Плазменная и микроплазменная сварка - Страница 4

Другие виды сварки - Плазменная и микроплазменная сварка

Подробности

СУЩНОСТЬ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СЖАТОЙ ДУГИ

 

Плазменной называют сварку сжатой дугой. Столб дуги помещают в узкий канал, который ограничивает его расширение. Устройства для получения сжатой дуги называют плазмотронами (рис. 113). Простейший плазмотрон состоит из изолятора 7, неплавящегося электрода 2 и медного охлаждаемого водой сопла 3. В сопло тангенциально (по касательной к его цилиндрической поверхности) или аксиально (вдоль оси электрода) подают плазмообразующий инертный, нейтральный или содержащий кислород газ, который в столбе дуги нагревается до высокой температуры. Плазмотроны могут работать на постоянном или переменном токе.

Различают плазмотроны прямого и косвенного действия. В плазмотронах косвенного действия дуга горит между электродом и соплом. Их применяют при обработке неэлектропроводных материалов и в качестве нагревателей газа. Для сварки и резки чаще применяют плазмотроны прямого действия. В них дуга горит между электродом и обрабатываемым изделием. Расстояние между ними в плазмотроне больше, чем при сварке горелками для свободной дуги, поэтому сжатую дугу зажигают в две стадии. После подачи в плазмотрон газа зажигают вспомогательную (дежурную) дугу между электродом и соплом плазмотрона искровым разрядом от осциллятора или замыкая промежуток электрод сопло графитовым стержнем, хотя последнее и повышает износ электрода и сопла. Дежурную 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 плазмы небольшой мощности. При ее соприкосновении с деталью зажигается рабочая дуга. Если в цепь детали включить контактор, то рабочую дугу можно зажигать в нужный момент времени. После зажигания рабочей дуги дежурная при автоматической сварке может отключаться. Для ручной сварки лучше, если дежурная дуга горит постоянно.

Столб сжатой дуги состоит из досоплового участка /, участка сжатия II и открытого участка ///(рис. 114). Если сжатая дуга используется для резки, у ее столба появляется и четвертый участок - в полости реза. Физические свойства каждого участка существенно отличаются друг от друга и от свойств свободной дуги. Свойства катодной и анодной областей сжатой и свободной дуг отличаются незначительно. Технологические преимущества сжатая дуга приобретает на участке II.

Напряжение сжатой дуги всегда выше, чем свободной при их одинаковой длине. Это объясняется тем, что при сжатии дуги стенками сопла возрастает плотность тока в ней, что ведет к увеличению напряженности электрического поля.

Основные параметры сжатой дуги - это диаметр dc и длина /с цилиндрического участка сопла, расстояние от плазмотрона до детали /о, ток дуги /д и расход плазмообразующего газа Gn (см. рис. 114).

Плазмообразующий газ, попадая в дугу, проникает в ее столб и, проходя вдоль канала, нагревается. Плотность газа уменьшается, возрастает его объем. Поэтому резко увеличивается скорость газа по мере его движения вдоль канала. Она достигает максимума на выходе из сопла. Нагретый в дуге газ, сталкиваясь с поверхностью свариваемой детали, нагревает и оплавляет ее. Под давлением газа расплавленный металл раздвигается, тепло передается непосредственно твердому металлу дна сварочной ванны. Поэтому эффективная тепловая мощность примерно в два раза выше, чем у свободной дуги. Меняя расход газа и диаметр канала сопла, можно изменять давление струи плазмы, а также плотность теплового потока, передаваемого от дуги к детали. Это основные технологические преимущества сжатой дуги, позволяющие регулировать размеры и форму сварочной ванны. В сжатой дуге достигается более высокая плотность теплового потока, особенно при малой мощности дуги. Это позволяет получать узкие швы с малой шириной зоны термического влияния и увеличивать скорость сварки.

Так как плазмообразующий 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 стабилизирующего действия плазмообразующего газа. Это улучшает формирование шва.

Напряжение сжатой дуги существенно зависит от рода плазмообразующего газа. Это обусловлено различной способностью газов поглощать энергию при высокой температуре дуги. Более высокое напряжение имеет дуга, горящая в газе, имеющем большую теплоемкость и теплопроводность. В качестве плазмообразующих газов используют аргон, гелий, углекислый газ, воздух, кислород, азот, водород и смеси газов. При сварке в большинстве случаев используют аргон. Он имеет хорошие защитные свойства и обеспечивает высокую стойкость электрода. Теплоемкость и теплопроводность аргона низкие, поэтому дуга в нем имеет самое низкое напряжение, что удобно при ручной сварке.

На практике чаще применяют дугу прямой полярности, обеспечивающую более высокую стойкость неплавящегося электрода. Кроме того, такая дуга передает детали наибольшую мощность, ею сваривают высоколегированные стали, титановые сплавы, медь. При сварке алюминиевых сплавов сжатая дуга прямой полярности не используется, так как не обеспечивает разрушения тугоплавкой окисной пленки. Хорошо разрушается пленка окиси алюминия при сварке аргоновой сжатой дугой на обратной полярности, однако при этом низка тепловая эффективность передачи теплоты детали и высока тепловая нагрузка на электрод плазмотрона - анод. Допустимый ток на электрод в этом случае в 20 раз меньше, чем при прямой полярности. Повышают стойкость электродов, применяя плазмотроны с интенсивным охлаждением электрода.

Промежуточное положение по своим параметрам занимает дуга переменного тока. Так как в течение периода переменного тока электрод является попеременно катодом и анодом, то стойкость электрода обеспечивается. Разрушение окисной пленки в полупериод обратной полярности происходит достаточно интенсивно, хорошее качество сварного соединения обеспечивается. Главный недостаток дуги переменного тока - низкая устойчивость повторных зажиганий при смене полярности. Это усугубляется в сжатой дуге, так как ее столб интенсивно охлаждается плазмообразующим газом. Чтобы повысить устойчивость дуги, нужно или высокое напряжение источника питания, или специальные сложные стабилизаторы. Поэтому сжатая однофазная дуга переменного тока используется мало.

Разновидностью дуги переменного тока является трехфазная дуга. В плазмотроне для трехфазной сжатой дуги (рис. 115) устанавливаются два неплавящихся электрода. Дежурной дугой служит дуга между этими электродами, а сопло остается электрически нейтральным. Дежурная дуга питается от фаз основного источника питания. Когда дуги между электродами и деталью еще не возбуждены, сила тока межэлектродной дуги невелика, но достаточна для зажигания основных дуг. Для ограничения силы тока дежурной дуги не требуется никаких специальных устройств.

При зажигании рабочих дуг электроды - деталь легко получить отношение тока в детали к току в электроде Кт = 1,73. Это уменьшает диаметр электродов и позволяет уменьшить габариты и массу плазмотрона, что важно для ручной сварки. Другое преимущество трехфазной сжатой дуги - повышение стабильности повторных зажиганий в моменты перемены полярности, так как межэлектродная дуга постоянно ионизирует дуговой промежуток электроды - деталь. Благод/scriptаря этому по устойчивости трехфазная дуга близка к дуге постоянного тока.

Энергетические возможности сжатых дуг ограничиваются возникновением аварийного режима работы плазмотрона двойным дугообразованием. При увеличении силы тока сжатой дуги до определенного значения столб рабочей дуги распадается, образуя каскад дуг (рис. 116). Возникают дуги: электрод - сопло и сопло деталь. Активные пятна этих мощных дуг быстро разрушают сопло и могут полностью вывести его из строя. Уменьшение диаметра сопла, расхода плазмообразующего газа и увеличение длины канала /с влияют на возникновение аварийных дуг аналогично току, но в различной степени.

Причины возникновения двойной дуги объясняются следующим. Между столбом дуги и стенками канала сопла находится изолирующая прослойка непроводящего "холодного" газа, средняя температура которого 2000...3000 °С. Толщина этой прослойки 3...5 % от диаметра канала. В плазме столба дуги движутся нейтральные атомы, положительные ионы и электроны, обладающие значительно большей подвижностью из-за малой массы. Часть электронов, обладая высокой скоростью, проскакивает изолирующую прослойку и стекает на сопло. Вследствие этого сопло заряжается отрицательно относительно столба дуги. Наименьшая разность потенциалов имеет место в сечении у электрода, а наибольшая - на выходе газа из сопла. Если разность потенциалов между столбом дуги и стенкой сопла достигнет некоторого критического значения, то на поверхности сопла возникнет катодное пятно дуги сопло - деталь. Возникновение второго активного пятна в этом случае уже не представляет трудностей.

В качестве показателя опасности возникновения аварийного режима можно использовать отношение

Еп р = UJA,

где Uc - падение напряжения в столбе дуги на участке II (см. рис. 114); А - толщина изолирующей прослойки газа в конечном сечении сопла.

Величина Епр измеряется в В/см и показывает среднюю напряженность электрического пробоя прослойки. Чем выше Епр, тем больше вероятность возникновения двойной дуги. Параметры режима влияют на Uc и А. С уменьшением dc сильно возрастает Uc и уменьшается А, что приводит к значительному росту Епр. Возможность возникновения аварийного режима растет. Рост расхода газа также увеличивает Uc, но увеличивается и толщина прослойки. Оказалось, что расчетный параметр Enр все-таки уменьшается с увеличением расхода газа. Это говорит о снижении опасности возникновения двойной дуги, что совпадает с практикой. Знание величины Епр позволяет подбирать оптимальные режимы горения конкретных сжатых дуг.

Для борьбы с двойным дугообразованием применяют и конструктивные приемы, например на некотором расстоянии от канала в сопло устанавливают вставку из вольфрама, выступающую на небольшое расстояние от торца сопла. После возникновения двойной дуги ее активное пятно вращается вокруг канала под действием магнитного поля дуги. При достижении вставки оно закрепляется на ней и аварийная дуга горит как с обычного вольфрамового электрода. Дуга фиксируется на вставке из-за меньшего приэлектродного напряжения дуги на вольфраме, чем на меди. В результате медное сопло не разрушается. Тип и конструкция катода плазмотрона определяется составом плазмообразующего газа. Для работы в инертных газах (аргон, азот и их смеси) применяют катоды из вольфрама. Они выполняются в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным в электродном узле плазмотрона, или в виде медной державки с заделанным в нее стержнем вольфрама (рис. 117). Последняя конструкция предпочтительнее, так как благодаря лучшим условиям для отвода теплоты обеспечивает более высокую плотность тока на катоде и уменьшает расход дорогостоящего вольфрама. Катоды, работающие в содержащих кисгафния

лород газах (например, в углекислом газе) называют термохимическими. Их делают в виде активных вставок из гафния и циркония, которые запрессовывают заподлицо в медные державки (рис. 118) с диаметром, зависящим от тока дуги.

Назначение сопла - регулирование энергетических характеристик дуги. К основным параметрам сопла относятся диаметр и высота его канала, форма рабочей камеры плазмотрона. Диаметр и высоту сопла выбирают в зависимости от силы рабочего тока, состава и расхода плазмообразующего газа. При этом приходится подбирать наиболее благоприятное сочетание таких показателей, как технологические возможности и надежность работы плазмотрона, стойкость сопла и электрода. Более важен показатель надежности.

Аксиальная подача газа в дуговую камеру дает возможность лучше воздействовать на обрабатываемую деталь потоком истекающей из сопла плазмы. Однако при этом ухудшается пространственная стабилизация столба дуги и увеличивается вероятность двойного дугообразования. Поэтому предпочтительна тангенциальная подача газа. Одним из элементов дуговой камеры является вихревая закрутка, которая обеспечивает тангенциальную подачу плазмообразующего газа в канал сопла. Конструктивно закрутка представляет собой многозаходную резьбу (3...6 заходов) с большим шагом (6... 12 мм), выполненную на боковой поверхности электрододержателя концентрично ей.

К материалу изолятора плазмотрона предъявляются разнообразные, а иногда и противоречивые, требования. Он должен обладать высокой электрической прочностью, поскольку дежурная дуга возбуждается с помощью высоковольтного высокочастотного разряда осциллятора; высокой механической прочностью, так как изолятор часто выполняет функции несущей конструкции, на которой крепятся остальные узлы плазмотрона; термостойкостью, так как отдельные его части подвержены действию теплового и светового излучения; герметичностью, поскольку через изолятор проходят коммуникации плазмообразующего газа и охлаждения, а также иметь возможность обработки обычным режущим инструментом.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   
© ALLROUNDER