Плазменная дуговая сварка ( PAW ) — это процесс дуговой сварки, аналогичный сварке вольфрамовым электродом в газовой среде (GTAW). Электрическая дуга образуется между электродом (который обычно, но не всегда, изготавливается из спеченного вольфрама ) и заготовкой. Ключевое отличие от GTAW заключается в том, что при PAW электрод располагается внутри корпуса горелки, поэтому плазменная дуга отделена от оболочки защитного газа . Затем плазма продавливается через тонкое медное сопло, которое сужает дугу, и плазма выходит из отверстия на высоких скоростях (приближающихся к скорости звука) и температуре, приближающейся к 28 000 °C (50 000 °F) или выше.
Дуговая плазма — это временное состояние газа. Газ ионизируется при прохождении через него электрического тока и становится проводником электричества. В ионизированном состоянии атомы распадаются на электроны (−) и катионы (+), а система содержит смесь ионов, электронов и высоковозбужденных атомов. Степень ионизации может составлять от 1% до более 100% (возможна двойная и тройная степень ионизации). Такие состояния существуют, когда больше электронов вытягивается со своих орбит.
Энергия плазменной струи и, следовательно, температура зависят от электрической мощности, используемой для создания дуговой плазмы. Типичное значение температуры, получаемое в плазменной струйной горелке, составляет порядка 28 000 °C (50 400 °F), по сравнению с примерно 5 500 °C (9 930 °F) в обычной электрической сварочной дуге. Все сварочные дуги представляют собой (частично ионизированную) плазму, но в плазменной сварке плазма представляет собой сжатую дуговую плазму.
Подобно кислородно-топливным горелкам, их можно использовать как для сварки , так и для резки .
Плазменная дуговая сварка — это процесс дуговой сварки, при котором коалесценция производится за счет тепла, получаемого от суженной дуги между вольфрамовым/сплавным вольфрамовым электродом и охлаждаемым водой (сужающим) соплом (непереносимая дуга) или между вольфрамовым/сплавным вольфрамовым электродом и заготовкой (переносимая дуга). В этом процессе используются два инертных газа, один из которых образует плазму дуги, а второй защищает ее. Присадочный металл может добавляться или не добавляться.
Процесс плазменной сварки и резки был изобретен Робертом М. Гейджем в 1953 году и запатентован в 1957 году. Этот процесс был уникален тем, что он мог обеспечить точную резку и сварку как тонких, так и толстых металлов. Он также позволял наносить покрытия из закаленных металлов на другие металлы. Одним из примеров было напыление покрытия на лопатки турбины ракеты-носителя Saturn, направлявшейся на Луну. [1]
Плазменная дуговая сварка является усовершенствованной формой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG). В случае TIG это открытая дуга, защищенная аргоном или гелием , тогда как плазма использует специальную горелку, в которой сопло используется для сжатия дуги, в то время как защитный газ подается горелкой отдельно. Дуга сжимается с помощью водоохлаждаемого сопла малого диаметра, которое сжимает дугу, интенсивно увеличивает ее давление, температуру и тепло и, таким образом, улучшает стабильность дуги, форму дуги и характеристики теплопередачи.
Плазменные дуги образуются с использованием газа в двух формах: ламинарной (низкое давление и низкий расход) и турбулентной (высокое давление и высокий расход).
В качестве газов используются аргон, гелий, водород или их смесь. В случае плазменной сварки используется ламинарный поток (низкое давление и низкий расход плазменного газа), чтобы гарантировать, что расплавленный металл не выдувается из зоны сварки.
Непереносимая дуга (пилотная дуга) используется во время плазменной сварки для инициирования процесса сварки. Дуга образуется между электродом (-) и охлаждаемым водой суженным соплом (+). Непереносимая дуга инициируется с помощью высокочастотного блока в цепи. После начального высокочастотного запуска пилотная дуга (низкий ток) образуется между электродами с помощью низкого тока. После зажигания основной дуги сопло становится нейтральным или, в случае сварки сетки с использованием микроплазмы, может быть предоставлена возможность иметь непрерывную пилотную дугу. Переносимая дуга обладает высокой плотностью энергии и скоростью плазменной струи. В зависимости от используемого тока и расхода газа, ее можно использовать для резки и плавления металлов.
Микроплазма использует ток от 0,1 до 10 ампер и применяется для фольги, сильфонов и тонких листов. Это автогенный процесс, и обычно не использует присадочную проволоку или порошок.
Средняя плазма использует ток силой от 10 до 100 ампер и применяется для сварки пластин большой толщины с использованием присадочной проволоки или автогена толщиной до 6 мм (0,24 дюйма), а также для наплавки металла (твердосплавного покрытия) с использованием специализированных горелок и порошковых питателей (PTA) с использованием металлических порошков.
Сильноточная плазма свыше 100 ампер используется при сварке присадочной проволокой на высоких скоростях.
