Un arco de plasma es un arco de argón con electrodo de tungsteno comprimido con alta densidad de energía, temperatura y fuerza de arco. El arco de plasma se obtiene mediante tres efectos de compresión:
1) Compresión mecánica: La expansión restringida del área de la sección transversal de la columna de arco, causada por la apertura de la boquilla de cobre refrigerada por agua, se conoce como compresión mecánica.
2) Compresión térmica: El agua de refrigeración en la tobera forma una capa de gas frío cerca de la pared interior de la tobera, reduciendo el área conductora efectiva de la columna de arco. Esto aumenta aún más la densidad de energía y la temperatura de la columna de arco. Este efecto, conseguido mediante el enfriamiento del agua para aumentar aún más la temperatura y la densidad de energía de la columna de arco, se conoce como compresión térmica.
3) Compresión electromagnética: Debido a los efectos de compresión mencionados, la densidad de corriente del arco aumenta, y la fuerza de contracción electromagnética generada por el propio campo magnético de la corriente del arco se hace más fuerte. El resultado es una mayor compresión del arco, conocida como compresión electromagnética.
(1) Arco no transferido
El arco no transferido arde entre el electrodo de wolframio y la boquilla. Durante la soldadura, el polo positivo de la fuente de potencia está conectado a la boquilla de cobre refrigerada por agua, mientras que el polo negativo está conectado al electrodo de tungsteno. La pieza no está conectada al circuito de soldadura. El arco se realiza mediante la eyección a alta velocidad de gas plasma. Este tipo de arco es adecuado para soldar o cortar metales finos y no metálicos.
(2) Arco transferido
El arco transferido arde directamente entre el electrodo de wolframio y la pieza. Durante la soldadura, el arco no transferido entre el electrodo de tungsteno y la boquilla se enciende primero y, a continuación, el arco se transfiere al electrodo de tungsteno y a la pieza. La boquilla no está conectada al circuito de soldadura durante el funcionamiento. Este tipo de arco se utiliza para soldar metales más gruesos.
(3) Arco combinado
Por arco combinado se entiende un arco en el que coexisten el arco transferido y el arco no transferido. El arco mixto puede mantener la estabilidad a corrientes muy bajas, lo que lo hace especialmente adecuado para soldar chapas finas y ultrafinas.
(1) La curva característica estática de arco del arco de plasma es significativamente diferente de la del arco TIG:
(2) La temperatura del arco es alta, oscilando entre 24000K y 50000K, con una alta densidad de potencia y una densidad de energía de 105-106W/cm2. Por el contrario, el arco TIG tiene un rango de temperatura de 10000-24000K y una densidad de potencia inferior a 104W/cm2.
(3) La rigidez es alta, con un gran factor de concentración del arco.
(4) El calor generado por la columna de arco tiene un efecto significativo en el calentamiento de la pieza.
(I) Características
Debido a su alta densidad de energía, temperatura y rigidez, el arco de plasma tiene las siguientes ventajas en comparación con el convencional soldadura por arco:
1) Gran capacidad de penetración, capaz de soldar a través de chapas de acero inoxidable con un espesor de 8-10 mm sin necesidad de biselado ni alambre de relleno.
2) La calidad del costura de soldadura no es sensible a los cambios en la longitud del arco. Esto se debe a que la forma del arco es cercana a la cilíndrica y tiene buena rectitud. La variación de la longitud del arco tiene un impacto mínimo en el área del punto de calentamiento, lo que facilita la obtención de formas uniformes del cordón de soldadura.
3) El electrodo de wolframio está encastrado dentro de una boquilla de cobre refrigerada por agua, lo que evita el contacto con la pieza de trabajo y previene la aparición de inclusiones de wolframio en el metal de soldadura.
4) El arco de plasma tiene un alto grado de ionización, lo que lo hace estable incluso a bajas corrientes, permitiendo la soldadura de piezas de precisión en miniatura.
Las desventajas de la soldadura por arco de plasma son las siguientes:
1) Limitado espesor de soldadurageneralmente por debajo de 25 mm.
