Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Плазменная сварка

Плазма — это состояние газа при его частичной или полной ионизации. Это значит, что он может состоять не только из нейтральных молекул и атомов, но и из электронов и ионов. Для перевода газа в состояние плазмы нужно ионизировать большую часть его молекул и атомов. Чтобы добиться этого, необходимо приложить к электрону, входящему в состав атома, усилие, превышающее его энергию связи с ядром и помочь оторваться от него. Плазменная сварка является одним из самых современных способов сварки плавлением. Она относится к сварке вольфрамовым электродом в среде защитного газа, имеет условное обозначение WP и появилась лишь в 60-е годы в Германии. В международном стандарте «Процессы сварки металлов» ISO 857-1:1998.

Уже давно предпринимались попытки повышения энерговыделения путем сужения дуги. Вследствие высокой концентрации энергии в такой дуге материя переходит в газообразное состояние, в котором она резко перемещается при высоких температурах, имеет особые электрические свойства и ярко горит. Физик Ленгмюр назвал это состояние «термической плазмой». Она состоит из смеси ионов, электронов и нейтральных частиц, однако значительно ионизируется. Это состояние материи отмечается в ядре каждой дуги, а в ее суженной части, ввиду высокой концентрации энергии, оно присутствует в гораздо большем объеме. Как и при использовании метода ВИГ (дуговая сварка вольфрамовым электродом), при плазменной сварке внесение присадочного материала и изменение силы тока производится раздельно, т.е. регулировка параметров сварки может производиться в зависимости от потребностей сварочного процесса. В области сварочных технологий термическая плазма используется для сварки, термического распыления и резки плавлением.

Общие сведения

Сужение дуги происходит с помощью водоохлаждаемого медного сопла с узким отверстием, через которое проходит дуга, см. рис. 1. При этом дуга принимает почти цилиндрическую форму и расширяется только на несколько градусов. В результате возникает высокая концентрация энергии. Внутри сопла плазменной горелки на игольчатом вольфрамовом электроде возникает дуга.

Схема процесса плазменной сварки

Рис. 1. Схема процесса плазменной сварки

Она обтекается плазменным газом. Выходящий через небольшое сужающееся отверстие газ, конечно, не может обеспечить достаточную защиту места сварки. Поэтому в дополнение из второго сопла подается защитный газ.

Различаются прямого действия и косвенного действия виды дуг, см. рис. 2.

Схемы дуговых плазменных головок

Рис. 2. Схемы дуговых плазменных головок:

а - прямого действия; б - косвенного действия; 1-вольфрамовый электрод; 2 - изоляционная втулка; 3 - сопло; 4 - дуга или плазменная струя; 5 - свариваемая деталь

В первом случае сварочный контур расположен между электродом и деталью. Этот вариант называется также электродуговой плазменной сваркой. Во втором случае дуга зажигается между электродом и водоохлаждаемым медным соплом. Дуга горит в пределах горелки, и горячие газы выходят в форме пучка, которым и производится плазменная сварка.

Вид тока

При плазменной сварке металла, используется постоянный ток, при этом отрицательный полюс источника тока подключается к электроду. Наряду со сваркой с использованием постоянного тока, применяется и импульсная сварка. При сварке изделий из алюминия из-за недостаточного очищающего воздействия при сварке с подключением к отрицательному полюсу используется положительный полюс, однако, ввиду недостаточной токонагрузочной способности электрода при таком подключении, применяется лишь незначительная сила тока.

Современные устройства для сварки переменным током используют переменный ток с прямоугольной формой импульса. Более современным вариантом является плазменная сварка алюминия с применением отрицательного полюса источника постоянного тока, при котором используется защитный газ с высоким содержанием гелия.

