Плазменно-дуговая сварка: Объяснения | MachineMFG

Плазменно-дуговая сварка: Объяснение

0
(0)

1. Характеристики плазменной дуги и ее генератора

1. Формирование плазменной дуги

Плазменная дуга - это сжатая аргоновая дуга с вольфрамовым электродом, обладающая высокой плотностью энергии, температурой и силой дуги. Плазменная дуга получается благодаря трем эффектам сжатия:

1) Механическое сжатие: Ограниченное расширение площади поперечного сечения дугового столба, вызванное отверстием медной насадки с водяным охлаждением, называется механическим сжатием.

2) Тепловое сжатие: Охлаждающая вода в насадке образует слой холодного газа у внутренней стенки насадки, уменьшая эффективную площадь проводимости столба дуги. Это еще больше увеличивает плотность энергии и температуру столба дуги. Этот эффект, достигаемый за счет охлаждения воды для дальнейшего повышения температуры и плотности энергии столба дуги, известен как термическое сжатие.

3) Электромагнитное сжатие: Вследствие вышеупомянутых эффектов сжатия плотность тока дуги увеличивается, и электромагнитная сила сжатия, создаваемая собственным магнитным полем тока дуги, становится сильнее. Это приводит к дальнейшему сжатию дуги, называемому электромагнитным сжатием.

2. Классификация плазменной дуги

(1) Непередаваемая дуга

Дуга без переноса горит между вольфрамовым электродом и соплом. Во время сварки положительный полюс источника питания подключается к медному соплу с водяным охлаждением, а отрицательный полюс - к вольфрамовому электроду. Заготовка не подключается к сварочной цепи. Дуга осуществляется за счет высокоскоростного выброса плазменного газа. Этот тип дуги подходит для сварки или резки тонких металлов и неметаллов.

(2) Перенесенная дуга

Перенесенная дуга горит непосредственно между вольфрамовым электродом и изделием. Во время сварки сначала зажигается непередаваемая дуга между вольфрамовым электродом и соплом, а затем дуга передается на вольфрамовый электрод и изделие. Во время работы сопло не подключается к сварочной цепи. Этот тип дуги используется для сварки толстых металлов.

(3) Комбинированная дуга

Комбинированная дуга - это дуга, в которой сосуществуют дуга с переносом и дуга без переноса. Смешанная дуга может сохранять стабильность при очень низких токах, что делает ее особенно подходящей для сварки тонких и сверхтонких пластин.

Непередаваемая дуга
Перенесенная дуга
Комбинированная дуга

3. Характеристики плазменной дуги

(1) Кривая статической характеристики дуги плазменная дуга значительно отличается от дуги TIG:

  • 1.1 Значение E больше, что приводит к смещению вверх. Прямой участок становится более узким, а наклон восходящего участка увеличивается.
  • 1.2 Нисходящий участок комбинированной дуги не очевиден, поэтому дуга малого тока очень стабильна.

(2) Температура дуги высокая, от 24000K до 50000K, с высокой плотностью мощности и плотностью энергии 105-106 Вт/см2. В отличие от этого, дуга TIG имеет температурный диапазон 10000-24000K и плотность мощности менее 104 Вт/см2.

(3) Жесткость высокая, с большим коэффициентом концентрации дуги.

(4) Тепло, выделяемое дуговой колонной, оказывает значительное влияние на нагрев заготовки.

4. Характеристики и применение плазменно-дуговой сварки

(I) Характеристики

Благодаря высокой плотности энергии, температуре и жесткости плазменная дуга имеет следующие преимущества по сравнению с традиционной дуговая сварка:

1) Сильная проникающая способность, способная сваривать листы нержавеющей стали толщиной 8-10 мм без необходимости снятия фаски или использования присадочной проволоки.

2) Качество сварной шов не чувствителен к изменению длины дуги. Это объясняется тем, что форма дуги близка к цилиндрической и имеет хорошую прямолинейность. Изменение длины дуги оказывает минимальное влияние на площадь пятна нагрева, что позволяет легко получать однородные формы сварного шва.

3) Вольфрамовый электрод утоплен внутри медной насадки с водяным охлаждением, что позволяет избежать контакта с заготовкой и предотвратить появление вольфрамовых включений в металле шва.

4) Плазменная дуга имеет высокую степень ионизации, что делает ее стабильной даже при низких токах, позволяя сваривать миниатюрные прецизионные детали.

