1344

Таблица 4

Параметры оптимальных режимов сварки сплава АМг6

Рис. 21. Сварной шов при плазменной сварке проникающей дугой, h = 3 мм; сплавЭП202, δ = 8 мм (сборкастыкабеззазорасналожением «декоративного» шва); а – макрошлиф; б – внешний вид корня шва

52

а

б

Рис. 22. Сварочные швы при плазменной сварке проникающей дугой, сплав Амг6; макрошлифы: а – δ = 8 мм; б – δ =10 мм

3.2. Микроплазменная сварка

При дуговой сварке вольфрамовым электродом в среде инертного газа использование токов менее 3–5 А приводит к нестабильности горения дуги. При микроплазменной сварке рабочие токи могут быть в пределах 0,02–25 А. Микроплазменная сварка (МПС) может применяться для соединения элементов толщиной 0,1–1 мм. Микроплазменная сварка отличается высокой стабильностью дуги при значительной ее длине (до 20 мм) без существенного рассредоточения.

Диаметр плазмообразующего сопла плазмотрона находится в пределах 0,5–1,5 мм и зависит от силы тока. В качестве плазмообразующего газа чаще используется чистый аргон. Защитный газ – аргон или аргон с добавкой водорода для повышения тепловой эффективности сжатой дуги за счет диссоциации водорода на периферии дуги

тродом и микроплазменной сварке для маломощных дуг находятся в соотношении 1/3, поэтому при микроплазменной сварке меньше окисление и меньше деформация изделия. Добавки водорода к защитному аргону в пределах 7–20 % обеспечивают наилучший эффект дополнительного сжатия дуги. Однако водород не всегда применим, например, при сварке меди тантала, титана, циркония. С помощью микроплазменной сварки можно сваривать почти все металлы. Технологические возможности микроплазменной сварки значительно расширяются, если процесс вести в импульсном режиме. При этом уменьшается вероятность прожогов и образования пор. Обычно частота пульсаций тока находится в пределах 1–10 Гц. Предполагается расширение частот до 10 КГц. Сварка может осуществляться вручную и автоматически. Большинство металлов сваривается на прямой полярности. Для устойчивой работы плазмотрона на малых токах (0,1–3,0 А) применяется постоянно действующая дежурная дуга.

Микроплазменная сварка на прямой полярности не может быть применима для сварки алюминия и его сплавов, имеющих на поверхности окисную пленку. Диаметр вольфрамового электрода для МПС не более 1,5 мм, угол заточки 10–15°, поэтому использование обратной полярности приводит к быстрому разрушению электрода. Сварка на переменном токе алюминия толщиной менее 1 мм невозможна из-за нестабильности горения дуги на малых токах. ИЭС им. Патона предложил процесс микроплазменной сварки с использованием в качестве основного электрода плазмообразующего сопла (рис. 24, а).

Рис. 24. Схема процесса микроплазменной сварки: а – переменным током; б – двумя дугами постоянного тока; 1 – осциллятор

Сварка ведется на переменном токе. Между электродом и изделием поддерживается дежурная дуга, которая создает плазменный поток в промежутке между соплом и изделием. Основной переменный ток,

54

подводимый к изделию, благодаря включению в цепь двух диодов делится на две ветви с разной полярностью. Полуволны прямой полярности поступают на вольфрамовый электрод, а обратной – на сопло. В полупериод обратной полярности дуга горит между соплом и изделием, а в полупериод прямой – между вольфрамовым электродом и изделием.

Вполупериод обратной полярности катодное пятно на изделии очищает

его поверхность от окисной пленки. Анодное пятно при этом при небольших расходах плазмообразующего газа (3,3–10 см3/с) располагается внутри сопла. Величина тока обратной полярности выбирается из условия получения хорошей очистки поверхности в зоне сварки. В полупериод прямой полярности дуга между вольфрамовым электродом и изделием сжимается, что обеспечивает высокую проплавляющую способность. Разновидностью данного процесса является МПС разнополярными импульсами, при которой осуществляется раздельное регулирование длительности импульса и амплитуды тока прямой и обратной полярности.

