Плазменная дуга. Плазмообразующие газы.

Плазменной дугой принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. Для плазменных дуг, применяемых в сварочном производстве, сжатие столба дуги осуществляется в канале водоохлаждаемого сопла генератора плазменной дуги или плазмотрона. Схема плазмотрона прямого действия приведена на рисунке.

 

¾

Плазмообразующий газ

Электрод

Водоохлаждаемое сопло

Канал сопла

Плазменная дуга

+

Изделие

Плазмотрон прямого действия

В плазмотроне прямого действия плазменная дуга горит между электродом и изделием и сжимается в интенсивно охлаждаемом канале сопла. Возбуждение плазменной дуги происходит в следующей последовательности:

1. Пробоем промежутка катод-сопло искровым разрядом осциллятора генерируется слаботочная дежурная дуга.

2. Потоком плазмообразующего газа плазма дежурной дуги выдувается за пределы сопла, ионизируя промежуток катод - изделие.

3. Возбуждается основная плазменная дуга между электродом и изделием.

За счет сжатия стенками канала сопла и слоем сравнительно холодного газа температура плазмы поднимается до 15-20 тысяч градусов Кельвина и в несколько раз поднимается скорость потока плазмы. Стабильность горения дуги также возрастает. За счет роста концентрации энергии и возможности ее регулирования значительно возрастают технологические возможности применения дугового разряда. Плазменная дуга прямого действия применяется при сварке и, в особенности, при плазменной резке любых электропроводных материалов.

 

¾

Плазмообразующий газ

+ Электрод

Водоохлаждаемое сопло

Канал сопла

Плазменная струя

 

 

Плазмотрон косвенного действия

 

В плазмотроне косвенного действия анодом служит массивное медное водоохлаждаемое сопло. Плазма дугового разряда выдувается потоком плазмообразующего газа образуя плазменную струю. Высокая температура и скорость плазменной струи находит применение при плазменном напылении порошковых материалов. Порошок нагревается плазмой и выдувается за пределы плазмотрона, приобретая высокую кинетическую энергию. При соударении с изделием обеспечивается прочное сцепление частиц порошка и напыляемой поверхности.

Для эффективного применения плазменной дуги весьма важно правильно выбрать состав плазмообразующего газа. Он должен обеспечивать следующие основные функции:

1.Защищать от эрозии и охлаждать электрод.

2.Обеспечивать наилучшее преобразование электрической энергии в тепловую.

Наилучшую защиту вольфрамовых электродов обеспечивают инертные газы – аргон и гелий. Однако их теплосодержание (энтальпия H) при одинаковой температуре гораздо ниже, чем у многоатомных газов (азота, водорода, кислорода, углеводородов).Это объясняется тем, что при нагреве многоатомных газов затрачивается дополнительная энергия на диссоциацию их молекул на атомы (рис.3).

H

N «N⁺ +e ^-

 

 

Ar«Ar⁺ +e ^-

N₂«2N

 

T

 

График зависимости энтальпии газов от температуры

Однако эти газы являются химически активными. Решить проблему их использования позволяют так называемые термохимические (пленочные) катоды. Конструктивно они представляют собой медную оправку, в которую заподлицо с ее торцом запрессован стержень из гафния или циркония.

Оправка Вставка из циркония или гафния

 

При образовании пятна дуги на торце образуется тугоплавкая пленка из нитридов или оксидов, которая обеспечивает эмиссию электронов и предохраняет материал электродной вставки от дальнейшей эрозии.

Повысить теплосодержание инертного плазмообразующего газа с сохранением его защитных свойств возможно путем добавки небольших (порядка 5-15%) количеств многоатомного газа (азота, водорода, углеводородов). В этом случае энтальпия смеси определяется по закону аддитивности по формуле

,

где

H _i ¾ энтальпия i - ого газа;

N _i ¾ объемная концентрация i - ого газа.

Сварка под флюсом

Плавящимся электродом при автоматической дуговой сварке под флюсом служит проволока 1, которая постепенно, по мере оплавления, подаётся в дугу роликами (рис.1.5). При этом скорость подачи проволоки V_э равна скорости её плавления. и длина дуги практически остаётся постоянной. Дуга перемешается вдоль свариваемых кромок механизмом перемещения со скоростью сварки V_св.