Недостатки плазменно-дуговой сварки заключаются в следующем:

1) Ограниченный толщина сваркиобычно менее 25 мм.

2) Сварочный пистолет и схема управления сложны, а сопло имеет низкий срок службы.

3) Существует множество параметры сваркитребует от сварщика высокого уровня технического мастерства.

(2) Приложения

Плазменно-дуговая сварка может использоваться для сварки различных металлов, которые можно сваривать с помощью сварки вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG), например, нержавеющей стали, алюминия и алюминиевые сплавытитан и титановые сплавы, никель, медь и сплав Monel. Этот метод сварки может применяться в аэрокосмической промышленности, авиации, атомной энергетике, электронике, судостроении и других отраслях промышленности.

5. Генератор плазменной дуги

1. Классификация: Пистолет для плазменно-дуговой сварки, пистолет для резки, пистолет для распыления.

2. Компоненты

Основные компоненты включают электрод, держатель электрода, сжатое сопло, промежуточный изолятор, верхний корпус пистолета, нижний корпус пистолета и охлаждающий рукав. Наиболее важными компонентами являются сопло и электрод.

1. Сопло

Классификация: По количеству отверстий сопла бывают двух типов: однодырочные и многодырочные.

В многодырочных соплах помимо основного центрального отверстия имеется множество малых отверстий по левую и правую сторону от основного отверстия. Плазменный газ, выбрасываемый из этих маленьких отверстий, оказывает дополнительное сжимающее воздействие на плазменную дугу, в результате чего поперечное сечение плазменной дуги становится эллиптическим. Если длинная ось эллипса параллельна направлению сварки, это может значительно увеличить скорость сварки и уменьшить ширину зоны теплового воздействия.

Наиболее важными параметрами формы сопла являются диафрагма сжатия и длина канала сжатия.

1) Апертура сопла (dn):

Величина dn определяет диаметр и плотность энергии плазменной дуги. Меньший диаметр приводит к большему сжатию дуги, но если он слишком мал, это может привести к снижению стабильности плазменной дуги, вплоть до возникновения двойной дуги и повреждения сопла. Выбор dn должен основываться на величине сварочного тока, типе плазменного газа и скорости потока.

2) Длина канала сопла (l0):

При определенной апертуре сжатия более длинный l0 обеспечивает более сильное сжатие плазменной дуги. Однако если l0 слишком велико, плазменная дуга становится нестабильной. Обычно требуется, чтобы отношение l0/dn находилось в определенном диапазоне. Для дуги переноса оно обычно составляет 1,0-1,2, а для смешанной дуги - 2-6.

3) Конический угол (α):

Конический угол мало влияет на сжатие плазменной дуги и может составлять от 30° до 180°. Однако предпочтительно, чтобы он соответствовал форме кончика электрода, чтобы обеспечить стабильное закрепление анодного пятна на кончике электрода. Во время сварки угол обычно составляет от 60° до 90°.

Типы форсунок

Материал сопла:

Сопло обычно изготавливается из меди и охлаждается непосредственно водой.

Электрод:

1) Материал:

Для плазменно-дуговой сварки обычно используются торированные вольфрамовые электроды или церированные вольфрамовые электроды. В некоторых случаях могут использоваться цирконированные вольфрамовые электроды или циркониевые электроды. Вольфрамовые электроды обычно требуют водяного охлаждения. Для слаботочных применений используется косвенное водяное охлаждение, а вольфрамовый электрод имеет форму стержня. Для сильноточных применений используется прямое водяное охлаждение, а вольфрамовый электрод имеет встроенную структуру.

2) Форма:

Кончик стержневого электрода обычно затачивается до формы острого конуса или конической платформы. Для приложений с большим током его также можно зашлифовать до сферической формы, чтобы уменьшить выгорание.

3) Длина и концентричность внутреннего сжатия:

В отличие от Сварка TIGПри плазменной сварке вольфрамовый электрод обычно сжимается внутри сжатого сопла. Расстояние от внешней поверхности сопла до кончика вольфрамового электрода называется длиной внутреннего сжатия (lg).

Для обеспечения стабильности дуги и предотвращения двойной дуги вольфрамовый электрод должен быть концентричен с соплом, а внутренняя длина сужения (lg) вольфрамового электрода должна быть соответствующей (lg = l0 ± 0,2 мм).

3. Способы доставки газа:

a) Тангенциальный: Этот метод обеспечивает высокую степень сжатия с низким давлением в центре и высоким давлением на периферии. Это помогает стабилизировать дугу в центре.

b) Радиальный: Этот метод обеспечивает меньшее сжатие по сравнению с тангенциальным методом.

