Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров
.pdf
стабилизируется анодное пятно на изделии, тепловой поток
становится более сосредоточенным, глубина проплавления
возрастает, снижается нагрев основного металла, прилегающего к шву
25
.
¹ТБЛЖФВ¼¹А
¨Ä¹ÀÅÇ
ЗºЙ¹АМЧТБВ
¼¹À
¹ТБЛЖФВ
¼¹À
а) б)
Рис. 2.2. Схемы сопловых частей аргонодуговой (а)
и плазменной (б) горелок:
dc — диаметр; lc — длина выходного отверстия;
ly — углубление электрода; H — рабочее
расстояние; К — камера катодная
26
Сжимающее дугу сопло, через которое проходит плазма,
имеет два важных размера — диаметр выходного отверстия
d
и длину lc. Расстояние, на котором установлен электрод
c
от выходного отверстия сопла, называется углублением электрода l
сопла и свариваемым изделием — рабочим расстоянием H
, а расстояние между внешней поверхностью (торцом)
y
27
.
25
Малаховский. В. А. Плазменная сварка: Учеб. пособие для ПТУ. —
М.: Высшая школа, 1987. — С. 3.
26
Там же.
27
Там же.
61
Термины «камера предсопловая», или «камера катодная К»,
применяются для описания плотности внутри плазмотрона,
в котором находится рабочий конец электрода. Плазмообразующий газ поступает в эту камеру и затем через отверстие
сопла — к свариваемому изделию. Кроме плазмообразующего
газа при выполнении большинства сварочных операций через
наружное газовое сопло подается защитный газ Q
с целью
защ
окружения зоны контакта дуги с обрабатываемым изделием
и защиты сварочной ванны и кристаллизующегося металла
от попадания воздуха.
Если сравнивать ПС с АДСВ, ее преимущества в том, что
она подвергается меньшему влиянию возможного изменения
расстояния от торца сопла до изделия на геометрические размеры зоны сопротивления; подвержена меньшему влиянию
изменения тока на форму дуги, следовательно, и на стабильность проплавления металла; обладает высокой надежностью
зажигания дуги благодаря дежурной дуге; в ней отсутствуют
включения вольфрама в сварном соединении; сварка имеет
повышенную скорость и меньшее тепловложение, следовательно, коробление изделий.
Если принять одинаковую скорость сварки, при плазменной сварке необходим ток, в два раза меньший по сравнению
с аргонодуговой сваркой, сварные швы при этом более узкие
с умеренной зоной термического влияния, большая глубина
проплавления благодаря более высокой концентрации теплового потока на изделии. Так, для аргонодуговой сварки за один
проход максимальная глубина проплавления составляет
3,5 мм, при плазменной — 6–10 мм; в случае разделки кромок
для АДСВ величина проплавления — 1–2 мм; для ПС — 4–5 мм.
Поэтому при ПС требуется меньше присадочного металла.
Сжатая дуга не чувствительна к величине смещения свариваемых кромок.
Так, при смещении кромок или при сварке листов различной толщины сжатая дуга не отклоняется, а дуга при сварке
вольфрамовым электродом отклоняется в сторону высокой
62
кромки, при ПС более продолжительный срок службы электрода, так как он защищен медным соплом, контакт его с деталью или просадочной проволокой исключен. В результате
износа электрода форма дуги при АДСВ изменяется значительно больше, чем при ПС.
При ПС сварщику легче выполнить швы хорошего качества, так как факел дежурной дуги полностью охватывает собой
кромки свариваемых деталей, а более длинная сжатая дуга
позволяет без особого труда подавать присадочную проволоку
в зону горения дуги.
Плазменная сварка имеет много разновидностей, которые
обеспечивают ее широкое применение не только в электронике, но и практически во всех областях техники.
Плазменную сварку осуществляют сжатой дугой прямого и косвенного действия. Сжатую дугу прямого действия
получают при включении изделия в сварочную цепь, активные пятна дугового разряда (катодное и анодное) располагаются на вольфрамовом или неплавящемся электроде
из другого материала и изделии (рис.
2.3, а). При получении
сжатой дуги косвенного действия изделие в сварочную цепь
не включается, активные пятна дугового разряда находятся
на электроде и поверхности сопла (рис.
2.3, б). При нагреве
изделия дугой косвенного действия передача теплоты осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением
плазмы. При нагреве изделия сжатой дугой прямого действия
к перечисленным механизмам теплопередачи добавляется
передача энергии заряженными частицами, двигающимися
в электрическом поле
28
.
Одним из самых распространенных является способ плаз-
менной сварки сжатой дугой прямого действия в связи с некоторыми изложенными ниже преимуществами перед сваркой
сжатой дугой косвенного действия. Эффективный КПД сжатой
дуги прямого действия в среднем на 10–30% выше и достигает
28
Малаховский В. А. Указ. соч. — С. 13.
63
70–80%. Допустимая электрическая и тепловая мощность при
прочих равных условиях выше, что обусловлено отсутствием
активного пятна в канале сопла плазмотрона. Стойкость сопла
и стабильность горения дуги также выше. Недостатком сварки сжатой дугой прямого действия является невозможность
сварки неэлектропроводных металлов. Поэтому способ сварки
по схеме рис.
