Плазменная сварка

а) высокой электрической прочностью, так как дежурная дуга возбуждается с помощью высоковольтного высокочастотного разряда осциллятора; 
б) высокой механической прочностью; 
в) высокой плотностью и непроницаемостью, так как через него проходят каналы для плазмообразующего газа и охлаждающей воды.

Генерируемая плазмотроном сжатая режущая дуга служит преобразователем электрической энергии в тепловую. Поэтому она как элемент электрической цепи характеризуется электрическими параметрами (током, напряжением), а как источник теплоты - тепловыми (температурой, теплосодержанием). Напряжение сжатой дуги зависит от конструктивных размеров плазмотрона (диаметра и длины канала сопла), от тока, состава и расхода плазмообразующего газа и расстояния от торца сопла до поверхности разрезаемого материала. Температура плазмы является исходным тепловым параметром плазмотрона. Она изменяется как по сечению столба дуги, так и вдоль ее оси. Температура, так же как и напряжение, зависит от многих параметров режима. Определяющими из них являются ток, состав и расход плазмообразующего газа, диаметр столба плазменной дуги (степень сжатия дуги).

Важным тепловым параметром сжатой дуги является ее теплосодержание (энтальпия), т.е. количество теплоты, содержащейся в единице объема или массы  струи. Теплосодержание молекулярных газов (N2, Н2) на порядок выше одноатомных (Аг, Не), и их использование в качестве плазмообразующей среды в энергетическом отношении более выгодно. Кроме того, уменьшаются потери тепловой энергии на излучение в окружающую среду и в стенки сопла плазмотрона. Кроме перечисленных параметров сжатая дуга характеризуется скоростью течения потока плазмы. Благодаря термическому и механическому воздействию столб дуги проникает и погружается в толщу металла. За счет этого металл из полости реза выплавляется и выдувается.

В отличие от газокислородной резки, при которой пламя выделяет мало теплоты, имеет относительно низкую температуру и для врезания в металл требуется затратить некоторое время на местный подогрев разрезаемого металла до температуры его воспламенения в струе кислорода, плазменная дуга вследствие высокой температуры и скорости потока плазмы врезается в металл почти мгновенно вне зависимости от природы материала и его теплофизических свойств.

При оптимальном соотношении толщины  разрезаемого металла, мощности сжатой дуги Р и скорости резки столб дуги проникает на всю толщину металла, и анодное пятно располагается в нижней его части. При этих условиях обеспечивается получение практически вертикальных кромок реза без грата. Увеличение скорости резки способствует фиксации анодного пятна выше уровня нижней плоскости реза, что приводит к отставанию фронта плавления в нижней части и сужению реза в ней. Чрезмерное увеличение скорости резки приводит к неполному прорезанию металла. При снижении скорости резки ниже оптимальной ширина реза в нижней части резко увеличивается.

Выбор плазмообразующего газа следует  осуществлять исходя из особенностей и типа плазмотрона с вольфрамовым, гафниевым или другим типом катода. Аргон нецелесообразно использовать при плазменной резке как с  точки зрения качества резки и  ее производительности, так и из условий высокой стоимости аргона. Плазменная резка в среде технического азота является надежным, экономичным и высокопроизводительным процессамд и рекомендуется практически для резки всех конструкционных материалов. Так, при резке коррозионно-стойких сталей толщиной до 40 мм производительность примерно равна производительности процесса при использовании сжатого воздуха и в 2...3 раза выше, чем при использовании аргона. С увеличением толщины разрезаемого материала производительность резки при использовании азота выше, чем при использовании сжатого воздуха. Это достигается увеличением допустимой силы тока при заданных параметрах катода и сопла плазмотрона. Плазменная резка в воздушной среде обладает некоторыми преимуществами. К ним относятся: отсутствие затрат на производство плазмообразующего газа и увеличение производительности при резке углеродистых и низколегированных сталей. Недостатками процесса являются: низкая стойкость электродов из циркония и гафния и возможность насыщения поверхности реза газами, входящими в состав воздуха.

Чтобы осуществить плазменную разделительную резку металла, необходимо расплавить определенный объем его вдоль  линии реза и удалить затем  из полости реза скоростным потоком  плазмы. Для выплавления требуемого объема металла по линии реза нужно подвести определенное количество теплоты. Эта теплота поступает в обрабатываемый материал от столба плазменной дуги и носит название эффективной мощности дуги q.

Величина q имеет определенное значение для данного материала, ниже которой резка невозможна.

Расплавленный теплотой плазменной дуги металл, образующийся на лобовой поверхности  реза, удаляется скоростным потоком  плазменной струи. Скорость потока плазмы возрастает с увеличением расхода  плазмообразующего газа и уменьшается с увеличением диаметра сопла. Скорость истечения расплавленного металла из зоны реза зависит от скорости потока плазмы на границе раздела расплавленный металл - поток плазмы в нижней части разрезаемого металла. Скорость истечения потока плазмы может достигать 800 м/с при величине тока 250 А. В этом случае при резке металла толщиной 5 = 5. .20 мм со скоростью vp= 1...6 м/мин и ширине реза 4.6 мм, скорость истечения расплавленного металла из нижней части реза составляет 20...40 м/с.