Всравнении с МПС синусоидальным током сварка разнополярными импульсами обепечивает большую глубину проплавления при меньшей ширине шва.

Французским Техническим центром сварки в развитие описанных способов предложен процесс с использованием двух дуг постоянного тока (рис. 24, б).

Одна дуга прямой полярности горит между вольфрамовым электродом и соплом, другая, обратной полярности, – между соплом и изделием. Вторая дуга, называемая основной, обеспечивает очистку сварочной ванны. При этом способе отсутствует механическое или газодинамическое сжатие основной дуги, она сжимается электрическим способом. Благодаря выдуванию плазменной струи первой дуги создается электрический проводник, который стягивает на себя ток основной

дуги, что обеспечивает сжимающий и стабилизирующий эффект. По утверждению разработчиков, возможно горение дуги при токе 1,5 А без нарушения стабильности и направленности при длине до 10 мм. Для надежного возбуждения основной дуги необходимо обеспечить достаточную мощность и длину плазменной струи. Стабильность и цилинд-

30 А необходимо в качестве защитного газа применять гелий. Сжатая дуга такого плазмотрона обладает малой проплавляющей способностью, не обеспечивая сквозного проплавления свариваемого металла. Максимальная толщина алюминиевых листов при сварке за один проход составляет 3 мм.

3.3. Сварка закрытой сжатой дугой

Плазмотроны для сварки обычно изготавливают по схеме, когда защитный газ подается концентрично относительно дуги между электродом и изделием. При ручной сварке такая схема необходима. Однако при механизированном процессе во многих случаях целесообразно применять способ сварки закрытой сжатой дугой.

Сущность этого способа состоит в следующем (рис. 25). Сварка осуществляется дугой, которая возбуждается между вольфрамовым электродом и изделием через канал медного сопла, охлаждаемого водой. Дуга, сварочная ванна и прилегающие зоны разогретого металла защищены от атмосферы воздуха медной, стальной или латунной микрокамерой, охлаждаемой водой. Горелка отделена от нее изоляционной втулкой. Присадочная проволока подается в зону сварки через отверстие в микрокамере. Плазмообразующий газ при выходе из горелки заполняет микрокамеру и под некоторым избыточным давлением выходит по каналу над остывающим сварным швом. Размеры внутренней полости микрокамеры выбирают наименьшими для данной толщины свариваемого изделия. Микрокамеру в процессе сварки прижимают к изделию с силой, достаточной для устранения коробления кромок в месте сварки.

Втабл. 5 представлены результаты измерения местного прогиба кромок при сварке разными способами стали 1Х18Н9Т толщиной 0,4 мм. Незначительные временные деформации кромок при сварке закрытой сжатой дугой обеспечивают высокую стабильность формирования шва при этом процессе.

Закрытая сжатая дуга имеет преимущества и при сварке толстолистовых материалов.

Вэтом случае микрокамера не выполняет функции прижима, но способствует более эффективной защите металла в зоне сварки и обеспечивает стабильное формирование шва.

56

Рис. 25. Схема сварки закрытой сжатой дугой; 1 – камера; 2 – сопло; 3 – электрод; 4 – изоляционная

втулка; 5 – присадочная проволока; 6 – изделие

Таблица 5

Местный прогиб кромок при сварке листов стали 1Х18Н9Т толщиной 0,4 мм

При сварке тонких листов (до 2–3 мм) для защиты шва достаточно потока плазмообразующего газа. Для листов большей толщины в микрокамеру подают дополнительно защитный газ. Форма микрокамеры соответствует профилю изделия и типу соединения. В качестве плазмообразующего газа обычно применяют аргон. Применением газов с различными свойствами можно регулировать технологические и металлургические характеристики процесса. Так, например, замена аргона смесью 80 % Не + 20 % Ar позволяет при одном и том же токе увеличить в 2 раза скорость сварки стали 1Х18Н9Т толщиной 0,5 мм. Закрытой сжатой дугой можно сваривать листы толщиной от 0,05 до 16 мм

57

за один проход без разделки кромок. В ряде случаев для предотвращения подрезов применяют головки с двумя плазмотронами, соединенными общей микрокамерой. При закрытой дуге не образуется озона за счет ультрафиолетового облучения. Это улучшает условия работы сварщика.