2.3, а, б применяется в основном для обработки
неэлектропроводящих материалов. Сварка сжатой дугой прямого действия используется для соединений практически всех
электропроводящих материалов, применяемых современной
промышленностью.
2
ÈÄ
à)
á)
3
Рис. 2.3. Сжатая дуга косвенного действия (а) и двойная дуга (б):
1 — электрод; 2 — предсопловая камера; 3 — изоляционная прокладка;
4 — сопло; 5 — обрабатываемое изделие; Г — источник питания дуги
29
Оба способа сварки применяются преимущественно в ме-
ханизированном варианте.
Большим недостатком сжатой дуги прямого действия,
получаемой традиционным методом, т. е. искусственным ограничением расширения дугового разряда в газе стенками канала сопла, является повышенное давление дуги на сварочную
29
Малаховский В. А. Указ. соч. — С. 13.
64
ванну. Это свойство дуги позволяет выполнять сварку металла
со сквозным проплавлением с качественным формированием
шва на весу лишь до 7–10 мм.
При сварке металла большей толщины сильно сужается
область регулирования параметров режима, особенно расхода
плазмообразующего газа, чрезмерное превышение которого
придает излишнюю жесткость дуге, и процесс сварки переходит в процесс резки.
Применение форсированных сварочных токов возможно
при использовании пневматического принципа получения
сжатой дуги. Сущность этого способа заключается в применении конфузорно-диффузионного канала сопла, расположении конца электрода на несколько миллиметров ниже
шейки сопла (рис.
2.4) и воздействии плазмообразующего
газа на столб дуги, который расширяется на выходе из канала сопла.
Рис. 2.4. Пневматический принцип получения сжатой дуги:
1 — электрод; 2 — сопло
30
К преимуществам этого способа плазменной сварки отно-
сятся:
более широкий диапазон регулирования параметров:
сварочный ток — расход плазмообразующего газа;
повышение скорости сварки (от 50 до 70%);
максимальная толщина металла, свариваемая за один
проход без разделки кромок нержавеющей стали, — до 12 мм,
титана и его сплавов — до 20 мм;
30
Малаховский В. А. Указ. соч.. — С. 15.
65
отсутствие двойного дугообразования (при расположе-
нии конца электрода на срезе канала сопла), что не ограничивает мощности сжатой дуги.
Источниками тепловой энергии являются дуги, возбуждаемые между электродом плазмотрона и изделием и электродом
и подаваемой в зону сварки присадочной проволокой. Дуга
между электродом и изделием подогревает свариваемые кромки и жидкий присадочный металл, заполняющий разделку,
направление проволоки обеспечивается сжатой дугой, горящей
между электродом и проволокой. Лучшие результаты достигаются при применении источников питания с круто падающей
вольт-амперной характеристикой (или I const) для дуги «элект-
род — изделие» и жесткой характеристикой (U const) для дуги
«электрод — проволока». Перенос электрод ного металла в сварочную ванну имеет струйный характер, поэтому разбрызгивание практически не наблюдается. Способ находит широкое
применение при наплавочных и сварочных работах.
Другой разновидностью сварки с присадочной проволокой
является способ плазменной сварки плавящимся электродом. Он
представляет собой комбинацию сварки сжатой дугой прямого
действия и дугой сварки плавящимся электродом.
Сущность способа состоит в том, что в плазмотроне
неплавящийся электрод смещен к одной стороне предсопловой
камеры, а плавящийся проволочный электрод подается по оси
плазмотрона и сопла. Вначале зажигается обычным способом
сжатая дуга. Затем замыкается цепь дуговой сварки, в сжатую
дугу подается присадочная проволока. В тот момент, когда металл проволоки касается плазмы, часть тока течет через плавящийся электрод к детали. Поэтому возбуждение дуги между
проволокой и изделием осуществляется самопроизвольно,
без короткого замыкания цепи между электродным металлом
и деталью. Следовательно, во время зажигания дуги разбрызгивание полностью отсутствует.
Хотя вольфрамовый электрод смещен относительно оси
сопла, поток плазмы истекает из сопла ориентированным относительно его оси. В зависимости от тока, проходящего через про-
66
волоку, наблюдается крупнокапельный, капельный, струйный
и вращательный перенос металла через дуговой промежуток.
Отличительной особенностью комбинированного способа
плазменной сварки от аргонодуговой сварки плавящимся электродом является отсутствие разбрызгивания металла при его
вращательном переносе. Это позволяет использовать вращающуюся дугу в весьма широком интервале значений тока.
Благодаря сочетанию особых свойств плавящегося электрода и плазменной сварки и возможности регулирования
тепловложения в широких пределах способ имеет обширную
область применения и пригоден для сварки изделий из металлов различных толщин.
Наиболее эффективно сжимается дуга при использовании
сопл с дополнительными каналами, выходящими внутрь со-
31
пла
(рис. 2.5).
