Современные виды сварки. Часть 11

Плазменная сварка

Плазменная сварка основана на том, что обычная дуга, горящая между электродом и свариваемой деталью, специально сжимается в узком канале сопла за счёт плазмообразующего газа. При этом дуговой разряд переходит в состояние плазмы, которая обладает высокой температурой (до 20 000 °C и выше) и плотностью энергии. В отличие от классической сварки в среде защитного газа с открытой дугой, здесь появляется возможность тонко настраивать направленный поток горячего ионизованного газа, изменяя диаметр и форму канала сопла, а также расход подаваемого газа. Это приводит к возрастанию плотности тока и увеличению напряжения дуги, что делает процесс более концентрированным и обеспечивает интенсивное локальное нагревание металла.

Устройство, в котором формируется сжатая дуга, называется плазматроном. Чаще всего он представляет собой корпус с водоохлаждаемым соплом и установленным внутри неплавящимся вольфрамовым электродом. Плазмообразующий газ (аргон, гелий, азот, водород или их смеси) поступает в сопло тангенциально или по оси, вращается потоком, отделяя центральную зону дуги от стенок и тем самым предохраняя медную часть сопла от расплавления. Выходящая из плазматрона струя ионизированного газа создаёт очень высокую температуру в точке контакта с металлом и оказывает дополнительное давление на сварочную ванну. Это даёт значительный рост проплавляющей способности и повышает скорость сварки по сравнению с тем, чего удаётся достичь при обычной аргонодуговой технологии.

Плазменная сварка.png

Практически различают плазматроны прямого и косвенного действия. Прямой вариант применяется именно для сварки: дуга горит между электродом и изделием, создавая эффективную теплоотдачу в зону соединения. Чтобы облегчить возбуждение сжатой дуги, применяют вспомогательную (дежурную) дугу между электродом и соплом, которую включают коротким импульсом от осциллятора или графитовым стержнем. Когда рабочая дуга переходит на свариваемую деталь, дежурная часть может быть отключена или поддерживаться минимальным током для дополнительной стабилизации.

Главное достоинство плазменного разряда — возможность управлять параметрами струи: расход газа, диаметр канала сопла, расстояние до детали. Они влияют на форму и глубину сварочной ванны и позволяют регулировать тепловую мощность сжатой дуги в широких пределах. Напряжение дуги обычно выше, чем при свободном горении, поэтому передача энергии металлу идёт интенсивнее. Плазменная сварка обеспечивает хорошую проплавляющую способность, устойчивое горение и даёт возможность получать узкий, но глубокий шов с меньшей зоной термического воздействия.

Среди технических преимуществ можно выделить низкую чувствительность к колебаниям длины дуги. Когда в обычной аргонодуговой сварке электрод отдаляется от детали, пятно нагрева расширяется, шов становится шире и мельче по глубине. При плазменной технологии столб дуги ведёт себя более стабильно, и даже при некотором изменении зазора пятно нагрева остаётся примерно одинакового размера. Это позволяет качественно сваривать тонкие листы металла, поскольку нет риска их прожога из-за микродвижений плазматрона и одновременно поддерживается ровное проплавление. Особенное применение технология находит в работе с высоколегированными сталями, титаном и алюминиевыми сплавами, где важна точность геометрии шва и минимальная деформация.

Если требуется проплавить кромку на всю толщину без V-образной разделки, пользуются сваркой «в замочную скважину»: в узкой зоне перед фронтом сварочной ванны образуется сквозное отверстие, сквозь которое выходит факел охлаждённого газа. Края отверстия удерживаются поверхностным натяжением расплавленного металла и смыкаются за дугой по мере продвижения плазматрона. Это даёт узкий и ровный шов, но требует аккуратной регулировки всех параметров, ведь слишком сильное давление струи приведёт к вытеканию металла, а недостаточное – не позволит пробить кромку по всей глубине.

Рабочий ток в плазменной сварке колеблется от очень малых значений (порядка 0,1 А при микроплазменной методике) до нескольких сотен ампер, что позволяет сваривать конструкции в диапазоне толщин от долей миллиметра до 10-12 мм за один проход без разделки кромок. Для более крупных заготовок используют V- или U-образные фаски меньшего угла, чем при аргонодуговом методе, а присадку подают в виде проволоки, порошка или пластины, если это нужно.

Главный недостаток плазменной технологии — риск образования двойной дуги (каскадной), при которой возникает дополнительное активное пятно на стенке сопла. В этом случае образуются две дуги: электрод – сопло и сопло – деталь, что быстро выводит сопло из строя. Для борьбы с этой проблемой уменьшают силу тока, изменяют расход газа и используют вставки из тугоплавких материалов, чтобы перехватить «второе» пятно.

В производстве плазменная сварка часто применялась в ракетно-космической отрасли, где нужно соединять листы алюминиевых баков и узлы из жаропрочных сплавов при минимальном тепловом искажении. Сегодня технология находит распространение в других областях, где важна точность или необходимость сваривать тонкий металл: электронная промышленность, химическое машиностроение, автомобилестроение. Микроплазменный вариант, работающий на токах до 10 А, особенно удобен при сварке листов толщиной от 0,01 до 0,8 мм, поскольку дает возможность формировать соединения с очень узкой зоной термического влияния и минимальной деформацией.

Таким образом, плазменная сварка, хотя и требует более сложного оборудования и точной настройки, обеспечивает высокую плотность теплового потока, узкий шов, скорость процесса и высокую стабильность горения дуги. При грамотном подборе сопел, плазмообразующих газов и режима сварки этот метод позволяет сваривать широкую гамму металлов, в том числе трудносвариваемые материалы, а также добиваться ровной формы шва и снижать расходы защитных газов.

Современные виды сварки. Часть 11

Плазменная сварка

Больше статей