Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Для зварювання використовують джерело постійного струму 1. Спеціальне малоамперне джерело живлення 5 призначене для одержання безперервно діючої між соплом 2 і електродом 3 чергової дуги. За допомогою чергової дуги досягається стабільність процесу навіть при дуже малих силах струму, аж до 0,1 А, що дозволяє зварювати метали товщиною 0,01 мм. Плазмоутворюючий газ 4 пропускають між електродом і мідним соплом 2, а захисний газ 7 – між мідним соплом 2 і керамічним соплом 6. При підведенні плазмотрона до виробу збуджується основний розряд між електродом та виробом, чергова дуга видувається на виріб, перетворюючись у мікроплазму голкоподібної форми. Роздільна подача плазмоутворюючого і захисного газів призводить до неоднорідності газового середовища в розрядному проміжку. Прикатодна область дуги існує в плазмоутворюючому газі, а стовп дуги і прианодна область – у захисному газі. Правильний вибір захисного і плазмоутворюючого газів, їхніх витрат, форми і розмірів сопел плазмотрона дозволяють отримати конусоподібну форму стиснутої дуги з вершиною, спрямованою на виріб. Така форма дуги спостерігається при використанні в якості захисних газів аргоноводневої суміші, гелію, азоту, вуглекислого газу. Якщо захисним газом є аргон, дуга має циліндричну форму. Циліндричну форму дуга здобуває також при силі струму більше 20 А. У випадку збільшення витрат плазмоутворюючого газу ефект фокусування послабляється.

Мікроплазмове зварювання ведеться при силах струму від декількох десятків міліампер до десятків ампер. Витрати газів незначні: плазмоутворюючого (3,3…5,0)·10–6 м3/с (12…18 л/год), захисного (50… …205)·10–6 м3/с (180…740 л/год). Пропорціонально витраті плазмоутворюючого газу зростає напруга до 20…30 В. Склад захисного газу вибирається залежно від роду зварюваних матеріалів. Звичайно це газові суміші на основі аргону з домішками водню або вуглекислого газу при зварюванні сталей, з домішками гелію або чистий гелій при зварюванні активних металів.

375

Мікроплазмове зварювання на прямій полярності широко застосовується при виготовленні деталей із вуглецевих та легованих сталей, міді, нікелю, титану, ніобію, молібдену та інших тугоплавких металів. Для зварювання матеріалів будь-яких марок силу струму вибирають пропорціонально товщині (рис.3.54,а). Для кожної товщини існує оптимальна швидкість зварювання (рис.3.54,б).

а б

Рис.3.54. Вплив товщини металу і швидкості зварювання на силу струму (а) та товщини металу на швидкість мікроплазмового зварювання (б) постійним струмом прямої полярності [91]

Швидкість зварювання вибирають з умови якісного формування шва. При перевищенні швидкості зварювання утворюються підрізи. При малих швидкостях збільшується ширина шва та зони термічного впливу. Суттєве збільшення величини зерна призводить до зниження механічних властивостей зварних з'єднань.

Для з'єднання металів товщиною до 0,2 мм розроблено спосіб імпульсного мікроплазмового зварювання, при якому нагрівання і плавлення металу здійснюються в момент подачі імпульсу струму [120]. Частота імпульсів і швидкість зварювання вибираються такими, щоб забезпечити перекриття точок.

Режими імпульсного мікроплазмового зварювання вибирають з умови повного проплавлення при мінімальній ширині шва. Встановлено, що амплітуда струму Іmaх для даної товщини практично не залежить від абсолютних значень тривалостей імпульсу tі та паузи tп, а

376

обумовлюється лише коефіцієнтом жорсткості режиму	G =	tп	[91].
		ti

Після визначення Іmaх при заданій жорсткості G вибирають тривалість імпульсу таким чином, щоб перекриття точок р = 50 %.

Мікроплазмове зварювання проводять на підкладках з піддувом зі зворотної сторони захисного газу або без нього, що суттєво впливає на параметри режиму зварювання, як показано на рис.3.55 [91].

а

б

Рис.3.55. Залежність амплітуди струму та тривалості імпульсу від швидкості мікроплазмового зварювання сталі 1Х18Н9Т в газовій суміші Ar + 6 % Н2 при різній жорсткості G (δ = 0,3 мм; lд = 1,5 мм):

а – зварювання на підкладці з формуючою канавкою; б – зварювання на підкладці без канавки

Зварювання сталі 1Х18Н9Т показало, що ширина шва b є практично однаковою для однієї і тієї ж товщини металу δ і складає 0,8…2,0; 1,6…1,7; 1,4…1,5 та 1,1…1,2 мм відповідно для зразків товщиною 0,8; 0,5; 0,3 та 0,1 мм.