Электроды

Для плазменной сварки вольфрамовые электроды. Из-за высокой точки плавления вольфрама они изготавливаются способом спекания с последующим уплотнением и упрочнением и регламентируются в соответствии со стандартом DIN EN 26848 (ISO 6848), см. таблицу 1. Диаметр электродов от 1,6 мм до 8 мм. Наиболее широко применяются диаметры от 1,6 мм до 4 мм. Электроды с оксидными примесями отличаются от электродов из чистого вольфрама более высокой токонагрузочной способностью и большей стойкостью, так как при тех же значениях силы тока они меньше нагреваются.

Таблица 1. Режимы сварки и цветовое обозначение вольфрамовых электродов

Режимы сварки и цветовое обозначение вольфрамовых электродов

Это связано с тем, что выходная энергия электронов в оксидных включениях электродов ниже, чем у чистого металла. Кроме того, у оксидсодержащих электродов лучше зажигаемость дуги. Торий является альфа-излучателем, поэтому содержащие оксид тория электроды испускают слабое радиоактивное излучение. Для сварки с подключением к отрицательному полюсу источника постоянного тока концы электродов затачиваются, как для сварки ВИГ.

Газы для плазменной сварки

При плазменной сварке используются газы в соответствии со стандартом DIN EN 439. В качестве плазменного газа, как правило, применяется аргон, поскольку он легко ионизируется и поэтому достигает высокой степени ионизации. При сварке хром-никелевых сталей и никелевых сплавов к аргону добавляется небольшое количество водорода, что улучшает теплопередачу и обеспечивает более высокие скорости сварки.

При сварке алюминия, титана и циркония похожий эффект достигается путем добавления в плазменный газ гелия. В качестве внешнего защитного газа при сварке нелегированной и высоколегированной стали используются, как правило, аргон или смесь аргона с водородом. Для сварки нелегированной и низколегированной стали могут использоваться также активные газовые смеси на основе аргона и углекислого газа или кислорода.

Сварочные присадки

Добавление сварочной присадки происходит при ручной сварке, как и при ВИГ, путем использования сварочных прутков. На полностью механизированных установках применяются проволочные сварочные присадки, расплавляемые с помощью специального подающего устройства. При порошковой плазменной сварке, в частности, при наплавке в отдельном потоке рабочего газа, при соединительной порошковой плазменной сварке с применением защитного газа, присадочный материал добавляется в виде металлического порошка. Присадочные материалы для плазменной сварки аналогичны используемым при сварке ВИГ.

Классификация видов плазменной сварки

При плазменной сварке используется только передающая дуга. По характеру применения различаются соединительная плазменная сварка и плазменная наплавка. Последующая классификация видов соединительной сварки основана на критерии производительности.

Микроплазменная сварка

При сварке фольги и тонких листов требуется сила тока всего лишь в несколько ампер или даже менее одного ампера. При таких малых значениях силы тока дуга ВИГ очень неустойчива. На рис. 3 это показано схематически. Используемые для сварки ВИГ источники тока, особенно при малой силе тока, имеют почти вертикально падающую характеристику. Аналогично, при малой силе тока кривая концентрированной дуги имеет в так называемом диапазоне Айртона также почти вертикальный вид. Вследствие этого в рабочей точке отсутствует какое-либо строгое пересечение, между обеими кривыми имеется только незначительный контакт, что ведет к упомянутой неустойчивости дуги.

Рабочие точки при свободно горящих и концентрированных дугах

Рис. 3. Рабочие точки при свободно горящих и концентрированных дугах

В случае с концентрированной дугой вертикально падающая часть кривой дуги отсутствует, поэтому она стабильно горит точно в рабочей точке даже при очень малой силе тока.

Плазменная дуга позволяет, например, соединять детали из фольги толщиной всего лишь 1/100 миллиметра при токе менее 1А. Поэтому данная область сварки в пределах приблизительно до 50А называется микроплазменной сваркой. В основном она выполняется вручную.

