Технология плазменной сварки сжатой дугой косвенного действия

Содержание

Введение 3
1. Общие сведения о плазменной сварке. Сжатая дуга прямого и косвенного
действия 4
2. Технологические характеристики сжатой дуги косвенного действия 7
3. Сварка сжатой дугой косвенного действия 11
4. Техника сварки и свойства сварных соединений 13
Заключение 16
Список используемых источников и литературы 17

Введение
С ростом точности деталей, изготавливаемых в промышленности и на частных предприятиях, появляется потребность в новых технологиях сварки и резки металлов. Одним из таких нововведений является плазменная сварка, применение которой позволяет увеличить производительность процесса в 2 – 2,5 раза. Несмотря на то, что метод появился относительно недавно, он уже успел получить и занять свое место в промышленности.
Плазменная сварка является ведущей в сварочном производстве благодаря высокой проплавляющей способности, возможности успешно сваривать практически все металлы и сплавы, применяющиеся в современной промышленности, и возможности широкого варьирования технологическими параметрами процесса.
Для реализации новейших технических решений, производства сложных сварочных работ необходимы квалифицированные специалисты, способные грамотным творческим подходом решить поставленные перед ними производственные задачи. Именно поэтому тема реферата является весьма актуальной.
В данной работе рассматривается сущность плазменной сварки сжатой дугой, различие сжатой дуги прямого и косвенного действия, технологические характеристики сжатой дуги косвенного действия, техника сварки и свойства получаемых сварных соединений.

1. Общие сведения о плазменной сварке. Сжатая дуга прямого и косвенного действия
Во многом плазменные сварочные аппараты напоминают принцип действия аргонно-дуговых и имеют схожую конструкцию горелки, которая в рассматриваемом случае называется плазмотроном. Процесс образования плазмы происходит в горелке [5].
Плазменная сварка представляет собой небольшую, весом от 5 до 9 килограмм установку, внутри которой размещается понижающий трансформатор, выпрямитель и набор схем управления. К ней подключается воздушный компрессор (если в сопло подается сжатый воздух) или специальные баллоны с плазмообразующим и инертным газом. В качестве газа для создания плазмы используют азот, кислород, аргон, воздух. На выходе устройства имеется горелка с набором газов (для сварки) или один вид газа для резки, а также плюсовая клемма (для прямого вида сварки). Так, как температура работы данного компонента очень высока, внутри горелки имеется жидкостное охлаждение [5].
Метод плазменной сварки применим для сваривания и пайки тугоплавких металлов толщиной до одного миллиметра. Подходит также для сварки металлов с неметаллами и резки. Сущность данного метода заключается в локальном расплавлении металла плазменным потоком. Плазма – ионизированный газ, который содержит положительно и отрицательно заряженные частицы, обладающие способностью проводить ток. Ионизируется газ при нагреве сжатой дуги, вытекающей из плазмотрона. Ее температура может достигать от 5000 до 30000°С. Плазменная дуга считается более мощным источником энергии, чем обычная, так как обладает хорошей электрической проводимостью, высокой теплопроводностью и теплоемкостью [6], [2].
В данном методе используется направленная плазменная дуга, которая образуется из обычной электрической (дежурной). Основными характеристиками сжатой дуги являются высокая температура, большая мощность, малый диаметр струи. Давление на металл увеличивается в разы по сравнению с электродуговой сваркой.
При работе с плазмой должны выполняться следующие условия:
1) защита электрода путем подачи инертного газа (аргон);
2) применение неплавящегося вольфрамового электрода с присадками тория;
3) разогретые стенки плазмотрона должны интенсивно охлаждаться.
Для запуска плазменной горелки может использоваться постоянный или переменный ток [6].
После зажигания дежурной дуги ее сжимают в плазмотроне – устройстве, предназначенном для получения сжатой дуги необходимой тепловой мощности, размеров, формы, давления, температуры [2]. Затем в данное устройство под давлением вдувают плазмообразующий газ (аргон). В результате зона разогревается до 50000°С, газ увеличивается в объеме и истекает из узкого сопла с высокой скоростью.
Тепловая и кинетическая энергии дополняют друг друга, образуя мощный источник. Вытекающая раскаленная струя, расплавляя металл деталей, образует шов. В зависимости от величины рабочего тока (малый, средний, большой) в технологии существуют различия.
Плазмообразующий и защитный газы проходят по отдельным каналам и не соприкасаются.
Плазменную сварку осуществляют сжатой дугой прямого и косвенного действия. Сжатую дугу прямого действия получают при включении изделия в сварочную цепь, активные пятно дугового разряда (катодное и анодное) располагаются на вольфрамовом или на неплавящемся электроде из другого материала и изделии. При получении сжатой дуги косвенного действия изделие в сварочную цепь не включается, активные пятна дугового разряда находятся на электроде и на поверхности сопла [2].
Сжатая дуга косвенного действия изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Сжатая дуга косвенного действия
1 – электрод; 2 – предсопловая камера; 3- изоляционная прокладка; 4 – сопло,
5 – обрабатываемое изделие; Г – источник питания дуги.
При нагреве изделия дугой косвенного действия передача теплоты осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением плазмы [2].

