Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров
.pdf
ших токах. Микроплазменная дуга силой тока до 25 А требует
дополнительных мер для сохранения ее высокой концентрации
в промежутке «сопло — деталь». С этой целью в состав защитного г аза вводят добавки, повышающие теп лоотвод о т сто лба д уг и.
Защитный газ, обеспечивающий защиту сварного соединения
от кон такта с возд ухом, подается к онцентрично плазменной д уге
через внешнее керамическое сопло (3) плазмотрона (рис.
2.7, б).
Наиболее эффективным защитным газом, используемым
в плазмотроне, является смесь аргона с водородом с содержанием последнего 0,5–10%. Водород, диссоциируя в периферийных
областях столба дуги, поглощает значительное количество теплоты и тем самым охлаждает столб дуги, приводя его к сжатию.
В случае, когда не допускается применение водорода, в качестве
защитного газа используются аргоно-гелиевые смеси. Сжатие
столба дуги в микроплазменных горелках существенно меняет
форму ее вольт-амперной характеристики.
На рис.
2.8 представлены для сравнения характеристики
открытой и микроплазменной дуг в области малых токов.
Из сопоставления кривых видно, что происходит сдвиг характеристики микроплазменной дуги вверх при устранении круто
падающей ветви, характерной для открытой дуги в области
36
малых токов
.
Рис. 2.8. Вольт-амперные характеристики открытой (1)
и микроплазменной (2) дуг
36
Малаховский В. А. Указ. соч. — С. 41.
37
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Сварочные процессы в электронной
технике: Учебное пособие. — М.: Высш. шк., 1988.
37
71
Вольт-амперная характеристика микроплазменной дуги
имеет очень малый наклон к оси токов, что обеспечивает устойчивое горение дуги в широком диапазоне начиная со значения в 0,1 А.
Благодаря высокой степени сжатия столба микроплазменной дуги повышается концентрация нагрева при сварке,
обеспечиваются высокая стабильность горения дуги и незначительная зависимость противления свариваемых кромок
при изменении ее длины.
При микроплазменной сварке в вакууме можно использовать без существенных переделок вакуумные камеры
большинства установок для электронно-лучевой сварки,
сварки в контролируемой атмосфере или диффузионной
сварки. Вакуумная система камеры должна обеспечивать
–1
разрежение в камере (1 ... 6,65) × 10
–6 м 3
(1 ... 3) × 10
/с.
Па при натекании газа
Плазмообразующим газом обычно является аргон марки
А, чистота которого достаточна для сварки большинства металлов и сплавов. Микроплазменную сварку в вакууме можно
производить в непрерывном и импульсном режимах. Расход
газа регулируется с помощью натекателя. Плазмотрон изготавливают как с обычным стержневым катодом, так и с катодом, накаливаемым от постороннего источника. Термоэмиссия
электронов из накаливаемого катода способствует возбуждению дугового разряда. После зажигания дуги накальные цепи
могут быть отключены.
Плазмотрон (микроплазменная горелка) используется
для создания микроплазменной дуги. Он обеспечивает многократное надежное зажигание и стабильное горение плазменной дуги в заданном диапазоне токов и напряжений, кроме
того, надежную защиту сварного шва от вредного воздействия
окружающей среды.
На рис.
2.9 представлена конструкция микроплазменной
горелки.
72
ɼÇÆ
¾ÄÁÂ
ǽ¹
ǽ¹
1 — полиэтиленовый корпус горелки; 2 — керамическая втулка;
Рис. 2.9. Конструкция микроплазменной горелки:
3 — цанга; 4 — вольфрамовый электрод; 5 — металлическое
сопло; 6 — керамический наконечник; 7 — неразъемный
металлический корпус; 8 — керамическая изоляционная
втулка; 9 — пружины; 10 — верхняя часть корпуса;
11 — опорное кольцо; 12 — пайки; 13 — винт; 14 — головка;
15 — колпачок; 16 — кнопка в верхней части горелки
38
В полиэтиленовый корпус (1) горелки заформован неразъемный металлический корпус (7), в нижнюю часть ввинчены
керамический наконечник (6) и металлическое сопло (5). В верхней части корпуса (10) поставлены колпачок (15) и устройства
для установки и закрепления вольфрамового электрода (4).
