Технология плазменной сварки металлов, особенности процесса, устройство плазматрона

Плазма - ионизированный газ, содержащий электри­чески заряженные частицы и способный проводить элект­рический ток. Ионизация газа происходит при его нагреве дуговым разрядом. Степень ионизации тем выше, чем больше температура газа. Плазма характеризуется высо­кими температурой и электропроводностью. В централь­ной части сварочной дуги газ нагревается до 8000-30 000 °С и ярко светится.

Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в плазмотронах, где нагревание газа и его иони­зация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.

Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазмотрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ио­низируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50-100 и более раз приводит к ис­течению плазмы с высокими околозвуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл.

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получа­ют по двум основным схемам. В случае плазменной дуги прямого действия она горит между электро­дом и изделием, при плазменной дуге косвенного действия - между электродом и поверхностью сопла.

Плазменная резка дугой прямого (а) и косвенного (б) дей­ствия:

1 - разрезаемый металл; 2 - плазменная струя; 3 - дуга; 4 - электрод; 5 –плазмотрон

Сжатую дугу, получаемую по первой схеме, называют плазменной дугой, а по второй - плазменной струей.

Плазмообразующий газ может служить также и защи­той расплавленного металла от воздуха. В некоторых слу­чаях для этого используют подачу отдельной струи специ­ального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещаю­щийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет по­ниженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных го­релок имеет дополнительное водяное охлаждение.

Дуговая плазменная струя - интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно использовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика (плазменная струя косвенного действия,

Тепловая эффективность дуговой плазменной струи за­висит от силы сварочного тока и напряжения, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемещения

горелки (скорости сварки или резки) и т.д. Геометриче­ская форма струи может быть также различной (квадрат­ной, круглой и т.д.) и определяется формой выходного от­верстия сопла.

Питание плазменной дуги, как правило, осуществляет­ся переменным или постоянным током прямой полярнос­ти («минус» на электроде). Возбуждают дугу с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения дуги прямого действия используют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом горелки. Для питания плазмообра-зующей дуги требуются источники сварочного тока с ра­бочим напряжением до 120 В, а в некоторых случаях и бо­лее высоким; для питания плазмотрона, используемого для резки, оптимальное напряжение холостого хода ис­точника питания 300 В.

Плазменной струей можно сваривать практически все металлы в нижнем и вертикальном положениях. В ка­честве плазмообразующего газа используют аргон или гелий, которые также могут быть и защитными. К пре­имуществам плазменной сварки относятся высокая про­изводительность и малая чувствительность к колебани­ям длины дуги.

Без скоса кромок можно сваривать металл толщиной до 15 мм с образованием провара специфической формы. Это объясняется образованием сквозного отверстия в ос­новном металле, через которое плазменная струя выходит на обратную сторону изделия. Расплавляемый в передней части сварочной ванны металл под давлением плазмы пе­ремещается вдоль стенок сварочной ванны в ее хвостовую часть, где кристаллизуется, образуя шов. По существу процесс представляет собой прорезание изделия с завар­кой места резки.

Плазменной струей сваривают стыковые и угловые швы. Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно сваривать с отбортовкой кромок, при толщине свыше 10 мм рекомендуется делать скос кромок. В случае необходимости используют дополнительный присадоч­ный металл.

Для сварки металла толщиной до 1 мм успешно ис­пользуют микроплазменную сварку струей косвенного действия, в которой сила сварочного тока равна 0,1-10 А.