6.2. Источники питания сжатой дуги Особенности горения сжатой дуги и требования к источникам

Сжатая дуга используется при плазменной сварке, наплавке, резке и напылении, а также при плазменно-механической обработке.

Плазменная сварка и наплавка выполняются с помощью плазматрона, изображенного на рис. 6.26, а. Дуга, горящая между вольфрамовым электродом и деталью, сжимается потоком аргона, проходящего по каналу сопла диаметром от 0,5 до 6 мм. По сравнению со свободной дугой сжатая дуга имеет более высокую температуру (до 20000 К на оси столба), повышенную проплавляющую способность и высокую пространственную устойчивость. Увеличение глубины проплавления в 1,5–2 раза по сравнению со сваркой свободной дугой позволяет соединять за один проход металл толщиной до 20–30 мм. Малые размеры и высокая стабильность положения сжатой дуги позволили рекомендовать ее и для соединения сверхтонких материалов (до 0,05 мм) без прожогов и непроваров. Эта разновидность сварки (при токе до 25 А) названа микроплазменной. Сжатая дуга возбуждается поэтапно. Сначала зажигается дежурная дуга 1 между электродом и соплом. Выдуваемая из сопла плазменная струя касается детали, в результате между электродом и деталью возникает основная дуга 2, после чего дежурная дуга гаснет. При неблагоприятных условиях сварки (малый диаметр и большая длина сопла, малый расход газа, резкое нарастание тока) основная дуга может перейти на сопло, при этом возникает каскадная (двойная) дуга 3, быстро разрушающая сопло.

а) б)

в) г)

Рис. 6.26. Схемы плазменных процессов: а – сварки на постоянном токе, б – сварки на переменном токе, в – резки, г – напыления

Начальное зажигание дежурной дуги выполняется осциллятором или возбудителем G1, обычно последовательного включения. Источник дежурной дуги G2 должен обеспечивать небольшой ток (до 20 А). В качестве такого источника используют маломощный выпрямитель с крутопадающей характеристикой или питают дежурную дугу от основного источника через балластный реостат.

Требования к основному источнику GЗ, как и при сварке свободной дугой (разд. 6.1), определяются родом сварочного тока и характером его модуляции. Основной источник постоянного тока рекомендуется для сварки большинства металлов, при этом обычно применяется прямая полярность, как и при сварке свободной дугой. Внешняя характеристика источника должна быть крутопадающей, при этом обеспечивается устойчивость дуги и стабильность проплавления. Кроме того, при крутопадающей характеристике легко выполнить ограничение тока величиной, на которую рассчитан конкретный плазматрон, что гарантирует его высокую стойкость. Постепенное нарастание основного тока снижает опасность образования двойной дуги. Основной импульсный источник может применяться при сварке сжатой пульсирующей дугой. Основной источник переменного тока рекомендуется для сварки алюминиевых сплавов, но из-за низкой стойкости вольфрамового электрода его применение ограничено. Оригинальное решение найдено при микроплазменной сварке тонколистового алюминия (см. рис. 6.25, б). В этом случае от сварочного трансформатора Т через тиристор VS1 питается основная дуга 2 прямой полярности между электродом и деталью. От того же трансформатора, но уже через тиристор VS2 питается дуга 4 обратной полярности, горящая между соплом и деталью. Высокая стойкость электрода гарантируется здесь использованием его только в полупериоде прямой полярности. Надежному повторному зажиганию способствует непрерывно горящая дежурная дуга 1.

Плазменная резка (рис. 6.26, в) выполняется за счет расплавления металла сжатой дугой и удаления его из полости реза вследствие высокой кинетической энергии плазменной струи. Благодаря использованию электродов со стойкими циркониевыми и гафниевыми вставками резка выполняется с использованием дешевого сжатого воздуха. Длина дуги при плазменной резке с учетом большой внутрисопловой составляющей (не менее 10 мм) и участка внутри реза, имеющего протяженность около 2/3 толщины детали, очень велика (20–200 мм). Градиент потенциала в столбе дуги также велик – внутри сопла до 20 В/мм. Поэтому напряжение режущей дуги достигает 65–350 В, т.е. существенно выше, чем при сварке. Высокое напряжение холостого хода 180–500 В – специфическое требование к источнику для плазменной резки. Режущая дуга непрерывно перемещается по глубине реза, при этом амплитуда колебаний напряжения дуги может достигать 40–60 % от его среднего значения. В этом случае устойчивость дуги может быть достигнута не просто при положительном, но еще и сравнительно большом значении коэффициента устойчивости системы «источник–дуга» ( ). Внешняя характеристика источника должна быть вертикальнопадающей с величиной дифференциального сопротивления не ниже |ρ_и| = 5 В/А. Остальные требования к источнику совпадают с таковыми для плазменной сварки.

Плазменно-механическая обработка (токарная, строгальная) – процесс, родственный плазменной резке. Плазматрон разогревает поверхность обрабатываемой детали, в результате чего значительно повышается подача, а следовательно, и производительность черновой обработки, особенно труднообрабатываемых твердых металлов. Требования к источнику те же, что и при плазменной резке.

Плазменное напыление (см. рис. 6.25, г) происходит при косвенном нагреве детали и плавлении порошка плазменной струей. Дуга горит только в плазматроне между электродом и соплом. Отдельный источник дежурной дуги здесь не нужен, в остальном требования к источнику совпадают с изложенными выше.