книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч
.1.pdfСварка ведется на переменном токе. Между электродом и изделием поддерживается дежурная дуга, которая создает плазменный поток в про межутке между соплом и изделием. Основной переменный ток, подводи мый к изделию, благодаря включению в цепь двух диодов делится на две ветви с разной полярностью. Полуволны прямой полярности поступают на вольфрамовый электрод, а обратной - на сопло. В полупериод обратной полярности дуга горит между соплом и изделием, а в полупериод прямой - между вольфрамовым электродом и изделием. В полупериод обратной по лярности катодное пятно на изделии очищает его поверхность от окисной пленки. Анодное пятно при этом при небольших расходах плазмообра зующего газа (3,3-10 см3/с) располагается внутри сопла. Величина тока обратной полярности выбирается из условия получения хорошей очистки поверхности в зоне сварки. В полупериод прямой полярности дуга между вольфрамовым электродом и изделием сжимается, что обеспечивает высо кую проплавляющую способность. Разновидностью данного процесса яв ляется МПС разнополярными импульсами, при которой осуществляется раздельное регулирование длительности импульса и амплитуды тока, пря мой и обратной полярности. В сравнении с МПС синусоидальным током сварка разнополярными импульсами обеспечивает большую глубину про плавления при меньшей ширине шва.
Французским Техническим центром сварки в развитие описанных способов предложен процесс МПС с использованием двух дуг постоянного тока (рис. 24, б).
Дуга прямой полярности горит между вольфрамовым электродом и соплом, а дуга обратной полярности - между соплом и изделием. Вторая дуга, называемая основной, обеспечивает очистку сварочной ванны. При этом способе отсутствует механическое или газодинамическое сжатие ос новной дуги, она сжимается электрическим способом. Благодаря выдува нию плазменной струи первой дуги, создается электрический проводник, который стягивает на себя ток основной дуги, что обеспечивает сжимаю щий и стабилизирующий эффект. По утверждению разработчиков возмож но горение дуги при токе 1,5 А без нарушения ее стабильности и направ ленности при длине дуги до 10 мм. Для надежного возбуждения основной дуги необходимо обеспечить достаточную мощность и длину плазменной струи. Стабильность и цилиндрическая форма основной дуги обеспечива ются при соотношении токов вспомогательной и основной дуг в пределах 7/20-25/80. Напряжение холостого хода источника питания основной дуги должно быть не менее 140 В. Для обеспечения стабильности основной ду ги при токе менее 30 А необходимо в качестве защитного газа применять гелий. Сжатая дуга такого плазмотрона обладает малой проплавляющей способностью, не обеспечивая сквозного проплавления свариваемого ме
5 1
талла. Максимальная толщина алюминиевых листов при сварке за один проход составляет 3 мм.
3.3. Сварка закрытой сжатой дугой
Плазмотроны для сварки обычно изготовляют по схеме, при которой защитный газ подается концентрично относительно дуги между электро дом и изделием. При ручной сварке такая схема необходима. Однако при механизированном процессе во многих случаях целесообразно применять способ сварки закрытой сжатой дугой.
Сущность этого способа состоит в следующем (рис. 25). Сварка осуществляется дугой, которая возбуждается между вольфрамовым элек тродом и изделием через канал медного сопла, охлаждаемого водой. Дуга, сварочная ванна и прилегающие зоны разогретого металла защищены от атмосферы воздуха медной, стальной или латунной микрокамерой, охлаж даемой водой. Горелка отделена от нее изоляционной втулкой. Приса дочная проволока подается в зону сварки через отверстие в микрокамере.
V////M
-a s
Рис. 25. Схема сварки закрытой сжатой дугой: 1 - камера; 2 - сопло; 3 - электрод; 4 - изоляционная втулка; 5 - присадочная проволока; 6 - изделие
5 2
Плазмообразующий газ при выходе из горелки заполняет микрокамеру и под некоторым избыточным давлением выходит по каналу над остываю щим сварным швом. Размеры внутренней полости микрокамеры выбирают наименьшими для данной толщины свариваемого изделия. Микрокамеру в процессе сварки прижимают к изделию с силой, достаточной для устране ния коробления кромок в месте сварки.
Приведем результаты измерения местного прогиба кромок (в мм) при сварке разными способами стали 1Х18Н9Т толщиной 0,4 мм:
аргонодуговая сварка в непрерывном режиме...................... |
0,82 |
аргонодуговая сварка в импульсном режиме........................ |
0,64 |
сварка сжатой дугой в непрерывном режиме......................... |
0,63 |
сварка сжатой дугой в импульсном режиме.......................... |
0,57 |
сварка закрытой сжатой дугой в непрерывном режиме....... |
0,08 |
сварка закрытой сжатой дугой в импульсном режиме......... |
0,07 |
Незначительные временные деформации кромок при сварке закрытой сжа той дугой обеспечивают высокую стабильность формирования шва при этом процессе.
Закрытая сжатая дуга имеет преимущества и при сварке толстолис товых материалов. В этом случае микрокамера не выполняет функции прижима, но способствует более эффективной защите металла в зоне свар ки и обеспечивает стабильное формирование шва.
