1344

Рис. 27. Схема сварки с использованием медного сопла в качестве неплавящегосяэлектрода; 1 – кольцевой анод; 2 – плавящийсяэлектрод, 3 – токоподвод; 4 – защитное (стабилизирующее) сопло; 5 – изделие; 6 – сжатая дуга; 7 – дуга с плавящегося электрода

При использовании такого варианта плазменной сварки плавящимся электродом можно поддерживать относительно небольшой вылет плавящегося электрода, что позволяет применять большие токи без вращения дуги. Благодаря этому можно достичь глубокого проплавления изделия и применять этот способ для высокоскоростной сварки металлов различной толщины. Сжатая дуга и дуга с плавящегося электрода работают на постоянном токе обратной полярности. Сварку рекомендуется начинать с возбуждения дуги плавящийся электрод–сжатая дуга, в этом случае между кольцевым анодом и изделием возникает самопроизвольно в течение 0,1 с после возбуждения первой дуги. В этом случае отпадает потребность в осцилляторе. Однако при возбуждении дуги с плавящегося электрода коротким замыканием возможно разбрызгивание металла.

Плазменная сварка плавящимся электродом отличается широким диапазоном регулирования параметров режима. Ток с плавящегося электрода может изменяться от 0 до нескольких сотен ампер, производительность наплавки при этом находится в пределах от 0,3 кг/ч до 35 кг/ч. Перенос металла в зависимости от соотношения токов с плавящегося электрода и сжатой дуги может быть крупнокапельным, мелко-

61

капельным или струйным. Считается, что сжатая дуга практически не влияет на глубину проплавления, а изменяет в основном ширину шва (при этом заметно уменьшается угол смачивания).

Комбинированный процесс имеет существенные преимущества при наплавке. Без применения устройств для колебания горелки в поперечном направлении возможно получать наплавленные слои шириной до 40 мм с глубиной проплавления основного металла порядка десятых долей миллиметра. Ожидается, что данный способ получит широкое применение в производстве алюминиевых сварных конструкций. Высокое качество обеспечивается благодаря разрушению окисной пленки в пятне плазменной дуги. Хорошие результаты были получены при применении комбинированного способа наплавки и сварки меди.

Необходимо отметить, что массового применения плазменная сварка плавящимся электродом пока не получила. Это объясняется отсутствием необходимого оборудования, выпускаемого в централизованном порядке промышленностью, отсутствием надежных технологических рекомендаций для широкой номенклатуры материалов

итолщин свариваемых элементов. На ход процесса, особенности переноса электродного металла, геометрические параметры сварного шва и качество сварного соединения при плазменной сварке плавящимся электродом существенное влияние оказывают множество параметров. Условно их можно разделить на технологические и конструктивные (связанные с плазмотроном). К первой группе относятся:

ток сжатой дуги Iпд, расход плазмообразующего Qп, и стабилизирующего Qc газов, ток плавящегося электрода Iпэ, диаметр плавящегося электрода dпп, скорость подачи плавящегося электрода Vпп, полярность подключения электродов; состав и способ подачи газовых по-

токов. Ко второй группе относятся: высота кольцевого анода hа и стабилизирующего сопла hc; диаметр кольцевого анода da и стабилизирующего сопла dc (отношение диаметров стабилизирующего сопла

икольцевого анода ψ = dc/dà; расстояние от анода до стабилизирующего сопла hас; вылет плавящегося электрода lэ (рис. 28).

62

Рис. 28. Схема плазмотрона с кольцевым анодом для плазменной сварки плавящимся электродом

Кроме того, необходимо обеспечивать соосность плавящегося электрода и кольцевого анода для повышения стабильности процесса и снижения вероятности возникновения двойной дуги и дуги токопод- вод–кольцевой анод. Высота кольцевого анода находится в пределах 4–8 мм, диаметр 6–12 мм. Диаметр стабилизирующего сопла dc не может быть меньше da из-за возможности двойного дугообразования. Значительное увеличение dc снижает стабильность горения сжатой дуги или требует значительных расходов плазмообразующего и стабилизирующего газов. Поэтому dc находится в пределах 8–20 мм, а высота канала сопла hc = 4 – 6 мм. Расстояние от анода до стабилизирующего сопла находится в пределах 2–5мм. Диаметр плавящегося электрода

хорошей защиты зоны сварки и отсутствия аварийных ситуаций при ведении процесса. Для реальных условий lэ = 20…40 мм. Остальные

технологические параметры определяются видом выполняемого процесса, маркой и толщиной металла и могут изменяться в широких пределах.

