Техпроцессы в машиностроении_лек

Плазменная сварка

Плазменная сварка - сварка плавлением, при которой нагрев произво-

дится сжатой дугой. Источником теплоты при плазменной сварке является

плазменная струя – направленный поток ионизированных частиц газа, с тем-

пературой до 20 000оС. Сжатая дуга - это столб дуги, помещенный в узкий канал, который ограничивает его расширение. Устройства для получения сжатой дуги называют плазматронами.

Плазму получают, пропуская поток плазмообразующего газа через столб сжатой электрической дуги 9 (рис. 6.15). Столб электрической дуги 9,

Рис. 6.15. Схемы плазма-

тронов:

а - косвенного действия; б –

прямого действия: 1 – сва-

риваемые заготовки; 2 – за-

щитное сопло; 3 – подача

защитного газа; 4 – подача плазмообразующего газа; 5 -изолятор; 6 – элек-

трододержатель; 7 – плазмообразующее сопло; 8 - электрод; 9 - электриче-

ская дуга; 10 - плазменная дуга.

горящий между электродом 8 и плазмообразующим соплом 7, помещают в узкий канал с охлаждаемыми стенками, и через него продувают плазмообра-

зующий газ. В качестве плазмообразующего газа обычно используют аргон.

Для получения более мощной дуги используют водород или азот.

Столб дуги сжимается, что приводит к повышению в нем плотности энергии и температуры. Частые столкновения частиц газа приводят к их высокой ио-

низации. Загорается плазменная дуга 10. Нагретый в дуге газ, сталкиваясь с

494

поверхностями свариваемых заготовок 1, нагревает и оплавляет их. Под дав-

лением газа расплавленный металл заготовок раздвигается, энергия дуги пе-

редается непосредственно твердому металлу дна сварочной ванны.

Меняя расход газа и диаметр канала сопла, можно изменять давление струи плазмы, а также плотность теплового потока, передаваемого от дуги к заготовкам. Это основное технологическое преимущество сжатой дуги, по-

зволяющее регулировать размеры и форму сварочной ванны. В сжатой дуге достигается высокая плотность теплового потока, особенно при малой мощ-

ности дуги. Это позволяет получать узкие швы с малой шириной зоны тер-

мического влияния и увеличивать скорость сварки. Так как плазмообразую-

щий газ передает детали значительную долю общей полезной мощности, а

нагрев газа сильно зависит от всех параметров режима, то эффективный КПД сжатой дуги можно изменять в пределах 30…80%. Другим преимуществом сжатой дуги является повышение ее пространственной устойчивости.

Уменьшается блуждание активного пятна по поверхности детали из-за ста-

билизирующего действия плазмообразующего газа. Это улучшает формиро-

вание шва.

Различают плазмотроны косвенного (рис. 6.15, а) и прямого (рис. 6.15,

б) действия. В плазматронах косвенного действия дуга горит между электро-

дом и соплом. Эти плазмотроны применяют при обработке неэлектропровод-

ных материалов и при пайке. Для сварки и резки чаще применяют плазмо-

троны прямого действия. В них дуга горит между электродом и свариваемы-

ми заготовками. В этих плазматронах сжатую дугу зажигают в две стадии.

После подачи в плазматрон газа зажигают вспомогательную (дежурную) дугу между электродом и соплом плазматрона искровым разрядом от осциллятора или, замыкая промежуток электрод - сопло графитовым стержнем. Дежур-

ную дугу питают от отдельного маломощного источника или от основного источника через ограничивающее сопротивление, чтобы ограничить ее ток и уменьшить износ сопла. Под действием газа дежурная дуга образует струю

495

плазмы небольшой мощности. При ее соприкосновении с деталью зажигается рабочая дуга.

При плазменной сварке применяют сварочный ток силой 3...400 А, на-

пряжение дуги 25...35 В, средняя скорость сварки составляет 15...50 м/ч.

