Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

різанні над водою плазмова дуга може знаходитися в струмені води циліндричної форми, що подається через кільцевий зазор між керамічним та мідним соплами. Схеми різання показано на рис.3.57.

Рис.3.57. Плазмове різання над поверхнею (а), на поверхні (б) та під поверхнею води (в):

1 – вода; 2 – стіл; 3 – лист ме-

талу; 4 – плазмотрон

а

Різання під водою забезпечує високу точність і чистоту різа, відсутність грату, забруд-

бнення робочого місця та навколишнього середовища, мінімальну зону термічного впливу і дефор-

мації, значне зниження шуму та ультрафіолето-

в вого випромінювання. Для підвищення точності та якості різання розроблено киснево-

плазмове різання, при якому плазмоутворюючим газом є кисень. Різання конструктивних сталей товщиною 0,5…4,0 мм виконується з підвищеною щільністю енергії (діаметр сопла від 0,4 до 0,7 мм), що забезпечує вузьку ширину різа, невеликі шероховатість, відхилення бокової поверхні різа від перпендикулярності (близькі до лазерного різання), невеликі утворення або повну відсутність грата. Незначний тепловий вплив процесу сприяє високій точності різання. Стійкість електрода і стабільність процесу забезпечуються стабілізацією та обер-

385

танням дуги в плазмотроні за допомогою магнітного поля. Діапазон регулювання сили струму при різанні – 3…40 А, номінальна робоча напруга – 150 В, напруга холостого ходу джерела живлення – 280 В, робочий тиск кисню – 6 атм. Номінальна потужність установки CORTA PS – 5 кВт. Найбільш ефективне використання киснево-плазмового різання при товщинах до 1,0 мм. Зі збільшенням товщини металу від десятих долей міліметра до декількох міліметрів оптимальна швидкість різання може зменшуватися від 600…300 м/год до 60…30 м/год.

Орієнтовні режими повітряно-плазмового та повітряно-мікро- плазмового різання наведено в табл.3.8.

Таблиця 3.8. Орієнтовні режими плазмового різання деяких металів1

	Матеріал	Товщи-	Параметри дуги		Діаметр	Швидкість	Ширина
		на, мм	І, А	U, В	сопла, мм	різання, м/хв	різа, мм
	Вуглецеві та ни-	6…10	270…290	140…150	3,0	3,5…2,2	2,5…3,0
	зьколеговані сталі	30…40	290…310	175…195	3,0	0,65…0,3	3,0…6,0
	Алюміній	6…10	270…290	140…150	3,0	5,0…3,0	3,5…4,0
		20…40	290…310	160…185	3,0	2,0…0,6	3,5…4,0
	Корозійностійкі	6…20	270…290	160…170	3,0	3,6…1,0	2,5…3,0
	сталі
	Мідь	20…40	290…310	170…195	3,0	0,9…0,15	2,8…3,0
	Сталь Ст32	1…3	30	130	0,8	5,0…3,0	1,0…1,5
		7…10	100	120	1,4	1,5…1,0	2,0…2,5
	Сталь	0,7	20	120	1,0	0,95	1,5
	12Х18НОТ2	3,0	18	90	0,6	0,70	0,9
		1,0	20	130	0,8	4,0	1,1
	Алюміній 2	3,0	50	10	1,0	2,8	1,6
		10,0	100	105	1,4	1,6	2,0
	Титан 2	5,0	100	95	1,4	2,6	1,6
	Примітки: 1 – Витрати		повітря при	плазмовому	різанні	– 80…90 л/хв;	при мікро-
	плазмовому різанні – 7,0…13,5 л/хв;
	2 – мікроплазмове різання.

386

3.3.4. Устаткування для плазмової обробки матеріалів. Ком-

плект устаткування для плазмової обробки матеріалів складається з плазмотрона, пристроїв для його охолодження і переміщення, джерела струму та балонів (компресора) для забезпечення плазмоутворюючого та захисного середовищ. Головними складовими енергетичної частини устаткування є плазмотрони і джерела живлення дуги. Схеми деяких плазмотронів показано на рис.3.58.

а

б

Рис.3.58. Схеми плазмотронів:

а – нейтрально-газового з осьовою стабілізацією дуги; б – машинного з вихровою стабілізацією дуги; в – двопоточного; 1, 3 – сопловий та катодний вузли; 2 – вольфрамовий катод; 4, 6 – вхід і вихід охолодної води; 5 – захисний газ; 7 – корпус плазмотрона; 8 – стиснене повітря; 9 – завихрювач; 10 – катодоутримувач; 11 – гільзовий катод; 12 – внутрішнє сопло захисного газу

Конструкція плазмотрона залежить від робочого газового середовища, способу подачі газу в дугову камеру, запалювання дуги, системи охолодження. Найбільш просту конструкцію мають плазмотрони, які працюють на нейтральних газових середовищах (рис.3.58,а). У дуговій камері, утвореній ізольованими катодним та анодним вузлами, встановлено катод з вольфраму, який стабілізований оксидами торію, ітрію, лантану для підвищення емісійних властивостей і стійкості в робочому середовищі. Газ подають соосно катодові. Для фіксації катодної плями дуги на електроді вольфрамовий стержень загострюють.

