книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

проводность и создаются условия для электрического пробоя. Режим двойной дуги является аварийным, т.к. при этом нарушается формирова­ ние шва и разрушается сопло. Величину допустимого тока в зависимости от диаметра вольфрамового катода рекомендуется определять из следую­ щего соотношения:

/д = б ? 4 ,

где dK- диаметр катода, мм.

При токах более 100 А соотношение тока и диаметра катода предла­ гается установить следующим:

dK- 0, 0065/д + 0, 7.

Вылет электрода из электрододержателя рекомендуется ограничи­ вать в следующих пределах: dK<, I < 15 мл.

Диаметр плазмообразующего сопла не должен быть меньше диамет­ ра катода dc > dK. Длина канала сопла не должна превышать диаметра сопла /с < dc для предельно допустимых токов. Величина предельного то­ ка для данного диаметра сопла зависит от состава и расхода плазмообра­ зующего газа и длины сопла. Для /с « dc при использовании аргона в каче­ стве плазмообразующего газа ток дуги /д не должен превышать (80-120]dc. Такая величина тока устанавливается из условия отсутствия двойной дуги.

3. СПОСОБЫ ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ

Регулируемость параметров сжатой дуги в широких пределах обу­ словливает многообразие технологических приемов плазменной сварки.

По виду проплавления свариваемого металла сварку можно вести без сквозного проплавления и проникающей дугой со сквозным проплавлени­ ем, при этом в корневой части сварочной ванны имеется сквозное отвер­ стие, через которое сбрасывается часть плазменного потока.

Взависимости от свариваемого металла, сварка может выполняться на прямой или обратной полярности. В ряде случаев для сварки использу­ ется косвенная дуга.

Внастоящее время разработаны и применяются в производстве сле­ дующие разновидности плазменной сварки: микроплазменная, закрытой сжатой дугой, сварка (наплавка) с подогревом присадочной проволоки, сварка (наплавка) двойной сжатой дугой с токоведущей присадочной про­ волокой, плазменная сварка плавящимся электродом, импульсная плаз­ менная сварка со сквозным проплавлением, плазменная сварка в вакууме полым неплавящимся катодом и ряд других.

4 1

3.1. Плазменная сварка проникающей дугой

Повышение производительности дуговых способов сварки и увели­ чение глубины проплавления требуют увеличения мощности дуги, что приводит к значительному росту силового воздействия на расплавленный металл. В результате этого жидкий металл в сварочной ванне деформиру­ ется и оттесняется в хвостовую часть ванны. Это ведет к появлению подре­ зов, «бугристости» поверхности шва, газовых пор и полостей в металле шва, прожогам и другим дефектам. Для увеличения глубины проплавления и повышения скорости сварки без нарушения стабильности формирования шва необходимо снизить мощность силового воздействия дуги на жидкую ванну, не изменяя величины силового воздействия на фронт плавления. Этого можно достичь сбросом части потока сжатой дуги через отверстие в корне шва («замочную скважину»), переходом на режимы сварки прони­ кающей дугой. Такой способ сварки имеет целый ряд преимуществ перед другими способами дуговой (в частности, аргонодуговой) сварки:

-благодаря высокому качеству корневой и лицевой части сварочно­ го шва, не требуется разделки кромок для стыковой сварки, а следователь­ но, и послесварочной механической обработки швов;

-снижаются затраты на проектирование и изготовление подкладных приспособлений;

-обеспечивается полное проплавление свариваемого металла за

один проход, сварные швы имеют в поперечном сечении узкую клиновид­ ную форму, внутренние дефекты сварного шва отсутствуют, металл шва имеет химический состав и механические характеристики, близкие к ос­ новному металлу;

-значительно сужается зона термического влияния, вследствие чего улучшаются механические показатели околошовной зоны и снижаются сварочные деформации;

-обеспечивается высокая стабильность процесса формирования сварного шва и постоянство качества и размеров сварного шва по длине соединения;

-повышается производительность и снижается энергоемкость про­

цесса;

-процесс плазменной сварки может быть автоматизирован и робо­ тизирован.

Стабильность формирования шва при сварке проникающей дугой определяется устойчивостью сварочной ванны и зависит как от теплофизических характеристик свариваемого металла, так и от особенностей теп­ лового и силового воздействия сжатой дуги. Последний фактор имеет осо­ бенно важное значение для данного способа сварки, благодаря повышен­ ной «жесткости» сжатой дуги, особенностям взаимодействия ее со свароч­

4 2

ной ванной и условиям удержания жидкой ванны. Взаимодействие сжатой дуги со сварочной ванной осуществляется в сформированной полости кра­ тера, имеющей сложную форму и сквозное отверстие в нижней части. Ве­ личина и характер распределения силового воздействия сжатой дуги в сва­ рочной ванне во многом определяют особенности процесса абляции фрон­ та плавления, движения расплава в хвостовую часть сварочной ванны, удержания жидкой ванны и качество формирования шва.

