Плазменная сварка и резка металла

Плазменная сварка и резка металла

Введение

Сварка - это технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем прочного их сцепления, основанного на межатомном взаимодействии.

В настоящее время сварка превратилась в крупный самостоятельный вид производства. Она применяется для создания и возведения принципиально новых конструкций и сооружений, для ремонта машин и аппаратов, для получения изделий со специальными свойствами. Сварные конструкции несут свою службу при сверхвысоких и сверхнизких температурах, при давлениях, значительно превосходящих атмосферное, и в условиях космического вакуума.

Выделяют три основных класса сварки: механическая, термическая и термомеханическая сварка.

Механический класс объединяет виды сварки с использованием давления и механической энергии:

. Сварка взрывом - уникальный вид, сварка позволяет получить прочный участок сплошного соединения поверхностей нескольких металлов или сплавов на большой площади, при толщине от 0,1 до 30 мм. Можно соединять плоские и цилиндрические детали за короткое время.

. Ультразвуковая сварка - специализированный вид, сварка в основном для полимерных листовых изделий с помощью ультразвуковых колебаний.

Термический класс объединяет виды сварки, производящиеся с применением тепловой энергии:

. Наиболее часто повсеместно применяемый вид - электродуговая сварка, где плавление осуществляется за счет теплоты от электрической дуги.

Электродуговой вид - сварка разными способами:

.1 ручная дуговая сварка - универсальный вид, сварка проводится в труднодоступных местах, из стали различных марок, для коротких швов, для криволинейных швов, для монтажных работ;

.2 электрошлаковая сварка - в качестве источника тепла используется расплавленный шлак.

В результате электрошлаковой сварки сплавляются кромки соединяемых деталей и присадочная проволока. Используемый для крупных конструкций вид - сварка для машиностроения, для толстостенных сооружений, для ковано-сварных конструкций непосредственно на монтажной площадке.

. Плазменная сварка использует сжатую плазменную струю, которая оказывает тепловое и газодинамическое воздействие на свариваемые детали. Плазменная сварка - это многофункциональный вид: сварка, резка, наплавка, напыление. Как подвид, существует микроплазменная сварка. При малой площади нагрева обеспечивается высококачественное соединение миниатюрных и высокоточных элементов.

. Газопламенная сварка - источником тепла является газовый факел, для усиления шва применяют присадочный металл. Универсальный вид: сварка, резка, пайка, наплавка, нагрев участков для местной термообработки, правки и очистки, восстановление от износа, защита от коррозии.

Термомеханический класс видов сварки использует тепловую энергию и давление:

. Контактная сварка - соединение металла посредством нагрева электрическим током с одновременной пластической деформацией сжимающим усилием. Часто используемый вид - сварка высокой производительности, высокого качества и надежности, экологически чистый процесс.

. Диффузионная сварка - соединение деталей сдавливанием, нагревом в вакууме в твердом состоянии без применения расплавления. В результате локальной пластической деформации и диффузии материалов образуется монолитное сварное соединение. Уникальный вид - сварка практически всех известных конструкционных материалов (алюминий со сталью и титаном, металлы с неметаллами).

Плазменная сварка относится к дуговым видам сварки, при этом в качестве источника нагрева свариваемых заготовок используется сжатая дуга.

Плазма - ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.

Рис. 1

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого действия (рис. а) изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде (катод) и изделии (анод).

При плазменной струе косвенного действия (рис. б) активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде (катод) и внутренней или боковой поверхности сопла (анод).

Состав плазмообразующего газа (аргон, гелий, азот и пр.) выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к процессу. Электроды изготавливают обычно из меди и вольфрама. Стенки камеры защищены от теплового воздействия дуги слоем сравнительно холодного газа.

