В чем заключается сущность плазменной сварки

Плазменная сварка

Сущность способа.

Плазма – ионизированный газ, содержащий электрически заряженные

частицы и способный проводить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000-30000° С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах. Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50-100 и более раз приводит к истечению плазмы со сверхзвуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл.

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение. Дуговая плазменная струя – интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно использовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов, так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенного действия). Тепловая эффективность дуговой плазменной струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемещения горелки (скорости сварки или резки) и т. д. Геометрическая форма струи может быть также различной (квадратной, круглой и т. д.) и определяться формой выходного отверстий сопла.

Отличительные особенности плазменной сварки по сравнению с аналогами газовой, электродуговой в среде защитного газа, электроннолучевой и лазерной сваркой, процесс плазменной сварки имеет преимущества:

– высокая стабильность и устойчивость сжатой дуги, в том числе на малых токах, при увеличенной длине дуги, на любой полярности тока;

– высокая универсальность выбора режима;

– высокая концентрация тепловвода уменьшает объем расплавляемого основного и присадочного металла, уменьшает в ряде случаев количество дефектов в шве, снижает сварочные деформации;

– импульсные режимы плазменной сварки уменьшают перегрев изделия, опасность прожогов и сварочные деформации, улучшают структуру шва;

– ведение процесса плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности повышает качество и стабильность свойств сварного шва за счет эффекта катодной очистки, проявляющегося в удалении оксидных и адсорбированных пленок со свариваемых поверхностей;

– возможность полной механизации и автоматизации технологического процесса;

– отсутствие включений вольфрама в сварном шве;

– возможность исключения разделки кромок свариваемых деталей за счет повышенной проплавляющей способности сжатой дуги;

– полное исключение разбрызгивания расплавленного металла при сварке;

– возможность формирования шва без усиления или ослабления, заподлицо с основным металлом;

– автоматизированная плазменная сварка проникающей дугой позволяет получить швы минимальной ширины, при этом расходы на оборудование существенно ниже, чем при лазерной или электроннолучевой сварке.

Примеры применения плазменной сварки

Создание неразъемных соединений однородных и разнородных металлов и сплавов, заварка дефектов литья, сварка листов, проводников, микродеталей, алюминиевых емкостей для молока и др. различных резервуаров, облицовочных панелей из нержавеющих сталей и титановых сплавов, медных шин и др. изделий, микроплазменная сварка зубных протезов.

Экономическая эффективность плазменной сварки определяется:

– экономией расходуемых материалах (газе, вольфраме, присадке), времени сварки;

– повышением эксплуатационных характеристик сварных конструкций:

– снижением затрат на подготовку свариваемых кромок, на устранение брака, на зачистку шва и на правку сваренных изделий.

Сущность процесса плазменной сварки

Технология соединения металлов с помощью плазменной дуги открывает большие возможности в области сварки. Она основана на принципе расплавления сплавов узконаправленной струей плазмы, обладающей огромной энергией. Плазменная сварка применяется при соединении некоторых марок нержавеющих сталей, тугоплавких и многих цветных металлов, а также изделий из разных материалов.

Особенности технологии

Плазменная сварка основана на технологии аргонодуговой сварки. Различие этих технологий в особенностях дуги. В отличие от обычной электрической, дуга плазмы представляет собой сжатую плазменную струю, обладающую мощной энергией. Чтобы понять сущность процесса плазменной сварки, нужно знать, что такое плазма и условия ее возникновения.

Читать еще:  Стол для сварочных работ своими руками

Что такое плазма и как она возникает

Плазма — это состояние газа при его частичной или полной ионизации. Это значит, что он может состоять не только из нейтральных молекул и атомов, но и из электронов и ионов, обладающих определенным электрическим зарядом или полностью состоять из заряженных частиц. Для перевода газа в состояние плазмы нужно ионизировать большую часть его молекул и атомов. Чтобы добиться этого, необходимо приложить к электрону, входящему в состав атома, усилие, превышающее его энергию связи с ядром и помочь оторваться от него.

Для этого должны быть созданы определенные условия, которые и были разработаны в области получения плазменной дуги.

