10.6 Плазменная сварка

При плазменной сварке источником нагрева и расплавления металла является плазменная дуга. Такая дуга образуется в специальном устройстве, называемом плазмотроном.Плазмотрон по своему смысловому значению определяется как генератор плазмы, т.е. ионизированного газа, обладающего высокой температурой.

Применение плазмотронов в сварочной технике началось в середине 50-х годов XXстолетия, после того, как получили широкое распространение аргонодуговые горелки с неплавящимся вольфрамовым электродом.

В инженерной практике наметились две схемы плазмотронов (см. рис. 72).

1 2

1 2

3

3

Е

Е

4

4

Ии

6

3

5

6

а)- плазмотрон прямого действия

б)-плазмотрон косвенного действия

Рис. 72. Принципиальные схемы дуговых плазмотронов.

1 - электрод (катод); 4 – столб дуги; Е – источник тока с осциллятором

2 – канал; 5 – сопло (анод);

3 – охлаждающая вода; 6 – плазменная струя; И – изделие

В плазмотронах прямого действия одним из электродов (анодом) является обрабатываемый материал (рис. 72, а). Внутренний КПД такого плазмотрона достигает 60-80%.

В плазмотронах косвенного действия (рис. 72, б) вторым электродом (анодом) служит сопло плазмотрона. КПД таких плазмотронов достигает 50-70%.

Плазма газового разряда (в отличии от “горячей” термоядерной плазмы, характеризующейся температурой в десятки миллионов градусов) в зависимости от состава среды характеризуется температурами от 2000-3000ºС до 40000-50000ºС. В дугах средней мощности (сила тока до 1500 А), стабилизированных потоком газа (аргон, азот, водород), плазма имеет температуру 5000-20000ºС.

Состав плазмообразующего газа и материал электродов выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к процессу.

Электроды изготавливают обычно из меди и вольфрама.

Плазменная дуга по проплавляющей способности свариваемого металла занимает промежуточное положение между электронным лучом и сварочной дугой, горящей в аргоне. Процесс характеризуется глубоким проплавлением основного металла в форме “замочной скважины”. Столб дуги и струя плазмы имеют цилиндрическую форму. Благодаря этому процесс плазменно-дуговой сварки менее чувствителен к изменению длины дуги, чем процесс аргонодуговой сварки. Изменение длины дуги конической формы (при аргонодуговой сварке) всегда ведет к изменению ширины шва. Плазменная дуга позволяет иметь практически постоянный диаметр пятна нагрева и тем самым даёт возможность стабилизировать проплавление основного металла. Это свойство плазменной дуги используется при сварке очень тонких листов.

Основными параметрами регулирования тепловых характеристик плазменной дуги являются сила тока, длина дуги и расход плазмообразующего газа. Увеличение силы тока и длины дуги приводит к возрастанию температуры; повышение расхода плазмообразующего газа при больших его значениях снижает температуру.

Расход плазмообразующего газа устанавливают таким, чтобы истечение плазмы из сопла не было турбулентным, а силовое воздействие плазменной струи на поверхность сварочной ванны не приводило к разбрызгиванию расплавленного металла. В качестве плазмообразующего газа обычно применяют аргон или его смеси с водородом или гелием, а для защиты металла сварочной ванны от окисления - смесь аргона с 5-8% водорода. Состав плазмообразующего газа влияет на глубину проплавления при данной силе тока. Добавление к аргону небольшого количества водорода (6-8%) увеличивает проплавление.

Плазменной дугой сваривают листы толщиной до 12 мм. При сварке листов толщиной до 25 мм требуется V- или U- образная разделка кромок, причем глубина и угол разделки значительно меньше, чем для аргонодуговой сварки.

Микроплазменной дугой (сила тока 0,1-10 А) сваривают листы толщиной 0,025-0,8 мм из углеродистой и нержавеющей стали, меди, титана, тантала, молибдена и других металлов и сплавов.

Микроплазменная сварка находит широкое применение в радиоэлектронике и приборостроении для сварки тонких листов и фольги.