3.4. Плазменная сварка плавящимся электродом

Этот способ сварки представляет собой комбинацию плазменнодуговой и дуговой сварки плавящимся электродом. Данный способ отличается от сварки плавящимся электродом тем, что окружающая электрод атмосфера является горячим ионизированным газом – плазмой. Электрический ток с плавящегося электрода в таких условиях перестает зависеть только от собственного дугового разряда. Это обеспечивает самопроизвольное начало разряда, повышенную стабильность и лучший контроль над переносом металла. Данный способ сварки предложен фирмой Philips (Нидерланды).

Плазменная сварка плавящимся электродом по способу Philips отличается тем, что плавящийся электрод подается по оси плазмотрона через плазмообразующее сопло. Разработан ряд разновидностей способа плазменной сварки плавящимся электродом в зависимости от способа генерирования плазмы и вариантов взаимодействия дуги с плавящего электрода, плазменной дуги и изделия (рис. 26).

Сварка в свободной сжатой дуге. При соответствующей ориента-

ции плавящегося электрода относительно проволоки в свободном потоке аргона можно обойтись без сопла (рис. 26, а). Сначала возбуждается дуга неплавящийся электрод–изделие. Дуга проволока–изделие возбуждается самопроизвольно, и столб первой дуги закрывает проволоку. Однако настройка такого устройства для взаимной ориентации электродов сложна.

При наличии сопла, отклоняющего дугу неплавящийся электрод– изделие, взаимная ориентация дуг улучшается. Асимметричное устройство (рис. 26, б) может использоваться с соплом диаметром до 20 мм. При этом из-за слабого контакта со столбом плазмы срок службы сопла удлиняется. Благодаря меньшему нагреву проволоки, окруженной плазмой, переход к вращательному переносу металла смещается в сторону больших токов. Такая схема желательна, когда требуется максимальное проплавление и скорость сварки или наплавки.

58

Сварка с применением непереносной, независимой сжатой дуги.

Ток сжатой дуги величиной 14 А достаточен для самопроизвольного возбуждения дуги плавящийся электрод–изделие и обеспечения ее стабильности. При этом нет необходимости в переносе сжатой дуги на изделие (рис. 26, в). Независимую сжатую дугу можно питать как от источника постоянного, так и переменного тока. Особенно целесообразно ее применение, когда выполняется серия швов, так как самопроизвольное возбуждение дуги проволока–изделие возможно без контакта проволоки с изделием. Отсутствие катодного пятна на изделии заметно задерживает зажигание в сравнении с переносной сжатой дугой.

Сварка с применением непереносной дуги с плавящегося электрода.

Внешне процесс в этом случае мало отличается от описанного выше – поток паров и капель металла направляется на изделие, как при обычной плазменной сварке плавящимся электродом (рис. 26, д).

Сварка при дополнительном токе с сопла. При плазменной сварке плавящимся электродом ток сжатой дуги ограничивается размером и интенсивностью охлаждения вольфрамового электрода. При обратной полярности ток через вольфрамовый электрод диаметром 6 мм не должен превышать 60–180 А. Если необходим больший ток сжатой дуги, то через него пропускают дополнительный ток путем подключения дополнительного к соплу и изделию (рис. 26, е). Увеличение тока сжатой дуги сказывается на внешнем виде шва – увеличивается ширина и сглаживается переход к основному металлу. Глубина проплавления при этом не изменяется. Процесс по этой схеме имеет существенное преимущество при сварке металлов с высокой теплопроводностью.

Сварка с использованием медного сопла в качестве неплавящегося электрода. Этот способ является наиболее перспективным. Медное сопло является электродом-анодом, плавящийся электрод подается по оси плазмотрона (рис. 27).

При подаче трех газовых потоков значительно повышается стабильность процесса и качество сварки. Кольцевой анод выдерживает большие токовые нагрузки сжатой дуги при работе на обратной полярности. Столб сжатой дуги отличается высокой пространственной устойчивостью, что объясняется взаимодействием электромагнитных полей сжатой дуги и плавящегося электрода.

60