Общая схема плазменной сварки

Введение

плазменный сварка шов На сегодняшний день сварка является ключевой технологией, которая нашла применение практически во всех сферах и отраслях. Ведущие отрасли, такие как тяжелое машиностроение, автомобильная и авиационная промышленность, энергетика, особенно нефтяная и газовая отрасли, судостроение, промышленное и гражданское строительство, ЖКХ требуют все больше новых технологических решений, высокопроизводительного оборудования и прогрессивных материалов в области сварочного производства. [1]

Внедрение технологий с использованием высококонцентрированных источников энергии позволяет значительно повысить производительность процессов и получить ряд дополнительных преимуществ. Одним из таких технологий является плазменная сварка.

1.История плазменной сварки [2]

Применение плазмотронов в сварочной технике началось с середины 50-х гг. ХХ в., после того как для соединения тонколистового металла получила широкое распространение аргонно-дуговая сварка неплавящимся электродом. Естественно, что первые сварочные плазмотроны были сконструированы на базе горелок для аргонно-дуговой сварки.

Основное отличие их заключалось в применении водоохлаждаемой металлической камеры вместо керамического защитного сопла. Эта камера полностью охватывала вольфрамовый электрод, оканчиваясь соплом, соосным с электродом и соизмеримым с диаметром столба дуги. Проходящий под давлением между водоохлаждаемыми стенками камеры и столбом дуги газ охлаждал и сжимал столб, а также обеспечивал его тепловую и электрическую изоляцию от стенок сопла.

В сварочных плазмотронах истекающая из сопла плазменная струя совмещена со столбом дуги. Таким образом, при плазменной сварке и резке теплопередача в обрабатываемый металл осуществляется как путем конвективного нагрева его плазменной струей, так и за счет тепла дуги. Это обеспечивает высокий энергетический КПД данных процессов.

Применение плазменной сварки и резки в нашей стране базировалось на результатах систематических исследований, которые проводились в Институте металлов им. А. А. Байкова под руководством Н. Н. Рыкалина. Были изучены физические и энергетические свойства сжатой дуги в аргоне, определены ее технологические возможности. В частности, было показано, что плазменная струя проявляет ярко выраженные режущие свойства. Это обусловило сравнительно высокие темпы развития промышленных разработок в этом направлении.

Основная задача, на решение которой была направлена исследовательская мысль специалистов по резке, состояла в максимальном повышении тепловой концентрации и кинетической энергии сжатой дуги. На первой стадии развития плазменной резки в качестве плазмообразующего газа использовали аргон. Его применение обеспечивало высокую стойкость вольфрамовых электродов, легкость зажигания дуги и низкое ее напряжение, что было особенно благоприятно для ручного способа.

До середины 60-х гг. прошлого века были разработаны ручные и механизированные установки, а также технологии для плазменной резки алюминия, меди, латуни и нержавеющей стали. Последующие работы привели к созданию процессов, в которых используются более дешевые рабочие среды, а плазмотроны имеют более высокую стойкость. Кроме того, были определены области рационального применения рабочих сред при плазменной резке. В качестве рабочих сред наиболее широко стали использоваться технические газы: азот, водород, кислород, сжатый воздух.

При этом выбор производится с учетом свойств рабочей среды и обрабатываемого материала. Одновременно были разработаны катоды плазмотронов из более надежных материалов, чем вольфрам. В частности, циркониевые и гафниевые катоды позволили применять плазменную резку в окислительных средах. Для применения плазменной струи для сварки металлов необходимо было решить сложную проблему — сохранив высокую тепловую мощность столба дуги, уменьшить ее силовое воздействие, которое выдувает металл из сварочной ванны и вызывает неудовлетворительное формирование шва. Исследования, проводившиеся в нашей стране и за рубежом, показали, что для решения вышеуказанной проблемы необходимо найти рациональное соотношение основных технологических характеристик процесса: величины сварочного тока, длины дуги и расхода плазмообразующего газа.

Было разработано несколько технологических схем процесса плазменной сварки. Для сварки тонколистовых материалов применены малоамперные дуги, горящие в импульсном режиме. Импульсное введение тепла в металл расширяет область регулирования теплового режима сварки и существенно уменьшает теплоотвод в кромки металла. Для расширения диапазона толщин металла, свариваемого сжатой дугой, применили другой прием: снизили эффективность обжатия дуги с одновременным увеличением диаметра канала сопла. Это позволило сваривать нержавеющие стали и алюминиевые сплавы толщиной 10 мм. Исследования по применению для сварки малоамперных дуг привели к созданию микроплазменной сварки.

Этот способ разработан в 1965 г. в Швейцарии фирмами «Сешерон» и «Мессер-Грисхайм». Для микроплазменной сварки используют малогабаритные горелки с вольфрамовым электродом, рассчитанные на сварочный ток не более 30−40 А. Данным способом сваривают листы толщиной 0,025−0,8 мм из углеродистой и нержавеющей стали, меди, никелевых сплавов, титана, молибдена, тантала, вольфрама, золота. Процесс ведут в непрерывном или импульсном режиме.

2. Сущность метода [3]

Плазма — ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000 …30 000 °С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазмотронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение.

Дуговая плазменная струя — интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно использовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов, так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенного действия). Тепловая эффективность дуговой плазменной струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемещения горелки (скорости сварки или резки) и т. д.

Геометрическая форма струи может быть также различной (квадратной, круглой и т. д.) и определяться формой выходного отверстия сопла.

