Плазменная сварка - Plasma arc welding
Плазменно-дуговая сварка ( PAW ) - это процесс дуговой сварки, аналогичный дуговой сварке вольфрамовым электродом (GTAW). Электрическая дуга образуется между электродом (который, как правило , но не всегда из спеченного вольфрама ) и заготовкой . Ключевое отличие от GTAW заключается в том, что при PAW электрод располагается внутри корпуса горелки, поэтому плазменная дуга отделена от оболочки защитного газа . Затем плазма проходит через медное сопло с мелким отверстием, которое сужает дугу, и плазма выходит из отверстия. 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 разделены на электроны (-) и катионы (+), а 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 вытягивается 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 кислородно-топливные горелки можно использовать как для сварки , так и для резки, также можно использовать плазменные горелки .
Концепция
Плазменная дуговая сварка - это процесс дуговой сварки, в котором слияние происходит за счет тепла, полученного от установки суженной дуги между электродом из вольфрама / сплава вольфрама и охлаждаемым водой (сужающим) соплом (непереносимая дуга) или между вольфрамом / сплавом вольфрам электрод и задание (перенесенная 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 наносить распылением упрочняющие металлы на другие металлы. Одним из примеров было нанесение распылением лопастей турбины ракеты Сатурн, летящей на Луну.
Принцип действия
Плазменно-дуговая сварка - это усовершенствованный вид сварки вольфрамовым электродом. В случае tig это открытая дуга, экранированная аргоном или гелием, тогда как для плазмы используется специальная горелка, в которой сопло используется для сжатия дуги, а защитный газ подается отдельно от горелки. Сужение дуги осуществляется с помощью сопла малого 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 используются 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, а также наплавки металла (наплавки) с использованием специальных горелок и устройств подачи порошка (PTA) с использованием металлических порошков.
Сильноточная плазма выше 100 ампер используется при сварке присадочной проволокой на высоких скоростях перемещения.
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 выпрямитель ) с характеристиками спада и напряжением холостого хода 70 вольт или выше подходит для плазменной 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 при плазменной сварке следующие:
Сила тока от 50 до 350 ампер, напряжение от 27 до 31 вольт, расход газа от 2 до 40 литров в минуту (более низкий диапазон для газа через отверстие и более высокий диапазон для внешнего защитного газа), отрицательный электрод постоянного тока (DCEN) обычно используется для плазменной 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 турбулентности металла сварного шва , но такое низкое давление не может обеспечить надлежащую защиту сварочной ванны. Чтобы обеспечить подходящую защитную защиту, тот 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, позволяет выполнять сварку в режиме «замочная скважина» 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 диссоциации на атомарную форму и последующей рекомбинации 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 охрупчиванию некоторых металлов и сталей.)
Контроль напряжения
При контурной сварке требуется регулировка напряжения. При нормальной сварке шпоночным отверстием изменение длины дуги до 1,5 мм не влияет в значительной степени на проплавление сварного шва или форму валика, поэтому контроль напряжения не считается существенным.
Описание процесса
Техника очистки заготовок и добавления присадочного металла аналогична таковой при сварке TIG . Присадочный металл добавляется у передней кромки сварочной ванны. При выполнении корневого шва присадочный металл не требуется.
Типы соединений : Для сварки деталей толщиной до 25 мм используются соединения типа квадратного стыка, J или V. Плазменная сварка используется для выполнения сварных швов как с отверстиями под ключ, так и без него.
Выполнение сварного шва без отверстия под ключ : этот процесс позволяет выполнять сварку без отверстия под ключ на заготовках толщиной 2,4 мм и меньше.
Выполнение швов со шпонкой : выдающейся характеристикой плазменно-дуговой сварки, благодаря исключительной проникающей способности плазменной струи, является ее способность выполнять швы со шпонкой в заготовке толщиной от 2,5 до 25 мм. Эффект «замочной скважины» достигается за счет правильного выбора силы тока, диаметра отверстия сопла и скорости перемещения, которые создают 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 подкладки. Кроме того, отношение глубины проплавления к ширине сварного шва намного выше, что приводит к более узкому шву и зоне термического влияния. В процессе сварки основной металл перед замочной скважиной плавится, обтекает его, затвердевает и образует валик сварного шва. 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 соответствующего регулирования количества газа в отверстии.
Плазменная дуговая сварка - это усовершенствование 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 путем изменения силы тока, расхода плазменного газа и диаметра отверстия, в том числе:
- 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.
- Повышенная стабильность дуги позволяет увеличить длину дуги (выдержку) и значительно повысить 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 в подгонке 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 - требуются 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 входит в стандартную комплектацию
- 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 кислородно-топливной резки тем, что в плазменном процессе используется дуга 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. С тех пор, как компания Praxair Inc. представила PAC на выставке Американского общества сварки в 1954 году, было внесено множество усовершенствований в технологические процессы, разработки газовых смесей и усовершенствования оборудования.
Рекомендации
Библиография
- Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д .; Horton, Holbrook L .; Райффель, Генри Х. (2000), Справочник по машинному оборудованию (26-е изд.), Нью-Йорк: Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-2635-3.
дальнейшее чтение
- Американское общество сварки, Справочник по сварке, Том 2 (8-е изд.)