При сварке тонких листов (до 2-3 мм) для защиты шва достаточно потока плазмообразующего газа. Для листов большей толщины в микро камеру подают дополнительно защитный газ. Форма микрокамеры соот ветствует профилю изделия и типу соединения. В качестве плазмообра зующего газа обычно применяют аргон. Применением газов с различными свойствами можно регулировать технологические и металлургические ха рактеристики процесса. Так, например, замена аргона смесью 80 % Не + + 20 % Аг позволяет при одном и том же токе увеличить в 2 раза скорость сварки стали 1Х18Н9Т толщиной 0,5 мм. Закрытой сжатой дугой можно сваривать листы толщиной от 0,05 до 16 мм за один проход без разделки кромок. В ряде случаев для предотвращения подрезов применяют головки с двумя плазмотронами, соединенными общей микрокамерой. При закры той дуге не образуется озона за счет ультрафиолетового облучения. Это улучшает условия работы сварщика.
3.4.Плазменная сварка плавящимся электродом
Этот способ сварки представляет собой комбинацию плазменно дуговой и дуговой сварки плавящимся электродом. Данный способ отли чается от сварки плавящимся электродом тем, что окружающая электрод атмосфера является горячим ионизированным газом - плазмой. Электри
5 3
ческий ток с плавящегося электрода в таких условиях перестает зависеть только от собственного дугового разряда. Это обеспечивает самопроиз вольное начало разряда, повышенную стабильность и лучший контроль над переносом металла. Данный способ сварки предложен фирмой Philips (Нидерланды).
Плазменная сварка плавящимся электродом по способу Philips отли чается тем, что плавящийся электрод подается по оси плазмотрона через плазмообразующее сопло. Разработан ряд разновидностей способа плаз менной сварки плавящимся электродом в зависимости от способа генери рования плазмы и вариантов взаимодействия дуги с плавящегося электро да, плазменной дуги и изделия (рис. 26).
Сварка в свободной сжатой дуге. При соответствующей ориентации плавящегося электрода относительно проволоки в свободном потоке арго на можно обойтись без сопла (рис. 26, а). Сначала возбуждается дуга неплавящийся электрод - изделие. Дуга проволока - изделие возбуждается самопроизвольно, и столб первой дуги закрывает проволоку. Однако на стройка такого устройства для взаимной ориентации электродов сложна.
При наличии сопла, отклоняющего дугу неплавящийся электрод - изделие, взаимная ориентация дуг улучшается. Асимметричное устройство (рис. 26, б) может использоваться с соплом диаметром до 20 мм. При этом из-за слабого контакта со столбом плазмы срок службы сопла удлиняется. Благодаря меньшему нагреву проволоки, окруженной плазмой, переход к вращательному переносу металла смещается в сторону больших токов. Та кая схема желательна, когда требуется максимальное проплавление и ско рость сварки или наплавки.
Сварка с применением непереносной, независимой сжатой дуги . Т о к сжатой дуги величиной 14 А достаточен для самопроизвольного возбуж дения дуги плавящийся электрод - изделие и обеспечения ее стабильности. При этом нет необходимости в переносе сжатой дуги на изделие (рис. 26, в, г). Независимую сжатую дугу можно питать как от источника постоян ного, так и переменного тока. Особенно целесообразно ее применение, ко гда выполняется серия швов, т.к. самопроизвольное возбуждение дуги проволока —изделие возможно без контакта проволоки с изделием. Отсут ствие катодного пятна на изделии заметно задерживает зажигание в срав нении с переносной сжатой дугой.
Сварка с применением непереносной дуги с плавящегося электрода.
Внешне процесс в этом случае мало отличается от описанного выше - по ток паров и капель металла направляется на изделие как при обычной плазменной сварке плавящимся электродом (рис. 26, д).
5 4
Сварка при дополнительном токе с сопла. При плазменной сварке плавящимся электродом ток сжатой дуги ограничивается размером и ин тенсивностью охлаждения вольфрамового электрода. При обратной поляр ности ток через вольфрамовый электрод диаметром 6 мм не должен пре вышать 60-180 А. Если необходим больший ток сжатой дуги, то через со пло пропускают дополнительный ток путем подключения дополнительного источника к соплу и изделию (рис. 26, е, ле, з). Увеличение тока сжатой ду ги сказывается на внешнем виде шва - увеличивается ширина и сглажива ется переход к основному металлу. Глубина проплавления при этом не из меняется. Процесс по этой схеме имеет существенное преимущество при сварке металлов с высокой теплопроводностью.
Сварка с использованием медного сопла в качестве неплавящегося электрода. Этот способ является наиболее перспективным. Медное сопло является электродом-анодом, плавящийся электрод подается по оси плаз мотрона (рис. 27). При подаче трех газовых потоков значительно повыша ется стабильность процесса и качество сварки. Кольцевой анод выдержива ет большие токовые нагрузки сжатой дуги при работе на обратной поляр ности. Столб сжатой дуги отличается высокой пространственной устойчи востью, что объясняется взаимодействием электромагнитных полей сжатой дуги и плавящегося электрода.