2. Технологические характеристики сжатой дуги косвенного действия
При сварке сжатой дугой косвенного действия дуга на участке катод – анодное пятно, расположенное в канале сопла, вследствие высокой скорости истечения газа и большого собственного электромагнитного поля сжата и занимает сравнительно малую часть канала сопла [2].
За анодным пятном протекают интенсивные процессы нейтрализации ионизированных частиц и рекомбинация атомов на молекулы с высвобождением энергии. Длина области за анодным пятном зависит от скорости истечения газов и скорости процесса. Рекомбинация проходит быстро, температура газа по истечению движущегося потока выравнивается, так как здесь магнитные силы уже не действуют. Вследствие чего прежде сжатый поток плазмы расширяется и заполняет большую часть сечения сопла (рисунок 1) [2].
Плазмообразующий газ выдувает поток плазмы из канала сопла, и он в виде плазменной светящейся струи направляется на свариваемое изделие.
Сопло плазмотрона при работе с локальным анодным пятном испытывает чрезвычайно высокие термические нагрузки, которые необходимо снимать интенсивным охлаждением, которое в некоторых случаях сложно организовать. С увеличением тока интенсивность тепловложения в сопло возрастает и традиционного водяного охлаждения не достаточно. Данную проблему частично удается решить путем вращения анодного пятна (дуги) по внутренней стенке канала сопла внешним магнитным полем. Однако, это приводит к увеличению габаритов плазматрона и неудобству его использования [2].
Распределение температур в сжатой дуге косвенного действия при использовании аргона в качестве плазмообразующего газа представлено на рисунке 2. В качестве катода используется торированный вольфрам, анод – медное водоохлаждаемое сопло.

Рисунок 2 – Распределение температур в сжатой дуге косвенного действия
Быстрое снижение температуры по мере увеличения расстояния от плазмотрона свидетельствует об ограниченной длине сжатой дуги косвенного действия.
Зависимость тепловой мощности сжатой дуги косвенного действия от расстояния от сопла представлена на рисунке 3 [2].

Рисунок 3 – Распределение тепловой мощности по длине аргоновой плазмы при силе тока 165 А. 1- расход аргона 49 л/мин; 2 – расход аргона 30 л/мин
Согласно рисунку 3 тепловая мощность сжатой дуги косвенного действия на различных расстояниях от торца сопла колеблется, что обусловлено рекомбинацией частиц при снижении температуры. Двукратные ионы переходят в однократные, а однократные рекомбинируют, образуя нейтральные атомы.
График распределения температуры сжатой дуги косвенного действия в зависимости от длины дуги представлен на рисунке 4 [2].