Виходячи з наведених у роботі [91] значень ширини шва та вибраних величин перекриття точок р, жорсткості G і швидкості зварювання vзв для попереднього розрахунку параметрів режиму імпульсно-

377

го зварювання Іmax, G та vзв рекомендовано рівняння:

	Imax =	dIсер				vзв(1 +G)+ I0 ;					(3.48)
		dvзв
	ti =			1				;			(3.49)
					f (1+G)
		f =				vзв		;			(3.50)
					(1− p)b
	tп =				(1− p)b					;	(3.51)
			vзв(1+G)
		tп = Gti ,									(3.52)

де І0 – значення Іmаx при vзв = 0, що визначається екстраполяцією прямих Іmаx = f(vзв) для заданої товщини та умов складання (див. рис.3.55).

Для зварювання алюмінію та його сплавів товщиною 0,2…2,0 мм застосовують мікроплазмове зварювання змінним струмом і різнополярними імпульсами. При цьому способі за основу прийнято схему мікроплазмової дуги зворотної полярності, зображену на рис.3.56.

Рис.3.56. Схема мікроплазмового зварювання на зворотній полярності:

1 – факел плазми; 2 – сопло; 3 – виріб; 4 – вольфрамовий електрод; 5, 6 – джерело живлення відповідно чергової та основної дуги

Факел плазми 1, що створюється черговою дугою непрямої дії, забезпечує стабільність збудження та дії основної дуги. Використання мідного водоохолодного сопла 2 в якості анода основної дуги виклю-

378

чає дію струму дуги зворотної полярності на вольфрамовий катод чергової дуги. Сила струму чергової дуги дорівнює 2…5 А.

При малих витратах плазмоутворюючого газу (0,2…0,8 л/хв) анодна пляма основної дуги розміщується на внутрішній поверхні сопла (в каналі), а стовп основної дуги стискується захисним газом. Катодна пляма переміщується по поверхні виробу і завдяки дії іонного бомбардування та сильного електричного поля забезпечує дисоціацію оксидів і руйнування оксидної плівки без розплавлення основного металу та при катодному падінні напруги, значно меншому енергетичного порога розпилення матеріалу катода. Якщо струм дуги зворотної полярності достатній для розплавлення кромок, то одночасно з руйнуванням оксидної плівки буде проходити процес зварювання.

Недоліком такого способу зварювання є низька концентрація енергії в дузі між соплом та виробом, що різко обмежує товщину зварювальних матеріалів. Блукання катодної плями на виробі призводить до утворення широкого шва і значної зони термічного впливу порівняно, наприклад, з мікроплазмовим зварюванням дугою прямої полярності. У розробленому Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Патона способі повністю реалізуються всі переваги плазмового джерела теплоти

[91].Спосіб запатентовано в багатьох країнах світу.

Урозробленому способі зварювання дуга зворотної полярності використовується лише в один напівперіод для руйнування оксидної плівки на кромках деталей. Плавлення металу відбувається в другий напівперіод висококонцентрованим джерелом тепла – дугою прямої полярності, яка горить між вольфрамовим електродом плазмотрона і виробом.

Між електродом і соплом плазмового пальника горить чергова дуга, яка в проміжку сопло–виріб створює факел плазми та забезпечує стабільність дуги навіть при струмах менше 1 А. При подачі на сопло пальника позитивного відносно виробу напівперіоду напруги між соплом і виро-

379

бом горить дуга зворотної полярності з нестаціонарною катодною плямою. Протягом цього напівперіоду відбувається очищення поверхні виробу. Слід відзначити, що блукаюча катодна пляма очищає не лише відкриті поверхні, але проникає і в зазор між кромками, забезпечуючи високу якість зварного з'єднання. Сила струму зворотної полярності низька і вибирається лише за умови якісного очищення поверхні. Потім на вольфрамовий електрод пальника поступає негативний відносно виробу напівперіод напруження. При цьому формується плазмова дуга з високою щільністю енергії для плавлення і зварювання деталей.