Рис. 27. Схема сварки с использованием медного сопла в качестве неплавящегося электрода: 1 - кольцевой анод; 2 - токоподвод; 3 - плавящийся электрод; 4 - за щитное (стабилизирующее) сопло; 5 - из делие; б-сж атая дуга; 7 -д у га с плавя
щегося электрода
5 6
При использовании такого варианта плазменной сварки плавящимся электродом можно поддерживать относительно небольшой вылет плавя щегося электрода, что позволяет применять большие токи без вращения дуги. Благодаря этому можно достичь глубокого проплавления изделия и применять этот способ для высокоскоростной сварки металлов различной толщины. Сжатая дуга и-дуга с плавящегося электрода работают на посто янном токе обратной полярности. Сварку рекомендуется начинать с возбу ждения дуги с плавящегося электрода, в этом случае сжатая дуга между кольцевым анодом и изделием возникает самопроизвольно в течение 0,1 с после возбуждения первой дуги. В этом случае отпадает потребность в ос цилляторе. Однако при возбуждении дуги с плавящегося электрода корот ким замыканием возможно разбрызгивание металла.
Плазменная сварка плавящимся электродом отличается широким диапазоном регулирования параметров режима. Ток с плавящегося элек трода может изменяться от 0 до нескольких сотен ампер, производитель ность наплавки при этом находится в пределах от 0,3 до 35 кг/ч. Перенос металла в зависимости от соотношения токов с плавящегося электрода и сжатой дуги может быть крупнокапельным, мелкокапельным или струй ным. Считается, что сжатая дуга практически не влияет на глубину про плавления, а изменяет в основном ширину шва (при этом заметно умень шается угол смачивания).
Комбинированный процесс имеет существенные преимущества при наплавке. Без применения устройств для колебания горелки в поперечном направлении возможно получать наплавленные слои шириной до 40 мм с глубиной проплавления основного металла порядка десятых долей милли метра. Ожидается, что данный способ получит широкое применение в про изводстве алюминиевых сварных конструкций. Высокое качество обеспе чивается благодаря разрушению окисной пленки в пятне плазменной дуги. Хорошие результаты были получены при применении комбинированного способа наплавки и сварки меди.
Необходимо отметить, что массового применения плазменная сварка плавящимся электродом пока не получила. Это объясняется отсутствием необходимого оборудования, выпускаемого в централизованном порядке промышленностью, отсутствием надежных технологических рекомендаций для широкой номенклатуры материалов и толщин свариваемых элементов. На ход процесса, особенности переноса электродного металла, геометриче ские параметры сварного шва и качество сварного соединения при плаз менной сварке плавящимся электродом существенное влияние оказывает
5 7
большое количество параметров. Условно их можно разделить на техноло гические и конструктивные (связанные с плазмотроном). К первой группе относятся: ток сжатой дуги 7m, расход плазмообразующего Q„ и стабили зирующего Qc газов, ток плавящегося электрода 7n3l диаметр плавящегося электрода dm, скорость подачи плавящегося электрода Упп, полярность подключения электродов; состав и способ подачи газовых потоков. Ко вто рой группе относятся: высота кольцевого анода йа и стабилизирующего сопла Ас, диаметр кольцевого анода d&и стабилизирующего сопла dc (от ношение диаметров стабилизирующего сопла и кольцевого анода ц/ = df/d^
расстояние от анода до стабилизирующего сопла |
вылет плавящегося |
электрода /э (рис. 28). |
|
Рис. 28. Схема плазмотрона с кольцевым анодом для плазменной сварки плавящимся электродом
Кроме того, необходимо обеспечивать соосность плавящегося элек трода и кольцевого анода для повышения стабильности процесса и сниже ния вероятности возникновения двойной дуги и дуги токоподвод - кольце вой анод.
5 8
Высота кольцевого анода составляет в пределах 4-8 мм, диаметр - 6- 12 мм. Диаметр стабилизирующего сопла dcне может быть меньше dAиз-за возможности двойного дугообразования. Значительное увеличение dz сни жает стабильность горения сжатой дуги или требует значительных расходов плазмообразующего и стабилизирующего газов. Поэтому dc = 8...20мм, а высота канала сопла Лс = 4...6 мм. Расстояние от анода до стабилизирую щего сопла составляет 2-5 мм. Диаметр плавящегося электрода выбирается в пределах 1-2 мм. Вылет плавящегося электрода определяется суммой па раметров: /э = Аси + hc + Аас + Ла + йВ11. Величины Лси и йвн выбираются из условия хорошей защиты зоны сварки и отсутствия аварийных ситуаций при ведении процесса. Для реальных условий /э = 20...40мм. Остальные технологические параметры зависят от вида сварки, марки и толщины сва риваемого металла и могут изменяться в широких пределах.
3.4.1. Плазменная сварка обесточенной проволокой
Обесточенная проволока при движении через столб сжатой дуги дей ствует как щуп, и в зависимости от вылета на ней создается разность по тенциалов между концом проволоки К и точкой входа в сжатую дугу С, а также между К и изделием (рис. 29).
Рис. 29. Схема плазменной сварки обесточенной проволокой
5 9