Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Комплекс для лазерного різання складається з чотирьох основних частин: випромінювача І, координатного пристрою ІІ, системи формування і транспортування променя та газу ІІІ, автоматизованої системи управління параметрами установки і технологією процесу різання. Наприклад, можна навести устаткування лазерного різання типів

Bystar та Byflex.

Детально будову та принцип роботи технологічних лазерів описано в навчальному посібнику [24].

Рис.3.47. Структурна схема автоматизованого комплексу для лазерного різання:

І – випромінювач: 1 – активне газове середовище; 2 – дзеркала резонатора; 3 – елементи системи збудження активного середовища; 4 – пристрій модуляції випромінювання; ІІ – координатний пристрій: 5 – виріб; ІІІ – система формування та транспортування випромінювання і газу: 6 – фокусуюча система; 7 – система стабілізації положення фокальної площини та зазору; 8 – сопло; 9 – поворотні дзеркала; 10 – об'єктив; 11 – пристрій обертання площини поляризації; 12 – оптичний затвор; 13 – система подачі газу; 14 – юстировочний лазер; IV – автоматизована система управління параметрами установки та технологічним процесом: 15 – датчики параметрів лазера; 16 – система зміни вихідних пара-

метрів лазерного променя

3.2.5. Особливості та сфери застосування лазерної обробки матеріалів. Головною особливістю лазерного випромінювання є висока концентрація енергії, яка перевершує за цим показником всі інші

365

джерела енергії (див. рис.3.1). Створене обладнання потужністю від десятків ват до сотні кіловат забезпечує надзвичайно широке застосування лазерних технологій від медицини до транспортного машинобудування і важкої промисловості.

Лазерний промінь за допомогою оптичної системи легко транспортується на значні відстані та до важкодоступних місць без втрат енергії. Енергетичні характеристики променя легко регулюються, процес лазерної обробки легко управляється та автоматизується.

На відміну від ЕПЗ, яке теж має високу концентрацію енергії, лазерну обробку матеріалів можна проводити на повітрі, в інертних газах, вуглекислому газі тощо. Тому створюється можливість застосування лазерного зварювання для виготовлення конструкцій будь-яких розмірів. На лазерний промінь не впливають магнітні поля зварюваних деталей, що забезпечує стабільне формування шва по всій довжині.

Вивід лазерного променя в атмосферу дозволяє його використовувати для зварювання, різання й обробки звичайних конструкцій матеріалів. Якщо установки на базі твердотільних лазерів застосовуються для одержання мікроз'єднань елементів у радіоелектроніці, електронній техніці, то газолазерні установки поширені в енергомашинобудуванні, транспортному машинобудуванні, новій техніці для зварювання і різання металів значних товщин. Найбільше застосовуються установки потужністю до 10 кВт [12]. Створення газових лазерів дозволяє вирішити проблему зварювання металів будь-яких товщин.

Лазерне зварювання має суттєві переваги перед електродуговим зварюванням. За рахунок високої концентрації енергії об'єм зварювальної ванни при ЛЗ у декілька разів менший. Зниження об'єму розплавленого металу, утворення ножеподібних швів із повним проплавленням зменшує деформації укорочення виробів до 10 разів та виключає кутові деформації, що дозволяє отримувати вироби в заданий розмір без механічної обробки або з частковою механічною обробкою. Термічний цикл ЛЗ забезпечує можливість різкого зменшення зони термічного впливу

366

та мінімальний час перебування металу вище температури 1000 ºС, що надзвичайно важливо для попередження холодних тріщин при зварюванні гартованих сталей. Зменшується перегрів металу, що підвищує стійкість проти гарячих тріщин аустенітних сталей та жароміцних нікелевих сплавів. Можливість транспортування променя на значні відстані дозволяє виконувати зварювання у важкодоступних місцях.

ЛЗ має переваги також перед електроконтактним та конденсаторним зварюванням, які полягають у відсутності тиску, що дає можливість з'єднувати будь-які мініатюрні деталі, зварювати в замкнутих об'ємах через прозорі стінки, у важкодоступних місцях. Час зварювання точки при ЛЗ складає 10–2…10–3 с, а при контактному – 0,5…1,0 с.