У винайденому способі мікроплазмового зварювання змінним струмом на сопло та електрод пальника навперемінно подаються напівперіоди напруги синусоїдальної форми промислової частоти (50 Гц). Через виріб проходить асиметричний змінний струм, а по вольфрамовому електроду – лише струм прямої полярності. Така схема дозволяє окремо регулювати струм прямої та зворотної полярності.

Важливими технологічними параметрами є: режим чергової дуги, заглиблення електрода в каналі, діаметр сопла витрати газів та величини струмів у різні напівперіоди.

Спосіб зварювання змінним струмом дозволяє навперемінно подавати імпульси не лише синусоїдальної форми, але і будь-якої іншої (наприклад, прямокутної) форми різного часу дії, що значно розширює технологічні можливості зварювання. При цьому важливу роль

	відіграють коефіцієнти жорсткості G та асиметрії струму K:
	G =		tзв	;		(3.53)
			tпр
	K =		Iпр		,	(3.54)
			Iзв

де tзв і tпр – відповідно тривалість імпульсів струмів зворотної і прямої полярностей; Іпр та Ізв – відповідно сили струмів прямої та зворотної полярностей.

380

Дослідження стійкості вольфрамових електродів при K = 2 показали, що чистий вольфрам діаметром 1 мм руйнується при Іпр = 30…40 А, а вольфрам з лантаном або ітрієм витримує 60…70 А без руйнування.

Вибір режимів зварювання та розрахунок розповсюдження тепла можна вести так само, як і при періодично діючій дузі, визначивши кількість тепла Q1, що приходиться на одиницю довжини шва, за рівнянням [91]

Q	=	ηпрІпрUпрtпр +ηзвІзвUзвtзв	.	(3.55)
1		(tпр +tзв )vзв

При Uпр = Uзв = Uд та ηпр = ηзв = η рівняння (3.55) буде мати вигляд

				G
	ηІ	U 1	+
Q =		пр д		R		.	(3.56)
		(1 +G)v
1
			зв

Параметри режимів мікроплазмового зварювання без присадки деяких металів наведено в табл.3.7.

3.3.3. Плазмове різання. На відміну від газокисневого різання, заснованого на згорянні (інтенсивному окиснюванні) металів у струмені кисню і примусовому видаленні цим струменем утворюваних оксидів, суть плазмового різання полягає у виплавленні високотемпературною плазмою металу по лінії різа та видаленні газовим струменем розплавленого або перегрітого до випаровування матеріалу. Зав-

дяки високій температурі плазми можна здійснювати плазмове різання кольорових металів та їхніх сплавів, жаростійких і жароміцних сталей та сплавів, а також інших матеріалів, що погано піддаються газокисневому різанню. Плазмовий струмінь забезпечує різання також неметалічних матеріалів. Висока концентрація енергії в плазмі дозволяє вести різання з мінімальними деформаціями металу, у тому числі тонколистового.

381

Таблиця 3.7. Параметри режимів мікроплазмового зварювання

стикових з'єднань деяких металів1

		Товщи-	Швидкість	Параметри дуги		Плазмоутворюючий
	Метал		зварювання,
		на, мм		І, А	U, В	та захисний гази
			м/хв
	Нержавіюча	0,25	0,20	6	20…22	Ar + 5 % Н2
	сталь	0,12	0,18	2	16…18	Ar + 5 % Н2
	Титан	0,2	0,127	5	16…18	Ar+50% Не
	Жароміцний	0,35	0,46	30	22	Ar + 5 % Н2
	нікелевий	0,30	0,38	6		Ar + 75 % Н2
	сплав
	Мідь	0,3	0,23	30	28…30	Ar + 0,5 % Н2
		0,3	0,5	Iпр=8…10	–	Ar + 50 % Не
				Iзв=6…8
		0,5	0,43	Iпр=22…26	–	Ar + 50 % Не
	Алюміній2			Iзв=16…18
	АМг6	1,0	0,35	Iпр=30…34	–	Ar + 50 % Не
				Iзв=18…22
		1,5	0,35	Iпр=40…50	–	Ar + 50 % Не
				Iзв=20…25
				Iпр=35…40
	Алюміній3	1,0	0,35	(tімп пр.=0,04с)	–	Ar + 50 % Не
	АМг6			Iзв=16…18
				(tімп зв.=0,04с)

Примітки: 1 – діаметр сопла 1,0…1,5 мм; витрати плазмоутворюючого газу

0,012…0,018 м3/год; захисного газу 0,24…0,57 м3/год;

2– зварювання змінним струмом із сінусоїдальними імпульсами;

3– зварювання змінним струмом з різнополярними імпульсами (значення сили струму наведено амплітудні).