2) La pistola de soldadura y el circuito de control son complejos, y la boquilla tiene una vida útil baja.
3) Existen múltiples parámetros de soldaduraEl operador de soldadura debe poseer un alto nivel de competencia técnica.
(2) Aplicaciones
La soldadura por arco de plasma puede utilizarse para soldar diversos metales que pueden soldarse con gas inerte de tungsteno (TIG), como el acero inoxidable, el aluminio y el acero inoxidable. aleaciones de aluminiotitanio y aleaciones de titanio, níquel, cobre y aleación Monel. Este método de soldadura puede aplicarse en la industria aeroespacial, la aviación, la energía nuclear, la electrónica, la construcción naval y otros sectores industriales.
1. Clasificación: Pistola de soldadura por arco de plasma, pistola de corte, pistola de pulverización.
2. Componentes
Los componentes principales son el electrodo, el portaelectrodo, la boquilla comprimida, el aislador intermedio, el cuerpo superior de la pistola, el cuerpo inferior de la pistola y el manguito de refrigeración. Los componentes más críticos son la boquilla y el electrodo.
1. Boquilla
Clasificación: En función del número de orificios de la boquilla, existen dos tipos: de orificio único y de orificios múltiples.
En las toberas de orificios múltiples, además del orificio central principal, hay varios orificios pequeños a los lados izquierdo y derecho del orificio principal. El gas plasma expulsado por estos pequeños orificios tiene un efecto compresivo adicional sobre el arco de plasma, provocando que la sección transversal del arco de plasma se vuelva elíptica. Cuando el eje largo de la elipse es paralelo a la dirección de soldadura, puede aumentar significativamente el velocidad de soldadura y reducir la anchura de la zona afectada por el calor.
Los parámetros más importantes de la forma de la boquilla son la abertura de compresión y la longitud del canal de compresión.
1) Apertura de la boquilla (dn):
El dn determina el diámetro y la densidad de energía del arco de plasma. Un diámetro más pequeño da como resultado una mayor compresión del arco, pero si es demasiado pequeño, puede provocar una disminución de la estabilidad del arco de plasma, llegando incluso a causar doble arco y daños en la boquilla. La selección de dn debe basarse en la corriente de soldadura, el tipo de gas plasma y el caudal.
2) Longitud del canal de la tobera (l0):
Bajo una cierta apertura de compresión, un l0 más largo proporciona una compresión más fuerte del arco de plasma. Sin embargo, si l0 es demasiado grande, el arco de plasma se vuelve inestable. Normalmente se requiere que la relación l0/dn esté dentro de un cierto rango. Para el arco de transferencia, suele ser de 1,0-1,2, y para el arco mixto, de 2-6.
3) Ángulo cónico (α):
El ángulo cónico tiene poco impacto en la compresión del arco de plasma y puede oscilar entre 30° y 180°. Sin embargo, es preferible que coincida con la forma de la punta del electrodo para garantizar un anclaje estable del punto anódico en la punta del electrodo. Durante la soldadura, el ángulo es generalmente de 60° a 90°.
Material de la boquilla:
La boquilla suele ser de cobre y se refrigera directamente con agua.
Electrodo:
1) Material:
En la soldadura por arco de plasma se suelen utilizar electrodos de tungsteno toriado o electrodos de tungsteno ceriado. En algunos casos, pueden utilizarse electrodos de tungsteno circoniado o electrodos de circonio. Por lo general, los electrodos de wolframio requieren refrigeración por agua. Para aplicaciones de baja corriente, se utiliza la refrigeración indirecta por agua, y el electrodo de wolframio tiene forma de varilla. Para aplicaciones de alta corriente, se utiliza la refrigeración directa por agua, y el electrodo de tungsteno tiene una estructura incrustada.
2) Forma:
La punta de un electrodo en forma de varilla suele esmerilarse para darle una forma de cono afilado o de plataforma cónica. Para aplicaciones con corrientes más altas, también se puede rectificar en forma esférica para reducir el quemado.