Электрод (4) с помощью цанги (3) и пайки (12) зажимается в керамической втулке (2) и может с помощью головки (14), винта
(13) и пружины (9) с опорным кольцом (11) устанавливаться
38
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 83.
73
с необходимым зазором от сопла (5). В верхней части горелки
имеется кнопка (16), при нажатии на которую система с зажатым электродом (4) перемещается вниз (сжимая пружину (9)).
Происходит закорачивание электрода и сопла. Таким образом
возбуждается вспомогательная дуга. Верхняя и нижняя части
металлического корпуса разделены керамической изоляционной втулкой (8). Внутренняя металлическая часть горелки
и сопла (5) охлаждается водой, которая подводится по боковым
медным трубкам, заформованным в корпусе горелки. По двум
остальным трубкам подводятся плазмообразующий газ (аргон)
и защитный газ (гелий или аргоно-гелиевая смесь). Плазмообразующий газ течет вниз вдоль электрода (4) и выходит
из сопла (5). Защитный газ вытекает между охлаждаемым (5)
39
и керамическим соплами (6)
.
Чтобы повысить маневренность плазмотрона, необходимо
присоединяемые к нему шланги и электрические провода
сделать гибкими и прочными, при этом элементы водных
и газовых коммуникаций плазмотрона (например, прокладки,
уплотнения, шланги и др.) должны выдерживать давление
от 1,01 × 10
4
Па до 5 × 10 5 Па.
2.4. Разновидности сварки
неплавящимся электродом
Сварка погруженной дугой является одной из разновид-
ностей сварки вольфрамовым электродом. Увеличение расхода
защитного газа позволяет обжать дугу, повысив при этом ее
температуру. Давление защитного газа и дуги, оттесняя из-под
нее расплавленный металл, способствует углублению дуги
в основной металл. Как результат, глубина проплавления увеличится довольно резко. При толщине металла до 10 мм поток
плазмы создает в нем отверстие и может выходить на обратную
сторону соединения. Металл, оплавленный на передней кромке, перемещается в хвостовую часть ванны и, кристаллизуясь,
39
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 83.
74
образует шов. Из-за горения дуги ниже верхней поверхности
основного металла шов принимает бочкообразную форму, определяемую тем, что дуга горит ниже верхней полости металла.
Соединение собирают встык без разделения кромок и зазора, при подаче защитного газа до 40–50 л/мин дуга обжимается газом, что повышает ее температуру до плазмы, дуга
углубляется в основной металл.
Этим способом можно сваривать титан, алюминий и высоколегированные стали до 36 мм толщиной. Сварку по этому
способу можно осуществлять и в вертикальном положении.
Импульсно-дуговая сварка осуществляется при изме-
нении тока по определенной программе (рис.
2.10, а). Данный
способ находит применение при сварке металла толщиной
от долей миллиметра до 3–4 мм. Использование тока, достаточного для стабильного горения дуги и включаемого периодически (импульсами длительностью τ
) с частотой до 25 с–1,
св
уменьшает размеры сварочной ванны. Шов образуется из отдельных расплавленных точек
40
(рис. 2.10 б). В перерывах
между импульсами тока сварочная ванна частично кристаллизуется, что снижает вероятность прожогов. Однако при
продолжительных перерывах τ
между импульсами дуговой
п
промежуток деионизируется, повторное возбуждение дуги
затрудняется. Для уменьшения деионизации в паузах между
импульсами поддерживается дежурная дуга с уменьшенной
силой тока I
. Регулируя соотношение между Iсв и I
дсж
деж
, τ
св
и τп,
а также скорость сварки, изменяют форму и размеры шва.