Другими областями применения плазмы являются плазменная резка, нагрев, нанесение алмазных пленок (Курихара и др., 1989), обработка материалов, металлургия (производство металлов и керамики), плазменное напыление и подводная резка.
Необходимое для плазменной сварки оборудование и его функции следующие:
Типичные параметры сварки при плазменно-дуговой сварке следующие:
Ток от 50 до 350 А, напряжение от 27 до 31 В, расход газа от 2 до 40 литров в минуту (нижний диапазон для газа в сопле и верхний диапазон для внешнего защитного газа), постоянный ток с отрицательным электродом (DCEN) обычно используется для плазменной дуговой сварки, за исключением сварки алюминия, в этом случае для сварки с обратной полярностью предпочтительнее использовать водоохлаждаемый электрод, т. е. постоянный ток с положительным электродом (DCEP).
Для резки можно использовать смесь аргона и водорода (10-30%) или азота. Водород из-за своей диссоциации в атомарную форму и последующей рекомбинации создает температуры выше тех, которые достигаются при использовании только аргона или гелия. Кроме того, водород обеспечивает восстановительную атмосферу, которая помогает предотвратить окисление сварного шва и его окрестностей. Необходимо соблюдать осторожность, так как диффундирующий в металл водород может привести к охрупчиванию некоторых металлов и сталей.
Техника очистки заготовки и добавления присадочного металла аналогична сварке TIG . Присадочный металл добавляется на переднем крае сварочной ванны. При выполнении корневого шва присадочный металл не требуется.
Тип соединений : Для сварки деталей толщиной до 25 мм применяются соединения типа «квадратный стык», J или V. Плазменная сварка используется для выполнения сварных швов как с замочной скважиной, так и без нее.
Выполнение сварки без проварки : данный процесс позволяет выполнять сварку без проварки на заготовках толщиной 2,4 мм и менее.
Выполнение сварных швов с замочной скважиной : выдающейся характеристикой плазменной дуговой сварки, благодаря исключительной проникающей способности плазменной струи, является ее способность выполнять сварные швы с замочной скважиной в заготовках толщиной от 2,5 мм до 25 мм. Эффект замочной скважины достигается за счет правильного выбора тока, диаметра отверстия сопла и скорости перемещения, которые создают мощную плазменную струю для полного проникновения через заготовку. Плазменная струя ни в коем случае не должна выталкивать расплавленный металл из соединения. Основными преимуществами техники замочной скважины являются способность быстро проникать через относительно толстые корневые секции и создавать равномерный нижний валик без механической подкладки. Кроме того, отношение глубины проникновения к ширине сварного шва намного выше, что приводит к более узкому сварному шву и зоне термического влияния. По мере продвижения сварки основной металл перед замочной скважиной плавится, обтекает его, затвердевает и образует сварной валик. Проварка замочной скважины способствует глубокому проникновению на более высоких скоростях и создает высококачественный валик. При сварке более толстых деталей, при выполнении прокладки, отличной от корневого шва, и использовании присадочного металла сила плазменной струи снижается за счет соответствующего регулирования количества газа в сопле.
Плазменная дуговая сварка является усовершенствованием по сравнению с процессом GTAW. В этом процессе используется неплавящийся вольфрамовый электрод и дуга, суженная через тонкое медное сопло. PAW можно использовать для соединения всех металлов, которые свариваются GTAW (т. е. большинства коммерческих металлов и сплавов). К металлам, которые трудно сваривать с помощью PAW, относятся бронза, чугун, свинец и магний. Возможны несколько основных вариаций процесса PAW путем изменения тока, расхода плазменного газа и диаметра отверстия, включая:
В плазменно-дуговой сварке используются как минимум два отдельных (а возможно и три) потока газа:
Все эти газы могут быть одинаковыми или иметь разный состав.
В зависимости от конструкции горелки (например, диаметра отверстия), конструкции электрода, типа газа и скорости, а также уровня тока возможны различные варианты плазменного процесса, в том числе:
При использовании для резки поток плазменного газа увеличивается, так что глубоко проникающая плазменная струя прорезает материал, а расплавленный материал удаляется в виде шлака резки. PAC отличается от кислородно-топливной резки тем, что плазменный процесс работает с использованием дуги для плавления металла, тогда как в кислородно-топливном процессе кислород окисляет металл, а тепло от экзотермической реакции плавит металл. В отличие от кислородно-топливной резки, процесс PAC может применяться для резки металлов, которые образуют тугоплавкие оксиды, такие как нержавеющая сталь, чугун, алюминий и другие цветные сплавы. С тех пор, как PAC был представлен Praxair Inc. на выставке Американского общества сварки в 1954 году, произошло много усовершенствований процесса, разработок газа и усовершенствований оборудования.
Микроплазменная сварка
Сварка дуговым струйным методом