Мягкая плазменная сварка

При некотором увеличении диаметра отверстия сужающегося сопла относительно нормального для плазменной горелки размера возникает немного менее концентрированная и энергонасыщенная дуга, находящаяся по своей эффективности примерно между дугой ВИГ и плазменной дугой. Ее преимущества проявляются при ручной сварке листов толщиной в пределах от 1 до 2 мм.

Плазменная сварка толстолистовой стали

Под давлением дуги плазмы металл шва вытесняется вниз и образует на обратной стороне выход металла. Сварка продавливанием может выполняться как вручную, так и полностью механизированным способом. Плазменная дуга проникает на всю толщину листа и образует сварочный «глазок». Через него происходит передача тепла с поверхности. Вследствие этого повышается эффективность технологии и скачкообразно увеличивается возможная скорость сварки по сравнению с получаемой при продавливании. Плазменный луч выдавливает жидкую сварочную ванну в стороны, однако она вновь собирается на задней кромке «глазка» и там затвердевает на шве. Но при этом должны быть учтены следующие правила - это расстояние от горелки до детали и скорость сварки.

Плазменная наплавка

При плазменной наплавке (рис. 4), порошкообразная сварочная присадка добавляется в отдельном потоке рабочего газа. Порошок частично расплавлялся в непередающей вспомогательной дуге, горящей между электродом и водоохлаждаемым медным соплом.

Принцип соединительной порошковой плазменной сварки

Рис. 4. Принцип соединительной порошковой плазменной сварки

Передающая главная дуга расплавляет основной металл, и в результате смешивания расплавленных основного и присадочного материалов формируется шов. Баланс силы тока и массы расплавленного порошка позволяет задавать оптимальный состав металла шва. При плазменной сварке с использованием горячего прутка, см. рис. 5, два прутка нагреваются от собственного источника тока посредством резистивного нагрева и затем расплавляются в сварочной ванне плазменной дуги. При продолжении перемещения сварочной головки в направлении сварки выполняется колебательное движение всей системы, поперечное направлению сварки, и формируются наплавленные валики шириной до 60 мм. Кроме того, при использовании данного метода сварки провар и смешивание незначительны, поэтому для достижения нужного состава поверхности требуется всего лишь несколько слоев.

Принцип плазменной сварки с горячим прутком

Рис. 5. Принцип плазменной сварки с горячим прутком

Плазменная пайка

С ростом использования оцинкованного листа в автомобильной промышленности вместо сварки преимущественно применяется дуговая пайка. Наряду с пайкой МИГ (сварка полуавтоматом с использованием инертного газа) внедрена в промышленность плазменная пайка. Этот вариант технологии отличается от микроплазменной или мягкой плазменной сварки преимущественно видом присадочного материала. Для пайки оцинкованного листа используется кремнистая, оловянная бронза, для алитированного листа также применяется сплав бронзы и алюминия. Благодаря низкой точке плавления этих присадок металлические покрытия гораздо меньше повреждаются в результате выпаривания и выжигания, чем при электродуговой сварке. По сравнению с пайкой МИГ обеспечивается лучший внешний вид шва, а также повышенные прочность и вязкость шва.

Плазменная пайка предполагает другую траекторию движения горелки по сравнению со сваркой. Дуга направляется не на основной металл, а на опережающий металл шва. Вследствие этого значительно снижается наплавка листов, однако на соединяемых сторонах обеспечивается достаточный нагрев для создания паяного соединения благодаря диффузии и силам адгезии. Пайка этим способом может выполняться вручную с добавлением присадки в форме прутка или путем постоянной подачи проволочного припоя к горелке с помощью отдельного подающего устройства. На рис. 6 показана плазменная горелка для ручной пайки с подачей холодной проволоки.

Ручная горелка для плазменной пайки

Рис. 6. Ручная горелка для плазменной пайки

При полностью механизированной пайке применяется машинная горелка, в которой присадочная проволока подается в спай непрерывно.

