Плазменная дуговая сварка

Плазменно-дуговая сварка ( PAW ) — это процесс дуговой сварки, аналогичный газовой вольфрамовой дуговой сварке (GTAW). Электрическая дуга образуется между электродом (который обычно, но не всегда, изготовлен из спеченного вольфрама ) и заготовкой . Ключевое отличие от GTAW заключается в том, что при PAW электрод расположен внутри корпуса горелки, поэтому плазменная дуга отделена от оболочки защитного газа . Затем плазма отверстия пропускается через медное сопло с тонким отверстием, которое сужает дугу, и плазма выходит из с высокими скоростями (приближающимися к скорости звука) и температурой, приближающейся к 28 000 ° C (50 000 ° F) или выше.

Дуговая плазма – это временное состояние газа. Газ ионизируется проходящим через него электрическим током 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 и тройной степенью ионизации). Такие состояния существуют по мере того, как все больше электронов стягиваются со своих орбит.

Энергия плазменной струи и, следовательно, температура зависят от электрической мощности, используемой для создания дуговой плазмы. Типичное значение температуры, получаемое в плазменной горелке, составляет порядка 28 000 ° C (50 400 ° F) по сравнению с примерно 5 500 ° C (9 930 ° F) при обычной электросварочной дуге. Все сварочные дуги представляют собой (частично ионизированную) плазму, но плазменная дуговая сварка представляет собой плазму суженной дуги.

Как кислородно-топливные горелки можно использовать для сварки или резки, так и плазменные горелки .

Концепция

Плазменно-дуговая сварка — это процесс дуговой сварки, при котором слияние происходит за счет тепла, получаемого от установки суженной дуги между вольфрамовым/сплавным вольфрамовым электродом и водоохлаждаемым (сужающим) соплом (непереносимая дуга) или между вольфрамовым/сплавным вольфрамовым электродом. электрод и задание (перенесенная дуга). В этом процессе используются два инертных газа: один образует плазму дуги, а второй защищает плазму дуги. Присадочный металл может быть добавлен, а может и не быть добавлен.

История

Процесс плазменно-дуговой сварки и резки был изобретен Робертом М. Гейджем в 1953 году и запатентован в 1957 году. Этот процесс был уникален тем, что с его помощью можно было добиться точной резки и сварки как тонких, так и толстых металлов. Он также был способен наносить закаленные металлы распылением на другие металлы. Одним из примеров было напыление покрытия лопаток турбины лунной ракеты Сатурн. ^[1]

Принцип работы

Плазменно-дуговая сварка — это усовершенствованная форма сварки вольфрамовым инертным газом (TIG). В случае TIG это открытая дуга, защищенная аргоном или гелием , тогда как в плазме используется специальная горелка, в которой сопло используется для сжатия дуги, а защитный газ подается отдельно от горелки. Дуга сужается с помощью сопла малого диаметра с водяным охлаждением, которое сжимает дугу, интенсивно увеличивает ее давление, температуру и нагрев и, таким образом, улучшает стабильность дуги, форму дуги и характеристики теплопередачи.

Плазменные дуги образуются с использованием газа в двух формах; ламинарный (низкое давление и малый расход) и турбулентный (высокое давление и большой расход).

В качестве газов используются аргон, гелий, водород или их смеси. В случае плазменной сварки используется ламинарный поток (низкое давление и малая подача плазменного газа), чтобы гарантировать, что расплавленный металл не выдувается из зоны сварки.

Непереносимая дуга (пилотная дуга) используется во время плазменной сварки для инициирования сварочного процесса. Дуга образуется между электродом (-) и сужающим соплом с водяным охлаждением (+). Непередаваемая дуга инициируется за счет использования в цепи высокочастотного блока. После начального высокочастотного запуска между электродами формируется вспомогательная дуга (низкий ток) за счет использования слабого тока. После зажигания основной дуги сопло находится в нейтральном положении, а в случае сварки сетки с использованием микроплазмы может быть предусмотрена опция непрерывной вспомогательной дуги. Перенесенная 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 аутогенный процесс, в котором обычно не используется присадочная проволока или порошок.

