Плазмовий струмінь для зварювання тонколистових тугоплавких металів
Як джерело теплоти при деяких видах обробки матеріалів використовують плазмовий струмінь - потік іонізованих частинок, що мають великий запас енергії. Плазмовий струмінь є високоінтенсивним джерелом теплоти, максимальна температура якого може досягати 20 000 К і більше.
Плазмовий струмінь використовують для наплавлення та нанесення покриттів, у тому числі і тугоплавких металів на вироби шляхом розплавлення присадного дроту або металевих порошків. За допомогою плазмового струменя виробляють різання та поверхневу обробку різних матеріалів, нагрівання під паяння та термообробку. Плазмовий струмінь може знайти застосування і для зварювання тонколистових тугоплавких металів. У струмені плазми можна розплавити різні матеріали: сталь, азбоцемент, кристалокоунд 2050 ° С (2323 К), карбокорунд 2200 ° С (2473 К) та ін.
Для створення іонізованого потоку використовують дуговий розряд значної довжини, що збуджується між двома електродами. Дуга горить у замкненому циліндричному каналі, стінки якого інтенсивно охолоджуються, через канал під тиском подається інертний газ. Охолодження зовнішньої поверхні стовпа дуги викликає його концентрацію (відшнуровування), внаслідок чого температура стовпа дуги різко підвищується, досягаючи 10 000 - 20 ТОВ К, а газ, що проходить через міжелектродний простір, що має високий ступінь іонізації та відносно високий запас енергії, використовують для нагрівання виробів у процесі зварювання.
Є кілька схем пристроїв для отримання плазмового струменя: роздільне сопло і канал, плазмовий струмінь виділено зі стовпа дуги (рис.100 а); поєднане сопло та канал, плазмовий струмінь виділено зі стовпа Дуги (рис. 100, б); сопло і канал поєднані зі струменем, що збігається зі стовпом дуги(Рис. 100, в).
Мал.100. Схеми пристроїв для створення плазмового струменя
Плазмовий струмінь створюється дуговим розрядом 4, що збуджується між електродом 1 і електродом 5 з отвором, що виконує роль сопла. Дуговий розряд відбувається в каналі 2, електрично ізольованому від сопла та електрода. Через канал вздовж стовпа дуги пропускається газ, який, проходячи у напрямку від електрода до сопла через плазму дуги, іонізується і виходить з сопла у вигляді яскраво світиться струменя 6, Пристрій для створення плазми охолоджується водою 3. Мало іонізована порівняно холодна струменева оболонка газу, соприка зі стінками сопла та каналу, ізолює останні від теплової дії розряду. Опусканням електрода в канал регулюють напругу дуги та потужність плазмового струменя.
При створенні плазмового струменя за схемою з поєднаним каналом і соплом (рис. 100 б) електрично активна пляма дуги в залежності від складу і витрати газу, довжини каналу та інших факторів розташовується або на бічній поверхні каналу, або на його торці. В цьому випадку довжина дуги не є незалежним параметром регулювання ефективної потужності плазмового струменя.
В обох випадках плазмовий струмінь, виділений з струмопровідного стовпа дуги, використовують як незалежне джерело теплоти.
При обробці плазмовим струменем електропровідних металів збільшення ефективної теплової потужності, що вводиться у виріб, останнє можна підключати до джерела живлення (рис. 100, в). У цьому випадку плазмовий струмінь повністю збігається з струмоведущим стовпом розряду, частково проходячи через ізольований канал 2.
Для промислового використання випускають кілька типів плазмових пальників, призначених для різання, напилення тощо.
На рис. 101 показаний розрізплазмової головки для ручного різання. Головка має сопло, що охолоджується водою, поєднане з каналом 2, електротримач 1 і корпус 3. Головка забезпечена змінними мідними каналами і соплами з різними розмірами вихідних отворів. До голівки по трубці 4 підводиться газ, а по трубках 5 - вода, що охолоджує. Утримувач дозволяє переміщати вольфрамовий електрод і може встановлювати його на потрібній відстані щодо сопла. Дуговий розряд у плазмових головках зазвичай збуджується від осциляторів.
Електрична схема головки (рис. 102) складається з джерел живлення постійного струму Е, баластного реостату R6, осцилятора Ос, контактора К, проміжного реле РП, кнопок 3 і Г, а також вольтметра V і амперметра А. Як джерело живлення використовують зварювальні генератори чи випрямлячі. При роботі з чистим аргоном напруга холостого ходу джерела струму не повинна бути нижчою за 60-65 В. При використанні водню, азоту або гелію потрібна ще більша напруга холостого ходу.
