1344

3

ВВЕДЕНИЕ

Применение современных материалов в различных отраслях техники требует совершенствования технологических приемов их обработки и, в частности, сварки. Усложнение условий эксплуатации сварных конструкций, таких как повышенные и пониженные температуры, агрессивные среды, тяжелое многоосное, а часто и циклическое нагружение, работа в условиях комбинированного воздействия неблагоприятных факторов, повышает уровень требований к качеству сварных швов. Причем сварные швы должны соответствовать целому комплексу показателей, например: обеспечение равнопрочности с основным металлом при минимальных остаточных деформациях, получение заданных геометрических параметров сварного шва и высокого качества его поверхности, минимальное усиление шва и плавный переход к основному металлу идругим требованиям. На сегодняшний день сварочные технологии приобретают еще большее значение в современной промышленности.

На рубеже веков специалисты ведущих стран мира обращают серьезное внимание на оценку достижений сварочной науки и техники, а также на выбор приоритетных и перспективных направлений развития сварки и родственных технологий в интересах промышленного производства ХХI века. Речь идет о выработке стратегии развития сварочной науки и сварочного производства, а также оценке рынка сварочной техники на ближайшие 10–20 лет. Практика показала, что не все из применяющихся ныне сварочных технологий перспективны в свете требований науки и производства XXI века, а ряд из них достигли технологического потолка.

Одним из перспективных направлений сварочных технологий, обеспечивающих выполнение перечисленных условий, является разработка и внедрение процессов с использованием высококонцентрированных источников энергии, в том числе и плазменной сварки. Благодаря уникальным качествам сжатой дуги и плазменной струи как источника нагрева обрабатываемой зоны плазменные технологии утверждаются в общем арсенале других методов сварки как самостоятельный вид. Плазменная струя и сжатая дуга обеспечивают не только тепловое, но и мощное силовое воздействие на зону обработки. Удачное сочетание высокой мощности и концентрации энергии в сжатой дуге с возможно-

4

стью использования широкой гаммы сварочного и вспомогательного оборудования, разработанного для дуговых способов сварки, предполагает перспективность использования плазменной сварки для производства ответственных конструкций.

Плазменные сварочные технологии являются результатом развития электродуговых процессов. Известно, что сжатие столба дугового разряда повышает энергетические характеристики и его можно рассматривать как источник нагрева с высокой энергетической плотностью – до 106 Вт/мм2. Считается, что толчком к развитию плазменных технологий послужили работы Петерса (1950–1954). Используя анод с отверстием диаметром 2,5 мм в виде сопла Ловаля, он получил плазменную струю, истекающую в открытое пространство со сверхзвуковой скоростью и имеющую температуру около 10 000 К. Устройства, генерирующие плазменные струи, впоследствии стали называть плазмотронами.

Практическое использование плазменных технологий в развитых странах – США, Англии, Германии, СССР началось с середины 60-х гг. По ряду направлений отечественные разработки опережали западные. Исследованием плазменных технологий и разработкой оборудования для их практической реализации занимался ряд центров в СССР, а позднее в СНГ: ИЭС им. Е.О. Патона, ВНИИЭСО, ВНИИАвтоген, Ленинградский политехнический институт, УПИ, отраслевые институты. Такие крупные ученые-сварщики, как Д.А. Дудко, А.В. Петров, Д.Г. Быховский, Ю.С. Ищенко, А.И. Акулов, В.С. Клубникин, Н.А. Соснин

идругие, участвовали в разработке теоретических основ плазменных технологий и технологических рекомендаций их практического применения. В совершенствовании технологий и оборудования плазменной обработки металлов, в частности, на форсированных режимах принимала и принимает участие кафедра сварки ПНИПУ.