На відміну від електронного променя при ЕПЗ на лазерний промінь не впливають феромагнітні маси та зовнішні поля. При ЛЗ відсутність вакуумних камер значно спрощує технологію та знижує вартість зварювання великогабаритних виробів. Наприклад, застосування ЛЗ при виробництві корпусів суден переходить у виробничу сферу [157].

Поряд із перевагами ЛЗ має особливості, які перешкоджають його широкому впровадженню. Це перш за все складність та висока вартість устаткування і його технічного обслуговування, необхідність високої кваліфікації оператора, низький к.к.д. лазерних установок. При лазерному зварюванні виробів із високоактивних і тугоплавких металів, високолегованих сталей, жароміцних сплавів тощо існує проблема надійного захисту. У цих випадках наявність високодосконалого вакуумного захисту дає переваги ЕПЗ.

Лазерне різання знаходить більш широке промислове застосування. Обсяг його використання з кожним роком зростає завдяки перевагам лазерного променя перед іншими джерелами енергії, що розглядалося вище. Ці переваги особливо відчутні при різанні металів товщиною до 10 мм при складних контурах. Тому за товщиною металу місце лазерного різання визначено в діапазоні до 10…15 мм. При товщині більше 10 мм на підприємствах успішно використовують газокисневе та плазмове різання.

367

3.3.Плазмове зварювання

3.3.1.Суть способу. Плазмове зварювання (plasmaschweissen; plasma arc welding; плазменная сварка) – електродугове зварювання,

під час якого стовп дуги або частина стовпа стискується потоком газу або магнітним полем, у результаті чого газовий струмінь дуги нагрівається до високих температур, іонізується і набуває властивостей плазми.

Плазма – це високоіонізований газ. Вона являє собою четвертий стан речовини, поряд з твердим, рідким та газоподібним. Плазма, яка використовується в технологічних процесах обробки матеріалів, належить до низькотемпературної (з температурою менше 100000 ºС).

Плазмовий струмінь може бути прямої та непрямої дії (рис.3.48).

Рис.3.48. Схеми утворення дугового плазмового струменя:

а – прямої дії; б – непрямої дії; 1 – джерело струму; 2 – вольфрамовий електрод; 3 – плазмоутворюючий газ; 4 – сопло; 5 – плазмовий струмінь

аб

При плазмовому струмені прямої дії виріб входить до зварювального кола дуги (рис.3.48,а), на відміну від струменя непрямої дії (рис.3.48,б). Плазмоутворюючий газ може бути одночасно і захисним. Останній також може подаватися окремо.

Для отримання плазмового струменя застосовують спеціальні пристрої, які називаються плазмовими пальниками або плазмотрона-

ми. Якщо при аргонодуговому зварюванні дуга розширюється у вигляді конуса від електрода до виробу (рис.3.49,а), що розсіює енергію

368

і зменшує глибину проплавлення металу, то стиснута дуга являє собою циліндричний стовп (рис.3.49,б) та характеризується значно більш високою концентрацією енергії.

а

б

Рис.3.49. Схеми соплової частини пальника для електродугового (а) та плазмового (б) зварювання:

1, 3 – захисний та плазмоутворюючий гази; 2 – вольфрамовий електрод; К – катодна камера

Відстань lз, на якій установлено електрод від зрізу сопла, називають заглибленням електрода; dс і lс – відповідно діаметр і довжина вихідного отвору сопла; L – робоча відстань.

Плазмове зварювання (ПЗ) є результатом удосконалення та розвитку електродугового зварювання неплавким вольфрамовим електродом. У плазмотронах використовують дуговий розряд значної довжини, який горить у порівняно вузькому водоохолоджуваному каналі. Через канал під тиском подається газ, який охолоджує зовнішню поверхню стовпа дуги та викликає її стиснення (стабілізацію). Внаслідок цього щільність енергії в дузі та її температура різко зростають. Залежно від складу середовища температура плазми газового розряду в дузі, стабілізованій водяним вихром, досягає 20000…30000 ºС, а при

369

додаванні парів лужних металів – до 50000 ºС. У дузі середньої потужності, стабілізованій потоком газу (аргон, азот, водень, кисень), температура плазми дорівнює 10000…20000 ºС [120].