5. Двойная дуга и меры по ее предотвращению

1. Двойная дуга

При нормальных условиях между вольфрамовым электродом и заготовкой образуется переносная дуга.

Однако в некоторых нештатных ситуациях может возникнуть параллельная дуга, известная как двойная дуга, которая горит между вольфрамовым электродом и соплом, а также между соплом и заготовкой.

2. Механизм генерации двойной дуги

Теория разрушения пленки холодного газа

3. Причины и меры по предотвращению образования двойной дуги

1. При определенных условиях течения отверстие для сжатия сопла слишком мало или длина канала сжатия слишком велика, что приводит к чрезмерной длине внутреннего сжатия.

2. Недостаточный поток плазменного газа.

3. Чрезмерное отклонение между осью вольфрамового электрода и осью сопла.

4. Засорение сопла из-за брызг металла.

5. Неправильные внешние характеристики источника питания.

6. Неправильное расстояние между соплом и заготовкой.

2. Ионно-дуговая сварка и резка.

1. Процесс плазменно-дуговой сварки

Существует три метода: перфорация, плавление и микролучевая плазменно-дуговая сварка.

(1) Плазменно-дуговая сварка перфорационного типа

Благодаря использованию большего сварочного тока и плазменного потока плазменная дуга имеет более высокую плотность энергии и силу плазменного потока. Заготовка полностью расплавляется и образует небольшое отверстие, которое проникает в заготовку под действием силы потока плазмы, а расплавленный металл вытекает вокруг небольшого отверстия.

При движении плазменной дуги в направлении сварки расплавленный металл перемещается вдоль стенок дуги и кристаллизуется в сварной шов за сварочной ванной, а небольшое отверстие движется вперед вместе с плазменной дугой.

Он подходит для односторонней сварки и двухсторонней формовки, и может использоваться только для односторонней сварки и двухсторонней формовки.

При сварке тонких заготовок это можно сделать без снятия фасок, подкладки пластин или заполнения металла, обеспечивая двухстороннее формирование за один проход.

Образование небольших отверстий зависит от плотности энергии плазменной дуги. Чем толще лист, тем выше требуемая плотность энергии. Для более толстых листов плазменная дуговая сварка перфорационного типа может использоваться только для первого сварного шва.

Тип перфорации

Таблица 6-1: Толщина, применимая для плазменно-дуговой сварки типа перфорации

МатериалНержавеющая стальТитан и титановые сплавыНикель и никелевые сплавыНизкий легированная стальНизкоуглеродистая сталь
Предельная толщина сварки
/мм
812678

(2) Плазменно-дуговая сварка плавлением

При использовании меньшего расхода плазмообразующего газа сила плазменного потока меньше, а проникающая способность дуги низкая.

Особенности:

  • Только плавит заготовку и не образует мелких отверстий, как при сварке TIG.
  • Подходит для сварки тонких листов, многослойных швов и угловых швов.

(3) Микролучевая плазменно-дуговая сварка

Низкотоковый (обычно менее 30 А) плавкий предохранитель процесс сварки.

Особенности оборудования:

  • Компрессионное сопло с малым отверстием (от 0,6 мм до 1,2 мм).
  • Комбинированная дуга. Непередаваемая дуга играет роль инициатора и поддержания дуги, обеспечивая стабильность передаваемой дуги даже при очень низких токах (всего 0,5 А).

Особенности процесса:

  • 1) Может сваривать тонкие металлы с минимальной свариваемой толщиной 0,01 мм.
  • 2) При большом изменении длины дуги дуга не разрывается, и она остается столбчатой.
  • 3) Высокая скорость сварки, узкий сварной шов, малая зона термического влияния и минимальная сварочные искажения.

(4) Импульсная плазменно-дуговая сварка

Вместо стабильного постоянного тока используется импульсный ток частотой ниже 15 Гц. Дуга более стабильна, что приводит к уменьшению зоны термического влияния (HAZ) и снижению искажений.

(5) Плазменная сварка на переменном токе

Как правило, для сварки алюминиевых сплавов используется источник питания с квадратной волной.

(6) Перенесенная плазменная дуга

По сути, это комбинация передаваемой дуги и плазменной дуги, и существует две формы:

Между соплом и изделием при плазменно-дуговой сварке.