387

У машинних плазмотронах для різання металу середніх товщин використовують вихрову стабілізацію дуги і гільзові катоди (рис.3.58,б). Гільзові катоди складаються з гільзи-катодоутрумувача, в який запресовують катод. Гільза виготовляється з міді й інтенсивно охолоджується для збільшення терміну служби катодної вставки. Катодні вставки виготовляють із вольфраму, цирконію або гафнію. Гільзові катоди мають плоский торець, тому дугу стабілізують закрученим потоком газу, що фіксує катодну область дуги в центрі торця катодної вставки. Гільзові катоди застосовують при повітряно-плазмовому різанні. При цьому катодні вставки з цирконію і гафнію утворюють тугоплавкі і термостійкі оксиди. Такі катоди називають плівковими. При їхній роботі утворюється плівка розплаву, що містить оксиди і нітриди катодного матеріалу. Для тангенціальної подачі газу встановлюють завихрувальні шайби з жаростійкої кераміки. Різання з використанням кисневмісних газів виконують також пустотілими циліндричними мідними катодами, які інтенсивно охолоджуються водою. Швидке переміщення катодної плями під дією вихру по внутрішній поверхні катода забезпечує його працездатність.

На рис.3.58,в показано двопоточний плазмотрон, у якому робочим газом є повітря або кисень. Для захисту вольфрамового катоду подають аргон. Якщо вольфрамовий електрод знаходиться в порожнині внутрішнього сопла, то в плазму перетворюється переважно аргон, а робочий газ служить для стабілізації дуги. Якщо вольфрамовий електрод знаходиться між внутрішнім і зовнішнім соплом, то в плазмі можна одержати значний вміст робочого газу. При використанні плазмотронів із газорідинною стабілізацією дуги за схемою двопоточного плазмотрона кількість води вибирають такою, щоб вона цілком випаровувалася. При різанні дугою, стабілізованою водоповітряною сумішшю, насичення кромок різа азотом є значно меншим, ніж при повітряно-плазмовому різанні.

Схему плазмотрона для мікроплазмового зварювання було показано на рис.3.53. Для виготовлення неплавких електродів застосову-

388

ють прутки і дроти з вольфраму з лантаном (ВЛ-1), вольфраму з ітрієм (ВИ) та вольфраму з торієм (ВТ-15) діаметром 1,0…2,0 мм.

Особливість джерел живлення плазмової дуги – високі напруги холостого ходу. ДСТ 12.2.007.8–75 допускає напруги холостого ходу джерела струму для плазмового різання не більше 500 В для автоматичного, 300 В для механізованого та 180 В для ручного різання.

Для плазмової обробки промисловість випускає спеціальні джерела живлення на тиристорах. При відсутності таких можна використовувати звичайні випрямлячі або перетворювачі з падаючими зовнішніми статичними характеристиками. Оскільки робоча напруга при різанні перевищує номінальну напругу зварювальних джерел, то два або три ідентичних джерела з'єднують послідовно. Для ручного різання розроблено індуктивно-ємнісний перетворювач, який забезпечує стабілізацію дуги і її стабільне горіння при відношенні робочої напруги до напруги холостого ходу, рівному одиниці.

У промисловості для плазмового різання використовуються апарати КДП-2, ОПР-6-ЗМ, УПР-201УЗ, ПВП-1У2, "Київ-2", "Київ-4", АВПР-2, АВПР-3, АПР-402У4 та ін. Робочим середовищем у перших двох апаратах є азот і суміші азоту з повітрям та азоту з воднем. Інші апарати призначені для повітряно-плазмового різання. Установка УПР-201УЗ використовується для ручного різання сталей і кольорових металів товщиною до 40 мм. Вона має тиристорне джерело живлення та різак з повітряним охолодженням, інтервал регулювання сили струму 150…250 А. Установка "Київ-4" застосовується для ручного і механізованого різання металів товщиною до 60 мм, має індуктивноємнісний перетворювач. Для різання металів середніх товщин призначені апарати АВПР-2, АВПР-3, "Київ-2". Апарати АВПР-2 та АВПР-3 комплектуються відповідно плазмотронами ВПР-9 і ВПР-10. Установка "Київ-2" має тиристорне джерело живлення і плазмотрон ВПР-10. Установка АПР-402У4 служить для різання чорних і кольорових металів товщиною до 160 мм. Її плазмотрон можна встановлювати на

389

різні газорізальні машини. У плазмотроні застосована схема збудження чергової дуги, що відрізняється високою надійністю і збільшує ресурс роботи катодів і сопел. Джерело живлення – тиристорне, має напругу холостого ходу 300 В, інтервалі регулювання сили струму

100…450 А, витрата повітря (4…5)·10–7 м3/с (1,5…1,8 м3/год).