 

 

 

Флюс, расплавленной дугой, образует вокруг неё жидкий шлак, который надёжно защищает зону сварки от воздействия кислорода, водорода и азота воздуха, образуя при кристаллизации шлаковую корку 7 Кроме того, флюс выполняет много других различных функций, например, раскисление металла, его легирование и др.

Сочетание высокой плотности тока с наличием слоя флюса, оказывающегося статическое давление на жидкий металл, устраняет разбрызгивает и позволяет повысить производительность процесса в пять – восемь раз по сравнению с ручной сваркой.

С помощью автоматической дуговой электросварки под флюсом свариваются листовые конструкции из стали и других металлов с толщиной листов более 4 – 5 мм. Применение её особенно целесообразно при сварке прямолинейных или кольцевых швов большой протяженности, а также при наплавочных работах.

Основным достоинством этого способа является непрерывность и высокая производительность процесса, а также высокое качество сварных соединений. Значительно улучшаются условия труда сварщика. В настоящее время он широко внедрён в промышленность и повсюду, где это возможно, вытесняет ручную сварку.

Недостатки – необходимость подачи и уборки флюса, сварка только в нижнем положении, невозможность наблюдения за дугой.

Электрошлаковая сварка

Процесс электрошлаковой сварки возник как дальнейшее развитие сварки под флюсом, когда электрод закорачивается на слой расплавленного шлака и выделение тепла происходит при прохождении тока через шлаковую ванну.

Процесс ЭШС начинается путем заливки порции заранее распплавленного шлака в пространство, ограниченное стенками водоохлаждаемых медных формирующих ползунов и кромками собранных с зазором δ свариваемых листов. При прохождении тока черех непрерывно подаваемую в зону сварки проволоку выделяется теплота, которая расходуется на поддержание шлаковой ванны и оплавление основного металла. Под шлаковой ванной наводится металлическая ванна. При перемещении ползунов вертикально вверх нижняя часть металлической ванны кристаллизуется, образуя сварной шов.

 

Общее количество теплоты, выделяемой при ЭШС в зоне сварки, определяется как

Q = I²R_сум t,

где R_сум – суммарное сопротивление шлаковой и металлической ванн.

Применение ЭШС позволяет сваривать за один проход детали значительной толщины (до нескольких метров). С ростом толщины растет количество одновременно подаваемых проволок.

Флюсы для ЭШС отличаются повышенной электропроводностью в расплавленном состоянии и содержат повышенное количество антистабилизаторов дугового разряда (СaF₂). ЭШС ведется обычно на переменном токе силой до нескольких килоампер.

 

Тепловые процессы при сварке

Основные понятия

Тепло, сообщенное источником нагрева, вызывает разнообразные физические и химические процессы в сварном соединении – плавление, кристаллизацию, фазовые и структурные превращения, металлургические реакции, упругие и пластические деформации и напряжения. Для управления этими процессами необходима информация о распределении температуры в сварном соединении в пространстве и во времени. Эти вопросы рассматривает теория тепловых процессов при сварке, которая является частным случаем теории теплопроводности. Основной вклад в ее развитие внес академик Рыкалин Н.Н.

При изучении теории тепловых процессов при сварке используются следующие основные величины и понятия.

1. Температура Т – характеризует степень нагретости тела. Измеряется в градусах Кельвина.

2. Температурное поле T(x,y.z,t) – распределение температуры в теле в пространстве и во времени. Температурное поле может выражаться как в абсолютной температуре, так и в приращении температуры относительно начальной температуры тела То. Температурное поле может быть объемным, плоским или линейным. Для наглядности температурное поле представляют графически в виде семейства изотерм.

3. Изотерма – геометрическое место точек с одинаковой температурой.

4. Термический цикл сварки ¾ зависимость температуры во времени в заданной точке тела А с координатами x,y,z.

5. Удельная теплоемкость с – количество теплоты, необходимое для изменения на один градус температуры единицы массы тела. В теории Н.Н. Рыкалина применяется усредненная в определенном температурном интервале удельная теплоемкость, что позволяет существенно упростить вывод расчетных формул.