Плазма в сварке

Ионизация газа происходит при его нагреве, чем выше температура газа, тем выше степень его ионизации. При плазменной сварке в центральной части обычной сварочной дуги газ нагрет до высоких температур (5000—30 000° С), сильно ионизирован, имеет высокую электропроводность, ярко светится и является типичной, хорошо выраженной плазмой. Но в сварочной технике плазменными горелками, или плазмотронами, называются устройства, дающие хорошо сформированную плазменную струю, в которой ионизированный газ, имеющий температуру 15 000—30 000° С, движется с большими, околозвуковыми скоростями.

Плазменная струя легко расплавляет любой металл. Нагревание газа производится дуговым разрядом в камере плазмотрона. Камера продувается струей газа, проходящей через выходное сопло плазмотрона небольшого диаметра, где она обжимается и приобретает высокие температуру, степень ионизации и скорость. При нагреве объем газа, вдуваемого в плазмотрон, увеличивается в 50—100 и более раз, за счет чего и создаются высокие скорости истечения плазмы, в которую превращается газ.

Плазмотрон

В плазмотронах может применяться дуговой разряд как прямого действия, когда обрабатываемый металл служит одним из электродов дуги, так и косвенного, когда этот металл не включен в цепь сварочного тока. При второй схеме плазменной струей можно обрабатывать материалы, не проводящие тока. Плазмотрон питается постоянным током; внутренний электрод — обычно вольфрамовый; в качестве рабочего газа используются аргон, азот, водород и их различные смеси, а также атмосферный воздух.

Применение плазменной сварки

В настоящее время начинает внедряться плазменная сварка различных металлов, но особенно важное значение имеет плазменная резка. Струя плазмы расплавляет все металлы и другие материалы, а газ, движущийся с высокой скоростью, выдувает расплавленный материал из полости реза. Этот способ широко применяется для резки цветных металлов (алюминия, меди, никеля и их сплавов), а также нержавеющих сталей.

Технология плазменной сварки

Питание дуги при плазменной сварке, как правило, осуществляется переменным или постоянным током прямой полярности (минус на электроде). Возбуждают дугу с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения дуги прямого действия используют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом горелки. Для питания плазмообразующей дуги требуются источники сварочного тока с рабочим напряжением до 120 В, а в некоторых случаях и более высоким. Для питания плазматрона, используемого для плазменной резки, оптимально напряжение холостого хода источника питания до 300 В.

С помощью плазменной сварки можно сваривать практически все металлы в нижнем и вертикальном положениях. В качестве плазмообразующего газа используют аргон илигелий, которые также могут выступать в качестве защитных газов. 

Техника и режимы ручной плазменной сварки § 46. Сущность процесса и область применения ручной плазменной сварки.

О плазме, как о четвертом состоянии вещества, ученые-физики стали упоминать сравнительно недавно. Впервые термин «плазма» был введен в 1923 г. американскими учеными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, кинетика плазмы также рассматривалась в 1936 г. в работах советского ученого Л. Д. Ландау.

В настоящее время выделен особый вид сварки - плазменная сварка, которая наряду с общими признаками имеет существенные отличия от дуговой сварки. В плазменной сварке основным источником энергии для нагрева металла служит плазма - ионизированный и нагретый газ. Газом для образования плазмы служат аргон или гелий, являющиеся также и защитными газами.

При плазменной сварке, как и при плазменно-дуговой резке, имеются две схемы получения дуговой плазмы: прямого и косвенного действия. При плазменной дуге прямого действия (рис. 62, а) свариваемое изделие включено в сварочную цепь дуги. В этом случае активные пятна располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной дуге косвенного действия (рис. 62, б) активные пятна дуги располагаются на вольфрамовом электроде и на сопле плазмотрона.