Для образования сжатой дуги вдоль ее столба через канал в сопле пропускается нейтральный одноатомный газ (аргон, гелий) или двухатомный газ (азот, водород, окись углерода или другие газы, а также их смеси). Газ сжимает столб дуги, что приводит к повышению его температуры, и образует так называемую холодную плазменную струю. Вдуваемый в камеру плазмообразующий газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба (до 16000 °С при дуге косвенного действия и до 33000 °С при дуге прямого действия). 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. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла 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 сопла.

Максимальная температура плазменной струи наблюдается в центре. В токоведущей части плазменной струи вблизи катода температура газа достигает 24000-32000 °С.

В инженерной практике плазменную струю обычно характеризуют среднемассовой температурой на срезе сопла плазменной горелки, которая может быть определена по удельной энтальпии плазмообразующего газа:

Н = д / О,

где д - эффективная мощность плазменной струи на срезе сопла, Дж/с;

О - массовый расход плазмообразующего газа, г/с.

В таблице показаны основные параметры, часто используемые в процессах плазменной обработки.

Таблица 1 Технологические параметры плазменной сварки

Плазменной струей можно сваривать практически все металлы в нижнем и вертикальном положениях. 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 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 можно сваривать 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 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.

Плазменная резка заключается в проплавлении разрезаемого металла за счет теплоты, генерируемой сжатой плазменной дугой, и интенсивном удалении расплава плазменной струей.

Электроды, используемые в аппаратах для плазменной резки, изготавливают из сплавов вольфрама с лантаном.

Это связано с тем, что электрод должен обладать высокой электропроводностью и при этом должен быть устойчив к воздействиям высокой температуры.

Газы, которые применяются для создания плазмы делятся на активные и неактивные.

Посредством активных газов работают кислородная либо воздушно плазменная резка металла, эти разновидности метода используются для резки черных металлов и их сплавов (сталь, чугун).

Для резки цветных металлов и сплавов, наилучшим образом подходит - резка с применением неактивных газов, таких как аргон, азот, водород.

Рис. 2 Схематичный рисунок режущего плазмотрона

Так как физический принцип плазменной резки металла позволяет работать практически с любыми металлами, обеспечивать высокую безопасность и скорость работы, то этот метод обработки металлов получил достаточно широкое распространение на самых различных производствах.

Помимо быстрого вырезания сложных технических деталей, возможна и художественная плазменная резка металла, которая позволяет создавать настоящие произведения искусства либо декоративные элементы даже из очень тугоплавких сплавов.

Технология предполагает различные режимы плазменной резки металла, которые позволяют быстро подстроить оборудование под работы не только с определенной разновидностью сплава, но и с заготовками определенной толщины.

Резка металлов с помощью плазмы является одним из наиболее современных и технически совершенных способов работы с различными металлами.

Эта технология появилась относительно недавно, но получила широкое распространение, благодаря ряду преимуществ, которые она предлагает по сравнению классическими инструментальными методами работы с металлами.

Основные преимущества плазменной резки металла заключаются в:

·        скорости резки;

·        универсальности (можно работать с любыми металлами и славами);

·        нет ограничений по форме обрабатываемых деталей и сложности вырезаемых фигур;

·        срез, который образуется в процессе резки, обладает высокой чистотой и качеством поверхности.

Для того чтобы максимально использовать все преимущества плазменной резки металлов - необходимо правильно и точно подбирать режимы работы установки под конкретный материал, при этом необходимо учитывать множество факторов, таких как:

·        его толщина;

·        скорость и температура плазмы;

·        скорость выполнения разреза.

При правильном подборе этих, а так же некоторых других специфических параметров - плазменная резка будет осуществляться быстро и с высоким качеством.

Рис. 3

плазменный резка металл

Список литературы

1. Введение в сварочные технологии. Электродуговая сварка: Учебное пособие / С.Н. Козловский; СибГАУ. Красноярск, 2007.

2.      Сварка. Введение в специальность. В.В. Пешков, А.Б. Коломенский, В.А. Фролов В.А. Казаков; Воронеж, 2002

.        Шестель Л.А. Специальные методы сварки и пайка: конспект лекций / Л.А. Шестель. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010.