Для різання неелектропровідних матеріалів і тонких металів застосовують незалежний плазмовий струмінь, а для кольорових металів і сплавів – плазмову дугу прямої дії. Плазмоутворюючими середови-

382

щами служать азот, його суміші з воднем, повітря, суміш азоту з киснем, вода, аміак тощо. Газові середовища повинні забезпечувати ефективне перетворення та передачу матеріалові теплової енергії дуги, одержання якісного металу в зоні різа, стійкість проти руйнування неплавкого електрода плазмотрона, економічність процесу тощо. Для різання алюмінію і його сплавів найбільше підходять нейтральні гази, наприклад аргон. При різанні інших металів використання газових середовищ на основі аргону недоцільне.

Для різання суднокорпусних сталей застосовують повітряноплазмове різання, тобто плазмоутворюючим газом є повітря. Повітря- но-плазмове різання низьковуглецевих сталей доцільне при силах струму до 300 А. При цьому воно має переваги перед газокисневим різанням сталей до товщин не більше 60 мм. Досвід упровадження повітряно-плазмового різання показав, що при наступному зварюванні суднокорпусних сталей товщиною 8…14 мм у швах можуть виникати пори [21]. Причина пороутворення – підвищений вміст азоту в оплавленій ділянці кромки різа, обумовлений взаємодією металу з повітряною плазмою стовпа дуги [123]. Для зменшення концентрації азоту потрібні підвищення напруги дуги, використання анізотропії стабілізованої вихром дуги, додавання до повітря кисню, вуглеводнів або води в кількості (4,1…5,0)·10–6 м3/с (0,25…0,30 л/хв). Попередити пороутворення можна також шляхом удосконалення технології зварювання, наприклад застосуванням автоматичного дводугового зварювання під флюсом із глибоким проплавлением.

Широко застосовується плазмове різання алюмінієвих сплавів. Його основна особливість полягає в тому, що в звичайно застосовуваній плазмоутворюючій аргоноводневій (близько 35 % Н2) суміші для підвищення якості різання необхідно знижувати вміст водню. Різання може виконуватися також в азотно-водневих сумішах, однак якість різа при цьому дещо гірша.

383

Для нержавіючих сталей плазмове різання доцільне при товщинах до 120 мм. Для більших товщин високу продуктивність процесу можна забезпечити киснево-флюсовим різанням. При плазмовому різанні сталі товщиною 30…120 мм можна одержати практично вертикальні стінки без напливів металу на нижніх кромках. Переваги плазмового різання порівняно з киснево-флюсовим за продуктивністю особливо помітні при товщинах до 30 мм. Різання ведуть в аргоноводневих або азотно-водневих сумішах. З метою підвищення якості різання при збільшенні товщини металу використовують азотно-водневі суміші з низькою концентрацією водню, аж до його повного виключення із суміші.

Основні параметри режиму різання (сила струму і напруга дуги,

швидкість різання, характеристики плазмового пальника) залежать від товщини матеріалу, що розрізається. Наприклад, різання нержавіючої сталі товщиною 36 мм при силі струму дуги 700 А, напрузі дуги 150 В, діаметрі сопла 6 мм, витраті аргону 3,3·10–4 м3/с (1,2 м3/год) і водню 9,7·10–4 м3/с (3,5 м3/год) відбувається зі швидкістю 2·10–2 м/с (73 м/год), а товщиною 70 мм – 0,7·10–2 м/с (26 м/год).

Вибираючи режим різання, необхідно враховувати теплофізичні властивості матеріалу, конструктивні особливості виробів тощо. Наприклад, у зв'язку з високою теплопровідністю міді і її сплавів, плазмове різання виконується при великих силах струму дуги. Плазмове різання неметалічних матеріалів відбувається за рахунок виплавлення матеріалу із зони різа та його видалення в результаті локального термомеханічного впливу високошвидкісного високотемпературного газового потоку.

У суднобудуванні для підвищення якості плазмового різання великогабаритних листів металу, попередження деформацій та забезпечення санітарно-гігієнічних умов використовують спеціальні водяні ванни. Різання проводять над поверхнею води (відстань між нижньою поверхнею листа і води може бути 0...2 см) або під водою (відстань між верхньою поверхнею листа і поверхнею води – близько 6 см). При

384