Рисунок 4 – Изменение температуры плазмы, вытекающей из сопла, в зависимости от длины дуги внутри сопла (вольфрамовый катод и медное сопло с положительной полярностью, расход аргона 2350 л/ч, диаметр сопла 6 мм). 1 – величина тока 100 А; 2 – 200 А; 3 – 300 А; 4 – 400 А; 5 – расчетные значения 200 А.
Из рисунка 4 следует, что температура сжатой дуги косвенного действия увеличивается с повышением тока и длины дуги внутри канала сопла.
По мере уменьшения расхода плазмообразующего газа турбулентное течение плазмы превращается в ламинарное. Лиминарный режим течения плазмы не требует высокого качества обработки поверхности канала сопла и электрода. Данный режим характеризуется очень ярким ядром, за которым следует поток плазмы меньшей яркости длиной несколько десяткой сантиметров. Перепад температуры вдоль оси ламинарного потока оставляет 200 – 300 К/см. Скорость плазмы примерно 50 м/с. При использовании в качестве плазмообразующего газа аргона температура ламинарного потока плазмы на выходе из сопла достигает примерно 13000 К. Температура плазмы в значительной степени зависит от подводимой к плазматрону мощности: она возрастает с увеличением мощности [4].
Вольтамперная характеристика, представленная на рисунке 5, зависит от геометрии рабочих частей плазмотрона, вида и расхода плазмообразующего газа, длины дуги и других параметров режима сварки [2].

Рисунок 5 – Вольтамперные характеристики сжатой дуги косвенного действия при работе плазматрона на различных газах (давление в пространстве разряда 105 Па, расход газа 0,5 г/с)
С увеличением тока, чаще всего, наблюдается тенденция к спаду характеристик сжатой дуги косвенного действия.
Зависимость коэффициента полезного действия (КПД) от расхода газа представлена на рисунке 6 [2].

Рисунок 6 – Зависимость КПД плазмотрона от расхода аргона
(вольфрамовый катод и медное сопло с положительной полярностью)
Низкий КПД плазмотрона с дугой косвенного действия является одним из недостатков данного вида сварки. КПД плазмотрона можно повысить путем увеличения расхода плазмообразующего газа (рисунок 6).

3. Сварка сжатой дугой косвенного действия
Изделия из металла малой толщины свариваются сжатой дугой косвенного действия с использованием токоведущей присадочной проволоки. При этом предварительный подогрев основного и частично жидкого наплавленного металла осуществляется с помощью сжатой дуги косвенного действия, выделенной из токоведущего столба дуги между вольфрамовым электродом плазматрона и соплом, потоком плазмообразующего газа [3].
Плавление присадочной проволоки осуществляется дугой, образованной между электродом плазмотрона и токоведущей присадочной проволокой. Однако с увеличением толщины свариваемых металлов мощность сжатой дуги оказывается недостаточной. В результате шов может получиться узким и выпуклым, заполнение разделки не происходит.
Это обусловлено возникновением плазменного потока, совпадающего с разрядом между присадочной проволокой и электродом, тепловая энергия которого затрачивается на равномерное плавление проволоки. Кроме того, когда начинается процесс плавления и переноса капель присадочного металла, между вольфрамовым электродом и основным металлом появляется дополнительная сжатая дуга прямого действия. Она возникает, так как на изделии появляется положительный полюс. Положительный потенциал между электродом и изделием можно уменьшить или свести к нулю, если подать от источника питания отрицательное напряжение. При этом улучшается качество шва: увеличивается ширина, уменьшается выпуклость [2].
Кроме того, при снижении напряжения между изделием и электродом возникает еще одна дуга – между присадочной проволокой и изделием. Анодное пятно данного разряда с увеличением тока начинает непрерывно перемещаться по поверхности изделия. Поскольку это приводит к увеличению тока в проволоке, она начинает интенсивно плавиться. Перемещение анодного пятна данной дуги, которое растаскивает капли присадочного металла по поверхности основного, приводит к получению валика с плавным переходом к основному металлу, при этом основной металл практически не плавится [2].
Однако, применение данной схемы нагрева для сварки сталей толщиной более 4 мм не обеспечивает качественное формирование шва. Для устранения данного недостатка используется сжатая дуга, возникающая между электродом и изделием, а сжатая дуга косвенного действия используется лишь для возбуждения разряда между электродом и изделием. Таким образом, источниками теплоты служат две сжатые дуги. Сжатая дуга в основном подогревает свариваемые кромки и жидкий присадочный металл, заполняющий разделку. Плавление проволоки обеспечивается сжатой дугой, возникающей между проволокой и электродом.
Сварка данным способом обеспечивает нормальное заполнение разделки и сплавление металла шва с основным по всему контуру разделки при незначительном оплавлении последнего. Процесс протекает устойчиво, проволока плавится равномерно, без разбрызгивания.
Данным способом можно получить любую форму поперечного сечения шва. Для этого достаточно выбрать лишь соответствующую форму разделки, которая заполняется за счет плавления присадочной проволоки.
При небольшой энергии сжатой дуги увеличение тока и, следовательно, тепловой мощности дуги, образующееся между электродом и проволокой, приводит к увеличению выпуклости направляемого валика. Глубина проплавления остается минимальной. Наоборот, с увеличением тока сжатой дуги между электродом и изделием валик становится менее выпуклым, растекаемость металла возрастает, глубина проплавления несколько увеличивается [3].