Для мікроплазмового зварювання випускаються тиристорні джерела живлення А-1255И, МПУ-РИ, МПУ-4, А-1281 та ін. Перші три джерела однополярні для безперервного та імпульсного зварювання. Джерело живлення А-1281 дозволяє регулювати амплітуду та тривалість імпульсів струму прямої і зворотної полярностей та комплектується плазмотронами ОБ-1160А для ручного зварювання на струмах до 30 А і ОБ-1213 для механізованого зварювання на струмах до 80 А та призначено для зварювання алюмінію і його сплавів товщиною 0,2…1,5 мм. Установка А-1347 дозволяє зварювати метали товщиною 2,0 мм. Для зварювання практично будь-яких металів малих товщин розроблені малогабаритні конденсаторні джерела живлення типу МПИ.

У суднобудуванні плазмовий струмінь найбільш широко використовують для різання металів. Завдяки заміні газокисневого різання суднокорпусних сталей повітряно-плазмовим значно підвищилися продуктивність праці та якість різа, скоротилася витрата дефіцитних газів та зменшилися теплові деформації металу при різанні. Повітря- но-плазмове різання застосовують у складі механізованих ліній виготовлення секцій. На машинах установлені плазмотрони, що відрізняються простотою конструкції, легкістю заміни частин і мінімальною металоємністю. Живлення дуги здійснюється джерелом АПР-402У4.

На ряді підприємств застосовується плазмове різання під водою за допомогою машин NUMOREX та TELEREX. Остання забезпечує різке підвищення продуктивності обробки металу.

Плазмове різання застосовують у суднобудуванні також для вирізки деталей із корозійностійких сталей, кольорових металів та їхніх сплавів. Використовуються машини "Кристал ПЛ-3,2", "Кристал ПЛ-2,5", при-

390

стрій "Зміна-M". Різання в монтажних умовах виконують за допомогою апарата УПР-20143 [121].

Слід відзначити, що сьогодні в промисловості використовуються машини типу "Кристал". Вони мають нове електрообладнання і системи числового програмного управління нового покоління. Машини забезпечують автоматизований розкрій листового металу шириною 2,5 м та довжиною 10 м (3,2 м і 16,0 м). Можуть бути оснащені обладнанням для плазмового (мікроплазмового) та/або газокисневого різання. Плазмове різання дозволяє проводити розкрій металу товщиною 5…25 мм (60 мм без пробивання), мікроплазмове – 1…16 мм. У першому випадку сила струму регулюється в інтервалі 150…400 А, у другому – 20…100 А. Плазмоутворюючий газ – повітря або кисень. Додатково машини можуть бути обладнанні пристроєм для розмічування металу.

Операційна система та програмне забезпечення зберігаються в пам'яті машини. Завантаження керуючих програм ведеться через 3,5" гнучкий диск або мережу.

Датчик висоти підтримує робочу відстань при різанні з точністю ±1,0 мм. Найбільше відхилення розмірів кола діаметром 500 мм складає ±0,3 мм. Комп'ютерна система управління забезпечує всі можливості технологічного процесу.

3.3.5. Особливості та сфери застосування плазмової обробки матеріалів. Технологічні можливості плазмового струменя, що обумовлені високою концентрацією енергії та широким інтервалом регулювання теплової потужності, сприяють його використанню для зварювання, різання, наплавлення, напилювання, поверхневого зміцнення, плазмово-механічної обробки.

Зварювання плазмовою дугою застосовують при виготовленні деталей із нержавіючих сталей, титану, нікелевих сплавів, молібдену, вольфраму тощо в авіаційній та електронній промисловості, суднобудуванні, нафтохімічному машинобудуванні, інших галузях. Застосовується звичайно зварювання дугою прямої дії. Завдяки циліндричній

391

формі стовпа дуги процес зварювання характеризується стабільним проплавленням металу. Спеціальні сопла дозволяють регулювати форму плями нагрівання. Зварювання може виконуватися в будь-якому просторовому положенні. Заміна аргонодугового зварювання труб із нержавіючої сталі на плазмодугове при товщині стінок 2,3…7,0 мм дозволяє збільшити швидкість зварювання на 50…200 %.

Мікроплазмове зварювання використовують у радіоелектроніці та приладобудуванні для з'єднання фольги, дротів і тонкостінних деталей товщиною 0,025…1,0 мм при силі струму 0,1…10 А.