Труднодоступность и сложность непосредственного изучения газо­ гидродинамических явлений, происходящих в сварочной ванне, объясняют недостоверность картины формирования шва при сварке проникающей ду­ гой и не позволяют дать точные рекомендации по расширению технологи­ ческих возможностей данного способа сварки.

На рис. 19 представлена схема сварочной ванны при сварке прони­ кающей дугой в установившемся режиме, когда все силы, действующие в ванне, находятся в равновесии.

Рис. 19. Схема сварочной ванны при плазменной сварке проникающей дугой: а - продольное сечение; б - поперечное сечение; в - вид сверху

Обозначения, принятые на схеме:

dc - диаметр плазмообразующего сопла; Аси - расстояние от среза сопла до изделия; 8 - толщина свариваемого металла; а - угол наклона

4 3

фронта плавления; L - длина жидкой ванны; Я - высота жидкой ванны; d - диаметр сквозного отверстия; § - угол наклона фронта кристаллизации; В - ширина шва; Ь - ширина корня шва; Р - угол контакта между поверхно­ стями жидкой ванны и фронта кристаллизации; р г - давление в полости кратера; G - вес жидкой ванны; р ге - гидростатическое давление; р ш - ка­ пиллярное давление.

Сварочную ванну, представленную на схеме, можно условно разде­ лить на кратерную полость и хвостовую часть - жидкую ванну. Размеры и форма кратерной полости определяют ширину шва и корня, особенности воздействия сжатой дуги на различные участки сварочной ванны. Устой­ чивость жидкой ванны определяет качество формирования сварного шва. Квазистатическое существование жидкой ванны обеспечивается при стро­ гом балансе всех силовых факторов, действующих на нее, и может быть описано системой уравнений Лапласа и Юнга:

Рт-Рж =<*ж(*1-*2).

(38)

CT*cos(0) = a T- a T3K,

где рп рж- давление в газовой и жидкой фазе; стж, <тт - поверхностное на­ тяжение жидкого и твердого металла; а те - поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкий - твердый металл; к\ и ki - кривизна глав­ ных нормальных сечений свободной поверхности; 0 - краевой угол сма-

Выражения (38) описывают условия на свободной поверхности и на линии контакта. Решение системы уравнений (38) в общем виде затрудня­ ется неизвестным изменением рг на свободной поверхности расплава, сложной пространственной конфигурацией жидкой ванны и линии кон­ такта жидкого металла с твердым, неравномерностью а ж и а т вследствие неравномерного распределения температуры на поверхности жидкой ван­ ны и состава газовой атмосферы, а также возможного изменения химиче­ ского состава жидкой ванны на различных участках. Сжатая дуга взаимо­ действует с передней стенкой жидкой ванны СЕ (см. рис. 19), на верхней EF и нижней АС свободных поверхностях ванны силовое и тепловое воз­ действие сжатой дуги практически отсутствует. Вследствие этого следует рассмотреть два возможных механизма разрушения жидкой ванны: 1) вы­ ливание ванны (прожог) через нижнюю поверхность сварочной ванны при превышении гравитационных сил над силами поверхностного натяжения; 2) разрушение сварочной ванны при нарушении баланса силовых факторов на передней стенке жидкой ванны. Возможность удержания жидкой ванны на весу можно оценить следующим выражением:

44

= 20...25 мм являются близкими к предельным, при которых обеспечива­ ется удержание жидкой ванны силами поверхностного натяжения. На практике такими пределами толщины б для алюминиевых сплавов являют­ ся 8-9 мм; титана 14-16 мм; легированных сталей 10-12 мм.

* При ширине корня шва b = 3...4 мм.

Можно сделать вывод, что главной вероятной причиной дефектного формирования сварного шва при сварке проникающей дугой, повидимому, следует считать нарушение баланса силовых факторов на пе­ редней стенке жидкой ванны.

Наибольшую кривизну передняя стенка жидкой ванны имеет в гори­ зонтальном сечении (см. рис. 19, в). Действие сил гидростатического дав­ ления р п на передшою стенку жидкой ванны и поверхностного натяжения от этой кривизны ра суммируется (см. рис. 19) и достигает максимального значения вблизи отверстия в корне шва.