Между вольфрамовым электродом и изделием при плазменно-дуговой сварке

2. Процесс и параметры сварки

(1) Форма соединения и скоса

Форма шва выбирается в зависимости от толщины пластины:

  • При толщине от 0,05 мм до 1,6 мм обычно используется форма соединения, показанная на рисунке ниже, а сварка производится с помощью микролучевой плазменной дуги.
  • Если толщина листа больше 1,6 мм, но меньше материала, указанного в табл. 6-4, фаска обычно не делается, а сварка выполняется методом перфорации.
  • Если толщина листа превышает предел, указанный в таблице 6-4, для многослойной сварки требуется V-образный или U-образный скос. По сравнению со сваркой TIG можно использовать меньшие скосы и большие корневые поверхности. Максимально допустимое значение корневой поверхности равно максимальной толщине сварки для метода перфорации. Первый слой сваривается методом перфорации, а остальные слои свариваются методом плавления или другим способом. методы сварки.

(2) Сварочный ток и апертура сопла

Сварочный ток всегда выбирается в зависимости от толщины листа или требований к проплавлению. Если ток слишком мал, сварной шов может не провариться и не образуется маленькое отверстие. Если сварочный ток слишком высок, расплавленный металл может провалиться из-за большого диаметра отверстия.

Апертура сопла выбирается в зависимости от сварочного тока, и они должны быть соответствующим образом подобраны. Она также связана с расходом плазмообразующего газа.

(3) Плазменный газ

Плазменный газ и защитный газ обычно выбираются в зависимости от свариваемого металла и величины тока. При использовании высоких сварочных токов в плазменно-дуговой сварке обычно рекомендуется применять один и тот же газ для плазмы и защитного газа, поскольку использование разных газов может привести к ухудшению стабильности дуги.

В таблице 6-5 перечислены типичные газы, используемые для высокотоковой плазменно-дуговой сварки различных металлов. Для плазменной дуговой сварки на малом токе в качестве плазмообразующего газа обычно используется чистый аргон. Это связано с тем, что аргон имеет более низкое напряжение ионизации, что обеспечивает легкое зажигание дуги.

МеталлТолщина/ммТехника сварки
Метод перфорацииМетод слияния
Углеродистая сталь (сталь с алюминиевым покрытием) <3.2ArAr
>3.2Ar25%Ar+75%He
Низколегированная сталь <3.2ArAr
>3.2Ar25%Ar+75%He
Нержавеющая сталь<3.2Ar или 92,5% Ar + 7,5% H2Ar
>3.2Ar или 95% Ar + 5% H225%Ar+75%He
>3.2Ar или 95% Ar + 5% H225%Ar+75%He
Реактивные металлы<6.4ArAr
>6.4Ar+(50%-70%)He25%Ar+75%He

Скорость потока плазмообразующего газа напрямую определяет силу плазменного потока и проникающую способность. Чем больше расход плазмообразующего газа, тем выше проникающая способность. Однако если расход плазмообразующего газа слишком велик, диаметр маленького отверстия может стать слишком большим, что может повлиять на формирование сварного шва.

Поэтому необходимо выбрать подходящий расход плазмообразующего газа в зависимости от диаметра сопла, типа плазмообразующего газа, сварочного тока и скорости сварки.

При использовании метода сплавления необходимо соответствующим образом уменьшить скорость потока плазмообразующего газа, чтобы минимизировать силу плазменного потока.

(4) Скорость сварки

Скорость сварки следует выбирать в зависимости от расхода плазмообразующего газа и сварочного тока, обеспечивая соответствующее соответствие всех трех параметров. При неизменных прочих условиях увеличение скорости сварки снижает подводимое тепло и уменьшает диаметр маленького отверстия вплоть до его исчезновения.

Однако чрезмерное увеличение скорости сварки может привести к образованию подрезов или пористости.

С другой стороны, если скорость сварки слишком низкая, основной металл может перегреться, а расплавленный металл - вытечь. Поэтому скорость сварки, расход плазмообразующего газа и сварочный ток должны быть хорошо подобраны.

(5) Расстояние от сопла до заготовки

Если расстояние слишком велико, проникающая способность снижается. Если расстояние слишком мало, это может привести к засорению сопла. Как правило, расстояние устанавливается в пределах от 3 до 8 мм. По сравнению со сваркой вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG), изменение расстояния между соплами оказывает меньшее влияние на качество сварки.