Сжатой дугой сваривают детали толщиной 0,01...16 мм, отношение глубины проплавления к ширине шва составляет от 1:3 до 3:1 при толщине сваривае-

мых кромок 3...12 мм.

Плазменную дугу используют для сварки металлов (высоколегирован-

ной стали, сплавов титана (рис. 6.16), никеля, молибдена, вольфрама) и неме-

таллов; резки всех материалов; пайки; наплавки; напыления.

Рис. 6.16. Сварной шов титановой пластины.

Плазменная резка производится высоко-

скоростной плазменной дугой. В отличие от плазменных сварочных головок, плазменный резак снабжен дополнительными каналами для подачи в зону резания защитного газа. Резка производится при величине тока 55…150А и напряжении

110…120 В. В современных установках для плазменной резки (рис. 6.17),

Рис. 6.17. Рабочая зона малогабаритной (а) и

портальной (б) устано-

вок для плазменной резки.

оснащенных числовым программным управлением, можно разрезать практи-

чески любые конструкционные материалы. В частности, можно разрезать

496

низколегированные стали толщиной до 20 мм с точностью до 0,25 мм и ско-

ростью реза до 1,12 м/мин.

6.3. ХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

Химические способы включают в себя термитную и газовую сварку.

Газовая сварка

Газовая сварка - сварка плавлением, при которой для нагрева исполь-

зуется тепло пламени смеси горючих газов с кислородом, сжигаемых с по-

мощью горелки.

Схема газовой сварки (ГС) показана на рис. 6.18. Кромки заготовок 1и 2 подвергаются местному нагреву до оплавления сосредоточенным пламенем

6.

Рис. 6.18. Схема газовой сварки:

1, 2 – свариваемые заго-

товки; 3 – присадочный пруток; 4 – газовая го-

релка; 5 – подача ки-

слорода; 6 – подача го-

рючего газа; газовое 7 –

пламя; 8 – сварной шов;

9 - ванна жидкого ме-

талла; стрелкой указано перемещение горелки.

Образовавшаяся ванна жидкого металла 9 контактирует с кромками обоих листов. При перемещении горелки 4 в направлении стрелки под пла-

менем металл будет расплавляться, а позади, в связи с охлаждением, – за-

твердевать, образуя, сварной шов 8. Для увеличения рабочего сечения шва и повышения прочности сварного соединения, кромки под сварку делают со

497

редукторы. Одноступенчатый (однокамерный) газовый редуктор показан на рис. 6.19. Запорный клапан 10 редуктора находится под давлением двух сил:

давления запорной пружины 5 и давления гибкой мембраны 2. При нормаль-

ном рабочем давлении редуцированного газа в камере низкого давления 9 ус-

танавливается равновесие, запорный клапан прижимается к седлу 3 запорной пружины и преграждает доступ газа из камеры высокого давления (из балло-

на). Гибкая мембрана, за счет регулировочной пружины 1,через нажимной диск 8 и толкач 4 воздействует на запорный клапан и стремится открыть его.

Изменяя натяжение регулировочной пружины можно менять рабочее давле-

ние. Корпуса редукторов для различных газов окрашиваются в тот же цвет,

что и газовые баллоны.

Рис. 6.19. Схема однокамерного газового ре-

дуктора:

1 – регулировочная пружина; 2 - гибкая мем-

брана; 3 - седло запорной пружины; 4 – тол-

кач; 5 - запорная пружина; 6 – магистраль вы-

сокого давления; 7 – манометр высокого дав-

ления; 8 - нажимной диск; 9 - камера низкого давления; 10 - запорный клапан; 11 - корпус;

12 – манометр низкого давления; 13 – магист-

раль низкого давления.

Горелка для газовой сварки – устройство для газовой сварки с регулируемым смешением газов и созданием направ-

ленного газового пламени. Для сварки чаще всего используются газосвароч-

ные горелки инжекторного типа (рис. 6.20, а), так как они наиболее безопас-

ны.