У зварювальній техніці застосовують дві схеми плазмових пальників: прямої і непрямої дії. У пальниках прямої дії дуга 4, яка горить між електродом 1 плазмотрона і виробом В, стискується в каналі 2 з водяним охолодженням 3 (рис.3.50,а). У пальниках непрямої дії дуга горить між електродом 1 та соплом 5 плазмотрона, якщо сопло 5 і канал 2 роздільні (рис.3.50,б), або між електродом 1 та стінками каналу 2, якщо канал і сопло суміщені (рис.3.50,в). Залежно від складу і витрати плазмоутворюючого газу, довжини каналу та інших факторів активна пляма дуги розташовується на бічній поверхні каналу або його торці. Плазмовий струмінь 6 виділяється з пальника і є незалежним від виробу.

a б в

Рис.3.50. Принципова схема дугових плазмових пальників для одержання плазмової дуги (а) і плазмового струменя при роздільних (б) та суміщених соплі і каналі (в):

1 – електрод; 2 – канал; 3 – охолодна вода; 4 – стовп дуги; 5 – сопло; 6 – плазмовий струмінь; Е – джерело живлення; В – виріб; lз – заглиблення електрода в канал

У пальниках прямої дії є два енергетичних джерела нагрівання виробу: плазмовий струмінь та електрично активна пляма дуги. Тому к.к.д. пальників прямої дії вищий (60…80 %), ніж пальників непрямої дії, які використовують лише енергію плазмового струменя. К.к.д. па-

370

льників непрямої дії з магнітним закручуванням дуги для зниження теплового навантаження на електроди досягає 50…70 %.

Істотно впливає на характеристики плазмового струменя плазмоутворююче середовище. Від складу середовища залежить напруженість поля стовпа дуги, щільність струму в дузі, величина теплового потоку і в остаточному підсумку – ефективність перетворення електричної енергії в теплову. Склад плазмоутворюючого середовища обумовлює також процеси його взаємодії з металом при зварюванні та різанні. В якості плазмоутворюючого середовища можна використовувати окремі гази (аргон, азот, водень, гелій, кисень), а також газові суміші. Ефективність плазмоутворюючого середовища визначається його енергетичними характеристиками і тепловими властивостями. Під енергетичними характеристиками розуміють здатність середовища перетворювати електричну енергію в теплову і передавати її матеріалу, що нагрівається. Важливими властивостями середовища є його теплоємність і теплопровідність. Зміну ентальпії і коефіцієнтів теплопровідності деяких газів залежно від температури показано на рис.3.51.

Аргон має низькі значення напруженості поля і коефіцієнт теплопровідності, через що його застосування як самостійного плазмоутворюючого газу недоцільне. Значно кращі енергетичні характеристики має гелій, однак висока вартість і дефіцитність гелію не дозволяють його широко використовувати в промисловості. Високі енергетичні характеристики, теплоємність і теплопровідність має азот, але він активно взаємодіє з металом і електродом плазмового пальника. Кисень за енергетичними властивостями близький до азоту. Водень має гарні енергетичні характеристики: напруженість поля у водневій дузі в дватри рази вища, ніж у аргоновій, теплопровідність водню значно вища, ніж у інших газів, але як самостійне плазмоутворююче середовище він не знайшов застосування через низькі стабільність горіння дуги та стійкість сопла плазмотрона.

371

У промисловості звичайно використовують багатокомпонентні плазмоутворюючі середовища, такі, як аргон + водень, азот + + водень, вуглекислий газ, повітря, вода, аміак тощо.

Рис.3.51. Коефіцієнт

атеплопровідності (а) та

ентальпія (б) деяких газів

б

Температура плазмового струменя розподіляється нерівномірно як по радіусу, так і по довжині (рис.3.52) [120].