Первое упоминание о разработке плазменной сварки было в 1950 году. В 1960 году были представлены некоторые принципы получения плазменного потока и внедрена технология и оборудование плазменной сварки. У нас в стране исследованиями в этой области и разработкой технологии занимались в Институте металлов им. А. А. Байкова, руководил проектом Н.Н. Рыкалин. После изучения физических свойств и энергии сжатой электрической дуги в среде аргона, преобразованной в плазменную струю, были определены ее технические возможности в области сварки и разработано специальное оборудование.

Схема получения плазменной струи

Плазменное преобразование достигается за счет воздействия сильного электрического поля, созданного дугой при прохождении через газ, на принудительно вдуваемый газ, поступающий через сопло горелки.

Таким образом, для преобразования электрической дуги в наэлектризованную струю плазмы, необходимо выполнить два условия:

  • выполнить ее сжатие;
  • провести прогон через нее специального газа для создания плазмы.

Сжатие обеспечивает специальное устройство плазмотрона. В итоге, толщина струи уменьшается, а напор — возрастает. Одновременно к дуге подается газ, который под ее воздействием нагревается и превращается в плазму. За счет нагрева происходит расширение и увеличение объема газа. В результате из сопла он устремляется с большой скоростью. При этом, если обычный электрический разряд имеет температуру порядка 5000-7000 о С, то плазма может достигать 30 000 о С.

Для образования плазмы используют в основном аргон с добавлением небольшого количества гелия. Электрод должен быть также защищен нейтральным аргоном. В качестве электрода выбирают вольфрамовые изделия с добавлением тория или иттрия.

Технология плазменной сварки характеризуется высокой температурой и небольшим диаметром дуги, что обеспечивает ее значительную мощность.

Основные характеристики и преимущества

Получив плазменную дугу, вы можете значительно расширить возможности сварки. Основными отличиями ее от обычной аргоновой сварки являются:

  • высокая температура плазмы, достигающая 30000 о С;
  • малое поперечное сечение дуги;
  • коническая форма дуги, характерная для аргоновой сварки, изменена на цилиндрическую форму;
  • малый диаметр струи позволяет значительно увеличивать давление, с которым она воздействует на металл. Оно выше, чем при аргонной сварке почти в 10 раз.
  • процесс сварки может поддерживаться небольшим током в пределах от 0,2 до 3,0 ампер.

Такие свойства плазмы обеспечивают существенные возможности этой сварки перед аргонодуговой сваркой:

  • обеспечивается более глубокий проплав шва;
  • уменьшается зона расплавления без разделки свариваемых кромок;
  • благодаря цилиндрической форме и способности увеличиваться по длине, с помощью плазменной дуги можно проводить сварку труднодоступных мест.

Недостатки технологии

Сварка не лишена недостатков:

  • во время ее проведения происходит частичное рассеивание энергии в пространство;
  • возникает потребность в плазмообразующем газе и охлаждении плазмотрона водой;
  • стоимость оборудования значительно выше стоимости аргонодуговых аппаратов.

Виды плазменной сварки

Плазменные устройства работают преимущественно с горелками, использующими постоянный ток.

Применяют две схемы работы:

  • С использованием дуги, образованной между неплавким электродом и свариваемой поверхностью металла;
  • С использованием струи плазмы, образованной между неплавким электродом и корпусом плазмотрона.

Соединение металлов с использованием плазмы разделяют также по значению величины используемого тока. Применяется следующие виды сварки:

  • микроплазменный вид, проходящий в интервале тока от 0,1 до 25 ампер;
  • сварка с использованием средних токов, величиной от 50 до 150 ампер;
  • сварка с использованием токов более 150 ампер.

При микроплазменной сварке металл практически не прогорает. В случае использования токов большого значения достигается полное проплавление шва с разделением изделий и последующей их заваркой.

Устройство и принцип работы плазмотрона

Аппарат, выполняющий роль плазменного генератора, называют плазмотроном. Он представляет собой устройство, использующее энергию электричества для создания плазменного состояния газа и дальнейшего использования плазмы в образовании сварочной дуги.

Используют два вида конструкций плазмотронов, работающих по схеме косвенного или прямого образования дуги.

Для плазменной сварки используют преимущественно плазмотрон, работающий по прямой схеме, когда катодом служит вольфрамовый электрод, а анодом — свариваемая поверхность. Именно тогда дуга приобретает форму цилиндра.При косвенной схеме работы струя плазмы имеет обычный конический вид.