Дуговой сваркой вольфрамовым электродом можно сваривать соединения любых типов в различных пространственных
положениях. Применение этого способа целесообразно для
соединения металла толщиной до 5–6 мм. Однако его можно
использовать и для сварки металла большей толщины.
40
Акулов А.И., Алехин В.П., Ермаков С.И. Технология и оборудование
сварки плавлением и термической резки: Учебник для вузов. — М.: Машиностроение, 200
3. — С. 133.
75
Качество соединения можно повысить, если использовать
электроды с отогнутым рабочим концом и в процессе сварки
сообщать им вращательное движение в щели от одной кромки
к другой (рис. 2.11).
а)
б)
Рис. 2.10. Кривая силы тока (а), форма сварного шва
в плоскости листа (б):
τ
— длительность сварочного импульса; τп — длительность паузы;
св
I
— сила сварочного тока; I
св
— сила тока дежурной дуги
деж
VÊ»
Рис. 2.11. Схема сварки в щелевой зазор:
1 — вольфрамовые электроды; 2 — присадочная
проволока; V
41
Акулов А.И., Алехин В.П., Ермаков С.И. Указ. соч. — С. 133.
42
Там же. — С. 133, 137.
— скорость сварки
св
42
76
41
Для улучшения сплавления слоев присадочную проволоку рекомендуется подавать в сварочную ванну за дугой. Зону
сварки защищают аргоном или смесью из равных долей аргона
и гелия. При горении дуги в щели улучшается использование
ее теплоты для плавления металла
43
.
В последнее время находит применение способ сварки
по узкому (или щелевому) зазору.
При этом способе изделия толщиной до 200 мм без скоса
кромок собирают с зазором между ними 6–12 мм. Сварку
осуществляют на автоматах
44
(рис. 2.12). Однако, как и при
сварке вольфрамовым электродом, в этом случае дело также
осложняется возможными несплавлениями швов около кромки
разделки.
Рис. 2.12. Схема импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом
в защитном газе при узкощелевой разделке кромок:
1 — токопроводящий мундштук; 2 — электродная
проволока; 3 — сопло; 4, 5 — свариваемые детали;
6 — остающаяся подкладка из основного материала
45
Для улучшения провара предпринимаются попытки ис-
пользования отогнутого электрода.
Другой разновидностью сварки вольфрамовым электродом
является сварка вольфрамовым электродом в вакууме.
43
Акулов А.И., Алехин В.П., Ермаков С.И. Указ. соч. — С. 133, 137.
44
Там же.
45
Там же.
77
Катод изготавливают в виде трубочки диаметром 2–8 мм из
тугоплавких металлов (таких как тантал, вольфрам). Катодный
узел представляет собой мундштук с водяным охлаждением, на
выходе из мундштука устанавливают трубочку, свернутую из
вольфрамовой или танталовой фольги. Через отверстие катода
–7 м3
подается аргон с расходом (3 ... 9) × 10
/с (1 ... 3 л/ч). Расход
газа — один из главных параметров процесса. Разряд характеризуется высокой стабильностью и по характеру воздействия
на свариваемый металл занимает промежуточное положение
между электронным лучом и плазменными источниками. При
малых токах разряд имеет диффузную форму. В этом случае
дугу можно дополнительно стабилизировать магнитным полем
и получить малые токи (4–5 А).
Столб разряда с полым катодом по своим физическим
свойствам является фактически низковольтным сильноточным
электронным лучом, легко управляемым магнитным полем.
Для изготовления сварных конструкций из химически
активных металлов и сплавов, узлов электронных и электровакуумных приборов, а также для других видов термической
обработки металлов применяется способ сварки сжатой дугой
в вакууме. Сущность способа заключается в том, что в вакуумной камере размещается плазменная горелка, внутрь которой
подается газ, истекающий через сопло в камеру. Из камеры газ
непрерывно откачивается вакуумным насосом. Дуга горит между катодом плазмотрона и изделием — анодом, размещенным
внутри камеры.
Исследования и опыт применения дуговой сварки в вакууме показывают, что она обладает широкими возможностями.