Средняя плазма использует ток от 10 до 100 ампер и используется для сварки пластин большой толщины с присадочной проволокой или автогенных пластин толщиной до 6 мм (0,24 дюйма), а также для наплавки металла (наплавки) с использованием специализированных горелок и устройств подачи порошка (PTA) с использованием металлических порошков. .

Сильноточная плазма с током выше 100 А используется при сварке присадочной проволокой на высоких скоростях движения.

Другими применениями плазмы являются 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 плазменно-дуговой сварки, а также их функции следующие:

Контроль тока и распада газа : необходим для правильного закрытия замочного отверстия при прекращении сварного шва в конструкции.
Крепление : Требуется во избежание атмосферного загрязнения расплавленного металла под валиком.
Материалы : сталь, алюминий и другие материалы.
Высокочастотный генератор и токоограничивающие резисторы : используются для зажигания дуги. Система зажигания дуги может быть отдельной или встроенной в систему.
Плазменная горелка : используется как для дуги с переносом, так и для дуги без переноса. Он бывает ручным или механизированным. В настоящее время почти все приложения требуют автоматизированной системы. Горелка имеет водяное охлаждение для увеличения срока службы сопла и электрода. Размер и тип наконечника насадки подбираются в зависимости от свариваемого металла, формы сварного шва и желаемой глубины провара.
Источник питания источник постоянного тока ( генератор или выпрямитель : Для плазменно-дуговой сварки подходит ) с падающими характеристиками и напряжением холостого хода 70 Вольт или выше. Выпрямители обычно предпочтительнее генераторов постоянного тока. Для работы с гелием в качестве инертного газа необходимо напряжение холостого хода выше 70 вольт. Это более высокое напряжение можно получить путем последовательной работы двух источников питания; или дугу можно зажечь аргоном при нормальном напряжении холостого хода, а затем включить гелий.

Типичные параметры сварки плазменной дуговой сваркой следующие:

Ток от 50 до 350 А, напряжение от 27 до 31 В, расход газа от 2 до 40 литров в минуту (нижний диапазон для газа в диафрагме и верхний диапазон для внешнего защитного газа), отрицательный электрод постоянного тока (DCEN) обычно используется для плазменной дуговой сварки. за исключением сварки алюминия, в которых электрод с водяным охлаждением предпочтителен для сварки обратной полярности, т. е. положительный электрод постоянного тока (DCEP).

Защитные газы : используются два инертных газа или газовые смеси. Газ в диафрагме при более низком давлении и скорости потока образует плазменную дугу. Давление газа в диафрагме намеренно поддерживается низким, чтобы избежать турбулентности сварочного металла , но это низкое давление не может обеспечить надлежащую защиту сварочной ванны. Для обеспечения подходящей защитной защиты тот же или другой инертный газ подается через внешнее защитное кольцо горелки со сравнительно более высокими скоростями потока. Большинство материалов можно сваривать аргоном, гелием, аргоном+водородом и аргоном+гелием в виде инертных газов или газовых смесей. Обычно используется аргон. Гелий предпочтителен там, где требуется широкая диаграмма подвода тепла и более плоский проход покрытия без шпоночного шва. Смесь аргона и водорода обеспечивает более высокую тепловую энергию, чем при использовании только аргона, и, таким образом, позволяет выполнять сварку 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 диссоциации на атомную 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. Необходимо соблюдать осторожность, поскольку диффузия водорода в металл может привести к охрупчиванию некоторых металлов и сталей.

Контроль напряжения : Требуется при контурной сварке. При обычной шпоночной сварке изменение длины дуги до 1,5 мм не оказывает существенного влияния на проплавление или форму сварного шва, поэтому контроль напряжения не считается необходимым.

Описание процесса

Техника очистки заготовки и добавления присадочного металла аналогична технологии TIG-сварки . Присадочный металл добавляется на передней кромке сварочной ванны. При выполнении корневого шва не требуется присадочный металл.

Тип соединений : Для свариваемых деталей толщиной до 25 мм используются соединения типа квадратный стык, J или V. Плазменная сварка используется для выполнения сварных швов как с шпоночными, так и без шпоночных отверстий.

Выполнение сварного шва без шпоночного отверстия . Этот процесс позволяет выполнять сварные швы без шпоночного отверстия на заготовках толщиной 2,4 мм и менее.