Разделка свариваемых кромок

Типы сварных соединений, наиболее часто используемые при выполнении соединительной плазменной сварки, показаны на рис. 7. Благодаря хорошим характеристикам проплавления, кромки деталей зачастую подготавливаются только в форме бесскосного стыкового шва, без добавления сварочной присадки. При сварке более толстого листа, который не может быть проплавлен в один слой, как бесскосный стыковой шов, кромки подготавливаются в форме Y-образного стыкового шва.

Типичные соединения при плазменной сварке

Рис. 7. Типичные соединения при плазменной сварке

В этом случае V-образная верхняя часть стыка должна заполняться присадочным материалом. Для этого имеется плазменная горелка со встроенным устройством подачи холодной проволоки. Кроме того, применяются швы с отбортовкой кромок, торцовые и угловые швы.

Зажигание дуги

Сначала внутри горелки между вольфрамовым электродом и сужающимся соплом зажигается непередающая дежурная дуга (дг). ДГ осуществляет первоначальную ионизацию участка дуги между горелкой и основным металлом для бесконтактного зажигания дуги после включения цепи основного тока при приближении конца электрода на расстояние в несколько миллиметров от места зажигания. ДГ видна сварщику через темное защитное стекло, она помогает ему лучше находить начало сварочного шва.

Ведение горелки

При выполнении ручной плазменной сварки рекомендуется сваривание налево, как и при сварке ВИГ, т.е. сварочный пруток ведется в направлении сварки перед горелкой. Ручная сварка применяется при выполнении микроплазменной сварки, мягкой плазменной сварки, при использовании метода продавливания и при соединительной порошковой плазменной сварке. Порошкообразная сварочная присадка подается концентрически вокруг сопла плазменной горелки. Плазменная сварка методом замочной скважины и плазменно-порошковая наплавка применяются, как правило, только в полностью механизированном режиме.

Положения сварного шва

Соединительная плазменная сварка производится вручную только в горизонтальном на вертикальной поверхности (PA) и горизонтальном (PB) положениях. При полностью механизированной сварке продольные швы выполняются в положении PA, а кольцевые – в положении PA или, если это поперечные швы, в положении РС. Плазменная наплавка, как правило, выполняется только в положении PA.

Нелегированные и низколегированные стали

Плазменная сварка этих сортаментов стали дает хорошие результаты при учете определенных моментов. Ввиду глубокого провара и применения типичных для плазменной сварки сварных соединений с большими затуплениями в металле шва присутствует большая доля расплавленного основного металла. Если сталь нелегированная, к примеру, трубная, в которой содержится небольшое количество кремния, металл шва может становиться неоднородным в связи с поглощением кислорода. В результате в нем образуются металлургические поры.

В связи с этим следует добавлять больше кремний-магниевого присадочного материала.

Высоколегированные стали

В зависимости от материала, вязкость металла шва позволяет создавать особо плоские и тонкие нижние наплавленные валики. И поэтому необходимость в механической защите сварочной ванны от протекания отсутствует.

Более интенсивный нагрев концентрированной дугой компенсируется, повышенной скоростью сварки, что исключает образование горячих трещин и уменьшение коррозионной стойкости. У конструкций, подвергающихся коррозионному воздействию, необходимо при помощи щетки, шлифовки удалить оксидную пленку, так как под ними может развиваться коррозия.

Алюминий и его сплавы

Сварка изделий из алюминия с подключением к отрицательному полюсу с использованием в качестве защитного газа аргона невозможна. Слой оксидной пленки на ванне при этом не устраняется. Точка плавления оксида алюминия (Al2O3) составляет 2050℃. При этом алюминий плавится при температуре 650℃. Алюминий имеет химическое сродство с кислородом, что, если его поверхность перед сваркой очистить щеткой или скребком от окиси, на поверхности сплава скоро снова образуется оксидная пленка. Пленка из-за высокой точки плавления только частично расплавляется под дугой. Таким образом, если бы сварка осуществлялась постоянным током, то большая часть поверхности покрывалась бы прочным слоем оксида алюминия. Это делает невозможным наблюдение за расплавом и затрудняет внесение присадочного материала. Оксидный слой можно было бы устранить путем использования флюсующих добавок, как это происходит при пайке, что приведет к дополнительным расходам.