4. Техника сварки и свойства сварных соединений
Условия хорошего формирования шва и получения качественного сварного соединения могут быть обеспечены правильным выбором многочисленных параметров режима сварки, соответствующей подготовкой свариваемого металла под сварку и контролем над ними во время осуществления процесса.
Выбор тока обуславливается толщиной свариваемого металла, его свойствами, требуемой производительностью и качеством сварного соединения. Уменьшение величины сварочного тока ниже оптимального уровня приводит к непроварам, чрезмерная величина тока приводит к подрезам и прожогам шва [1].
Следует помнить, что допустимая величина тока зависит от диаметра, длины канала сопла, величины углубления электрода, расхода плазмообразующего газа и других параметров режима. С целью обеспечения надежной работы плазматрона без образования двойной дуги величину тока рекомендуется назначать на 5 – 10% ниже критической.
Плазменную сварку рекомендуется выполнять при максимально возможном расходе плазмообразующего газа, поскольку при этом повышается глубина проплавления и ресурс работы плазматрона. Данный расход в основном определяется условиями качественного формирования шва. Область качественного формирования шва при изменениях расхода плазмообразующего газа расширяется при использовании плазматронов с многоканальными соплами [1].
При выборе расхода газа следует учитывать величину тока: чем она больше, тем меньше может быть расход плазмообразующего газа для обеспечения требуемой глубины проплавления при качественном формировании шва, и наоборот. Однако, при уменьшении тока и повышении расхода газа снижается область качественного формирования шва. Очевидно, что в каждом конкретном случае следует подбирать оптимальное соотношение тока и расхода газа для получения качественного сварного соединения.
Скорость сварки также оказывает существенное влияние на глубину проплавления основного металла, которая быстро уменьшается с увеличением скорости. Отклонение от оптимальной скорости в сторону увеличения неизбежно приводит к подрезам и непроварам. Уменьшение скорости ведет к перегреву и поджогу сварного шва [2].
С уменьшением диаметра сопла повышается концентрация, увеличиваются глубина проплавления и ширина шва, что благоприятно сказывается на качестве формирования шва на весу, особенно при сварке больших толщин. Однако при этом снижается допустимая величина тока. Данная величина повышается примерно на 30% при использовании сопла со спаренными дополнительными каналами, по сравнению с плазматроном с одним цилиндрическим каналом. Рекомендуется выполнять сварку с использованием плазматрона с минимально возможным диаметром канала сопла, который определяется допустимой величиной тока [1].
Оптимальная длина канала сопла составляет 2,5 - 3 мм для многоканальных сопел и 1 - 2 мм – для одноканальных. Угол заточки электрода должен выбираться в пределах от 30 до 90°, притупление конца электрода – от 0,8 до 1,2 мм. Величину углубления электрода в предсопловую камеру рекомендуется поддерживать в пределах 5 - 6 мм при диаметре канала сопла более 3 мм. При этом обеспечиваются стабильное возбуждение дуги и ее проплавляющая способность. Для меньших диаметров канала сопла углубление электрода следует принимать равным длине канала сопла или больше на 0,5 - 1 мм [1].
При увеличении расстояния от торца сопла до свариваемого изделия более 12 мм увеличивается ширина шва. Рекомендуется увеличивать расстояние от торца сопла до изделия по мере возрастания толщины свариваемого металла.
Для защиты расплавленного металла сварочной ванны при плазменной сварке необходимо создавать ламинарный поток защитного газа, обладающего достаточной кинетической энергией. Также при повышении скорости сварки нужно защищать остывающий металл шва от окружающего воздуха на большем расстоянии от кратера. Наилучшим защитным соплом является цилиндрическое сопло большой длины. Для улучшения защитных свойств потока применяются мелкоячеистые сетки, создающие сопротивление, распределенное по сечению сопла. Для защиты остывающего металла шва рекомендуется использовать защитные козырьки, камеры и другие приспособления [4].
Наиболее оптимальной зоной сжатия дуги для подачи присадочной проволоки является зона, расположенная на расстоянии 10 - 12 мм от торца сопла плазматрона. Проволоку лучше подавать впереди дуги по линии шва.
При плазменной сварке наиболее предпочтительным соединением является стыковое без скоса кромок на металле до 10 мм и с V – образной разделкой на металле большей толщины. Формирование шва при сварке металла толщиной более 2,5 - 3 мм происходит на весу без применения формирующих канавок и с ними. Качественная защита обратной стороны шва обеспечивается подачей в канавку защитного газа через систему отверстий, распределенных по всей ее длине.
Зазор в стыке при толщине свариваемого металла до 8 мм при сварке без присадочного металла должен составлять 0,15 толщины металла. При сварке с присадочным металлом конструкций из металла толщиной от 8 до 12 мм зазор может быть увеличен до определенных пределов. При плазменной сварке по отбортовке зазор не должен превышать 0,5 мм, а смещение кромок по высоте не более 2 мм. Сохранение требуемого зазора достигается прихваткой заготовок [1]