Рис.3.52. Розподіл температури в плазмовому струмені (U = 29 В, I = 200 А, dс = 4,9 мм, витрати аргону – 1,08 м3/год)

372

3.3.2. Технологія зварювання. Плазмове зварювання застосовують при виготовленні деталей із нержавіючих сталей, титану, нікелевих сплавів, молібдену, ніобію та багатьох інших металів. Найбільш поширене зварювання стиснутою дугою прямої дії. Плазмова дуга за проплавляючою здатністю займає проміжне місце між зварювальною дугою в аргоні й електронним променем (див. рис.3.1).Стовп стиснутої дуги і струмінь плазми мають циліндричну форму, через що процес плазмодугового зварювання менш чутливий до зміни довжини дуги, ніж процес аргонодугового зварювання. Формування шва є стабільним. Зварювання пластин устик товщиною до 9,5 мм, а іноді і більше, ведеться без оброблення кромок і присадного матеріалу. Наприклад, плазмова дуга в суміші аргону і 7,5 % (об), водню при силі струму 305 А та напрузі 35 В, витраті газу 4,3·10–4 м3/с (1,54 м3/год) дозволяє зварювати корозійностійку сталь товщиною 12,7 мм при швидкості 3,2·10–3 м/с (11,4 м/год) [120]. При товщинах сталі до 25 мм проводиться V- або U- подібне оброблення кромок, причому глибина і кут оброблення значно менші, ніж при аргонодуговому зварюванні. Плазмова дуга забезпечує зварювання з глибокою і вузькою зоною проплавлення, тому відхилення осі плазмотрона від осі шва не повинні перевищувати 1,3 мм. У якості плазмоутворюючих газів використовують суміші аргону з 5…8 % водню, а при зварюванні активних металів – аргон або його суміші з гелієм. Витрати газів вибирають такими, щоб забезпечити ламінарний потік без розбризкування металу зварювальної ванни. При зварюванні з присадним дротом останній вводять через плазмовий струмінь у хвостову частину зварювальної ванни. Найбільш ефективно застосовують плазмове зварювання при стиковому з'єднанні товстих листів без оброблення кромок і без присадного матеріалу.

Режими плазмового зварювання деяких металів наведено в табл.3.6.

Для металів малих товщин (від десятків мікрометрів до 2 мм) застосовують мікроплазмове зварювання, яке в цьому випадку має знач-

373

ні переваги перед усіма відомими способами зварювання [91]. Зварювання звичайно ведеться в безперервному або імпульсному режимі дугою прямої полярності, що горить між вольфрамовим електродом плазмотрона і виробом у струмені плазмоутворюючого інертного газу (як правило, аргону). Схему процесу показано на рис.3.53 [91].

Таблиця 3.6. Режими плазмового зварювання стикових з'єднань

деяких металів1

		Товщи-	Швидкість	Парамет-		Плазмоутворюючий
	Метал	на, мм	зварювання,	ри дуги		та захисний гази
			м/хв	І, А U, В
		2,4	0,97	160	31	Ar + 7,5 % Н2
	Нержавіюча сталь	3,2	0,61	145	32	Ar + 7,5 % Н2
		6,4	0,36	240	38	Ar + 7,5 % Н2
		12,7	0,19	305	35	Ar + 7,5 % Н2
	Титан	3,2	0,51	185	21	Ar
		12,7	0,25	285	38	Ar
	Жароміцний ні-	3,5	0,40	180	27	Ar
	келевий сплав
	Низьковуглецева	6,4	0,254	305	35	Ar
	сталь

Примітка. 1 Діаметр сопла 2,4 мм; витрати плазмоутворюючого газу 0,14… …0,5 м3/год; захисного газу 0,85…1,40 м3/год.

Рис.3.53. Схема процесу мікроплазмового зварювання:

1 – основне джерело живлення постійного струму; 2 – водоохолодне мідне сопло; 3 – вольфрамовий електрод; 4 – плазмоутворюючий газ; 5 – низькоамперне джерело живлення чергової дуги; 6 – керамічне соп-

ло; 7 – захисний газ; 8 – виріб

374