Плазменная сварка

Тема урока: Общие сведения о плазменной и микроплазменной сварке

        Плазменная сварка — сварка плавлением, при которой нагрев проводится сжатой дугой (плазмой).

        Плазменную сварку начали применять с середины 50-х гг. ХХ века. В 60-х гг. были разработаны ручные и механизированные установки для ее реализации. В 1965 г. в Швейцарии фирмами «Сешерон» и «МессерГрисхайм» была разработана технология микроплазменной сварки тонколистовых материалов малоамперной импульсной дугой, рассчитанной на сварочный ток не более 30...40 А.

        Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, а также электрически заряженных ионов и электронов, который в зависимости от состава среды имеет температуру от 10 000 до 50 000 ° С. Плазму иногда называют четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

        Основным инструментом для получения сжатой дуги (плазмы) при плазменной сварке являются плазмотроны, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах. Их принцип действия основан на принудительном сжатии столба дуги потоком газа. В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух или их смеси. Сжатие столба дуги приводит к повышению в ней плотности энергии, а, следовательно, и температуры. В результате струя проходящего через плазмотрон газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы.

        Плазменная дуга, истекающая из плазматрона с дугой прямого действия (в отличие от плазматронов с дугой косвенного действия), совмещена со столбом дуги и поэтому характеризуется более высокой температурой и тепловой мощностью. При этом КПД плазмотронов с дугой прямого действия значительно выше КПД плазмотронов с дугой косвенного действия (70…80 % и 30…40 % соответственно). В этой связи плазмотроны с дугой прямого действия целесообразно применять не только для сварки, но и для резки, наплавки и других видов обработки металлов.

В зависимости от силы сварочного тока различают три разновидности плазменной сварки:

-микроплазменная (Iсв = 0,1...25 А);

-плазменная сварка на средних токах (Iсв = 50...150 А);

-плазменная сварка на больших токах (Iсв > 150 А).

В отличие от электрической дуги плазменная дуга характеризуется более высокой температурой, меньшим диаметром и цилиндрической формой (при электродуговой сварке дуга имеет коническую форму), большим давлением на жидкий металл (в 6...10 раз) и возможностью устойчивого горения при малых токах (0,2...30 А).

Данные отличия от электродуговой сварки обеспечивают следующие преимущества плазменной сварки:

1) более глубокое проплавление металла (при одновременном уменьшении объема его расплавления) позволяет сваривать более толстые металлические изделия (до 10 мм) без разделки кромок и применения присадочного материала;

2) использование высококонцентрированного источника теплоты приводит к уменьшению зоны термического влияния (следовательно, и сварочных деформаций);

3) высокая стабильность горения дуги при малых токах обеспечивает повышенное качество сварных соединений из тонколистовых (0,025...0,8 мм) материалов;

4) цилиндрическая форма дуги и возможность существенного увеличения ее длины позволяют осуществлять сварку в труднодоступных местах, а также при изменении расстояния от сопла горелки до изделия.

Недостатком плазменной сварки является недолговечность горелок из-за частого выхода из строя сопел и электродов.

Плазменную сварку используют для соединения деталей из меди и ее сплавов, алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей. Толщина свариваемых изделий составляет 0,5...15 мм, а скорость сварки — 4...30 м/ч и более.

Микроплазменная сварка является одним из основных способов соединения деталей из тонких металлов и сплавов в самолетостроении, атомной, газовой, электронной, медицинской и других отраслях промышленности для изготовления сильфонов, миниатюрных трубопроводов, полупроводниковых приборов и многих других изделий. Данным способом сваривают листы толщиной 0,025...0,8 мм из углеродистой и коррозионно-стойкой стали, меди, никелевых сплавов, титана, молибдена, тантала, вольфрама, золота. Процесс ведут в непрерывном или импульсном режиме со скоростью порядка 6...25 м/ч. Микроплазменной сваркой можно выполнять соединение деталей во всех пространственных положениях.

        Существуют два способа плазменной сварки (рис.1): сварка плазменной дугой (дуга горит между неплавящимся электродом и изделием) и плазменной струей (дуга горит между неплавящимся электродом и соплом плазмотрона и выдувается потоком газа на свариваемое изделие). Реализация этих способов сварки осуществляется с помощью плазмотронов прямого и косвенного действия соответственно.

В плазмотронах прямого действия (рис. 1, а) плазменная дуга 2 горит между неплавящимся вольфрамовым электродом 6 (катодом) и свариваемым изделием 4 (анодом). Сопло 5, служащее для сжатия и стабилизации дуги, отделено от катодного узла 8 с помощью электроизолятора 7 и является электрически нейтральным. Плазмотрон питается постоянным током от источника с падающей вольтамперной характеристикой, дугу зажигают с помощью осциллятора.

Рис. 1. Способы плазменной сварки: а — плазменной дугой; б — плазменной струей;

1 — подача газа; 2 — дуга; 3 — струя плазмы; 4 — свариваемый металл; 5 — сопло; 6 — электрод; 7 — электроизолятор; 8 — катодный узел

В плазмотронах косвенного действия (рис.1, б) плазменная дуга 2 горит между неплавящимся электродом 6 и соплом плазмотрона 5, а поток плазмы выдувает плазменную струю 3.