Заключение
Одним из сравнительно новых видов соединений металлов и сплавов является плазменная сварка. Этот вид, схожий с вариантом аргонодуговой сварки неплавящимся электродом, позволяет производить за короткое время качественные сварные соединения. Технология плазменной сварки заключается в использовании электрической дуги, горящей в среде полностью или частично ионизированного плазмообразующего газа.
Плазменная сварка ответственных конструкция является объектом изучения и разработки многих развитых стран мира. Однако, при высоком качестве сварных швов оборудование для данного вида сварки является сравнительно дорогостоящим.
Для сваривания сжатой дугой косвенного действия металлических изделий малой толщины применятся присадочная проволока.
Данный вид сварки позволяет получать прочные и герметичные сварные соединения. Большое количество регулируемых параметров сварки позволяет подобрать наилучший режим для конкретных условий производства, благодаря чему становится возможным получить качественное и прочное сварное соединение.

Список используемых источников и литературы
1. Еремин Е. Н. Плазменно-дуговые технологические процессы в сварочном производстве. Учеб. Пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2018. – 275 с.
2. Малаховский В.А. Плазменная сварка: Учеб. пособие для сред. ПТУ – М.: Высш. шк., 2019 г. – 82 с.: ил.
3. Петров А. В. Плазменная сварка. – Итоги науки и техники / ВИНИТИ. Сер. Сварка, 2017. – Т.12. 213 с.
4. Щицын Ю. Д. Устойчивость жидкой ванны при плазменной сварке проникающей дугой. // Сварочное производство. 2016. №10. – с. 3-5
5. Плазменная сварка прямого и косвенного действия // Интернет ресурс: https://svarkagid.ru/6. Принцип работы плазменной сварки // Интернет ресурс: https://plazmen.ru/