Плазменная сварка - Plasma arc welding

1. Газовая плазма, 2. Защита сопла, 3. Защитный газ, 4. Электрод, 5. Сужение сопла, 6. Электрическая дуга.

Плазменная сварка (Лапа) является дуговая сварка процесс похож на газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW). В электрическая дуга формируется между электрод (который обычно, но не всегда, состоит из спеченный вольфрам ) и заготовка. Ключевое отличие от GTAW заключается в том, что при плазменной сварке электрод располагается внутри корпуса горелки, поэтому плазменная дуга отделена от дуги. защитный газ конверт. В плазма затем пропускается через медное сопло с мелким отверстием, которое сужает дугу, и плазма выходит из отверстие при высоких скоростях (приближающихся к скорости звука) и температуре, приближающейся к 28 000 ° C (50 000 ° F) или выше.

Дуговая плазма - это временное состояние газа. Газ ионизируется электрическим током, проходящим через него, и становится проводником электричества. В ионизированном состоянии атомы распадаются на электроны (-) и катионы (+) и система содержит смесь ионов, электронов и высоковозбужденных атомов. Степень ионизации может составлять от 1% до более 100% (возможно с двойной или тройной степенью ионизации). Такие состояния существуют по мере того, как все больше электронов уходит со своих орбит.

Энергия плазменной струи и, следовательно, температура зависят от электрической мощности, используемой для создания дуговой плазмы. Типичное значение температуры, полученное в плазменной горелке, составляет порядка 28000 ° C (50000 ° F) по сравнению с примерно 5500 ° C (10000 ° F) в обычной электросварочной дуге. Все сварочные дуги представляют собой (частично ионизированные) плазмы, но дуга при плазменной сварке представляет собой плазму сжатой дуги.

Как только кислородно-топливные горелки может использоваться для любого сварка или резка, тоже может плазменные горелки.

Концепция

Плазменная дуговая сварка - это процесс дуговой сварки, при котором: слияние создается за счет тепла, полученного от установки суженной дуги между электродом из вольфрама / сплава вольфрама и водяным охлаждением (сужение) сопла (непереносимая дуга) или между электродом из вольфрама / сплава вольфрама и работой (переносимая дуга). В этом процессе используются два инертных газа: один образует плазму дуги, а второй экранирует плазму дуги. Присадочный металл можно добавлять, а можно и не добавлять.

История

Процесс плазменно-дуговой сварки и резки был изобретен Робертом М. Гейджем в 1953 году и запатентован в 1957 году. Уникальность этого процесса заключалась в том, что он позволял выполнять точную резку и сварку как тонких, так и толстых металлов. Он также был способен покрытие распылением упрочнение металлов на другие металлы. Одним из примеров было нанесение аэрозольного покрытия на лопасти турбины спутника Сатурн.^[1]

Принцип действия

Плазменно-дуговая сварка - это усовершенствованный вид сварки TIG. В случае Tig это открытая дуга, экранированная аргоном или гелием, где в качестве плазмы используется специальная горелка, в которой сопло используется для сжатия дуги, а защитный газ подается отдельно от горелки. Сужение дуги осуществляется с помощью сопла небольшого диаметра с водяным охлаждением, которое сжимает дугу, интенсивно увеличивает ее давление, температуру и тепло и, таким образом, улучшает стабильность дуги, форму дуги и характеристики теплопередачи.

Плазменные дуги образуются с использованием газа в двух формах: одна - ламинарная (низкое давление и слабый поток), а вторая - турбулентный поток (высокое давление и высокий поток).

Используемые газы - аргон, гелий, водород или их смесь. В случае плазменной сварки используется ламинарный поток (низкое давление и слабый поток плазменного газа), чтобы гарантировать, что расплавленный металл не выдувается из зоны сварки.

Непереносимая дуга (вспомогательная дуга) используется во время плазменной сварки, чтобы инициировать процесс сварки. Дуга образуется между электродом (-) и суживающим соплом с водяным охлаждением (+). Непереносимая дуга инициируется с помощью высокочастотного блока в цепи. После начального высокочастотного пуска между избранными образуется вспомогательная дуга (слабый ток) за счет использования слабого тока. После зажигания основной дуги сопло становится нейтральным или, в случае сварки сетки с использованием микроплазмы, может быть предоставлена возможность иметь непрерывную вспомогательную дугу. Переносимая дуга обладает высокой плотностью энергии и скоростью плазменной струи. В зависимости от используемого тока и расхода газа его можно использовать для резки и плавления металлов.

Микроплазма использует ток от 0,1 до 10 ампер и использует фольгу, сильфон и тонкие листы. Это автогенный процесс, в котором обычно не используется присадочная проволока или порошок.

Средняя плазма использует ток от 10 до 100 ампер и используется для сварки листов большой толщины с присадочной проволокой или самогенных листов толщиной до 6 мм и наплавки металла (наплавки) с использованием специальных горелок и устройств подачи порошка (PTA) с использованием металлических порошков.

