Тема 1.8 Основы способа плазменной сварки и резки. Формирование плазменной дуги (струи). Параметры режима плазменной сварки. Технологические особенности плазменной сварки и резки.

СВАРКА И РЕЗКА ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ

Сущность способа. 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 5000-30000°С, имеет вы­сокую электропровод­ность, ярко светится и представляет собой типич­ную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в которых нагрева­ние газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.

Вдуваемый в камеру газ (рис. 1), сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагре­ваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свой­ства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50—100 и более раз приводит к истечению плазмы с высокими околозвуко­выми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл.

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 (обе схемы рис.1), так и неэлектропроводных материа­лов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвен­ного действия, (рис. 1, б). 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.

Техника сварки. Питание дуги, как правило, осуществляется переменным или постоянным током прямой полярности (минус 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 некоторых 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. К преимуществам плазменной сварки отно­сятся высокая производительность, малая чувствительность к ко­лебаниям длины дуги, устранение включений вольфрама в металле шва. Без скоса кромок можно сваривать металл толщиной до 15 мм с образованием провара специфической формы. Это объясняется образованием сквозного отверстия в основном ме­талле, через которое плазменная струя выходит на обратную сто­рону изделия. Расплавляемый в передней части сварочной ванны металл давлением плазмы перемещается вдоль стенок сварочной ванны в ее хвостовую часть, где кристаллизуется, образуя шов. По существу процесс представляет собой прорезание изделия с заваркой места резки.

Плазменной струей можно сваривать стыковые и угловые швы. Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно свари­вать с отбортовкой кромок, при толщине свыше 10 мм рекомен­дуется делать скос кромок. В случае необходимости используют дополнительный металл. Для сварки металла толщиной до 1 мм успешно используют микроплазменную сварку струей косвен­ного действия, в которой сила сварочного тока равна 0,1 —10 А.

Резка плазменной струей основана на расплавлении металла в месте реза и его выдувании потоком плазмы. Плазменную струю используют для резки металла толщиной от долей до десятков миллиметров. Для резки металла малой толщины используют плазменную струю косвенного действия. При повышенной тол­щине металла лучшие результаты достигаются при плазменной струе прямого действия. При резке даже углеродистых сталей во многих случаях она более экономична, чем газокислородная, ввиду высокой скорости и лучшего качества реза.

В зависимости от металла в качестве плазмообразующих газов можно использовать азот, водород, аргоно-водородные, аргоно-азотные, азото-водородные смеси. Использование для резки смесей газов, содержащих двухатомные газы, энергетически более эффективно. Диссоциируя, двухатомный газ поглощает много теплоты, которая выделяется на холодной поверхности реза при объединении свободных атомов в молекулу. В последнее время, когда появилась возможность использовать водоохлаждаемые циркониевые и гафниевые электроды, в качестве режущего газа стали использовать и воздух. Сварку и резку можно выполнять вручную и автоматически.

Рис.2 Схема микроплазменной сварки

1 - Вольфрамовый электрод; 2 - канал для подачи плазмообразующего газа; 3 - канал для подачи защитного газа; 4 - керамическое сопло; 5 - сопло плазмообразующего канала; 6 - присадочная проволока; 7 - свариваемые детали; П - плазмообразующий газ; З- защитный газ.