Внастоящее время разработан и успешно применяется ряд технологических процессов и установок, основанных на использовании низкотемпературной плазмы. Среди них плазменная и микроплазменная сварка, резка, наплавка, плазменное напыление покрытий, металлизация, плазменное поверхностное упрочнение деталей, плазменная плавка

ирафинирование металлов, плазменно-механическая обработка и другие. Использование сварочных технологий позволяет значительно повысить производительность процессов и получить ряд дополнительных преимуществ, например: финишное плазменное упрочнение позволяет

5

на 50–400 % продлить срок службы изнашивающихся деталей; напыление поверхностных слоев деталей, работающих в сложных условиях, обеспечивает получение свойств, не достижимых при других технологиях; плазменная сварка проникающей дугой позволяет повысить производительность в 1,5–2 раза при 100 % качестве швов, снизить стоимость выполняемого погонного метра в 2–6 раз; плазменная сварка плавящимся электродом позволяет доводить скорость сварки и наплавки до сотен метров в час; плазменная сварка постоянным током на обратной полярности решает проблему сварки алюминиевых сплавов. Первоначально наибольший объем применения плазменных технологий приходился на оборонную и космическую отрасли. В следующем столетии ожидается значительный рост применения плазменных технологий в различных отраслях промышленности. Если в 1970 г. объем применения плазменных технологий распределялся так: аэрокосмическая отрасль – 70%, оборонная промышленность – 20 %, электроника – 5 %, другие отрасли – 5 %, то в 1997 г. это распределение выглядело уже следующим образом: аэрокосмическая и оборонная отрасли – по 24 %, машиностроение – 10 %, металлургия и электроника – по 7 %, добывающая промышленность, энергетика, ремонтные работы, автомобильный транспорт, другие – по 5–6 %.

Однако суммарный объем использования плазменных технологий до настоящего времени невелик и не превышает 5 % от общего объема сварочного производства. На европейском рынке сварочного оборудования объем продаж оборудования для плазменной сварки и резки в период 1995–2000 гг. не превышал 4 %. Это объясняется несколькими причинами: отсутствием доступных надежных технологических рекомендаций для практического использования плазменных технологий, сложностью, низкой надежностью и повышенной стоимостью предлагаемого промышленностью оборудования.

6

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАЗМЕННОМ ИСТОЧНИКЕ НАГРЕВА

При свободном горении средняя температура столба дуги зависит от состава газовой среды и достигает 5000–6000 °С. При ограничении возможности свободного расширения дуги температуру столба можно повысить до 15000–20000 °С (при стабилизации водяным вихрем – до 40000–60000 °С). Кроме того, при сжатии столба дуги ограничивается свободное перемещение активного пятна по поверхности изделия.

Благодаря этому тепловой поток в изделие становится более сосредоточенным, проплавление – стабильным с минимальной зоной нагрева основного металла.

Рис. 1. Распределение температуры: а – в свободной и сжатой дуге (I – дуговой разряд без стабилизации газовым потоком при аргонодуговой сварке; сила тока 200 А; напряжение дуги 14,5 В; II – сжатая дуга в канале плазмотрона в потоке аргона; катод – торированный вольфрам; анод – медная пластина; диаметр канала 4,9 мм; расход аргона 1,08 м3/ч; сила тока 200 А; напряжение

дуги 29 В); б – в плазменной струе

В отличие от свободной дуги, имеющей форму конуса с расширяющимся сечением в сторону изделия, сжатая дуга имеет цилиндрическую форму (рис. 1, а). При этом изменение длины дуги в достаточно широких пределах не сказывается на глубине проплавления.

Сжатая дуга применяется для обработки в двух вариантах: переносная (прямого действия) и непереносная (косвенного действия) – плазменная струя. В первом случае дуга горит между электродом и изделием через канал плазмообразующего сопла (см. рис. 1, а), а во втором – между электродом и соплом (рис. 1, б).

7

Температура сжатой дуги и плазменной струи по радиусу и длине распределяется достаточно неравномерно. В инженерной практике пользуются среднемассовой температурой на срезе сопла плазменной горелки, которая может быть определена по удельной энтальпии Н плазмообразующего газа

где q – эффективная мощность сжатой дуги на срезе сопла; G – массо-

вый расход плазмообразующего газа.

Сжатие электрической дуги можно осуществлять следующим образом: 1) охлаждением наружных слоев дугового столба за счет интенсивного теплоотвода от электрода и стенок сопла горелки; 2) разграничением столба дуги и стенок сопла относительно холодной прослойкой газа(газовая стабилизация); 3) локализацией столба дугового разряда вблизи оси с помощью магнитного поля.