Сильноточная плазма свыше 100 ампер используется при сварке присадочной проволокой на высоких скоростях движения.

Другие применения плазмы - это плазменная резка, нагрев, осаждение алмазных пленок (Курихара и др., 1989), обработка материалов, металлургия (производство металлов и керамики), плазменное напыление и подводная резка.

Оборудование

Оборудование, необходимое для плазменной сварки, а также его функции:

Контроль тока и распада газа

При окончании сварного шва в конструкции необходимо как следует закрыть шпоночное отверстие.

Приспособление

Это необходимо для предотвращения атмосферного загрязнения расплавленного металла под валиком.

Материалы

Стали

Алюминий

другие материалы

Генератор высокой частоты и токоограничивающие резисторы

Для зажигания дуги используются высокочастотный генератор и токоограничивающие резисторы. Система зажигания дуги может быть отдельной или встроенной в систему.

Плазменный факел

Это либо переносимая дуга, либо непереносимая дуга. Он управляется вручную или механизирован. В настоящее время почти все приложения требуют автоматизированной системы. Горелка имеет водяное охлаждение, что увеличивает срок службы сопла и электрода. Размер и тип наконечника сопла выбираются в зависимости от свариваемого металла, формы сварного шва и желаемой глубины проплавления.

Источник питания

Источник постоянного тока (генератор или же выпрямитель ) с характеристиками спада и напряжением холостого хода 70 В или выше подходит для плазменно-дуговой сварки. Выпрямители обычно предпочтительнее генераторов постоянного тока. Для работы с гелием в качестве инертного газа требуется напряжение холостого хода выше 70 вольт. Это более высокое напряжение может быть получено последовательной работой двух источников питания; или дуга может быть инициирована аргоном при нормальном напряжении холостого хода, а затем может быть включен гелий.

Типичные параметры сварки для плазменной дуговой сварки следующие:

Сила тока от 50 до 350 ампер, напряжение от 27 до 31 вольт, расход газа от 2 до 40 литров / минуту (нижний диапазон для сопловой газ и более высокий диапазон для внешнего защитного газа), отрицательный электрод постоянного тока (DCEN) обычно используется для плазменно-дуговой сварки, за исключением сварки алюминия, в которых для сварки с обратной полярностью предпочтительнее использовать электрод с водяным охлаждением, т.е. положительный электрод постоянного тока. (DCEP).

Защитные газы

Используются два инертных газа или газовые смеси. Газ через сопло при более низком давлении и скорости потока образует плазменную дугу. Давление газа в отверстии намеренно поддерживается низким, чтобы избежать появления металла сварного шва. турбулентность, но такое низкое давление не может обеспечить надлежащую защиту сварочной ванны. Для обеспечения подходящей защиты такой же или другой инертный газ пропускается через внешнее защитное кольцо горелки со сравнительно более высокой скоростью потока. Большинство материалов можно сваривать с использованием аргона, гелия, аргона + водорода и аргона + гелия в качестве инертных газов или газовых смесей. Обычно используется аргон. Гелий предпочтителен там, где желательны широкая диаграмма подводимого тепла и более плоский проход покрытия без сварки в режиме замкового отверстия. Смесь аргона и водорода обеспечивает более высокую тепловую энергию, чем при использовании только аргона, и, таким образом, обеспечивает возможность сварки в режиме «замочной скважины» в сплавах на основе никеля, сплавах на основе меди и нержавеющих сталях.

Для резки можно использовать смесь аргона и водорода (10-30%) или азота. Водород из-за его диссоциация в атомарную форму, и после этого рекомбинация генерирует температуры, превышающие те, которые достигаются при использовании только аргона или гелия. Кроме того, водород создает восстановительную атмосферу, которая помогает предотвратить окисление сварного шва и его окрестностей. (Следует соблюдать осторожность, поскольку диффузия водорода в металл может привести к охрупчивание в некоторых металлах и сталях.)

Контроль напряжения

При контурной сварке требуется контроль напряжения. При обычной сварке шпоночным отверстием изменение длины дуги до 1,5 мм не влияет в значительной степени на проплавление валика сварного шва или форму валика, и поэтому контроль напряжения не считается существенным.

Описание процесса

Техника очистки заготовки и добавления присадочного металла аналогична таковой в Сварка TIG. Присадочный металл добавляется у передней кромки сварочной ванны. При выполнении корневого шва присадочный металл не требуется.

Тип соединения: Для свариваемых деталей толщиной до 25 мм используются стыковые соединения квадратного сечения, J или V. Плазменная сварка используется для выполнения сварных швов как с отверстиями под ключ, так и без него.

Выполнение сварного шва без ключа: Этот процесс позволяет выполнять сварку без шпоночных отверстий на деталях толщиной 2,4 мм и меньше.