Читать еще:  Из чего состоит сварочный полуавтомат

Основными узлами такого устройства являются:

  • вольфрамовый электрод (катод), который образует одну связку с устройством подачи плазмообразующего газа;
  • корпус устройства;
  • сопло с формообразующим наконечником;
  • термостойкий изолятор;
  • охлаждающая система с использованием водной струи;
  • пусковое устройство.

Для возбуждения основной дуги к поверхности металла от аппарата подключается положительно заряженный кабель.

Возникшая дуга ионизирует газ, поступающий из баллона или компрессора в камеру под давлением. При разогреве во время ионизации газ расширяется и выбрасывается в виде струи плазмы из камерного пространства с большой кинетической энергией.

Для того, чтобы облегчить розжиг основной дуги, в камеру плазмотрона встроен вспомогательный электрод, выполняющий роль анода. При включении плазмотрона в сеть и его запуске этот электрод получает положительный заряд, образуя дугу с вольфрамовым катодом. Возникшая плазменная струя разогревает свариваемый металл и провоцирует розжиг основной мощной плазменной дуги по схеме “вольфрамовый катод-поверхность металла”. Выполнив свою функцию, дежурная плазменная дуга гасится, а аппарат продолжает работать на основной струе плазмы.

Оборудование для сварки плазмой

Для проведения плазменной сварки в нашей стране используют аппараты отечественного производства, наиболее востребованным из которых является мобильный аппарат универсального применения «ПЛАЗАР».

Также распространены в использовании плазмотроны зарубежного изготовления «FoxWeld PLAMA 33 Vulti», «BLUE WELD BEST PLASMA 60 HF» и другие.

Плазменная сварка: принцип работы, особенности и преимущества

Плазменная сварка (PAW – Plasma Arc Welding) – это сварка плавлением металла, нагрев которого проводится направленным потоком сжатого ионизированного газа (плазмы).

Данная технология известна еще с советских времен – 80-х годов прошлого столетия, существенное развитие получила на Западе и за время своего существования претерпела множество изменений в лучшую сторону.

Так, например, источники стали производить инверторными, программируемыми, плазматроны заметно уменьшились в габаритах, технологические возможности расширились, сильный шум, который присутствовал раньше при сварке, отсутствует.

Промышленный источник плазменной сварки состоит из двух инверторов – вспомогательного и основного. Именно это является в том числе причиной, почему плазменные источники дороже аргонодуговых. НО при этом они имеют большие преимущества по сравнению с TIG сваркой.


Схема классического промышленного аппарата плазменной сварки

Вспомогательный инвертор зажигает дугу между вольфрамовым электродом и соплом, которая затем выдувается, и в работу включается основной инвертор, который уже обеспечивает поддержание и регулировку сварочного процесса. Именно благодаря наличию малоамперной 3-15 А вспомогательной дуги поджиг осуществляется на плазме всегда стабильно в отличие от аргонодуговой TIG сварки. Особенно это заметно при сварке алюминия и при сварке/пайке оцинкованных сталей, где при ТИГ сварке электрод разрушается и загрязняется, а при плазме стойкость электрода в 30-40 раз выше, т.к. электрод «спрятан» за плазменным соплом и помимо этого обдувается сжатым газом аргоном.

Благодаря наличию плазменного сопла и подачи сжатого газа аргона, сварочная дуга сжимается, становится узконаправленной, а не свободно горящей как при ТИГ, поэтому иногда плазменную сварку называют «аргонодуговая сварка сжатой дугой». Из-за того, что дуга при TIG сварке является свободной, при ТИГе существуют проблемы, когда при нахлесточном шве дуга переходит на верхнюю кромку, то же происходит и при стыковой сварке, когда один лист в зажатом состоянии выше другого, в этом случае – прожог или непровар. При плазме прожога или непровара не происходит из-за сжатой дуги.

По сути дела, говоря простым языком, плазменная сварка – это доработанная аргонодуговая сварка .

По качеству плазменная сварка по праву занимает положение между аргонодуговой и лазерной сваркой.

Отличия от других видов сварки

Главные отличия плазменной сварки от аргонодуговой и полуавтоматической МИГ/МАГ наглядно показаны на рисунке. Применение плазменной сварки помогает решить такие вопросы как образование брызг и пор, непровар и большой расход сварочной проволоки, повреждение электрода и коробление изделия.

