книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

Сварка 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:

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^

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