12.2. Сварка вольфрамовым электродом

Сварка вольфрамовым электродом является весьма важным видом дуговой сварки, широко применяемым в производстве изделий из легированных сталей, алюминия, магния и различных легких сплавов, тугоплавких металлов и металлов, активных к кислороду, металлов малых толщин (менее 1 мм) и т.д. Вольфрам, самый тугоплавкий металл, в настоящее время производится в больших количествах для широкого промышленного применения.

Рис. 12.2. Горелка для аргонодуговой сварки:

1 –подвод инертного газа; 2 – подвод тока; 3 – вентиль газа; 4 – мундштук; 5 – сопло; 6 – держатель электрода; 7 - электрод

Нагретый вольфрам энергично соединяется с кислородом и быстро сгорает, поэтому вольфрамовый электрод нельзя применять для сварки на воздухе. Он применим только в защитных газах, не содержащих кислорода и непрерывно вдуваемых в дугу, - это инертные газы аргон или гелий, или же водород, иногда смеси этих газов. Поэтому для сварки вольфрамовым электродом применяются специальные горелки, где электрод постоянно обдувается инертным газом (рис. 12.2).

Дуга постоянного тока в аргоне при прямой полярности (минус на вольфрамовом электроде) легко зажигается, горит спокойно и устойчиво; напряжение дуги ниже, чем в воздухе; при этом электрод нагревается мало. Обычное напряжение дуги 10 - 15 В поднимается до 25-30 В лишь при больших токах.

Для металлов, окисляющихся не очень сильно, таких как углеродистые и легированные стали, медь и медные сплавы, никель и никелевые сплавы, твердые сплавы, титан, молибден и т.п., целесообразна сварка дугой постоянного тока прямой полярности.

Сварка вольфрамовым электродом применима для очень широкого диапазона толщин металла (0,1-60 мм); сварку металла больших толщин выполняют в несколько слоев током от 1 до 600 А. Скорость сварки меньше, чем при плавящемся электроде, но во многих случаях вполне удовлетворительна.

При сварке неплавким электродом полезно используется главным образом тепло, освобождающееся на поверхности основного металла. Тепло же, освобождающееся в катодном пятне на вольфрамовом электроде, расходуется в значительной степени на бесполезный нагрев этого электрода и излучение. Полный тепловой к. п. д. сварочной дуги с неплавящимся электродом значительно ниже, чем с плавящимся, и составляет в среднем 50-60 % (против 80-85 %).

13. Плазменная сварка

В настоящее время целесообразно из дуговой сварки выделить плазменную (плазменно-дуговую) сварку, которая наряду с общими признаками имеет отличия от дуговой сварки. В плазменной сварке основным источником энергии для нагрева материала служит плазма - значительно ионизированный и нагретый газ.

Плазма представляет собой смесь электрически нейтральных молекул газа и электрически заряженных частиц, электронов и положительных ионов, иногда еще и тяжелых отрицательных ионов. Наличие электрически заряженных частиц делает плазму чувствительной к воздействию электрических полей. Плазма электропроводна и при действии электрических полей в ней возникают электрические токи. При высоких степенях ионизации электропроводность плазмы может быть очень высокой. Токи в плазме могут отклоняться под действием магнитных полей. Ускорения, сообщаемые заряженным частицам действием электрических и магнитных полей путем соударений, передаются нейтральным частицам газа, и весь объем плазмы может получать направленное движение, образуя струю или факел горячего газа. Электрические поля, воздействуя на плазму, передают энергию заряженным частицам, а через них и всей плазме, тем самым повышают ее температуру примерно до 20 000° С.

Технологически струя плазмы близка к газосварочному пламени, но отличается более высокой температурой. Плазменным факелом можно осуществлять различные виды работ (сварку, резку, напыление, термообработку и т. д.), причем можно обрабатывать как металл, так и неметаллические материалы - стекла, керамику и пр.

Плазма может быть получена различными способами; самый простой и распространенный из них - нагрев газа в дуговом разряде. Но не следует отождествлять плазму с дуговым разрядом - она может быть получена и без дугового разряда.

Рис. 13.1. Характеристика источника

Главное отличие способов дуговой и плазменной сварки заключается в использовании энергии разряда. Если в дуговом разряде используются процессы, протекающие в приэлектродных областях, на поверхностях электродов и в тонких слоях у электродных поверхностей, то при плазменном нагреве используется энергия столба; зона нагрева трехмерна и может занимать значительный объем. Для усиления нагрева стремятся увеличить длину дуги и объем столба.

Рис. 13.2. Характеристика мощности

К источнику питания, создающего плазменный факел, выдвигают особые требования. Для дуговой сварки важнейшее условие - постоянство силы тока (I = const) и характеристика источника тока для питания дуги должна иметь форму, показанную на рис. 13.1. Для плазменного нагрева желательно постоянство подводимой мощности (IU = const). Характеристика источника должна иметь форму, показанную на рис. 13.2. Приближением к ней может быть прямолинейная характеристика, показанная штриховой линией и получаемая при питании дуги от источника постоянного напряжения через балластный реостат.

Питание дуги, создающей плазменный факел, можно производить как постоянным, так и переменным током разной частоты. Плазменная струя имеет несколько регулируемых параметров: сварочный ток и напряжение, угол наклона струи, расход и скорость истечения газа, состав газа, геометрическая форма струи и т. д. Применением соответствующих насадок струе или факелу плазмы можно придать различную форму - цилиндра, конуса, иглообразную, прямого стержня, петли, диска и пр. Разнообразие регулируемых параметров повышает технологическую ценность плазменной струи.