63

3.4.1. Плазменная сварка обесточенной проволокой

Обесточенная проволока при движении через столб сжатой дуги действует как щуп, и в зависимости от вылета на ней создается разность потенциалов между концом проволоки К и точкой входа в сжатую дугу С а также между К и изделием (рис. 29).

Рис. 30. Плазменная сварка обесточенной проволокой

Возможны три формы переноса металла, которые зависят от скорости подачи электрода при постоянстве остальных параметров процесса.

Сварка с переносом металла с короткими замыканиями, скорость подачи проволоки обеспечивает максимальный вылет электрода, капли с конца электрода перемещаются в сварочную ванну до отрыва от про-

64

волоки. Процесс передачи расплавленного металла имеет невысокую частоту – от 3 до 1/1,5 с–1, и сравнительно неустойчив. Небольшое увеличение Vпп приводит к «упиранию» проволоки в изделие, деформации проволоки и возможности перехода к аварийной работе плазмотрона. При уменьшении Vпп крупнокапельный перенос расплавленного металла происходит без коротких замыканий, капли отделяются, когда вес капли и газодинамическое воздействие сжатой дуги превышают силы поверхностного натяжения, удерживающие каплю на торце электрода. Размер капель может достигать значительной величины (от 2 до 3,5 мм). Движение капель строго ориентировано по оси сжатой дуги к изделию, разбрызгивание полностью отсутствует. При дальнейшем уменьшении Vnn плавление проволоки, образование и отрыв капли происходят внутри плазмотрона, в зоне наибольшего сжатия дуги. Частота переноса капель находится в пределах 2–1/3 с–1, капли имеют значительный диаметр (более 2 мм). Металл переносится струей сжатой дуги без разбрызгивания, наплавленный валик имеет грубочешуйчатую поверхность (рис. 31. а) с небольшим проплавлением, внутренние дефекты при этом отсутствуют.

а

б

Рис. 31. Сварной шов при сварке обесточенной проволокой; а – внешний вид наплавленного валика; б – макрошлиф сварного шва

65

Ведение процесса с плавлением проволоки внутри плазмотрона устойчиво при любых hси, начиная с 5 мм, и требует значительно меньших Qз. При этом обеспечивается бездефектность наплавленного металла. Плазменная сварка обесточенной проволокой позволяет получать качественные сварные соединения металлов толщиной до 6 мм с разделкой кромок (рис. 31, б). Скорость сварки близка к скорости сварки плавящимся электродом в среде аргона и находится в пределах 10–25 м/ч, скорость подачи плавящегося электрода 20–100 м/ч. Сварочные деформации стыкового соединения минимальные.

3.4.2. Плазменная сварка токоведущей проволокой

Вследствие того что большая часть тока плавящегося электрода шунтируется на сжатую дугу и происходит значительный подогрев проволоки, процесс саморегулирования несколько нарушен, а переход к струйному переносу электродного металла происходит при плотности тока плавящегося электрода значительно меньшей, чем при дуговой сварке плавящимся электродом. В зависимости от параметров режима возможно различие процессов, происходящих в плавящемся электроде. Вылет электрода lэ определяет разницу потенциалов в точках К и С между сжатой дугой и проволокой (рис. 32, а).

Рис. 32. Схема плазменнойсваркитоковедущейпроволокой; а– дугаплавящегося электрода между электродом и сжатой дугой; б – дуга между электродом

и изделием

Разность потенциалов между проволокой и сжатой дугой определяет величину тока плавящегося электрода. В этом состоит главное отличие процесса плазменной сварки плавящимся электродом и сварки пла-

66

вящимся электродом в среде защитных газов. Разность потенциалов между концом электрода и изделием не определяет величину тока плавящегося электрода. Дуга плавящегося электрода горит между ним

исжатой дугой. При равенстве напряжения на электроде и потенциала сжатой дуги в точке К ток плавящегося электрода может снизиться до 0

идаже поменять знак на противоположный. При напряжении на плавящемся электроде, большем потенциала плазмы, в точке К наблюдается дуга между плавящимся электродом и изделием (рис. 32, б) Режимы устойчивого ведения процесса представлены в табл. 6. Возможны три формы переноса металла плавящегося электрода: крупнокапельный, мелкокапельный (переходный) и струйный. Крупнокапельный перенос осуществляется при малом токе через плавящийся электрод и принципиально не отличается от процесса при работе с обесточенной проволокой. Мелкокапельный перенос осуществляется при увеличении тока плавящегося электрода (рис. 33, а, табл. 6), при этом возрастает ско-

рость плавления электрода, снижается диаметр капель и растет частота их переноса до 150–200 с–1. Диаметр капель не превышает 1,2–1,6 мм. Перенос капель строго ориентирован по оси сжатой дуги, скорость переноса находится в пределах 1,2–1,5 м/с и превышает Vпп почти в 10 раз.