3) Longitud de contracción interior y concentricidad:
A diferencia de Soldadura TIGEn la soldadura por plasma, el electrodo de wolframio se contrae generalmente dentro de la boquilla comprimida. La distancia desde la superficie exterior de la boquilla hasta la punta del electrodo de tungsteno se conoce como longitud de contracción interior (lg).
Para garantizar la estabilidad del arco y evitar el doble arco, el electrodo de tungsteno debe estar concéntrico con la boquilla, y la longitud de contracción interior (lg) del electrodo de tungsteno debe ser la adecuada (lg = l0 ± 0,2 mm).
3. Métodos de suministro de gas:
a) Tangencial: Este método proporciona una alta compresión, con baja presión en el centro y alta presión en la periferia. Ayuda a estabilizar el arco en el centro.
b) Radial: Este método proporciona una compresión menor en comparación con el método tangencial.
1. Arco dual
En condiciones normales, se forma un arco transferido entre el electrodo de wolframio y la pieza.
Sin embargo, en determinadas situaciones anómalas, puede producirse un arco paralelo, conocido como arco dual, que arde entre el electrodo de wolframio y la boquilla, así como entre la boquilla y la pieza.
2. Mecanismo de generación de arco dual
Teoría de la rotura de la película de gas frío
3. Causas y medidas de prevención de la generación de arco dual
1. En determinadas condiciones actuales, la abertura de compresión de la boquilla es demasiado pequeña o la longitud del canal de compresión es demasiado larga, lo que provoca una longitud de contracción interna excesiva.
2. Flujo insuficiente de gas plasma.
3. Desviación excesiva entre el eje del electrodo de wolframio y el eje de la boquilla.
4. Obstrucción de la boquilla debido a salpicaduras de metal.
5. Características externas incorrectas de la fuente de alimentación.
6. Distancia incorrecta entre la boquilla y la pieza.
Existen tres métodos: el tipo de perforación, el tipo de fusión y la soldadura por arco de plasma microhaz.
(1) Soldadura por arco de plasma tipo perforación
Al utilizar una corriente de soldadura y un flujo de plasma mayores, el arco de plasma tiene una densidad de energía y una fuerza de flujo de plasma mayores. La pieza se funde por completo y forma un pequeño orificio que penetra en la pieza bajo la acción de la fuerza del flujo de plasma, mientras que el metal fundido se expulsa alrededor del pequeño orificio.
A medida que el arco de plasma se mueve en la dirección de la soldadura, el metal fundido se desplaza a lo largo de las paredes del arco y cristaliza formando un cordón de soldadura detrás del baño de soldadura, mientras que el pequeño orificio avanza con el arco de plasma.
Es adecuado para la soldadura por un solo lado y el conformado por ambos lados, y sólo puede utilizarse para la soldadura por un solo lado y el conformado por ambos lados.
Cuando se sueldan piezas finas, se puede conseguir sin biselar, acolchar placas ni rellenar metal, logrando el conformado de doble cara en una sola pasada.
La generación de pequeños orificios depende de la densidad de energía del arco de plasma. Cuanto más gruesa sea la chapa, mayor será la densidad de energía necesaria. En el caso de chapas más gruesas, la soldadura por arco de plasma de tipo perforación solo puede utilizarse para el primer cordón de soldadura.
Tabla 6-1: Espesor aplicable para la soldadura por arco de plasma tipo perforación
| Material | Acero inoxidable | Titanio y aleaciones de titanio | Níquel y aleaciones de níquel | Bajo acero aleado | Acero bajo en carbono |
| Límite de espesor de soldadura /mm | 8 | 12 | 6 | 7 | 8 |
(2) Soldadura por arco de plasma tipo fusión
Utilizando un caudal de gas plasma inferior, la fuerza de flujo del plasma es menor, y la capacidad de penetración del arco es baja.
Características:
(3) Soldadura por arco de plasma microhaz
Una fusión de baja corriente (normalmente menos de 30 A) proceso de soldadura.
