Плазменная сварка и резка
При плазменной сварке и резке в качестве источника нагрева используется
электрическая дуга, столб которой принудительно обжат для повышения
концентрации его тепловой энергии на обрабатываемом изделии. При обычной
дуговой сварке дуга горит свободно между электродом и изделием. Однако
если при помощи каких-либо приемов не дать возможность дуге занять ее
естественный объем, а сжать ее, то температура дуги значительно
повышается.
Основным инструментом при плазменной сварке и резке является плазмотрон
(рис. 11). В устройствах такого типа рабочий газ подается в разрядную
камеру, внутри которой горит мощная дуга. За счет теплообмена с дугой
газ нагревается, ионизируется и истекает через выходное отверстие камеры
(сопло) в виде плазменной струи, используемой в качестве источника
нагрева. Плазмой принято считать частично или полностью ионизированный
газ. Плазма газового разряда в зависимости от состава среды
характеризуется температурами от 2000 до 50000 0С.
Рис. 11. Принципиальные схемы плазмотронов прямого действия (а) и
косвенного (б):
1 – вольфрамовый электрод; 2 – электроизоляционная втулка; 3 – сопло;
4 – плазменная струя; 5 – изделие
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 по 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 выше-указанной 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.
В настоящее время 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.
Источник: М.П. Шалимов, В.И. Панов “Сварка Вчера, Сегодня, Завтра”.
Екатеринбург, 2006
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
