книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

7.Щицын Ю.Д. Плазменная обработка металлов на обратной полярности / Ю.Д. Щицын, Ю.М. Тыткин // Сварка и контроль - 2004: сб. докл. Всерос. научно-техн. конф. / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2004. - Т. 1. - С. 280-288.

8.Щицын Ю.Д. Расширение возможностей плазменной резки металлов / Ю.Д. Щицын, В.Ю. Щицын // Вестник ПГТУ. Механика и технология материалов и конструкций. - Пермь, 2 0 0 4 .-№ 8 .-С . 62-66.

5.ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА ПРОНИКАЮЩЕЙ ДУГОЙ

Управление параметрами сжатой дуги в широких пределах позволяет использовать различные технологии плазменной сварки, с помощью которых можно получать сварные швы с различной геометрией поперечного сечения.

Повышение производительности дуговых способов сварки и увеличение глубины проплавления требуют увеличения мощ­ ности дуги, что приводит к значительному росту силового воз­ действия на расплавленный металл. В результате этого жидкий металл в сварочной ванне деформируется и оттесняется в ее хвостовую часть. Это ведет к появлению подрезов, «бугристо­ сти» поверхности шва, газовых пор и полостей в металле шва, прожогам и другим дефектам. Для увеличения глубины про­ плавления и повышения скорости сварки без нарушения ста­ бильности формирования шва необходимо снизить мощность силового воздействия дуги на жидкую ванну, не изменяя вели­ чины силового воздействия на фронт плавления. Этого можно достичь сбросом части сжатой дуги через отверстие в корне шва («замочную скважину») и переходом на режимы сварки прони­ кающей дугой.

Автоматическая плазменная сварка проникающей дугой обеспечивает получение бездефектных сварных швов при высо­ кой производительности. Этот способ сварки имеет целый ряд преимуществ перед другими способами дуговой сварки:

1. Обеспечивается полное проплавление свариваемого ме­ талла за один проход, сварные швы имеют в поперечном сече­ нии узкую клиновидную форму. Внутренние дефекты сварного шва отсутствуют. Металл шва имеет химический состав и меха­ нические характеристики, близкие к основному металлу.

91

2.Не требуется разделка кромок для стыковой сварки и ме­ ханическая обработка швов после сварки, вследствие высокого качества корневой и лицевой части сварочного шва.

3.Снижаются затраты на проектирование и изготовление

подкладных приспособлений.

4.Значительно сужается зона термического влияния, вслед­ ствие чего улучшаются механические показатели околошовной зоны и снижаются сварочные деформации.

5.Обеспечивается высокая стабильность процесса форми­ рования сварного шва и постоянство качества и размеров свар­ ного шва по длине соединения.

6.Повышается производительность и снижается энергоем­

кость процесса.

7.Процесс плазменной сварки может быть автоматизирован

ироботизирован.

Можно сказать, что плазменная сварка проникающей дугой обладает всеми свойствами, предъявляемыми к массовым тех­ нологическим процессам: доступностью, экономичностью, вы­ сокой производительностью и качеством.

5.1. Особенности взаимодействия сжатой дуги со свариваемым материалом при сварке пропикающей дугой

Стабильность формирования шва при сварке проникающей дугой определяется устойчивостью сварочной ванны и зависит как от теплофизических характеристик свариваемого металла, так

иот особенностей теплового и силового воздействия сжатой ду­ ги. Последний фактор имеет особенно важное значение для дан­ ного способа сварки, благодаря повышенной «жесткости» сжа­ той дуги, особенностям взаимодействия ее со сварочной ванной

иусловиями удержания жидкой ванны. Взаимодействие сжатой дуги со сварочной ванной осуществляется в сформированной по­ лости кратера, имеющей сложную форму и сквозное отверстие

внижней части. Величина и характер распределения силового воздействия сжатой дуги в сварочной ванне во многом определя­ ют особенности процесса абляции фронта плавления, движения расплава в хвостовую часть сварочной ванны, удержания жидкой ванны на весу и качество формирования шва. На рис. 47 пред-

92

ставлена схема сварочной ванны при сварке проникающей ду­ гой в установившемся режиме, когда все силы, действующие в ванне, находятся в равновесии.

Обозначения, принятые на схеме:

dc- диаметр плазмообразующего сопла; Лс „ - расстояние от среза сопла до изделия;

8 - толщина свариваемого металла; а - угол наклона фронта плавления; L —длина жидкой ванны;

Я - высота жидкой ванны;

d - диаметр сквозного отверстия; В - ширина шва; Ъ - ширина корня шва;

Р - угол контакта между поверхностями жидкой ванны

ифронта кристаллизации;

рг- давление в полости кратера; G - вес жидкой ванны;

ргс - гидростатическое давление;

Рп.н ~ капиллярное давление; р пя - давление сжатой дуги на фронт плавления.