Под давлением 0,1…0,4 МПа, кислород поступает в горелку, через вен-

тиль 4 и подается в кольцевой инжектор 8. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжектора, кислород подсасывает горючий газ, поступающий

499

через вентиль 7. В смесительной камере 3 получаем горючую смесь, которая,

через мундштук 2, подается к сменному наконечнику 1.

Рис. 6.20. Сварочные го-

релки:

а – инжекторная; б – без-

инжекторная; 1 - смен-

ный наконечник; 2 -

мундштук; 3 - смеситель-

ная камера; 4 - кислород-

ный вентиль; 5 – кисло-

родная магистраль; 6 –

ацетиленовая магистраль; 7 - вентиль горючего газа; 8 - кольцевой инжектор.

При работе газовой горелки возможен так называемый обратный удар

(проникновение пламени и взрывной волны в шланги и далее в источник го-

рючего газа), что приведет к взрыву газа. Для предотвращения попадания пламени в источник газа используются предохранительные затворы. Разли-

чают предохранительные затворы сухие и жидкостные (водяные затворы).

Наибольшее распространение получили водяные затворы. Для генераторов низкого давления применяют затворы открытого типа. В них взрывная волна и пламя, движущиеся навстречу горючему газу, выводятся в атмосферу. Наи-

более безопасны затворы закрытого типа. В них взрывная волна и пламя га-

сятся внутри затвора.

Все горючие газы, содержащие углеводороды, при сгорании образуют сварочное пламя, имеющее три отчетливо видимые зоны (рис. 6.21): ядро,

восстановительную зону и факел.

Ядро имеет форму закругленного ярко светящегося конуса. Оно состо-

ит из раскаленных частиц углерода сгорающих в наружной части ядра. Вос-

становительная зона в основном состоит из окиси углерода, получаемого за

500

рает с образование паров воды. При сварке медных и алюминиевых сплавов,

высоколегированных сталей, выделяющийся водород приводит к растрески-

ванию и пористости сварного шва.

Окислительное пламя получается при избытке кислорода (β = 1,5…1,7).

Ядро окислительного пламени (рис. 6.21, б) имеет конусообразную форму бледной окраски. Все пламя приобретает синевато – фиолетовую окраску и горит с характерным шумом. Температура пламени несколько выше, чем у нормального. При сварке сталей наблюдается значительное окисление свар-

ного шва, поэтому пламя применяют для сварки латуни и для пайки тверды-

ми припоями. При использовании окислительного сварочного пламени про-

исходит интенсивное окисление железа: Fe+O=FeO. Образующаяся закись железа окисляет легирующие элементы и углерод: Si+2FeO=SiO2+2Fe; Mn+FeO=MnO+Fe; Fe3C+FeO = CO↑+4Fe (частичное восстановление железа).

Окислы марганца и кремния могут остаться в металле сварного шва или всплыть вверх и перейти в сварочный шлак. Если содержание марганца,

кремния и углерода в сварочной ванне недостаточно, то восстановление же-

леза не происходит, что приводит к ухудшению механических свойств свар-

ного шва.

Науглероживающее пламя (рис. 6.21, в) получается при избытке ацети-

лена (β = 0,95). Ядро пламени может иметь несколько зубчиков, теряет рез-

кость очертаний, а на его конце появляется зеленый венчик. Восстановитель-

ная зона почти сливается с ядром. При большом избытке ацетилена (β > 0,95)

пламя начинает коптить. Избыточный углерод легко поглощается расплав-

ленным металлом сварного шва.

При сварке науглероживающим пламенем окись углерода и свободный углерод реагируют с железом, образуя карбид железа: 3Fe+2CO=Fe3C+CO2; 3Fe+C= Fe3C. Следовательно, происходит науглероживание железа. Эти хи-

мические реакции позволяют применять науглероживающее пламя для свар-

ки чугуна.

502