовий струмінь виходить на зворотний бік виробу. Метал, що розплавляється в передній частині зварювальної ванни, тиском плазми переміщається вздовж стінок зварювальної ванни в її хвостову частину, де кристалізується, утворюючи шов. Фактично процес є прорізання вироби із заваркою місця різання.
Плазмовим струменем можна зварювати стикові та кутові шви. Стикові з'єднання на металі товщиною до 2 мм можна зварювати з відбортування кромок, при товщині понад 10 мм рекомендується робити скіс кромок. У разі потреби використовують додатковий метал. Для зварювання металу завтовшки до 1 мм успішно використовують мікроплазмове зварювання струменем непрямої дії, в якій сила зварювального струму дорівнює 0,1-10 А.
Різання плазмовим струменем засноване на розплавленні металу в місці різання та його видуванні потоком плазми. Плазмовий струмінь використовують для різання металу товщиною від часток до десятків міліметрів. Для різання металу малої товщини використовують плазмовий струмінь непрямої дії. При підвищеній товщині металу кращі результати досягаються при плазмовому струмені прямої дії. При різанні навіть вуглецевих сталей у багатьох випадках вона більш економічна, ніж газокиснева, через високу швидкість і кращу якість різу.
1 – Вольфрамовий електрод; 2 - канал для подачі плазмоутворюючого газу; 3 – канал для подачі захисного газу; 4 – керамічне сопло; 5 - сопло плазмоутворювального каналу; 6 - присадний дріт; 7 - деталі, що зварюються; П - плазмоутворюючий газ; З – захисний газ.
Залежно від металу як плазмоутворювальні гази можна використовувати азот, водень, аргоно-водневі, аргоно-азотні, азото-водневі суміші. Використання для різання сумішей газів, що містять двоатомні гази, більш ефективно енергетично. Дисоціюючи, двоатомний газ поглинає багато теплоти, що виділяється на холодній поверхні різу при поєднанні вільних атомів у молекулу. Останнім часом, коли з'явилася можливість використовувати водоохолоджувані цирконієві та гафнієві електроди, як ріжучий газ стали використовувати і повітря. Зварювання та різання можна виконувати вручну та автоматично.
Зварювання деталей малих товщин (5 - 0.2 мм) є складним завданням при використанні багатьох інших методів зварювання плавленням.
Малоамперна плазмова дуга, сформована спеціальним плазмотроном з вольфрамовим електродом, має конусоподібну форму з вершиною, зверненою до виробу. Така форма її забезпечується конструктивними особливостями плазмотрону, правильним вибором плазмоутворювального та захисного газів та їх витратою. Найчастіше як плазмоутворюючий газ використовується аргон. У нижнього зрізу сопла плазмова дуга існує лише у струмені аргону. У міру наближення до анода (виробу) плазмоутворювальний та захисний гази перемішуються і плазмова дуга горить вже в суміші цих газів. Чим ближче до анода, тим більше суміші міститься захисного газу. Якщо захисний газ має більший коефіцієнт теплопровідності, ніж плазмоутворюючий, то ступінь стиснення дуги помірою наближення до анода збільшується, і вона набуває конусоподібної форми (форму списа).
При правильно вибраному витраті плазмоутворюючого газу зазначена форма малоамперної плазмової дуги утворюється при використанні як захисний газ аргоноводородной суміші (90% Аг + + 10% Н2), гелію, азоту та вуглекислого газу. Якщо захисний газ аргон, форма дуги циліндрична або злегка розширюється в напрямку до анода. Така сама форма дуги зберігається за її існування на струмах великих 20 А, оскільки вплив захисного газу на стиск дуги помітно послаблюється. Ефект стиснення дуги зменшується і зі збільшенням витрати плазмообразующего газу оптимальнішого.
Особливо тонкі метали зварюються малоамперною дугою в імпульсному режимі із формуванням однополярних або різнополярних імпульсів. Нагрів і плавлення металу, що зварюється відбувається протягом імпульсу струму певної тривалості дугою прямої полярності. Під час паузи, коли струм у робочому ланцюзі живлення плазмової дуги дорівнює нулю, рідкий метал кристалізується та формується зварна точка. Час імпульсу і паузи, а також швидкість зварювання вибираються таким чином, щоб забезпечувалася певна величина перекриття точок, що кристалізуються.
Імпульсне мікроплазмове зварювання значно полегшує процес отримання якісного зварного з'єднання, оскільки дозволяє таким чином підібрати амплітуду струму, тривалості імпульсів зварювання і паузи, що пропали металу, що зварюється, практично виключаються навіть у разі зупинки процесу або нерівномірності його здійснення.
Різновидом способу мікроплазмового зварювання в імпульсному режимі є зварювання різнополярними імпульсами. Протягом імпульсу струму прямої полярності кромкам, що зварюються, передається достатня кількість теплоти,яка забезпечує їх розплавлення, утворення зварювальної ванни і після її кристалізації формування зварної точки. Протягом імпульсу струму зворотної полярності в кромки, що зварюються, вводиться менша кількість теплоти, достатня тільки для руйнування окисної плівки. За цей час зварювальна ванна охолоджується до повної чи часткової кристалізації. Наступний імпульс струму прямої полярності створює зварювальну точку на певній (залежно від швидкості зварювання) відстані від попередньої. Перекриття точок задається їх розміром та кроком.
Для зварювання Al, Mg та їх сплавів розроблено процес мікроплазмового зварювання на зворотній полярності. Особливість способу полягає в тому, що використовуються два джерела живлення. Один (ІП1) для безперервної підтримки горіння чергової дуги між вольфрамовим електродом та мідним соплом плазмотрону. Інший (ІП2) для живлення основної дуги, що горить між мідним соплом (анодом) і деталлю, що зварюється (катодом). Використання мідного водоохолоджуваного сопла як анода основної дуги дозволяє виключати вплив струму зворотної полярності основної дуги на вольфрамовий електрод, тим самим забезпечується його висока стійкість. Невеликий діаметр електрода забезпечує стійке горіння чергової дуги на струмах 2. 5 А. При малих витратах плазмоутворюючого газу (0,2. 0,8 л/хв) анодна пляма основної дуги розміщується всередині каналу сопла, а стиснення стовпа дуги на відкритій її ділянці поблизу катода забезпечується захисним газом, як і при зварюванні на прямій полярності. Катодна пляма безперервно блукає поверхнею виробу і руйнує тугоплавку оксидну плівку. Цей спосіб дозволяє з'єднувати AI та його сплави товщиною в десяті та соті частки міліметра. Однак блукання плями призводить до отримання широкого шва і великої термічної зонивпливу.
В даний час успішно здійснюється мікроплазмове зварювання алюмінію на змінному струмі. При цьому способі між соплом та електродом плазмотрону безперервно горить чергова дуга постійного струму. При подачі на вольфрамовий електрод позитивного щодо виробу напівперіоду напруги, між ними формується стиснута дуга зворотної полярності з нестаціонарною катодною плямою, що руйнує оксидну плівку. Потім на вольфрамовий електрод плазмотрону надходить негативний щодо виробу напівпері-
од напруги. При цьому генерується стиснена дуга з великою щільністю енергії, достатньою для здійснення зварювання металів, що мають на поверхні тугоплавкі окисні плівки. У цьому, оскільки з вольфрамовому електроду проходить тільки струм прямої полярності, руйнації не відбувається. Можливість роздільної подачі струму прямої та зворотної полярності на вольфрамовий електрод є важливою технологічною перевагою даного способу мікроплазмового зварювання.