При повышении тока плавящегося электрода происходит переход кструйному и пароструйному переносу электродного металла (рис. 33, б). Размер капель уменьшается до 0,8–1,2 мм, возрастает частота отделения до 300–350 капель в секунду, а скорость переноса до 1,5–2,0 м/с. Сжатая дуга и дуга, горящая с плавящегося электрода, уменьшаются в поперечных размерах, что объясняется взаимодействием электромагнитных полей сжатой дуги и плавящегося электрода. Капли переносятся к изделию строго фиксированно по оси сжатой дуги. С увеличением hси появляется небольшое разбрызгивание металла, связанное с отражением от поверхности ванны из-за больших скоростей капель. Во всех случаях отсутствует отклонение капель от осевого перемещения, нет явления подъема капель на конце плавящегося электрода. Это объясняется действием сил Лоренца и повышеннымгазодинамическимвоздействиемсосторонысжатойдуги.

а б

Рис. 33. Мелкокапельный (а) и струйный (б) перенос электродного металла

Рис. 34. Макрошлифы швов при мелкокапельном и струйном переносе электродного металла сплав АМг6, δ =16 мм

Таблица 6

Влияние режимов плазменной сварки плавящимся электродом на форму переноса электродного металла

Рис. 35. Внешний вид наплавленных валиков при сварке токоведущей проволокой

Таблица 7

Режимы плазменной сварки плавящимся электродом стыковых швов без разделки кромок за один проход

Поверхность сварных швов получается чистой, блестящей и изменяется от чешуйчатой для крупнокапельного переноса до гладкой для струйного (рис. 35.). Во всех случаях рентгеноконтроль показывает стопроцентное отсутствие внутренних дефектов. Скорость сварки достигает высоких значений (см. табл. 7). Следует отметить, что при значительном повышении тока плавящегося электрода и сжатой дуги для повышения скорости сварки в результате мощного газодинамического воздействия поверхность наплавленного валика становится «морщинистой» при плотном металле шва.

69

3.4.3.Плазменная сварка погруженной дугой

сплавящегося электрода

При ведении процесса сварки плавящимся электродом в газовой среде с погружением дуги в сварочную ванну увеличивается глубина проплавления, возрастает эффективный КПД дуги, и одновременно снижаются потери электродного металла на разбрызгивание. Эффект погружения дуги при сварке плавящимся электродом наблюдается только на относительно высоких плотностях тока обратной полярности и больше проявляется в защитных газах с повышенным градиентом потенциала в столбе дуги. Однако этому процессу присущи определенные недостатки, связанные с образованием грибовидной формы шва и неудовлетворительным сплавлением металла шва с основным металлом.

Плазменная сварка плавящимся электродом погруженной дугой позволяет вести процесс на плотностях тока намного меньших, чем при сварке плавящимся электродом, и получать швы с глубоким проплавлением при отсутствии значительной грибовидности и при хорошем сплавлении с основным металлом. Особенностью этого процесса является то, что дуга с плавящегося электрода горит в заглубленном состоянии в полости кратера (рис. 36), сжатая дуга при этом обеспечивает катодную очистку поверхности изделия, подогревает пла-

вящийся электрод, ведет к снижению поверхностного натяжения на электроде, перераспределению сил, действующих на расплавленный металл и обеспечивает струйный перенос электродного металла.

Сжатая дуга создает качественную защиту сварочной ванны, способствует хорошему смачиванию жидким металлом свариваемых кромок и повышает устойчивость жидкой ванны, что обеспечивает отсутствие внутренних дефектов сварного шва. Выполнение этого способа производится с увеличенными размерами da и dc (табл. 8.), для снижения силового воздействия сжатой дуги на сварочную ванну. Подача плавящегося электрода осуществляется на высоких скоростях, Vпп > 15 м/мин,

70