Виды плазменной сварки

Свариваемые материалы

– нержавеющие стали
– низкоуглеродистые стали
– оцинкованные стали
– титан
– медь, бронза, латунь
– сплавы алюминия (для источника PMI 350AC)
– для оцинкованных сталей также возможен процесс плазма-пайки

Преимущества технологии плазменной сварки

  • повышение производительности процессов сварки в 2-3 раза, cкорость сварки до 4 м/мин;
  • повышение качества сварочных швов, швы более узкие, можно варить с усилением и без;
  • отсутствие брызг в отличие от полуавтоматической МИГ/МАГ сварки и большая экономия на сварочной проволоке, т.к. варим без разделки и ток и скорость подачи проволоки при плазме – независимы;
  • малая зона термического влияния, благодаря механическому сжатию плазменным соплом, вследствие этого незначительный нагрев основного металла и минимизация коробления после и во время сварки;
  • глубокое проплавление в стыковом соединении, сварка проникающей дугой без разделки до 8 мм . По сравнению с МИГ и ТИГ плазменная сварка не имеет конкурентов по качеству и производительности на диапазоне толщин от 3 до 8 мм;
  • гладкая поверхность швов, не требующая дополнительной обработки;
  • высокая надёжность зажигания основной дуги благодаря наличию вспомогательной;
  • отсутствие включений вольфрама в сварном соединении;
  • высокая стойкость расходных материалов.
Читать еще:  Что такое плазменная сварка прямого действия

Более подробно о применении и преимуществах плазменной шовной и плазменной точечной сварки можно прочитать в статьях:

Плазменная сварка

Сущность способа.

Плазма – ионизированный газ, содержащий электрически заряженные

частицы и способный проводить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000-30000° С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах. Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50-100 и более раз приводит к истечению плазмы со сверхзвуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл.

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение. Дуговая плазменная струя – интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно использовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов, так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенного действия). Тепловая эффективность дуговой плазменной струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемещения горелки (скорости сварки или резки) и т. д. Геометрическая форма струи может быть также различной (квадратной, круглой и т. д.) и определяться формой выходного отверстий сопла.

Отличительные особенности плазменной сварки по сравнению с аналогами газовой, электродуговой в среде защитного газа, электроннолучевой и лазерной сваркой, процесс плазменной сварки имеет преимущества:

– высокая стабильность и устойчивость сжатой дуги, в том числе на малых токах, при увеличенной длине дуги, на любой полярности тока;

– высокая универсальность выбора режима;

– высокая концентрация тепловвода уменьшает объем расплавляемого основного и присадочного металла, уменьшает в ряде случаев количество дефектов в шве, снижает сварочные деформации;

– импульсные режимы плазменной сварки уменьшают перегрев изделия, опасность прожогов и сварочные деформации, улучшают структуру шва;

– ведение процесса плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности повышает качество и стабильность свойств сварного шва за счет эффекта катодной очистки, проявляющегося в удалении оксидных и адсорбированных пленок со свариваемых поверхностей;

– возможность полной механизации и автоматизации технологического процесса;

– отсутствие включений вольфрама в сварном шве;

– возможность исключения разделки кромок свариваемых деталей за счет повышенной проплавляющей способности сжатой дуги;

– полное исключение разбрызгивания расплавленного металла при сварке;

– возможность формирования шва без усиления или ослабления, заподлицо с основным металлом;

– автоматизированная плазменная сварка проникающей дугой позволяет получить швы минимальной ширины, при этом расходы на оборудование существенно ниже, чем при лазерной или электроннолучевой сварке.

Примеры применения плазменной сварки

Создание неразъемных соединений однородных и разнородных металлов и сплавов, заварка дефектов литья, сварка листов, проводников, микродеталей, алюминиевых емкостей для молока и др. различных резервуаров, облицовочных панелей из нержавеющих сталей и титановых сплавов, медных шин и др. изделий, микроплазменная сварка зубных протезов.

Экономическая эффективность плазменной сварки определяется:

– экономией расходуемых материалах (газе, вольфраме, присадке), времени сварки;

– повышением эксплуатационных характеристик сварных конструкций:

– снижением затрат на подготовку свариваемых кромок, на устранение брака, на зачистку шва и на правку сваренных изделий.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector