Прочитайте онлайн Сварка | Плазменная сварка

Читать книгу Сварка
3212+8721
  • Автор:
  • Язык: ru
Поделиться

Плазменная сварка

Плазма (от греч. plasma, букв. – вылепленное, оформленное) – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Термин «плазма» ввели в 1929 г. И. Ленгмюр и Л. Тонкс. Большой вклад в развитие учения о плазме внесли советские ученые – Л. Д. Ландау, А. А. Власов, А. Д. Сахаров, американские ученые И. Е. Тамм, Л. Спитцер.

Современные ученые выделяют плазму как четвертое состояние вещества, наряду с газом, жидкостью и твердыми телами. В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной – звезды, звездные атмосферы, межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, проявления которого мы наблюдаем в виде полярных сияний.

При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превратятся в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Свободные заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в плазме – ее квазинейтральности. Нарушение квазинейтральности плазмы в объеме, ею занимаемом, ведет к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность.

Принято выделять два типа плазмы:

• низкотемпературная плазма с температурой внутри её ниже 105 К;

• высокотемпературная плазма с температурой выше 106–108 К.

На сегодняшний день плазму получают следующими способами:

• электрическим разрядом в газах (дуговой, искровой, тлеющий);

• в процессах горения и взрыва.

Плазма обладает так называемыми коллективными процессами. Ее можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны. Причем плазма обладает наличием собственных колебаний и волн. Таким образом, плазма резко отличается от газов. Например, электропроводность полностью ионизированной плазмы превосходит электропроводность серебра. Поэтому плазму можно рассматривать как идеальный проводник.

Плазменная технология подразумевает различные методы обработки и получения материалов с использованием плазменной струи или плазменной дуги.

Наиболее широкое распространение получили атмосферные (при нормальном давлении) плазменные методы обработки материалов – резание, напыление, наплавка, сварка, выращивание монокристаллов.

В 1980-х годах эффективное развитие получили ионно-плазменные технологии. Процессы обработки материалов с помощью ионно-плазменной технологии реализуются в вакууме с помощью плазменных ускорителей. Благодаря этому удается наносить сверхтвердые, жаростойкие, коррозионно-стойкие покрытия.

Плазму получают в специальных устройствах – плазмотронах. Плазмотрон – устройство для создания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (до 104 К) с помощью электрического разряда в газах, дающее плазменный поток.

Принцип работы плазмотрона заключается в следующем: холодный газ непрерывным потоком продувают через область, где горит стационарный разряд. Газ нагревается, ионизируется, превращается в плазму, которая истекает в виде плазменной струи.

На практике применяют следующие виды плазмотронов, работающих:

• на дуговом разряде;

• пеннинг-разряде;

• ВЧ и СВЧ-разрядах (высоко– и сверхвысокочастотных);

• с ионизацией газа электронным пучком;

• фокусировкой оптического разряда с помощью лазера.

Наибольшее практическое применение получили плазмотроны на дуговом электрическом разряде. Дуговой плазмотрон может работать на постоянном или переменном токе. Мощность дуговых плазмотронов – от 102 до 107 Вт.

Температура на срезе сопла – 3000–20 000 °C. Скорость истечения струи 1–104 м/с, промышленный к.п. д – 50–90 %. Плотность тока в плазмотронах достигает 100 А/мм2.

В качестве плазмообразующего газа используют аргон (температура плазмы – 15000–30000 °C), азот (температура плазмы – 10000–15000 °C) или смесь газов, а также водяной пар (температура плазмы до 10000 °C).

Применяют два основных плазменных источника нагрева для сварки:

• плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги;

• плазменную дугу, совмещенную с плазменной струей.

Соответственно применяют два типа плазменных горелок.

В горелках (рис. 9а) для получения плазменной струи дуга (1) горит между вольфрамовым электродом (2) и соплом (4), к которому подключен положительный полюс источника тока. Электрод изолирован от корпуса горелки керамической прокладкой (3). Сопло интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит яркосветящаяся плазменная струя (5). Горелка питается током прямой полярности от источников с падающей характеристикой.

Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, ее применяют для резки и сварки тонких металлических листов и диэлектрических материалов, а также для напыления тугоплавких материалов на поверхность заготовок.

Горелки, предназначенные для сварки, снабжены вторым концентрическим соплом (6), через которое подается защитный газ. Сопло электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги.

Сжатие столба происходит следующим образом: рабочий газ, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи.

Плазменная струя имеет форму ярко выраженного конуса (рис. 9а) с вершиной, обращенной к изделию и окруженной факелом.

Устройство горелок для получения плазменной дуги (рис. 9б) принципиально не отличается от устройства горелок первого типа. Только дуга горит между электродом и изделием.

Процесс возбуждения плазменной дуги между электродом и изделием осуществить очень трудно. Поэтому дуга вначале возбуждается между электродом и соплом (дежурная дуга), а затем при касании ее факела изделия происходит автоматическое зажигание основной дуги между электродом и изделием. Для этого к соплу подключен токопровод от положительного полюса источника тока.

Плазменная дуга обладает большей тепловой мощностью по сравнению с плазменной струей, т. к. в изделие вводится дополнительное тепло от электрического тока дуги. Плотность теплового потока плазмотрона в десятки раз больше теплового потока при сварке плавящимся электродом.

Различают следующие виды плазменной технологии:

• плазменная сварка со сквозным проплавлением (толщина материала свыше 3 мм);

• плазменная сварка плавлением (толщина материала 1–3 мм);

• микроплазменная сварка (толщина материала 0,01–1 мм).

На рисунке 10 представлена конструкция микроплазменной горелки.

Оборудование для плазменно-дуговой сварки, резки, напыления:

• источник питания плазменной дуги с вертикальной вольт-амперной характеристикой;

• плазменная горелка-плазмотрон;

• системы подачи газа и охлаждения горелки;

• порошковый питатель (для напыления);

• устройства перемещения и фиксации деталей;

• система приточно-вытяжной вентиляции.

Преимущества плазменной технологии:

• высокая концентрация теплоты;

• высокая стабильность горения, что обеспечивает лучшее качество сварных швов;

• возможность сварки металлов до 10 мм без разделки кромок и применения присадочных материалов;

• возможность вести сварку на низких токах 0,1–25 А, в режиме микроплазменной сварки листов металла толщиной 0,01–0,8 мм;

• при увеличении тока дуги и расхода газа проникающая плазменная дуга позволяет вести резку любых современных материалов;

• введением в плазменную дугу присадочных металлов производят напыление, наплавку любых металлов, от легкоплавких и до тугоплавких;

• возможность сваривать металлы с неметаллами;

• минимальная, по сравнению с другими способами, зона термического влияния;

• более низкие термические деформации по сравнению с другими видами сварки;

• возможность обработки (сварка, напыление, резка) тугоплавких, жаропрочных металлов;

• пониженный расход защитных газов по сравнению с аргонно-дуговой сваркой;

• высокотехнологичный процесс, возможность автоматизации.

Онлайн библиотека litra.info

Рис. 9.

Схема получения плазменных источников нагрева:

а – плазменная струя, выделенная из дуги; б – плазменная дуга, совмещенная с плазменной струей.

Онлайн библиотека litra.info

Рис. 10. Конструкция микроплазменной горелки:

1 – корпус горелки; 2 – втулка керамическая; 3 – зажимная цанга; 4 – вольфрамовый электрод; 5 – металлическое сопло; 6 – керамическое сопло; 7 – металлический корпус (неразъемный); 8 – керамическая изоляционная втулка; 9 – пружина; 10 – верхняя часть корпуса; 11 – кольцо опорное; 12 – гайка для зажима цанги; 13, 14 – винт и головка для регулировки зазора; 15 – защитный колпачок; 16 – кнопка для перемещения электрода к соплу.

Недостатки плазменной технологии:

• высокочастотный шум в комбинации с ультразвуком;

• электромагнитное излучение оптического диапазона (УФ, ИК, видимый спектр);

• ионизация воздуха;

• выделение паров материала в виде аэрозолей;

• недолговечность сопла плазменной горелки вследствие высокотемпературной нагрузки;

• сложность аппаратуры требует подготовки высоко-квалифицированного персонала.