Рис. 62. Схема получения плазменной дуги прямого (а) и косвенного (б) действия:

1 - источник тока, 2 - вольфрамовый электрод, 3 - газ, 4 - сопло плазмотрона, 5 - плазменная струя

Газ, подаваемый в сопло плазмотрона, проходя столб дуги, нагревается, увеличивается в объеме и ионизируется. Эти процессы зависят от температуры, до которой нагревается газ. Газ, подаваемый в сопло, сжимая столб дуги, повышает его температуру.

Следует также отметить, что в плазменной дуге косвенного действия одно из активных пятен дуги находится на сопле плазмотрона, а плазма выдувается через отверстие сопла, что позволяет использовать такой вид плазмы для сварки и резки неэлектропроводных материалов. Температура плазменной струи косвенного действия достигает 16000°С, а прямого действия - 30000°С. Форма поперечного сечения любой плазменной струи строго определяется формой выходного отверстия сопла. При сварке плазмообразующий газ может быть и защитным, иногда необходима подача автономной - отдельной струи защитного газа. Защитный газ омывает столб плазмы и интенсивно его охлаждает, уменьшая диаметр струи, поэтому возможна высокая концентрация плазменного потока (микроплазма) при малых токах дуги (до 30 А).

Плазменная струя имеет широкий диапазон технологических свойств. Ее тепловая эффективность определяется обычными и специфическими параметрами дуги. Например, обжатие дуги, которое увеличивается с ростом скорости протекания газа и зависит от диаметра и длины канала плазмотрона и расхода газа, повышает температуру дуги. Тепловое воздействие определяется также расстоянием от торца сопла до поверхности свариваемого изделия, составом плазмообразующего газа и силой тока.

В дуге прямого действия вначале возбуждают маломощную вспомогательную дугу между соплом и изделием, после касания плазмой свариваемого изделия возбуждается дуга прямого действия. Дуга питается постоянным током (минус на электроде), источники питания должны иметь крутопадающую характеристику с напряжением холостого хода до 120 В при сварке и до 300 В и выше при резке. Питание дуги может выполняться переменным и постоянным током прямой полярности, а ее возбуждение осуществляется осциллятором.

Серьезным и весьма существенным недостатком плазменной сварки и резки является малая стойкость сопл плазмотрона, разрушающихся от тепловой нагрузки или от двойной дуги, возникающей в плазмотроне прямого действия (между соплом и изделием). При плазменной сварке шов создается за счет расплавления свариваемых кромок, а иногда и присадочного металла. Без разделки кромок за один проход можно сваривать стыковые соединения металла толщиной до 15 мм. В некоторых случаях сварка выполняется с образованием сквозного отверстия в основном металле.

Плазменная сварка по сравнению с дуговой имеет следующие преимущества:

более высокая производительность и проплавляющая способность;

малая чувствительность к колебаниям длины дуги;

возможность удаления вольфрамовых включений из расплавленного металла сварочной ванны;

возможность сваривать практически все металлы как в нижнем, так и в вертикальном положениях.

В настоящее время в институте электросварки им. Е. О. Патона разработан способ микроплазменной сварки, а также создана аппаратура для этого способа на постоянном токе 0,5-10 А. Этот способ применяют для сварки изделий из нержавеющей стали, меди, титана, никеля, алюминия, ковара, серебра и даже золота толщиной 0,2- 0,6 мм.

Источник питания и горелка обеспечивают образование плазмы в виде «иглы», что позволяет получать узкие сварные швы при малой зоне термического влияния. Малая зона термического влияния значительно снижает образование деформаций свариваемого металла.

Плазмообразующим газом служит аргон, а защитным - аргон, гелий, углекислый газ или разные смеси газов, в том числе и с водородом. При включении источника питания между вольфрамовым электродом и медным соплом вначале зажигается дежурная малоамперная дуга, а затем при подведении горелки к свариваемому изделию возникает микроплазма. Стабильное и устойчивое горение микроплазмы на токах до 10 А позволяет ее растягивать на длину до 8 мм, что дает возможность автоматизировать и механизировать процесс с введением в зону плазмы присадочного металла. При микроплазменной сварке высокое качество сварного шва могут обеспечивать даже сварщики невысокой квалификации.