Если микроплазменная сварка позволяет соединять тонколистовые материалы, сварка плавящимся электродом, при которой
коэффициент расплавления электродной проволоки может
достигать 40 г/(А×ч), пригодна для сварки изделий больших
толщин. Горелки для дуговой сварки в вакууме имеют, как
правило, простую конструкцию.
78
2.5. Сварка дугой, вращающейся
в магнитном поле
Влияние магнитного поля на дугу для ее стабилизации
использовал еще Н. Н. Бенардос. В последние 10–15 лет внимание к управлению дугой с помощью магнитного поля заметно
усилилось. С помощью магнитоуправляемой дуги производятся
сварка и наплавка металлов. Она позволяет управлять формой
и размерами сварочной ванны, переносом электродного металла
и процессом кристаллизации металла шва.
Относительно оси дуги магнитное поле может быть продольным или поперечным.
Продольное магнитное поле оказывает наибольшее влияние
на диффузионную составляющую скорости ионов и электронов,
которая направлена от центра дуги по радиусу. Под действием
поля плазма столба дуги приходит во вращательное движение.
С учетом осевой составляющей скорости под действием электрического поля траектория заряженных частиц представляет
спиральные линии.
Поперечное магнитное поле, накладываясь на собственное
поле дуги, вызывает ее отклонение в ту или иную сторону.
Эффект перемещения дуги в поперечном магнитном поле используется для ее вращения по конусной или цилиндрической
поверхности.
Возможна также механизированная подводная разделительная резка порошковыми проволоками.
Иной способ резки — электрокислородный, в нем процесс
основан на нагревании металла теплотой дуги, его сжигании
и выдувании продуктов сжигания струей режущего кислорода,
а плавится и сгорает сам электрод. Электрод — это цельнотянутая или свернутая из ленты трубка из низкоуглеродистой
стали наружным диаметром 7–10 мм и отверстием диаметром
1,5–4 мм, длиной 350–450 мм, при этом на ее поверхность
наносят влагонепроницаемое покрытие. Режущий кислород
79
подается к месту реза по внутреннему каналу электрода через
держатель, осуществляющий и токоподвод. Резку, как правило,
осуществляют методом опирания, для чего после пуска кислорода (если нет специального клапана) возбуждают дугу и перемещают электрод вдоль оси до прорезания металла на всю
толщину. Если металл имеет небольшую толщину, электрод
можно перемещать также вдоль линии реза. При начале реза
не с кромки изделия возникает необходимость прорезать круглое отверстие. Главный недостаток этого способа — большой
расход электродов.
Сущность и техника сварки дугой, вращающейся в магнитном поле. Интересно применение дуги при перемещении
ее специально создаваемым внешним магнитным полем.
На рис.
2.13, а показана схема сварки кольцевых стыков труб.
Дуга вращается по внутренней поверхности кольцевого медного, охлаждаемого водой электрода и внешней поверхности
свариваемых кромок труб. Взаимодействие магнитного поля
дуги, создаваемого радиально направленным током и аксиально направленным магнитным полем в зазоре между трубами
и электродом, создаваемым внешним электромагнитом, вызывает перемещение дуги
46
. После необходимого разогрева кромок
труб происходит их осадка вдоль оси труб. Трубы с толщиной
стенки до 1,5 мм собирают без зазора и сваривают без осадки.
При сварке по схеме, представленной на рис.
2.13, б, трубы
собирают с определенным зазором. Дуга возбуждается в зазоре
между кромками; направление тока дуги совпадает с осью труб.
Катушки создают внешние магнитные потоки, направленные
встречно, что приводит к созданию в зазоре между трубами
радиальной составляющей магнитного поля. Взаимодействие
радиальной составляющей с магнитным полем дуги приводит
к перемещению дуги по кромкам труб. После их оплавления
производят осадку труб вдоль их оси.
46
Справочник инженера-сварщика (Энциклопедический словарь
инженера-сварщика от А до Я). — М.: Центр промышленного маркетинга,
2003. — С. 208.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]