Выполнение швов в капельницу: Отличительной особенностью плазменно-дуговой сварки, благодаря исключительной проникающей способности плазменной струи, является ее способность выполнять сварные швы со шпонкой на заготовке толщиной от 2,5 до 25 мм. Эффект «замочной скважины» достигается за счет правильного выбора силы тока, диаметра сопла и скорости перемещения, что создает мощную плазменную струю, полностью проникающую через заготовку. Плазменная струя ни в коем случае не должна выталкивать расплавленный металл из стыка. Основными преимуществами метода замочной скважины являются способность быстро проникать через относительно толстые участки корня и обеспечивать однородный нижний валик без механической основы. Кроме того, отношение глубины проплавления к ширине сварного шва намного выше, что приводит к более узкому шву и зоне термического влияния. По мере того, как сварка прогрессирует, основной металл перед замочной скважиной плавится, обтекает его, затвердевает и образует сварной шов. Выдавливание ключей способствует глубокому проникновению на более высоких скоростях и обеспечивает получение высококачественного валика. При сварке более толстых деталей, при укладке, отличной от корневого прохода, и при использовании присадочного металла сила плазменной струи снижается за счет надлежащего регулирования количества газа в отверстии.

Плазменная дуговая сварка является усовершенствованием процесса GTAW. В этом процессе используется неплавящийся вольфрамовый электрод и дуга, суженная через медное сопло с мелким отверстием. PAW может использоваться для соединения всех металлов, свариваемых GTAW (т.е. большинства промышленных металлов и сплавов). Металлы, которые трудно сваривать с помощью плазменно-дуговой сварки, включают бронзу, чугун, свинец и магний. Возможны несколько основных вариаций процесса плазменной сварки за счет изменения тока, расхода плазменного газа и диаметра отверстия, включая:

Микроплазма (<15 ампер)
Режим плавления (15–100 Ампер)
Режим замочной скважины (> 100 ампер)
Плазменная дуговая сварка имеет большую концентрацию энергии по сравнению с GTAW.
Возможно глубокое и узкое проникновение с максимальной глубиной от 12 до 18 мм (от 0,47 до 0,71 дюйма) в зависимости от материала.^[2]
Повышенная стабильность дуги позволяет иметь гораздо большую длину дуги (зазор) и гораздо большую устойчивость к изменениям длины дуги.
PAW требует относительно дорогого и сложного оборудования по сравнению с GTAW; правильное обслуживание резака имеет решающее значение.
Процедуры сварки, как правило, более сложные и менее устойчивы к изменениям настроек и т. Д.
Требуемые навыки оператора немного выше, чем для GTAW.
Необходима замена диафрагмы.

Переменные процесса

Газы

В PAW используются как минимум два отдельных (а возможно и три) потока газа:

Плазменный газ - проходит через отверстие и ионизируется.
Защитный газ - проходит через внешнее сопло и защищает расплавленный сварной шов от атмосферы.
Обратная продувка и остаточный газ - требуется для определенных материалов и применений.

Все эти газы могут быть одинаковыми или различного состава.

Ключевые переменные процесса

Тип тока и полярность
DCEN из источника CC является стандартным
Прямоугольная волна переменного тока обычна для алюминия и магния.
Сварочный ток и импульсный - Ток может варьироваться от 0,5 А до 1200 А; ток может быть постоянным или импульсным на частотах до 20 кГц
Расход газа (Эту критическую переменную необходимо тщательно контролировать в зависимости от силы тока, диаметра и формы отверстия, газовой смеси, а также основного материала и толщины.)

Другие процессы плазменной дуги

В зависимости от конструкции горелки (например, диаметра отверстия), конструкции электродов, типа и скорости газа, а также уровней тока возможны несколько вариантов плазменного процесса, в том числе:

Плазменная резка

При использовании для резки поток плазменного газа увеличивается, так что глубоко проникающая плазменная струя прорезает материал, а расплавленный материал удаляется в виде шлака при резке. PAC отличается от газокислородная резка в том, что плазменный процесс работает с использованием дуги для плавления металла, тогда как в кислородно-топливном процессе кислород окисляет металл, а тепло от экзотермической реакции плавит металл. В отличие от газокислородной резки, процесс PAC может применяться для резки металлов, образующих тугоплавкие оксиды, таких как нержавеющая сталь, чугун, алюминий и другие сплавы цветных металлов. Поскольку PAC был представлен Praxair Inc. на Американское сварочное общество В 1954 году было проведено множество усовершенствований технологических процессов, разработок газа и усовершенствований оборудования.

дальнейшее чтение

Американское сварочное общество, Справочник по сварке, Том 2 (8-е изд.)

внешняя ссылка

Плазменная сварка

http://mewelding.com/plasma-arc-welding-paw/

Микроплазменная сварка

Дуговая сварка напылением

[1] Патент США №2,806,124, 10 сентября 1957 г., выдан Роберту М. Гейджу.

[2] Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г., п. 953.

[1]

[2]