93

Сварочную ванну, представленную на схеме, можно услов­ но разделить на кратерную полость и хвостовую часть - жидкую ванну. Размеры и форма кратерной полости определяют ширину шва и корня, особенности воздействия сжатой дуги на различ­ ные участки сварочной ванны. Устойчивость жидкой ванны оп­ ределяет качество формирования сварного шва. Квазистатическое существование жидкой ванны обеспечивается при строгом балансе всех силовых факторов, действующих на нее, и может быть описано системой уравнений Лапласа и Юнга:

гдерг,рж- давление в газовой и жидкой фазе соответственно; аж, отповерхностное натяжение жидкого и твердого металла;

ожт - поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкий - твердый металл;

К\ и Ki~ кривизна главных нормальных сечений свободной поверхности;

0 - краевой угол смачивания.

Выражения (1) и (2) описывают условия на свободной по­ верхности и на линии контакта. Решение системы уравнений в общем виде затрудняется неизвестным изменением р тна сво­ бодной поверхности расплава, сложной пространственной кон­ фигурацией жидкой ванны и линии контакта жидкого металла с твердым, неравномерностью а* и ажт вследствие неравномер­ ного распределения температуры на поверхности жидкой ванны и состава газовой атмосферы, а также возможного изменения химического состава жидкой ванны на различных участках. Сжатая дуга взаимодействует с передней стенкой жидкой ванны СЕ (см. рис. 47), на верхней EF и нижней АС свободных по­ верхностях ванны силовое и тепловое воздействие сжатой дуги практически отсутствует. Вследствие этого следует рассмотреть два возможных механизма разрушения жидкой ванны: 1) вылива­ ние ванны (прожог) через нижнюю поверхность сварочной ванны при превышении гравитационных сил над силами поверхностно­ го натяжения; 2) разрушение сварочной ванны при нарушении баланса силовых факторов на передней стенке жидкой ванны.

94

и поверхностного натяжения от этой кривизны р„ суммируется (см. рис. 47) и достигает максимального значения вблизи отверг стия в корне шва:

Для стабильного существования жидкой ванны действие этих факторов должно компенсироваться силовым воздействием сжатой дуги рпл. При невыполнении условия (3) происходит ли­ бо натекание жидкой ванны на фронт плавления с последующим сбросом жидкого металла под действием сжатой дуги (или пе­ реход к непровару) при рг.с+р0 > />п.д, либо оттеснение жидкой ванны в хвостовую часть и разрыв ее, при этом расплав, посту­ пающий с фронта плавления, сбрасывается с боковых кромок без образования общей ванны, при р гх+ра < рпл. Оценка р гл+р9 для реальных условий сварки говорит о достаточно высоких значениях данных силовых факторов (табл. 7).

Таблица 7 Силовые факторы, действующие на переднюю стенку

жидкой ванны со стороны жидкого металла

Кроме того, при оценке условий стабильного существова­ ния передней стенки жидкой ванны необходимо учитывать не­ равномерность распределения давления по высоте полости кратера. В результате неравномерности давления появляется зна­ чительная искривленность передней стенки жидкой ванны, что также вызывает изменение условий удержания жидкой ванны.

Наличие значительных тангенциальных напряжений на пе­ редней стенке жидкой ванны повышает вероятность разрушения жидкой ванны.

96

5.2. Особенности формирования сварного шва при сварке проникающей дугой

Основными параметрами режима, определяющими качество формирования шва при сварке проникающей дугой, являются: ток сжатой дуги /св; расход плазмообразующего газа Q„; диаметр плазмообразующего сопла dc; скорость сварки VCB; свободная длина сжатой дуги Аси. В зависимости от изменения сварочных параметров выявлены четыре области формирования швов при сварке проникающей дугой. Их можно проследить, меняя скорость сварки от минимальной в сторону увеличения, при по­ стоянстве остальных параметров, взятых для стабильного фор­ мирования сварного шва:

1- я область - при минимальной скорости сварки (рис. 48,а), характеризуется отсутствием формирования сварного шва, при этом происходит перегрев и оплавление зоны сварки, рас­ плавленный металл либо стекает, либо собирается на сваривае­ мых кромках, образуя «бульбы» (в зависимости от толщины и свойств свариваемого металла) - область выплавления;

2- я область - с повышением Vca происходит переход к ста­ бильному формированию сварного шва (рис. 48,6), причем,

по мере роста Усъ, снижаются значения В, b, q;

3- я область - с дальнейшим ростом Уса происходит разру­ шение сварочной ванны и переход к режиму реза (после области стабильного формирования шва), характеризующемуся сбросом металла и образованием грата на боковых кромках (рис. 48, в);

4- я область - с дальнейшим ростом V„ происходит переход к непровару, закрытие сквозного отверстия в корне шва и де­ фектное формирование сварного шва (рис. 48, г).

Каждой области формирования соответствует строго опреде­ ленная форма полости кратера, однозначно характеризуемая уг­ лом наклона фронта плавления (в диаметрально-осевом сечении) (см. рис. 48). Для различных металлов значения углов, характе­ ризующих определенную область формирования, могут отли­ чаться (это объясняется различием теплофизических свойств металлов), однако характер изменения углов наклона фронта плавления, при переходе от одной области к другой одинаков для всех металлов. Следует отметить, что теплофизические

97

Таблица 8 Параметры оптимальных режимов сварки титановых

и сложнолегированных сплавов

ммл/мин

100