Плазмове зварювання плавким електродом дозволяє поєднати зварювання плавким електродом у інертному газі та плазмодугове зварювання. Для живлення дуги між плавким електродом та виробом застосовують окреме джерело з жорсткою зовнішньою характеристикою.

Зварювання плазмовим струменем застосовують рідко у зв'язку з низькою продуктивністю.

Плазмове різання є одним з найбільш продуктивних процесів термічного різання, завдяки чому воно знайшло широке застосування в суднобудуванні, трубній промисловості, на металообробних і машинобудівних підприємствах, у металургійній промисловості та ін.

Повітряно-плазмове різання сталі товщиною до 80 мм порівняно з газокисневим має переваги як за продуктивністю, так і за собівартістю. При цьому якість поверхні різа така ж сама, як і при чистовому газокисневому різанні.

До недоліків повітряно-плазмового різання слід віднести низьку стійкість катодів, обмежені товщину металу та швидкість різання товстих заготовок. Гранична товщина металу при плазмовому різанні залежить від технології та вимог до якості різання. Максимальною товщиною при різанні сталі вважають 160 мм. При цьому слід відзначити, що в промисловості близько 70 % всього металу складає низьковуглецева сталь, у тому числі близько 80 % сталі має товщину до 80 мм. Тому обсяги застосування повітряно-плазмового різання щорічно зростають.

392

3.4. Інші спеціальні способи зварювання та обробки матеріалів

3.4.1. Підводне дугове зварювання

Підводне дугове зварювання (lichtbogenschweissen unter wasser, unterwasserschweissen; underwater arc welding; подводная сварка ) – це дугове зварювання, під час якого зварювані ділянки або повністю заготівки знаходяться під водою, а зона зварювання захищається газом, який подається або виділяється зі зварювальних матеріалів.

Підводне зварювання може виконуватися так званими "сухим" та "мокрим" способами. Сухий спосіб грунтується на використанні спеціальних заселених камер, які ізолюють ділянки зварювання від навколишнього водного середовища. Але цей спосіб має високу вартість і низьку маневреність, тому став розвиватися мокрий спосіб зварювання. З 1965 р. дослідження були зосереджені лише на мокрому способі, тобто зварюванні у водному середовищі [121].

Схему підводного мокрого зварювання електричною дугою, яка горить між покритим електродом та виробом, показано на рис.3.59.

Рис.3.59. Схема підводного електродугового зварювання покритим електродом:

1 – основний метал; 2 – метал шва; 3 – корка шлаку; 4 – дуга; 5 – парогазовий міхур; 6 – металеві бризки; 7 – аерозоль; 8 – гідроізоляційне покриття; 9 – електродне покриття; 10 – електродний стержень; 11 – козирок електродного покриття; 12 – зварю-

вальна ванна

Підводна електрична дуга має ряд особливостей:

дуга горить у замкнутому парогазовому об'ємі, який постійно міняється і безперервно поповнюється продуктами згоряння електрода, мінерального покриття та дисоціації води;

393

утворення парогазового міхура навколо дуги неминуче пов'язане зі створенням у ньому протитиску атмосферному тиску плюс тиску стовпа води над дугою, тобто тиск у міхурі прямо пропорціональний глибині занурення дуги у воду;

дуга піддається сильному охолодному впливу водного середовища, чому сприяють рухливість міхура та різкі зміни його об'єму.

Дугу під водою можна віднести до стиснутих. Міхур, який утворюється навколо дуги, є необхідною умовою існування дугового розряду. При короткочасних перервах у горінні дуги або при закінченні процесу зварювання парогазовий міхур не зникає відразу, а концентрується навколо електродного торця, поступово зменшуючись в об'- ємі. На початку процесу зварювання міхур росте від нуля до критичних розмірів, після чого він руйнується. Його велика частина (80…90 % об'єму) спрямовується вгору і виходить на поверхню води, а із залишків росте наступний міхур. Таким чином, цикли послідовного росту та руйнування міхура супроводжують процес горіння дуги під водою весь час.

Виходячи із суті процесу підвідного зварювання й умов горіння дуги під водою, можна виділити ряд фізико-металургійних і технологічних факторів, які впливають на якість зварювання [28–30,143]. На якість з'єднань суттєво впливають продукти дисоціації води, що знаходяться в зоні горіння дуги. Водень, інтенсивно розчиняючись у рідкому металі, викликає утворення пор, а кисень окиснює залізо та легуючі елементи. Тому взаємодія металу з продуктами дисоціації води призводить до зниження механічних властивостей зварних з'єднань. Високі швидкості охолодження металу, що обумовлені його безпосереднім контактом з водою, призводять до утворення гартівних структур, зниження пластичних властивостей зварних з'єднань та утворення холодних тріщин [30]. Із дефектів технологічного характеру, перш за все, слід відзначити небезпеку утворення підрізів. Розробки зва-

394