Устранить оксидный слой можно при помощи носителей заряда в дуге. Для этого подходят только ионы, поскольку электроны из-за своей малой массы не обладают достаточной для такого процесса кинетической энергией. Когда отрицательный полюс находится на электроде, электроны перемещаются от электрода к изделию, а остаточные ионы - от изделия к электроду. При такой полярности очищающий эффект невозможен. При обратной полярности тяжелые ионы попадают на поверхность изделия. За счет своей кинетической энергии они могут устранить оксидный слой. Сварка с подключением к более горячему положительному полюсу приводит к снижению токонагрузочной способности электрода. Следует использовать толстые электроды с полусферическими концами.

Ввиду низкой токонагрузочной способности провар относительно слабый. При сварке в переменном токе очищающий эффект достигается при наличии на электроде положительной полуволны. Следующая за ней отрицательная полуволна вновь охлаждает электрод. Поэтому выделяют очищающую и охлаждающую полуволны. Токонагрузочная способность при сварке переменным током меньше, чем при сварке постоянным током на отрицательном полюсе.

Установлено, что для достижения достаточного очищающего эффекта совсем не нужна целая положительная полуволна, достаточно 20% или 30% от её величины. Меньшая доля положительного полюса обеспечивает более высокую токонагрузочную способность электрода, а при одинаковой установке тока - большую стойкость.

Прямоугольный искусственный переменный ток обладает и другими преимуществами.

Поскольку при смене полярности ток имеет очень крутую характеристику, время запаздывания дуги при прохождении через ноль значительно меньше, чем при синусоидальной форме тока. Поэтому повторное зажигание происходит более уверенно и дуга в целом стабильнее.

В настоящее время также применяется вариант сварки с подключением к отрицательному полюсу, при котором используется защитный газ с высоким содержанием гелия. При ручной сварке для обеспечения достаточного контроля сварщика за сварочной ванной доля гелия в составе защитного газа должна составлять 90%. При машинной сварке достаточно использовать 70% гелия. При сварке с подключением к отрицательному полюсу с применением аргона оксидная пленка на поверхности не разрушается. Однако она расплавляется при высокой температуре мощной гелиевой дуги. Поэтому она лишь немного повреждается.

Прочие материалы

Концентрированный нагрев плазменной дугой особенно благоприятно отражается на меди и медных сплавах, имеющих высокую теплопроводность. Поэтому, по сравнению со сваркой ВИГ, может уменьшаться предварительное нагревание, необходимое прежде всего для обеспечения достаточного провара при большой толщине стенок. Плазменная сварка может успешно применяться с никелем и его сплавами, а также с титаном и сплавами на его основе.

Применение плазменной сварки и пайки

С помощью плазменной сварки могут соединяться различные материалы, от очень тонких деталей из фольги до деталей большой толщины.

Соединительная плазменная сварка используется при создании трубопроводов и резервуаров, для сварки продольным швом труб из нержавеющей стали, сварки емкостей, таких как бочки, баки и газовые баллоны. В приборостроении она используется, для сварки компенсаторов, сильфонов и металлических решеток.

Плазменно-порошковая наплавка применяется прежде всего для бронировки уплотнительных поверхностей при производстве арматуры, а также для наваривания седла клапана в моторостроении.

Плазменная пайка используется при обработке тонких листовых материалов с металлическим покрытием. Основная область применения - автомобилестроение, но используется и в других отраслях промышленности для пайки листовых материалов толщиной менее 1 мм.

Как вам статья? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Если вам понадобится помощь с графическим работами: чертежи, схемы электрические, печатные платы или 3D-модели добро пожаловать сюда.