Под воздействием плазменной струи на передней стенке реза можно выделить три характерных участка, на которых действуют свои механизмы взаимодействия теплового потока плазменной струи с разрезаемым материалом. На 1-м участке (от верхней поверхности разрезаемого металла до нижней точки анодного пятна) плавление металла идет за счет тепловой энергии столба плазменной дуги. Регулирование теплового потока по толщине металла происходит за счет отставания оси плазменной дуги от фронта плавления. На 2-м участке формирование теплового потока происходит за счет увеличения теплопроводности плазмообразующего газа при снижении его температуры, которая резко снижается по мере удаления рассматриваемого сечения сжатой дуги от торца плазмотрона. В этой области к тепловой энергии потока плазмы добавляется энергия от анодного пятна дуги, что приводит к некоторому опережению фронта плавления по отношению к другим его частям. Однако эта энергия много меньше энергии потока плазмы На 3-м участке формирование теплового потока осуществляется за счет уменьшения ширины реза в нижней его части. Расплавленный металл удаляется с фронта плавления силовым потоком плазменной струи.

Плазменная  резка алюминия и его сплавов  может выполняться с использованием в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха или кислорода. При резке с использованием кислорода скорость процесса снижается примерно на 10%. Режимы плазменной резки могут изменяться в широких пределах в зависимости от требуемого качества реза, диаметра и длины канала сопла плазмотрона, расхода плазмообразующего газа и других параметров.

При плазменной резке титана и его сплавов  проводят специальные технологические  мероприятия с целью получения  поверхности реза, не требующей последующей  механической обработки, которую отличает высокая трудоемкость и низкая технологичность. Трудности возникают прежде всего из-за окисления и газонасыщения поверхностных слоев реза. Азот, кислород и водород, проникая в металл, образуют твердые растворы внедрения, обладающие повышенной твердостью и низкой пластичностью и ударной вязкостью. Эта особенность титана и его сплавов обусловливает ведение процесса резки с возможно большей скоростью для обеспечения его минимальной длительности. Если это невозможно, то место резки защищают дополнительно инертным газом, либо ведут резку с использованием аргона в качестве плазмообразующего газа.

Плазменно-воздушная  резка малоуглеродистой стали толщиной до 80 мм и цветных металлов тещиной  до 60 мм является недорогим и эффективным  способом резки. Предельную толщину  разрезаемого металла определить практически невозможно, так как она зависит от технологии процесса и требований к качеству реза. В настоящее время максимальную толщину разрезаемого металла ограничивают толщиной 160 мм. Благодаря высокой температуре столба дуги плазменная резка является универсальным процессом, так как свойства разрезаемого металла практически не оказывают влияния на процесс резки.

Обжатие дуги 
Об обжатии дуги при плазменной сварке - резке, с наглядными иллюстрациями. 
Несмотря на разнообразие конструкций дуговых плазмотронов, принцип действия их одинаков и основан на принудительном охлаждении и сжатии столба дуги жидкостью или, чаще всего, потоком газа. Существует два типа плазмотронов: с дугой прямого действия (рис., а) и с дугой косвенного действия (рис., б). В обоих типах плазмотронов одним из электродов является стержень с закрепленным на нем тугоплавким наконечником (в большинстве случаев из вольфрама). Ниже рассматривается наиболее распространенный вид плазмотронов тока, в которых электрод является катодом.

 
Принципиальные схемы плазмотронов 
а - с дугой прямого действия и аксиальной стабилиза- цией плазменной струи; б - с дугой косвенного действия и вихревой стабилизацией плазменной струи; 1 - элект- род; 2 - газовая камера; 3 - изоляционная прокладка; 4 - сопло; 5 - обрабатываемое изделие; 6 - источник питания

Электродный стержень 1 вмонтирован в цилиндрической камере 2, оканчивающейся медным наконечником-соплом 4 с отверстием, соосным со стержнем. Электрод и сопло обычно выполнены  из меди электрически изолированы друг от друга прокладкой 3 и охлаждаются проточной водой. В плазмотронах с дугой косвенного действия анодом является сопло. Дуга, возбуждаемая между электродом и соплом (чаще всего пробоем промежутка искровым высокочастотным разрядом), проходит через сопло под давлением рабочего газа, подаваемого в камеру. Анодное пятно дуги перемещается по внутренней стенке канала сопла, а столб оказывается жестко стабилизированным по оси электрода и сопла. Часть рабочего газа, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи. Наружный слой газа, омывающий столб дуги, остается относительно холодным и образует электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла, предохраняя сопло от разрушения. Кроме того, наружный слой газа усиленно охлаждает столб дуги, в результате чего сечение столба уменьшается, а плотность тока и температура возрастают. При этом за счет уменьшения диаметра столба усиливается сжимающее действие на дугу ее собственного магнитного поля. Таким образом, в плазмотроне термическое сжатие (термический пинч-эффект) вызывает усиление магнитного сжатия (магнитного пинч-эффекта). Плотность тока дуги в плазмотронах достигает 100 а/мм2, т. е. на порядок выше плотности тока свободной дуги. Температура достигает нескольких десятков тысяч градусов. При выходе из сопла поток плазмы несколько расширяется, т. е. сопло является как бы диафрагмой, перетягивающей плазменный столб. Это приводит к возникновению осевого градиента давления собственного магнитного поля дуги, повышающего скорость истечения плазменной струи из сопла до значений, превышающих скорость звука.