Выполнение «замочных» сварных швов : Выдающейся характеристикой плазменно-дуговой сварки, обусловленной исключительной проникающей способностью плазменной струи, является ее способность создавать «замочные» сварные швы на заготовках толщиной от 2,5 мм до 25 мм. Эффект замочной скважины достигается за счет правильного выбора тока, диаметра сопла и скорости движения, которые создают мощную плазменную струю, полностью проникающую через заготовку. Плазменная струя ни в коем случае не должна выгонять расплавленный металл из шва. Основными преимуществами метода «замочной скважины» являются способность быстро проникать через относительно толстые участки корня и создавать однородную нижнюю валик без механической поддержки. Кроме того, соотношение глубины проплавления к ширине сварного шва значительно выше, в результате чего сварной шов и зона термического влияния становятся уже. По мере продвижения сварки основной металл перед замочной скважиной плавится, поток вокруг него затвердевает и образует сварной валик. Прорезь способствует глубокому проникновению на более высоких скоростях и позволяет получить высококачественный шов. При сварке более толстых деталей, прокладке других швов, кроме корневого, и использовании присадочного металла сила плазменной струи снижается за счет соответствующего контроля количества газа в диафрагме.

Плазменная дуговая сварка является усовершенствованием процесса GTAW. В этом процессе используется неплавящийся вольфрамовый электрод и дуга, сжимаемая медным соплом с тонким диаметром. PAW можно использовать для соединения всех металлов, свариваемых GTAW (т.е. большинства коммерческих металлов и сплавов). К трудносвариваемым методом PAW металлам относятся бронза, чугун, свинец и магний.За счет изменения тока, скорости потока плазменного газа и диаметра отверстия возможны несколько основных вариантов процесса PAW, в том числе:

Микроплазма (< 15 Ампер)
Режим плавления (15–100 Ампер)
Режим замочной скважины (>100 Ампер)
Плазменно-дуговая сварка имеет большую концентрацию энергии по сравнению с GTAW.
Достижимо глубокое и узкое проникновение с максимальной глубиной от 12 до 18 мм (от 0,47 до 0,71 дюйма) в зависимости от материала. ^[2]
Большая стабильность дуги позволяет использовать 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 горелки имеет решающее значение.
Процедуры сварки, как правило, более сложны и менее устойчивы к изменениям в посадке и т. д.
Требуемые навыки оператора немного выше, чем для GTAW.
Требуется замена диафрагмы.

Переменные процесса

Газы

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

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

Эти газы могут быть одинаковыми или иметь разный состав.

Ключевые переменные процесса

Тип тока и полярность
DCEN от источника CC является стандартным
Прямоугольная волна переменного тока часто встречается при работе с алюминием и магнием.
Сварочный ток и пульсирующий – Ток может варьироваться от 0,5 А до 1200 А; ток может быть постоянным или импульсным с частотой до 20 кГц
Скорость потока газа (эта критическая переменная должна тщательно контролироваться в зависимости от тока, диаметра и формы отверстия, газовой смеси, а также основного материала и толщины.)

Другие плазменно-дуговые процессы

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

Плазменная дуговая 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 экзотермической реакции плавит металл. В отличие от кислородно-топливной резки, процесс PAC можно применять 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 сварщиков в 1954 году, произошло множество усовершенствований процесса, разработки газа и усовершенствований оборудования.

Ссылки

^ Патент США № 2806124 от 10 сентября 1957 г., выдан Роберту М. Гейджу.
^ Дегармо, Блэк и Кохсер 2003 , стр. 953 .

Библиография

Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д.; Хортон, Холбрук Л.; Райффель, Генри Х. (2000), Справочник машинного оборудования (26-е изд.), Нью-Йорк: Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-2635-3 .

Дальнейшее чтение

Американское общество сварщиков, Справочник по сварке, том 2 (8-е изд.)

Внешние ссылки

Плазменная дуговая сварка

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

Микроплазменная сварка

Дуговая сварка распылением

[1] Патент США № 2806124 от 10 сентября 1957 г., выдан Роберту М. Гейджу.

[2] Дегармо, Блэк и Кохсер 2003 , стр. 953 .

[1]

[2]