а) б)
в) г)
Рис 2.5. Различное конструктивное исполнение сопл с дополнительными
фокусирующими каналами, выходящими из предсопловой камеры:
а — одноканальное (без формирующих каналов); б — с системой
каналов, параллельных оси отверстия сопла; в — с системой
каналов, выходящих внутрь канала сопла; г — с системой
каналов, выходящих внутрь, и торец сопла
31
Малаховский В. А. Указ. соч. — С. 31.
32
Там же.
32
67
Степень сжатия увеличивается примерно на 25% по сравнению с одноканальным при прочих равных условиях. Однако
форсировать подачу плазмообразующего газа затруднительно, так как это вызывает турбулизацию его в канале сопла,
что способствует быстрому нагреву и электрическому пробою
прослойки газа, отделяющего столб дуги от стенок канала
сопла. Наиболее рациональной является конструкция сопла,
приведенная на рис.
2.5.
В настоящее время имеется множество конструкций
плазмотронов. Наибольшее распространение получили плазмотроны постоянного тока, как более простые по своим конструкциям и схемам, обладающие высокой эффективностью
преобразования электрической энергии в тепловую и имеющие несложную схему электропитания.
Несмотря на разнообразие конструкций, у всех плазмотронов следующие общие основные элементы: корпус, сопло,
электрод, узел крепления электрода; изолятор, разделяющий
находящиеся под разными электрическими потенциалами
электрод и сопло; водяные и газовые коммуникации.
Наиболее термически нагруженными элементами являются электроды и сопла. Они отличаются по конструкции,
роду используемого материала, типу охлаждения.
Тип и конструкция электрода (катода) определяются
составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих в среде инертных газов (таких как аргон, азот, гелий,
смеси: аргон + азот; аргон + водород; азот + водород), применя-
33
ются катоды из вольфрама (обычно цилиндрической формы)
Они фиксируются с помощью цангового зажима (рис.
медной оправкой (рис.
2.6, б). Конец вольфрамового электрода,
2.6, а) или
.
как правило, затачивается на конус. Или же ему придают
форму пирамиды.
33
Малаховский В. А. Указ. соч. — С. 41.
68
Îǽ
»Ç½Ô
Îǽ
»Ç½Ô
а) б)
ÔÎǽ
»Ç½Ô
ÔÎǽ
»Ç½Ô
Рис 2.6. Принципиальная схема плазмотрона с вольфрамовым катодом:
а — плазмотрон с цанговой фиксацией электрода;
1 — электродный узел; 2 — цанговый зажим;
3 — вольфрамовый стержень; б — плазмотрон с фиксацией
электрода в медной державке; 1 — электродный узел;
2 — медная державка; 3 — вольфрамовый стержень
34
2.3. Микроплазменная сварка
Непосредственное возбуждение дуги между электродом
и изделием через сопло небольшого (0,6–0,8 мм) диаметра осуществить трудно (рис. 2.7, а). Поэтому первоначально возбуждается вспомогательная дуга между электродом (1) и соплом (2)
(рис. 2.7, б). Сила т ока вспом огательной д уг и обычн о не п ревы шает 2 А. Питается такая дуга, как правило, от автономного блока,
встроенного в источник питания. Возбуждение вспомогательной
дуги в плазменных горелках осуществляется высокочастотным
разрядом осциллятора. Вспомогательная дуга проходит через
сопло под давлением плазмообразующего газа. Ее анодное пятно
перемещается по внутренней стенке канала сопла, а столб дуги
оказывается жестко стабилизирован по осям электрода и со-
34
Малаховский В. А. Указ. соч. — С. 41.
69
пла. Часть плазмообразующего газа, проходя через столб дуги,
нагревается, ионизируется и выходит из сопла горелки в виде
плазменной струи. При сближении горелки со свариваемым
изделием (на расстоянии выхода плазменной струи из сопла)
плазма вспомогательной дуги образует электропроводящую
дорожку между вольфрамовым электродом и деталью (анодом),
в результате чего возбуждается основная электрическая дуга.
Наружный слой плазмообразующего газа, омывающего столб
дуги, остается относительно холодным и является электрической и тепловой изоляцией между столбом дуги и каналом сопла, предохраняя сопло от разрушения. Кроме того, наружный
слой газа усиленно охлаждает столб дуги, в результате чего
сечение столба уменьшается, а плотность тока и температура
в нем возрастают. Степень сжатия столба дуги растет (до определенного предела) при уменьшении диаметра формирующего
35
сопла и увеличении расхода плазмообразующего газа
.
à)
á)
Рис. 2.7. Дуговая сварка неплавящимся электродом в защитном газе (а)
и микроплазменная сварка (б):
1 — вольфрамовый электрод; 2 — медное водоохлаждаемое
сопло; 3 — керамическое сопло; 4 — электрическая дуга; 5 —
изделие; А — защитный газ; Б — плазмообразующий газ
Плазменный поток, сжатый при прохождении через охлаждаемое формирующее сопло, сохраняет цилиндрическую
форму после выхода из сопла только при относительно боль-
35
Малаховский В. А. Указ. соч.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]