В плазмотронах с дугой прямого действия анодом является обрабатываемое изделие, сопло же является электрически нейтральным и служит для сжатия и стабилизации столба дуги. Принцип сжатия столба дуги здесь тот же, что и в плазмотронах с дугой косвенного действия. В отличие от плазмотронов с дугой косвенного действия плазменная струя, истекающая из плазмотрона с дугой прямого действия, совмещена со столбом дуги и поэтому имеет более высокую температуру и тепловую мощность. Непосредственное возбуждение дуги между электродом и изделием через узкий канал сопла осуществить трудно. Поэтому первоначально обычно возбуждается вспомогательная дуга между электродом и соплом, питаемая чаще всего от того же источника через токоограничивающее сопротивление R, а затем, как только ее факел коснется изделия, автоматически зажигается основная дуга между электродом и изделием, а вспомогательная дуга при устойчивом горении основной отключается.

В плазмотронах с дугой косвенного действия тепловая энергия от дуги к обрабатываемому изделию передается лишь струей плазмы, нагреваемой столбом дуги. Такого типа плазмотроны применяются в основном для обработки неэлектропроводных материалов (напыление, сфероидезация, нагрев, химический синтез и др.). В плазмотронах с дугой прямого действия в обрабатываемое изделие вводится дополнительная доля тепла за счет электронного тока. К. п. д. таких плазмотронов значительно выше и поэтому их целесообразно применять для резки, сварки, наплавки и других видов обработки металлов. В обоих типах плазмотронов газовая стабилизация бывает аксиальной и вихревой. При аксиальной стабилизации (рис. а) газ проходит вдоль катода, охлаждает его и выходит через отверстие сопла. На рис, б газ поступает в камеру через тангенциальные отверстия и двигается по спирали, омывая столб дуги вихревым потоком. Часто для сварки и резки применяются плазмотроны с двойным или комбинированным газовым потоком. Такие плазмотроны имеют два сопла. Газ, подаваемый во внутреннее сопло, условно можно назвать первичным, а в наружное - вторичным. Первичный и вторичный газы могут быть разными по назначению, составу и расходу. При резке первичный (обычно инертный) газ выполняет функции защиты от воздействия окружающей среды вольфрамового катода, вторичный (обычно активный молекулярный) газ является плазмообразующим, режущим. При сварке газ, подаваемый в наружное сопло, способствует сжатию плазменной струи, образуемой первичным газом, и защищает от действия окружающей среды околошовную зону свариваемого металла.

Энергетические свойства плазменной дуги 
Рассмотрены такие свойства как температура дуги, энтальпия дуги, 
вольт амперная характеристика плазменной дуги.

 
Плазменная дуга - преобразователь электрической энергии в тепловую. Поэтому с одной стороны, как элемент электрической цепи, она характеризуется электрическими параметрами (током, напряжением), а с другой стороны, как источник тепла,- тепловыми параметрами (температурой, теплосодержанием). Существует сложная взаимосвязь между параметрами первой и второй группы. Структурно плазменную дугу постоянного тока можно представить в виде ряда характерных участков, последовательно расположенных вдоль ее оси. Плазменная дуга, к примеру, прямого действия (см. рис.) состоит из катодной области (1), досоплового (2), внутрисоплового (3) и засоплового(4) участков столба и анодной области(5), расположенной практически на обрабатываемом изделии. Обозначим их u1 - u5 соответственно. Соответственно напряжение дуги является суммой падений напряжения на этих участках.

Uд = U1 + U2 + U3 + U4 + U5

Подобным образом рассчитывается напряжение дуги косвенного действия, за исключением того, что анодная  область не входит в сумму падений  напряжений. На внутрисопловом участке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал, при том за срезом сопла по мере удаления от него электропроводный диаметр столба увеличивается и на изделии достигает величины, а температура и скорость течения плазменной струи уменьшаются. 
На внутрисопловом участке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал, при том за срезом сопла по мере удаления от него электропроводный диаметр столба увеличивается и на изделии достигает величины, а температура и скорость течения плазменной струи уменьшаются. Обычно сумма катодного и анодного падений напряжения составляют малую долю общего напряжения плазменной дуги. В зависимости от тока и степени сжатия дуги в плазмотронах с вольфрамовым катодом величина и1 изменяется в пределах 5-8 В, а с циркониевым катодом в пределах 10-12 В. Величина U5 практически мало зависит от материала анода, плазмообразующей среды, тока и составляет 5-6 В. Таким образом, напряжение плазменной дуги определяется в основном напряженностью поля и длиной участков, составляющих столб дуги. Падения напряжений на участках(2) и (3) приблизительно одинаковы (при равной длине)