§ 1. Физические основы плазменной сварки

Сварка металлов и сплавов малых толщин (0,05...1,5 мм) составляет значи­тельный объем сварочных работ в различных отраслях производства. Среди из­вестных способов сварки наибольшее применение получили газовая сварка, пайка и дуговая сварка неплавящимся электродом в непрерывном и импульсном режимах. В начале 60-х годов XX века в Научно-исследовательском институте авиационной технологии (НИАТ) и в ряде фирм Швейцарии, Англии, США и Франции были начаты работы по использованию для сварки металлов малой толщины сжатой дуги. Этот способ получил название микроплазменной свар­ки, а сварочная горелка, используемая для этого, — микроплазмотрон.

Прототипом для микроплазменной сварки послужила аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом. Схема аргоно-дуговой горелки дана на рис. 11.1. Сварка осуществляется на прямой полярности. Вольфрамовый стер­жень 1 служит катодом, свариваемое изделие - анодом. Все аргоно-дуговые горелки по существу представляют собой цанговый охлаждаемый или неохла-ждаемый зажим 2 для крепления вольфрамового катода. Цанговый зажим снабжен керамическим соплом 4 для подачи защитного газа и ручкой 7, внут­ри которой расположены газо- и водоподводы. Токоподвод обычно совмещен с водоподводом; если он отсутствует, то с газоподводом (рис. 11.1).

Поджиг дуги осуществляется либо осциллятором, либо касанием вольф­рамового электрода с изделием. Последний способ чреват тем, что при поджи-ге дуги на конце вольфрамового стержня образуется однобокая оплавленная полусфера. Это ведет к пространственному отклонению дуги от оси электрода, что снижает качество сварки изделий и вызывает необходимость частой пере­заточки вольфрамового электрода.

Аргон в этих горелках выполняет двойную роль. Он способствует про­странственной стабилизации дуги и защищает от окисления вольфрамовый катод и металл изделия в окрестности сварочного шва.

Несмотря на высокую температуру аргоновой дуги при атмосфер­ном давлении (более 10 000 К) основным источником тепла (примерно 80 %)

расплавляющего металл в сварочном шве, является тепловой поток от при-анодной области. Величина теплового потока, необходимая для качественной сварки, достигается вариацией тока.

Аргоно-дуговые горелки используются, как правило, для сварки изделий металлов толщиной более 1,0 мм. Это связано с тем, что для сварки металлов малых толщин необходима малоамперная дуга. Однако в аргоно-дуговых го­релках малоамперные дуги имеют низкую стабильность во времени и в про­странстве. Анодное пятно блуждает по поверхности металла, часто скачкооб­разно переходит с одного места на другое, не проваривая шов. При увеличении тока дуги возникают прожоги металла.

Работы по плазменной сварке на больших токах показали, что обжатая дуга, формируемая каналом сопла, имеет значительно большую пространст­венную устойчивость, чем свободно горящая в аргоно-дуговых горелках. Это преимущество обжатой дуги применимо также и для сварки металлов малых толщин (5 < 1 мм), что обусловило появление по существу нового способа -микроплазменной сварки, т.е. сварки тонких и особо тонких металлов.

Первые сварочные горелки с обжатой дугой были созданы на базе арго­но-дуговых (рис. 11.2, а) и отличались от них тем, что неплавящийся вольфра­мовый электрод и часть столба дуги помещались в водоохлаждаемую метал­лическую камеру. Камера оканчивалась цилиндрическим отверстием (соплом), расположенным соосно с электродом (рис. 11.2, б). Плазмообразующий газ, проходя через сопло, пространственно стабилизировал (обжимал) столб дуги,

а также обеспечивал его тепловую и электрическую изоляцию от стенок сопла. Часть газа проходила через дугу, ионизировалась и превращалась в плазму.

Сжимающее дугу сопло имеет два важных размера - диаметр выходного отверстия d_c и длину /_с. Расстояние, на котором установлен электрод от вы­ходного отверстия сопла, называется углублением электрода /_у, а расстояние между внешней поверхностью (торцом) сопла и свариваемым изделием - ра­бочим расстоянием Н. Кроме плазмообразующего газа, при выполнении боль­шинства сварочных операций через наружное газовое сопло подается защит­ный газ для защиты сварочной ванны и кристаллизирующегося металла от окисления.

При сжатии дуги соплом столб дуги вне сопла принимает цилиндриче­скую форму (рис. 11.2, б), анодное пятно стабилизируется на изделии, тепловой поток становится более сосредоточенным, чем при открытой дуге, глубина про-плавления металла возрастает, снижается нагрев металла, прилегающего к шву.

а б

Рис. 11.2. Схемы сопловых частей аргоно-дуговой (а) и плазменной (б) горелок

Сварка изделий из металлов, не имеющих поверхностной окисной плен­ки (сталь, медь и др.), производится плазмотронами прямой полярности. Внут­ренний электрод - катод (вольфрамовый стержень), изделие - анод.

Качественная сварка тонкостенных изделий из металлов, имеющих окис-ную поверхностную пленку (алюминий и др.), возможна только при катодной очистке свариваемых поверхностей. Поэтому свариваемое изделие в этом слу­чае является катодом сварки на обратной полярности. Сущность катодной очистки поверхности от окислов состоит в следующем. Катодное пятно (мак­ропятно) в отличие от анодного имеет неоднородную структуру и состоит из отдельных кратковременно существующих микропятен. Плотность тока в микропятнах составляет 10⁵...10⁶ А/см , а время их существования - КГ^.ЛО^-6 с. Малая по размерам прикатодная область дуги фактически является генерато­ром высокоэнергетических микродуг, возникающих в результате микрошун­тирования в катодном пятне с частотой / = //Г_цт_м, Гц, где /-ток дуги; 1_Ц- среднее значение тока микродуг (7_Ц = 8 А); х_ц- время жизни микропятна, КГ^.ЛСГ⁶ с. Частота возникновения микродуг равна примерно 10⁶ Гц. В силу того, что окислы металлов по сравнению с чистыми металлами имеют мень­ший потенциал работы выхода электронов (см. подпараграф 4.1 гл. I), микро­пятна возникают на окисленных участках свариваемых изделий, обеспечивая очистку металла даже в зазорах между свариваемыми кромками. Таким обра­зом, изделие в области сварного шва очищается непосредственно во время сварки.