Características del equipamiento:
Características del proceso:
(4) Soldadura por arco de plasma pulsado
Utiliza corriente pulsada por debajo de 15 Hz en lugar de corriente continua estable. El arco es más estable, lo que reduce la zona afectada por el calor (ZAC) y la distorsión.
(5) Soldadura por plasma de corriente alterna
Generalmente utiliza una fuente de alimentación de onda cuadrada para soldar aleaciones de aluminio.
(6) Arco de plasma transferido
De hecho, es una combinación de arco transferido y arco de plasma, y existen dos formas:
(1) Forma de junta y bisel
La forma de la junta se selecciona en función del grosor de la chapa:
(2) Corriente de soldadura y apertura de la boquilla
La corriente de soldadura se selecciona siempre en función del grosor de la chapa o de los requisitos de penetración. Si la corriente es demasiado baja, es posible que la soldadura no penetre y no se forme un orificio pequeño. Si la corriente de soldadura es demasiado alta, el metal fundido puede descender debido al gran diámetro del orificio.
La apertura de la boquilla se selecciona en función de la corriente de soldadura, y deben ajustarse adecuadamente. También está relacionada con el caudal del gas plasma.
(3) Gas plasma
El gas plasma y gas protector suelen seleccionarse en función del metal que se suelda y de la magnitud de la corriente. Cuando se utilizan corrientes de soldadura elevadas en la soldadura por arco de plasma, suele ser aconsejable utilizar el mismo gas para el gas de plasma y el gas de protección, ya que el uso de gases diferentes puede dar lugar a una mala estabilidad del arco.
La Tabla 6-5 enumera los gases típicos utilizados para la soldadura por arco de plasma de alta corriente de diversos metales. Para la soldadura por arco de plasma de baja corriente, se utiliza comúnmente gas argón puro como gas plasma. Esto se debe a que el gas argón tiene un voltaje de ionización más bajo, lo que asegura una fácil ignición del arco.
| Metal | Espesor/mm | Técnica de soldadura | |
| Método de perforación | Método de fusión | ||
| Acero al carbono (acero aluminizado) | ＜3.2 | Ar | Ar |
| ＞3.2 | Ar | 25%Ar+75%He | |
| Acero de baja aleación | ＜3.2 | Ar | Ar |
| ＞3.2 | Ar | 25%Ar+75%He | |
| Acero inoxidable | ＜3.2 | Ar o 92,5% Ar + 7,5% H2 | Ar |
| ＞3.2 | Ar o 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
| ＞3.2 | Ar o 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
| Metales reactivos | <6.4 | Ar | Ar |
| >6.4 | Ar+（50%-70%）He | 25%Ar+75%He | |
El caudal del gas plasma determina directamente la fuerza de flujo del plasma y la capacidad de penetración. Cuanto mayor sea el caudal del gas plasma, mayor será la capacidad de penetración. Sin embargo, si el caudal del gas plasma es demasiado alto, el diámetro del pequeño orificio puede llegar a ser demasiado grande, lo que puede afectar a la formación de la soldadura.
Por lo tanto, es necesario seleccionar un caudal adecuado del gas plasma en función del diámetro de la boquilla, el tipo de gas plasma, la corriente de soldadura y la velocidad de soldadura.
Cuando se utiliza el método de fusión, es necesario reducir adecuadamente el caudal del gas plasma para minimizar la fuerza de flujo del plasma.
(4) Velocidad de soldadura
La velocidad de soldadura debe seleccionarse en función del caudal del gas plasma y de la corriente de soldadura, asegurándose de que los tres parámetros se ajustan adecuadamente. Cuando las demás condiciones son constantes, al aumentar la velocidad de soldadura se reduce el aporte de calor y disminuye el diámetro del pequeño orificio hasta que desaparece.
Sin embargo, un aumento excesivo de la velocidad de soldadura puede provocar socavaduras o porosidad.