Система охолодження головок підключається до водопровідної мережі гнучкими шлангами, в яких для підведення струму до електрода та сопла прокладені голі гнучкі мідні дроти перетином 4 мм 2 . Витрата газу регулюють вентилями В1 та В2 і контролюють ротаметром або манометром.
Мал. 101. Плазмова головка
Мал.102. Схема підключення плазмової головки
Плазмовий струмінь має ядро, що яскраво світиться, з основою, дещо меншим розміру вихідного отвору сопла, ядро оточене менш світиться факелом. Довжина ядра може змінюватися від 2-3 до 40-50 мм залежно від розмірів сопла та каналу, складу та витрати газу, величини струму та довжини дуги. Формою сопла можна ставити обрис струменя і тим самим потрібний розподіл теплової тамеханічного навантаження по поверхні тіла, що нагрівається.
Температура плазмового струменя, виділеного з токоведущего стовпа дуги, а також збігається зі стовпом дуги при використанні в якості захисного газу аргону, досягає 10 000-15 000 К і вище і обумовлена в основному високою щільністю енергії в стовпі розряду в результаті його обтиснення газовим потоком вузькому каналі плазмової голівки.
Основна характеристика плазмового струменя як джерела теплоти – ефективна теплова потужність:
де ηі - ефективний к. п. д. плазмового нагріву виробу; U та I — напруга та струм дуги.
Частина енергії дуги витрачається на нагрівання сопла (ηс), каналу (ηк) та електрода (ηе), а також втрачається в результаті променевипускання та конвекції. Ефективну теплову потужність плазмового струменя можна регулювати зміною струму і напруги дуги, витрати і складу газу, діаметра каналу і сопла, відстані між соплом і виробом, що нагрівається (рис. 103).
При середній витраті газу для плазмового струменя, виділеного зі стовпа дуги, ηі = 30÷50%. p align="justify"> Коефіцієнт ηh помітно знижується при малих витратах газу і незначно - при великих його витратах. Частка енергії, що витрачається на нагрівання сопла і каналу, становить при великих витратах газу 25-30% для голівки з виділеним струменем і 5-6% для голівки зі струменем, що збігається зі стовпом дуги. За малих витрат газу ця частка зростає відповідно до 60-70 і 30-40%.
Градієнт потенціалу в каналі плазмової головки в 2-3 рази більше градієнта потенціалу в стовпі дуги, що вільно горить. Склад газу суттєво впливає на ефективну потужність. При суміші з 86% гелію і 14% аргону потужність q майже в 2 рази більша, ніж при використанні чистого аргону (при цьому змінюється незначно). Збільшення q можна пояснити високим потенціаломіонізації гелію. Матеріал стрижневого електрода, як і його діаметр, не робить значного впливу q і ηи.
Найбільш широке застосування плазмовий струмінь знайшов для різання металів.
Мал. 103. Вплив сили струму дуги I на ефективну теплову потужність q плазмового струменя, виділеного зі стовпа дуги, ефективний к. п. д. витрата аргону VАч - 2,37÷4,2 м 3 /год, діаметр сопла dc = 6 мм, діаметр каналу dк = 8 мм, відстань сопла до виробу h = 15 мм)
Плазмовим струменем доцільно розрізати матеріали, що не піддаються загальновідомим способам різання, таким як кисневий або газофлюсовий. Це - кераміки, алюміній, мідь та їх сплави, корозійностійка сталь та ін.
Плазмовим струменем незалежної дуги (див. рис. 100, а, б) розрізають неелектропровідні матеріали та тонкі металеві листи. Струменем, що створюється залежною дугою (див. рис. 100, в), розрізають алюміній і сплави на його основі товщиною до 120 мм.
При різанні використовують аргон та його суміш із воднем (до 35% Н2). Швидкість різання залежить від товщини металу, що розрізається, параметрів плазмової головки, струму і напруги. Швидкість різання струменем прямої дії при інших рівнихумовах вище за швидкість різання струменем незалежної дії.
Плазмовим струменем можна зварювати метали та неметали, а також їх поєднання. Плазмовий струмінь дає можливість зварювати тонколистовий матеріал, тугоплавкі метали. Формування шва як за товщиною металу, так і за довжиною шва дуже стабільне. Можливе зварювання встик з відбортуванням і без відбортування кромок. Листи, що мають товщину менше 1 мм, зварюють у пристосуванні з притисками. Відстань між соплом і поверхнею листів, що визначається розмірами притисків, має бути мінімальною.
Режими зварювання плазмовим струменем
Низьковуглецева сталь S = 0.6 мм
Корозійностійка сталь 12X18H9T S = 0,8 мм