Устройства, в которых образуется плазма, в технике называются плазмотронами (плазменными горелками). Дляплазменной сварки, резки и ряда других процессов чаще используются плазмотроны, реализующие первые два способа сжатия дуги. В плазмохимических технологиях, плазменных двигателях, некоторых специальных технологиях обработки металловприменяютсяплазмотроны смагнитнойстабилизациейдуги.

1.1. Энергетические свойства сжатой дуги

Сжатая дуга – преобразователь электрической энергии в тепловую. Поэтому, с одной стороны, как элемент электрической цепи она характеризуется электрическими параметрами (током, напряжением), а с другой стороны, как источник тепла – тепловыми параметрами (температурой, теплосодержанием, энтальпией). Кроме того, сжатая дуга оказывает заметное силовое (механическое) воздействие на обрабатываемый объект. Существует сложная взаимосвязь между параметрами первой, второй и третьей группы. Структурно сжатую дугу постоянного тока (а такие дуги используются наиболее часто) можно представить в виде ряда характерных участков, последовательно расположенных вдоль ее оси. Сжатая дуга прямого действия (рис. 2) состоит из катодной области, досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба и анодной области, расположенной на обрабатываемом изделии.

8

Рис. 2. Структурная схема сжатой дуги: а – прямого действия; б – косвенного действия: Э – электрод; С – сопло; И – изделие

Напряжение дуги является суммой падений напряжений на этих участках.

Причем

Uкс = Eксlкс ; Uс = Eсlс ; Uса = Eсаlса ,

где lкс, lс, lса – протяженность соответственно досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба дуги; Eкс, Eс, Eса – напряжен-

ность электрического поля тех же участков столба дуги В/мм. На внутрисопловом участке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал диметром d1 <dc ( dc – диаметр сопла), а за срезом

сопла, по мере удаления от него, диаметр электропроводного канала увеличивается и на изделии достигает величины d2 , а температура

и скорость течения плазменной струи уменьшаются.

Столб сжатой дуги косвенного действия (плазменной струи) (рис. 2, б) также близок к цилиндрической форме и в основном расположен внутри плазмотрона. Температура, электропроводный диаметр и скорость течения плазменной струи по мере удаления от среза сопла резко уменьшаются. Напряжение плазменной струи может быть определено следующим образом:

9

U =Uк + Uкс + Uс + Uа.

В зависимости от тока и степени сжатия дуги в плазмотронах с вольфрамовым катодом величина Uк составляет 5–8 В. Величина Uа ,

по разным источникам, может быть в пределах 3–12 В и слабо зависит от материала анода. Значения Eкс и Eс близки по величине и почти не-

изменны по всей длине досоплового и внутрисоплового участков столба. Для сжатой дуги прямого действия

Eкс ≈ Eс = Uплl−Uк . кс

Напряженность поля открытой части столба дуги уменьшается по мереудаленияотсрезасопла. Среднее значение егоможноопределитькак

Eса = Uд − Uплl− Uс − Uа . са

Зная Eс и определив плотность тока (А/мм2) по формуле

jс = k 4Iд2 ,

πdc

где k = 0,6–0,9 – коэффициент заполнения плазмой сопла, можно с достаточной для практических целей точностью определить температуру плазменной струи на выходе из сопла. Для этого достаточно определить проводимость плазмы (1/Ом см)по формуле

σ = jс

Eс

и по известным для различных газов σ = f (T ) определить усредненную

по сечению столба дуги температуру плазмы (рис. 3, а).

Температура плазмы является исходным параметром плазмотрона. Изменение температуры по сечению столба дуги и вдоль ее оси будет рассмотрено ниже.

Использование высокоэнтальпийных молекулярных плазмообразующих газов в энергетическом отношении более выгодно, так как они при более низких температурах обладают той же тепловой эффективностью, что и одноатомные газы (рис. 3, б). При этом уменьшаются потери тепла на излучение в стенки плазмотрона и в окружающую среду.

10