Для стабильного существования жидкой ванны действие этих факто­ ров должно компенсироваться силовым воздействием сжатой дуги. При невыполнении условия (40) происходит либо натекание жидкой ванны на фронт плавления с последующим сбросом жидкого металла под действием сжатой дуги (или переход к непровару) при рп +ра >р„д, либо оттеснение

4 5

жидкой ванны в хвостовую часть и разрыв ее, при этом расплав, посту­ пающий с фронта плавления, сбрасывается с боковых кромок без образо­ вания общей ванны при р п +ра < р вд. Оценка рп +ра для реальных усло­ вий сварки (табл. 2) говорит о достаточно высоких значениях данных си­ ловых факторов.

Кроме того, при оценке условий стабильного существования перед­ ней стенки жидкой ванны необходимо учитывать неравномерность рас­ пределения давления по высоте полости кратера. В результате неравно­ мерности давления появляется значительная искривленность передней стенки жидкой ванны, что также вызывает изменение условий удержания жидкой ванны.

Таблица 2

Параметры силовых факторов, действующих на переднюю стенку жидкой ванны со стороны жидкого металла

Наличие значительных тангенциальных напряжений на передней стенке жидкой ванны повышает вероятность разрушения жидкой ванны. Описанные выше явления позволяют объяснить узкий диапазон изменения сварочных параметров, при котором происходит стабильное формирование сварного шва: тока сварки /св; расхода плазмообразующего газа Qn\ диа­ метра плазмообразующего сопла dcи скорости сварки VCB.

В зависимости от изменения сварочных параметров, выявлены четы­ ре характерные области формирования швов при сварке проникающей ду­ гой (их можно проследить, меняя скорость сварки от минимальной в сто­ рону увеличения при постоянстве остальных параметров, взятых для ста­ бильного формирования сварного шва):

1) область при минимальной скорости сварки характеризуется отсут­ ствием формирования сварного шва, при этом происходит перегрев и оп­ лавление зоны сварки, расплавленный металл либо стекает, либо собира­ ется на свариваемых кромках, образуя «бульбы» (в зависимости от толщи­ ны и свойств свариваемого металла) - область выплавления (рис. 20, а);

4 6

основных параметров режимов, обесценивающих формирование шва, представлены в табл. 3, 4. Сварные швы различных сплавов, выполненные по этим режимам, не содержат внутренних дефектов, имеют гладкую по­ верхность лицевой и корневой сторон шва (рис. 21-23).

с подгр, 14-16

4 8

высокой стабильностью дуги при значительной ее длине (до 20 мм) без существенного рассредоточения.

'.Диаметр плазмообразующего сопла плазмотрона находится в преде­ лах 0,5-1,5 мм и зависит от силы тока. В качестве плазмообразующего газа чаще Цспользуется чистый аргон. Защитный газ - аргон или аргон с добав­ кой водорода для повышения тепловой эффективности сжатой дуги за счет диссоциации водорода на периферии дуги и последующей рекомбинации с выделением тепла на поверхности свариваемого металла. Плотности токов при сварке неплавящимся электродом и микроплазменной сварке для ма­ ломощных дуг находятся в соотношении 1/3, поэтому при микроплазмен­ ной сварке меньше окисление и меньше деформация изделия. Добавки во­ дорода к защитному аргону в пределах 7-20 % обеспечивают наилучший эффект дополнительного сжатия дуги. Однако водород не всегда приме­ ним, например, при сварке меди тантала, титана, циркония. С помощью микроплазменной сварки можно сваривать почти все металлы. Техноло­ гические возможности микроплазменной сварки значительно расширяют­ ся, если процесс вести в импульсном режиме. При этом уменьшается веро­ ятность прожогов и образования пор. Обычно частота пульсаций тока на­ ходится в пределах 1-10 Гц. Предполагается расширение частот до 10 кГц. Сварка может осуществляться вручную и автоматически. Большинство ме­ таллов сваривается на прямой полярности. Для устойчивой работы плазмо­ трона на малых токах (0,1-3,0 А) применяется постоянно действующая дежурная дуга.

Микроплазменная сварка на прямой полярности не может быть при­ менима для сварки алюминия и его сплавов, имеющих на поверхности окисную пленку. Диаметр вольфрамового электрода для МПС не более 1,5 мм, угол заточки 10-15°, поэтому использование обратной полярности приводит к быстрому разрушению электрода. Сварка на переменном токе алюминия толщиной менее 1 мм невозможна из-за нестабильности горения дуги на малых токах. Институтом электросварки им. Е.О. Патона предло­ жен процесс микроплазменной сварки с использованием в качестве основ­ ного электрода плазмообразующего сопла (рис. 24, а).

б - двумя дугами постоянного тока; 1 - осциллятор

5 0