Питание дуги, как правило, осуществляется переменным или постоянным током прямой полярности (минуя на электроде). Возбуждают дугу с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения дуги прямого действия используют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом горелки. Для питания плазмообразующей дуги требуются источники сварочного тока с рабочим напряжением до 120 В, а в некоторый случаях и более высоким: для питания плазматрона, используемого для резки, оптимально напряжение холостого хода источника питания до 300 В. Плазменной струей можно сваривать практически все металлы в нижнем и вертикальном положениях. В качестве плазмообразующего газа используют аргон или гелий, которые также могут быть и защитными.

3. Общая схема плазменной сварки [4]

Рис. 1. Общая схема плазменной сварки

1. Подключение к сети;

2. Шланг плазмообразующего газа;

3. Шланг защитного газа;

4. Источник питания сварочного тока;

5. Баллон с плазмообразующим газом;

6. Баллон с защитным газом;

7. Пакет шлангов;

8. Плазмотрон;

9. Подвод тока к детали;

10. Прищепка заземления;

11. Сварочный пруток;

12. Плазменная дуга;

13. Свариваемая деталь;

14. Вольфрамовый электрод;

15. Плазмообразующий газ;

16. Защитный газ;

17. Жидкая сварочная ванна;

18. Свариваемая деталь.

Зона сварки Рисунок 2: зона сварки

1. Дуга горит концентрированно, угол 6°;

2. Угол раскрытия кромок 70°, Y-образная разделка кромок;

3. Сварной шов.

4. Область применения Плазменная дуга может быть использована:

— при сварке тонколистового материала толщиной менее 1 мм, включая тугоплавкие металлы;

— при сварке металлов с неметаллами;

— для наплавки и нанесения покрытий путем расплавления электронной или дополнительно подаваемой в дугу присадочной проволоки;

— для пайки;

— разделительной резки и поверхностной обработки различных металлов.

По виду свариваемого металла:

— нелегированные, низколегированные и высоколегированные стали;

— алюминий и его сплавы;

— медь и ее сплавы;

— чугуны;

— магний и его сплавы;

— титан и его сплавы;

— разнородные металлы;

— неэлектропроводные материалы.

5.Оборудования при плазменной сварке[5]

1. Аппарат для плазменной сварки и резки;

2. Плазмотрон;

3. Подключение к сети;

4. Пакет шлангов к плазмотрону;

5. Прищепка заземления;

6. Свариваемая деталь;

Аппараты для плазменной резки: микроплазменная установка МПУ-103(толщина разрезаемого металлопроката до 25 мм), аппарат для ручной воздушно-плазменной резки Мультиплаз-7500(толщина разрезаемого металла до 25 мм), аппарат для полуавтоматической воздушно-плазменной резки ПУРМ-140, ПУРМ-160, ПУРМ-160А, ПУРМ-180М и ПУРМ-180МА (толщина разрезаемого металлопроката до 60 мм). А также PMI-280B, УПС-501, УПС-804 и УПС-301, для плазменной сварки и установка А-1342 для микроплазменной сварки.

Рисунок 4: Мультиплаз 3500 [6]

Рисунок 5: PMI-280B [7]

Рисунок 6: ПУРМ 120А [8]

6. Преимущества и недостатки плазменной сварки [9]

Преимущества:

— финишное плазменное упрочнение позволяет на 50−400% продлить срок службы изнашивающихся деталей;

— напыление поверхностных слоев деталей, работающих в сложных условиях, обеспечивает получение свойств не достижимых другими технологиями;

— плазменная сварка проникающей дугой позволяет повысить производительность в 1,5−2 раза при 100% качестве швов;

— плазменная сварка плавящимся электродом позволяет доводить скорость сварки и наплавки до сотен метров в час;

— плазменная сварка постоянным током на обратной полярности решает проблему сварки алюминиевых сплавов.

По сравнению с аргонодуговой сваркой в связи с более высокой проплавляющей способностью плазменная сварка имеет следующие преимущества:

— повышенную производительность;

— меньшую зону термического влияния;

— более низкие деформации при сварке;

— пониженный расход защитных газов;

— более высокую стабильность горения дуги;

— меньшую чувствительность качества шва от изменения длины дуги.

Недостатком плазменной сварки является — необходимость использования водяного охлаждения плазмотронов и более сложное оборудование.

Заключение

Плазменная сварка позволяет многократно увеличивать срок службы быстроизнашивающихся и тяжелонагруженных деталей, избавляет промышленность от производства большого количества запасных частей, повышает надежность и работоспособность машин и механизмов. Плазменная сварка это универсальный процесс получения надежных неразъемных соединений практически из любых металлов и сплавов, применяющихся в промышленности для сварных конструкций.

Микроплазменная сварка применяется в самолетостроении, атомной, газовой, электронной, медицинской и других отраслях промышленности для изготовления сильфонов, миниатюрных трубопроводов, полупроводниковых приборов и многих других изделий. Есть все основания предполагать, что в течение ближайших десятилетий микроплазменная сварка останется одним из основных способов соединения тонких металлов и сплавов.

Список использованных источников

1. http://www.alt-resources.ru (30.11.2013)

2. http://moodle.uti.tpu.ru (30.11.2013)

3. http://aosgk.ru (30.11.2013)

4. http://www.e-ope.ee (30.11.2013)

5. http://www.e-ope.ee (30.11.2013)

6. http://www.electrogefest.ru (30.11.2013)

7. http://www.electrogefest.ru (30.11.2013)

8. http://www.electrogefest.ru (30.11.2013)

9. http://www.svarkainfo.ru