Por otro lado, si la velocidad de soldadura es demasiado baja, el metal base puede sobrecalentarse y el metal fundido puede descender. Por lo tanto, la velocidad de soldadura, el caudal del gas plasma y la corriente de soldadura deben estar bien ajustados.
(5) Distancia boquilla-pieza
Si la distancia es demasiado grande, disminuye la capacidad de penetración. Si la distancia es demasiado pequeña, puede provocar el bloqueo de la boquilla. Generalmente, la distancia se establece entre 3 y 8 mm. En comparación con la soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG), la variación de la distancia de la boquilla tiene menos impacto en la calidad de soldadura.
(6) Caudal de gas de protección
El caudal de gas de protección debe seleccionarse en función de la corriente de soldadura y del caudal de gas plasma. Por debajo de un determinado caudal de gas plasma, un caudal excesivo de gas de protección puede interrumpir el flujo de gas, afectando a la estabilidad del arco y a la eficacia de la protección.
Por otra parte, un caudal demasiado bajo del gas de protección puede dar lugar a una protección inadecuada. Por lo tanto, el caudal de gas de protección debe guardar una proporción adecuada con el caudal de gas plasma.
Para la soldadura de tipo perforación, el caudal del gas de protección suele oscilar entre 15 y 30 L/min.
(7) Iniciación y terminación del arco
Cuando se utiliza el método de perforación para soldar placas gruesasLos defectos como la porosidad y la socavación son propensos a producirse en los puntos de iniciación y terminación del arco.
Para las uniones a tope, se utilizan placas de iniciación y terminación del arco. El arco se inicia primero en la placa de iniciación, luego pasa a la pieza y finalmente se termina en la placa de terminación, cerrando el pequeño orificio.
Sin embargo, para las juntas circunferenciales no se pueden utilizar placas de iniciación y terminación del arco. En su lugar, se utiliza un método de aumento gradual de la corriente de soldadura y del caudal de gas plasma para iniciar el arco en la pieza de trabajo, y el arco se cierra reduciendo gradualmente la corriente y el caudal de gas plasma para cerrar el pequeño orificio.
1. Principio de corte
Principio de fusión y soplado: El arco de plasma funde completamente la pieza, y la fuerza mecánica de lavado a alta velocidad del chorro de plasma sopla el metal o no metal fundido, formando un corte estrecho.
Corte con gas: Utiliza la combustión y el soplado.
Ventajas:
Desventajas:
2. Técnicas de corte
1. Gas plasma
1) Tipos
2) Caudal
El caudal de gas plasma es mucho mayor que el utilizado en soldadura, ya que el arco de plasma requiere un arco más duro.
2. Parámetros del proceso
1) Tensión en vacío:
No sólo afecta al rendimiento del encendido del arco, sino que también influye en su rigidez. Una tensión en vacío más alta da como resultado un arco más fuerte y una mayor fuerza de barrido, lo que permite una mayor velocidad y espesor de corte.
2) Corriente y tensión del arco:
Aumentar la corriente y la tensión del arco puede aumentar el grosor y la velocidad de corte, siendo la tensión la que tiene un efecto más significativo. Sin embargo, el aumento de la corriente puede provocar la formación de un arco doble y mayores corte.
3) Velocidad de corte:
Se recomienda maximizar la velocidad al tiempo que se garantiza una penetración completa. Aumentar la velocidad de corte mejora la productividad y reduce la deformación y la zona afectada por el calor. Corte lento Las velocidades más altas se traducen en una menor productividad, un mayor riesgo de formación de escoria y una zona afectada por el calor más amplia.
4) Distancia boquilla-pieza:
Generalmente, se prefiere una distancia de 8-10 mm. Aumentar la distancia aumenta la potencia del arco, pero también conlleva una mayor disipación del calor, una menor eficacia del arco, una menor fuerza de limpieza y un mayor riesgo de formación de escoria. También es más propenso a los arcos dobles. Por el contrario, una distancia demasiado baja puede provocar el bloqueo de la boquilla.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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