(6) Расход защитного газа

Расход защитного газа следует выбирать в зависимости от величины сварочного тока и расхода плазменного газа. При определенном расходе плазменного газа чрезмерный расход защитного газа может нарушить поток газа, что повлияет на стабильность дуги и эффективность защиты.

С другой стороны, слишком низкий расход защитного газа может привести к недостаточной защите. Поэтому расход защитного газа должен быть в соответствующей пропорции к расходу плазменного газа.

Для перфорационной сварки расход защитного газа обычно находится в диапазоне от 15 до 30 л/мин.

(7) Возникновение и прекращение дуги

При использовании метода перфорации для сварки толстые пластиныВ точках начала и окончания дуги могут возникать такие дефекты, как пористость и подрезы.

Для стыковых соединений используются пластины для инициирования и завершения дуги. Дуга сначала зажигается на инициирующей пластине, затем переходит на заготовку и, наконец, завершается на оконечной пластине, закрывая небольшое отверстие.

Однако для кольцевых швов нельзя использовать пластины для инициирования и прекращения дуги. Вместо этого используется метод постепенного увеличения сварочного тока и расхода плазменного газа для инициирования дуги на заготовке, и дуга закрывается путем постепенного уменьшения тока и расхода плазменного газа для закрытия небольшого отверстия.

2. Плазменно-дуговая резка

1. Принцип резки

Принцип плавления и обдува: плазменная дуга полностью расплавляет заготовку, а высокоскоростная механическая сила плазменной струи сдувает расплавленный металл или неметалл, образуя узкий разрез.

Газовая резка: Использует горение и выдувание.

Преимущества:

  • 1. Может резать любой металл: сталь, алюминий, вольфрам, медь, титан, молибден и т.д. Может резать неметаллы: гранит, огнеупорный кирпич, бетон и т.д.
  • 2. Быстрая скорость резки и высокая производительность.
  • 3. Хорошее качество резки: гладкая, небольшая зона термического влияния (HAZ), минимальная деформация, срез близок к вертикальному.

Недостатки:

  • Нагрузка на оборудование, высокое напряжение холостого хода.

2. Техника резки

1. Плазменный газ

1) Типы

  • Аргоновый газ: Низкое напряжение холостого хода (70-80 В), но низкая температура дуги, подходит для резки толщины менее 30 мм.
  • Азотный газ: Благодаря эндотермическому разложению азотного газа дуга дополнительно сжимается, что приводит к повышению температуры дуги и увеличению теплоемкости, позволяя увеличить толщину и скорость резки. Напряжение холостого хода выше 165 В.
  • Газообразный азот + газообразный водород: Еще больше повышает температуру дуги и теплопроводность, позволяя увеличить толщину и скорость резки. Напряжение холостого хода выше 300 В.
  • Газообразный азот + газообразный аргон
  • Воздух: Низкая стоимость, высокая температура дуги за счет экзотермических реакций окисления, что позволяет выполнять резку большой толщины и на высоких скоростях. Качество резки также хорошее, но вольфрамовый электрод склонен к окислению. Поэтому часто используются гафний-медные электроды или цирконий-медные композитные электроды, так как они образуют оксидную пленку, которая предотвращает дальнейшее окисление.

2) Скорость потока

Расход плазмообразующего газа намного выше, чем при сварке, поскольку плазменная дуга требует более жесткой дуги.

2. Параметры процесса

1) Напряжение холостого хода:

Оно влияет не только на эффективность зажигания дуги, но и на ее жесткость. Более высокое напряжение холостого хода приводит к более сильной дуге и большей силе вспышки, что позволяет увеличить скорость и толщину резки.

2) Ток и напряжение дуги:

Увеличение тока и напряжения дуги может увеличить толщину и скорость резки, причем напряжение оказывает более значительное влияние. Однако увеличение тока может привести к образованию двойной дуги и увеличению пропил.

3) Скорость резки:

Рекомендуется максимально увеличивать скорость, обеспечивая при этом полное проникновение. Увеличение скорости резки повышает производительность и уменьшает деформацию и зону термического влияния. Медленная резка скорости приводит к снижению производительности, повышению риска образования окалины и увеличению зоны термического влияния.

4) Расстояние от сопла до заготовки:

Как правило, предпочтительным является расстояние 8-10 мм. Увеличение расстояния увеличивает мощность дуги, но также приводит к большему отводу тепла, снижению эффективности дуги, уменьшению силы промывки и увеличению риска образования окалины. Кроме того, в этом случае чаще возникают двойные дуги. И наоборот, слишком малое расстояние может привести к засорению сопла.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх