close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2500.Плазменная обработка материалов.

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Пермский национальный исследовательский
политехнический университет»
Ю.Д. Щицын
ПЛАЗМЕННАЯ
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Издательство
Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2014
УДК 621.791.755
Щ91
Рецензенты:
канд. воен. наук В.В. Дзябко
(Пермский военный институт внутренних войск МВД России);
д-р техн. наук, проф. В.Я. Беленький
(Пермский национальный исследовательский
политехнический университет)
Щ91
Щицын, Ю.Д.
Плазменная обработка материалов : учеб.-метод. пособие /
Ю.Д. Щицын. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2014. – 116 с.
ISBN 978-5-398-01228-6
Рассмотрены вопросы конструирования плазмотронов и их безаварийной
работы, влияния полярности на особенности плазменной обработки металлов,
в частности на энергетический баланс сжатых дуг и явление катодной очистки.
Дана классификация плазмотронов, рассмотрены особенности конструктивного
оформления основных узлов плазмотронов. Описаны приемы и оборудование
для выполнения ряда технологий плазменной обработки металлов. Представлено
руководство к лабораторно-исследовательским работам по изучаемым разделам.
Предназначено для магистров направления 150700 «Машиностроение»
специализации 150700.68 «Лучевые технологии в сварке».
УДК 621.791.755
ISBN 978-5-398-01228-6
© ПНИПУ, 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...............................................................................................................5
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖАТОЙ ДУГИ
И ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ ......................................................................................6
1.1. Структура сжатой дуги и плазменной струи ...................................................8
1.2. Распределение тепловой энергии сжатой дуги и плазменной струи ..........11
Лабораторная работа № 1. Исследование энергетических
характеристик плазменных процессов .................................................................13
Библиографический список ..................................................................................20
2. ПЛАЗМОТРОНЫ................................................................................................21
2.1. Классификация плазмотронов .......................................................................23
2.2. Конструкции узлов плазмотрона ...................................................................29
2.3. Условия безаварийной работы плазмотронов ..............................................35
Лабораторная работа № 2. Исследование конструкций
дуговых плазмотронов ...........................................................................................36
Библиографический список ..................................................................................37
3. ЯВЛЕНИЕ КАТОДНОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ
НА ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ .........................................................................38
3.1. Механизм процесса катодного распыления ..................................................39
3.2. Влияние технологических параметров на процесс
катодной очистки ...................................................................................................43
Лабораторная работа № 3. Исследование катодной очистки
обрабатываемой поверхности сжатой дугой обратной полярности ..................44
Библиографический список ..................................................................................48
4. ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ .............................................................50
4.1. Сущность процесса плазменной резки...........................................................51
4.2. Плазмообразующие среды для резки .............................................................55
4.3. Плазмотроны для плазменной резки..............................................................62
4.4. Разновидности плазменной резки ..................................................................69
4.5. Требования к источникам питания для плазменной резки ..........................72
4.6. Технология плазменной резки ........................................................................76
3
4.7. Условия безопасности при плазменной резке ...............................................82
Лабораторная работа № 4. Исследование процесса плазменной резки
металлов с комбинированной подачей газов на обратной полярности .............83
Библиографический список ..................................................................................89
5. ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА ПРОНИКАЮЩЕЙ ДУГОЙ .................................90
5.1. Особенности взаимодействия сжатой дуги со свариваемым
материалом при сварке проникающей дугой ......................................................91
5.2. Особенности формирования сварного шва при сварке
проникающей дугой ..............................................................................................95
Лабораторная работа № 5. Исследование технологии плазменной сварки
проникающей дугой цветных металлов и высоколегированных сплавов .......100
5.4. Низкотемпературное моделирование процесса плазменной
сварки проникающей дугой ................................................................................103
5.4.1. Оценка возможности физического моделирования
процесса плазменной сварки проникающей дугой ....................................103
5.4.2. Моделирование процесса плазменной сварки
проникающей дугой .....................................................................................106
Лабораторная работа № 6. Низкотемпературное моделирование
плазменной сварки проникающей дугой ...........................................................110
Библиографический список ................................................................................114
4
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность плазменных процессов определяется особенностями теплового и силового воздействия сжатой дуги на обрабатываемый материал. Структура и свойства сжатой дуги и плазменной струи
зависят от степени сжатия дуги, электрических параметров и плазмообразующей среды.
Центральным звеном плазменных установок является плазменная горелка, или плазмотрон, обеспечивающая возбуждение, формирование и стабилизацию горения сжатой дуги или плазменной струи.
Полярность сжатой дуги во многом определяет энергетические и технологические свойства сжатой дуги. Поэтому изучение этих тем является важной задачей для понимания вопросов плазменной обработки металлов.
В настоящее время разработан и успешно применяется ряд технологических процессов и установок, основанных на использовании
низкотемпературной плазмы. Среди них плазменная сварка, резка,
наплавка, плазменное напыление покрытий, металлизация, плазменное поверхностное упрочнение деталей, плазменная плавка и рафинирование металлов, плазменно-механическая обработка и др. Использование плазменных технологий позволяет значительно повысить производительность процессов и получить ряд дополнительных
преимуществ.
5
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СЖАТОЙ ДУГИ И ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ
Энергетическая эффективность способа сварки является одним из
решающих факторов при выборе того или иного сварочного процесса
применительно к конкретному изделию. Эффективность процессов сварки плавлением оценивают такими показателями как эффективный ηи
и термический ηт КПД. Источники нагрева для сварки характеризуют
температурой и удельным тепловым потоком в пятне нагрева qc (Вт/см2).
Сжатая дуга и плазменная струя являются эффективными источниками нагрева для сварки плавлением.
В плазменных технологиях обработки металлов температура в дугах средней мощности (сила тока 50–1000 A), стабилизированных потоком газов, находится в пределах 6 000–20 000 °С.
В дугах, стабилизированных водяным вихрем, температура может
достигать 60 000–70 000 °С. Удельный тепловой поток в пятне нагрева
может достигать 107 Вт/см2.
Сжатые дуги и плазменные струи получают в специальных устройствах, называемых в сварочной технике плазмотронами, или плазменными горелками.
Наиболее распространенный способ получения сжатых дуг и плазменных струй – интенсивное охлаждение газовым потоком столба дуги,
горящей в сравнительно узком водоохлаждаемом канале (сопле) плазмотрона. В промышленной практике главным образом находят применение дуговые плазмотроны постоянного тока, структурно состоящие из
двух основных элементов – электрода и формирующего (плазмообразующего) сопла.
В сварочной практике наметились две основные разновидности
плазменных процессов и, соответственно, дуговых плазменных горелок:
1. Процессы для обработки (сварки) сжатой (плазменной) дугой
плазмотронами прямого действия, в которых одним из электродов является обрабатываемый материал (рис. 1, а). В данном случае используются два энергетических источника нагрева изделия – плазменная струя
и электрически активное пятно дуги. Эффективный КПД ηи таких процессов может достигать 60–80 %.
6
2. Процессы для обработки материалов плазменной струей. В данном случае изделие не включено в электрическую цепь дуги. Для ведения этих процессов используются плазмотроны косвенного действия
(рис. 1, б, в).
а
б
в
Рис. 1. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок для получения:
а – плазменной дуги (совмещенное сопло и канал; плазменная струя совпадает
со столбом дуги);) б – плазменной струи (раздельные сопло и канал; плазменная
струя выделена из столба дуги); в – то же (совмещенные канал и сопло):
1 – электрод; 2 – канал; 3 – охлаждающая вода; 4 – столб дуги; 5 – сопло;
6 – плазменная струя; Е – источник тока; И – изделие; l – углубление
электрода в канал
Максимальное значение эффективного КПД таких процессов (при
больших расходах газа) может достигать 70 % (обычно 20–50 %).
В общем случае основными элементами плазменных горелок являются: электрододержатель с электродом – катод, или анод при работе
плазмотрона на обратной полярности; электрически изолированное от
электрода плазмообразующее сопло и сопло для защитного газа.
Конструкция горелки включает в себя системы для циркуляции
воды, подачи газов и энергоснабжения.
В активном тепловом режиме работают электрод и плазмообразующее сопло, термическая стойкость которых определяет мощность, работоспособность и надежность плазменной горелки и системы в целом.
Таким образом, изучение распределения мощности сжатой дуги
и плазменной струи между изделием, электродом и плазмообразующим
соплом является важной задачей.
7
1.1. СТРУКТУРА СЖАТОЙ ДУГИ И ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ
Сжатая дуга и плазменная струя – преобразователи электрической
энергии в тепловую. С одной стороны, как элемент электрической цепи
они характеризуются электрическими параметрами (током Iд, напряжением Uд), а с другой стороны, как источник тепла – тепловыми параметрами (температурой, теплосодержанием). Существует сложная взаимосвязь между параметрами первой и второй группы.
В дуге, обжатой водоохлаждаемым соплом и потоком газа, температура выше, чем в свободно горящей дуге при одинаковом токе (рис. 2).
а
б
Рис. 2. Распределение температуры: а – в свободной и сжатой дуге
(I – дуговой разряд без стабилизации газовым потоком при аргонодуговой сварке;
сила тока 200 А; напряжение дуги 14,5 В; II – сжатая дуга в канале плазмотрона
в потоке аргона; катод – лантанированный вольфрам; анод – медная пластина;
диаметр канала 4,9 мм; расход аргона 1,08 м3/ч; сила тока 200 А; напряжение
дуги 29 В); б – в плазменной струе
Скорость газового потока при наличии обжимающего дугу сопла
и одинаковом расходе газа также возрастает по сравнению со свободно
горящей дугой. Дуга в этих условиях получает повышенную пространственную и энергетическую стабильность. Энергия сжатой дуги передается нагреваемому телу электронами, тяжелыми частицами, а также вынужденными конвективными потоками с излучением столба дуги.
При обработке плазменной струей материал подвергается действию высокотемпературного газового потока, оставаясь электрически
нейтральным. Энергия плазменной струи передается нагреваемому телу
8
в результате процессов теплообмена – вынужденной конвекции и излучения струи.
Структурно сжатую дугу можно представить в виде ряда характерных участков, последовательно расположенных вдоль ее оси. Плазменная
дуга прямого действия (рис. 3, а) состоит из катодной области, досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба и анодной области,
расположенной на обрабатываемом изделии.
а
б
Рис. 3. Структурная схема сжатой дуги: а – прямого действия;
б – косвенного действия: Э – электрод; С – сопло; И – изделие
Напряжение дуги является суммой падений напряжений на этих
участках
uд = uк + uк.с + uс + uс.а + uа ,
причем
uк.с = Eк.сlк.с ;
uс = Eсlс ;
uс.а = Eс.а lс.а .
где lк.с , lс , lс.а – протяженность соответственно досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба дуги; Eк.с , Eс , Eс.а – напряженность электрического поля тех же участков столба, дуги В/мм. На внут9
рисопловом участке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал диметром d1 < d c ( dc – диаметр сопла), а за срезом
сопла, по мере удаления от него, диаметр электропроводного канала
увеличивается и на изделии достигает величины d 2 , а температура и
скорость течения плазменной струи уменьшаются.
Столб сжатой дуги косвенного действия (плазменной струи)
(рис. 3, б) также близок к цилиндрической форме и в основном расположен внутри плазмотрона. Температура, электропроводный диаметр и скорость течения плазменной струи по мере удаления от среза
сопла резко уменьшаются. Напряжение плазменной струи может
быть определено следующим образом:
uп.с = uк + uк.с + uс + uа .
В зависимости от тока и степени сжатия дуги в плазмотронах
с вольфрамовым катодом величина uк составляет 5–8 В. Величина uа ,
по разным источникам, может быть в пределах 3–12 В и слабо зависит
от материала анода. Значения Eк.с и Eс близки по величине и почти неизменны по всей длине досоплового и внутрисоплового участков столба. Для сжатой дуги прямого действия
Eк.с ≈ Eс =
uпл − uк
.
lк.с
Напряженность поля открытой части столба дуги уменьшается
по мере удаления от среза сопла. Среднее значение его можно определить как
Eс.а =
uд − uпл − uс − uа
.
lс.а
Напряженность участков столба сжатой дуги зависит от состава газовой струи, степени сжатия дуги, тока дуги. Таким образом, напряжение
плазменной дуги зависит от конструктивных параметров плазмотрона
(dс, lк.с, lс), от тока дуги, состава и расхода плазмообразующего (рабочего)
газа и, наконец, от расстояния от среза сопла плазмотрона до изделия (lс.а).
Определение теплового баланса сжатой дуги и плазменной струи
представляет практический интерес.
10
1.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ СЖАТОЙ ДУГИ
И ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ
Электрическая мощность почти полностью превращается в тепловую и расходуется на нагрев плазмотрона (в основном теплонагруженных элементов – электрода и сопла), окружающей среды и обрабатываемого изделия:
N д = N п + N о.с + N и ,
где N д – мощность сжатой дуги, N д = I д ид; N п – мощность (теплота),
поглощаемая плазмотроном, N п = N э + N с , N э , N с – мощность, передаваемая электроду и плазмообразующему соплу соответственно; N о.с –
мощность, теряемая в окружающую среду; N и – мощность, передаваемая
обрабатываемому изделию.
Величина N и для различных процессов достигает 55–80 % мощности сжатой дуги и определяется технологическими параметрами процесса ( I д , uд , Qп , hс.и ), а также геометрическими параметрами плазмотрона ( d с , hс , hэ.с ). Величина N п может составлять 20–45 % мощности
сжатой дуги. Потери в окружающую среду составляют 3–10 %.
Мощность, передаваемая плазмотрону, идет на его нагрев. Для
обеспечения работоспособности плазмотрона это тепло необходимо отводить. Для этого плазмотрон снабжается системой охлаждения (водяное или газовое).
Распределение тепловой нагрузки между электродом и плазмообразующим соплом неравномерно и, в зависимости от полярности, определяется из следующих условий:
N к = I д (uк − φ к ) ,
N а = I д (uа + φ а ) ,
N с = кI д Eс (lс + lк.с ) ,
N о.с = к1 I д Eс.а lc.а ,
φ к – работа выхода электрона из катода, эВ (для активированного
вольфрама φ к = 2,63 эВ); φ а – работа выхода электрона из материала
11
анода, эВ; к = 0,1...0, 25 определяется составом и расходом плазмообразующего газа; к1 ≤ 0,1 определяется расстоянием от сопла до изделия,
составом и расходом плазмообразующего газа.
Мощность, передаваемая обрабатываемому изделию, или так называемая эффективная тепловая мощность сжатой дуги прямого действия, определяется при работе на прямой полярности:
N и = N a + (0, 65 − 0,9) I д [ Ес (lc + lк.с ) + Ес.а lc.a ] .
В случае плазменной струи
N и = (0, 7...0,9) I д Eс (lс + lк.с ).
Эффективный КПД нагрева изделия плазмотронов прямого действия обычно составляет 60–80 %, а плазмотронов косвенного действия
30–40 % и определяется по формуле
ηи =
Nи
100 %.
Nд
Примерный тепловой баланс плазменной дуги представлен на рис. 4.
Рис. 4. Тепловой баланс сжатой дуги прямого действия прямой полярности:
N – подводимая мощность; Nк – мощность, передаваемая катоду; Nв и Nс –
мощность, передаваемая внутренней стенке сопла и соплу; Nо.с – мощность,
теряемая в окружающую среду; Nи – мощность передаваемая изделию
12
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Цели работы:
1. Ознакомление с конструкцией плазмотронов и вспомогательным
оборудованием, основными способами плазменной обработки материалов.
2. Изучение особенностей распределения энергии сжатой дуги
и плазменной струи при плазменной обработке материалов на прямой
и обратной полярности.
Методика проведения исследований
Распределение тепловой энергии сжатой дуги зависит от ряда факторов, определяемых
конструкцией плазмотрона: dэ – диаметра электрода; l – вылета
электрода из цанги; dс – диаметра плазмообразующего сопла; hс – высоты канала сопла; lэ.с – расстояния от конца электрода до сопла; особенностей системы охлаждения теплонагруженных частей (элементов);
технологическими параметрами: Iд – сварочного тока; ид – напряжения на дуге; Qп – расхода плазмообразующего газа, способа подачи;
lс.а – длины дуги (расстояния от среза сопла плазмотрона до изделия);
состава плазмообразующего газа, полярности.
В настоящей работе исследуется влияние lк.с, lэ, dс, hс, Iд, Qп, lс.а на
распределение тепловой энергии сжатой дуги. В качестве защитного
и плазмообразующего газов используется аргон. Работа выполняется на
установке для измерения тепловых нагрузок на элементы плазмотрона
и изделие (рис. 5).
При проведении исследований используется базовый модуль универсального плазмотрона, разработанный на кафедре сварочного производства и технологии конструкционных материалов Пермского национального исследовательского политехнического университета, обеспечивающий работу на прямой и обратной полярности, имеющий
автономную систему охлаждения электрода и плазмообразующего сопла. При работе плазмотрона на прямой полярности в качестве катода
использовался лантанированный вольфрамовый пруток, закрепленный
в водоохлаждаемой цанге, при работе на обратной полярности – медный
водоохлаждаемый анод с вольфрамовой вставкой. В плазмотроне используется вихревая система подачи плазмообразующего газа. В качестве
13
Рис. 5. Схема установки для измерения тепловых нагрузок на элементы
плазмотрона и изделие: 1 – источник питания; 2 – плазматрон; 3 – имитатор
изделия; 4 – сварочный манипулятор; 5 – баллон с аргоном; 6 – коллектор
газовый; 7 – вентиль газовый; 8 – ротаметр газовый; 9 – вентиль водяной;
10, 12 – термометр ртутный; 11 – коллектор водяной; 13 – ротаметр водяной;
14 – слив; 15 – амперметр
изделия используется водоохлаждаемый имитатор. Расход воды через
электродный узел, плазмообразующее сопло и имитатор изделия контролируется с помощью ротаметров. Температура воды на входе и выходе соответствующих элементов измеряется при помощи термометров.
Ток дуги и напряжение контролируются при помощи соответствующих
приборов. Зная расход воды через охлаждаемый элемент и изменение ее
температуры, можно определить тепловложение в этот элемент:
N в = cS ∆T ,
где N в – отводимая мощность, Вт; c – теплоемкость воды,
с = 4190 Дж/кг град; S – расход воды, кг/с; ∆T – разность температур
на выходе и входе в соответствующий элемент, ∆T = Tвых − Tвх .
Для приобретения навыков проведения исследований рекомендуется использовать планирование эксперимента и математическую обработку полученных результатов. Параметры процесса, устанавливаемые
при проведении исследований, представлены ниже.
14
Значения параметров при исследовании распределения тепловой
мощности сжатой дуги:
Iд , А
Полярность
Qп, л/мин
hc.и, мм
lэ, мм
hэ.с, мм
hс, мм
dс, мм
50; 100; 150; 200; 250;
прямая, обратная
1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5
5; 10
5; 10; 15
1; 3; 5
3; 4
3; 4; 6;
Рис. 6. Схема измерения напряжений при работе: а – на прямой полярности;
б – на обратной полярности; 1 – электрод-катод; 2 – электрод-анод
с вольфрамовой вставкой; 3 – плазмообразующее сопло; 4 – защитное
сопло; 5 – электрододержатель
При проведении экспериментов фиксировалось напряжение иэ.и –
напряжение дуги; иэ.с – падение напряжения на участке электрод – сопло,
ис.и – падение напряжения на участке сопло – изделие (рис. 6). Известные
падения напряжения и ток дуги позволяют определить мощность соответствующего участка дуги и общую мощность сжатой дуги. Полученные
результаты позволяют сравнить распределение тепловой мощности сжатой дуги при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности.
Оценить влияние полярности на изменение напряжения на дуге и падений напряжений на различных ее участках. Кроме того, можно сравнить
тепловложение в плазмообразующее сопло с мощностью части столба
дуги, расположенного внутри плазмотрона, Pд.г = Iдuэ.с для работы на прямой и обратной полярности.
15
Порядок проведения работы
1. Включается пускатель системы управления установки для плазменной сварки.
2. Открывается подача воды. Измеряется расход воды: Q1 – через
электродный узел плазмотрона; Q2 – через плазмообразующее сопло;
Q3 – через имитатор изделия.
3. Измеряется начальная температура воды.
4. Включается подача и устанавливается заданный расход плазмообразующего Qп и защитного газа Qз.
5. Устанавливается сварочный ток Iд.
6. Включается сварочный ток (сжатая дуга). Измеряется напряжение на дуге и ее участках.
7. Измеряется температура воды на выходе соответствующей магистрали t1, t2, t3.
8. Проводятся аналогичные измерения при изменении параметров
режима: Iд, Qп, lс.а, данные записываются в табличной форме.
9. Проводятся аналогичные измерения при изменении dс, lэ, hс.
10. Данные измерений заносятся в таблицы.
11. Проводится расчет тепловой мощности, введенной в элементы
плазмотрона и изделие.
12. Проводится расчет мощности сжатой дуги и части столба дуги,
расположенного внутри плазмотрона Nд.г.
13. Определяется эффективный КПД режима ηи .
14. Определяется относительное тепловложение в плазмообразующее сопло в зависимости от Nд.г.
15. Строятся графики тепловложения в соответствующие элементы плазмотрона и изделие и ηи при изменении параметров режима
(см. рис. 6, 7).
16. Строятся графики относительного тепловложения в плазмообразующее сопло в зависимости от Nд.г (рис. 8, 9).
17. Исследования проводятся при работе на прямой и обратной
полярности.
18. Оформляются выводы о проделанной работе.
16
Рис. 7. Тепловложение в электрод и плазмообразующее сопло
при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности:
а – Qп = 4,7 л/мин; б – Qп = 1,4 л/мин; dc = 6 мм, hэс = 1 мм.
Ряд 1 – Nэ – полярность прямая; ряд 2 – Nc – полярность прямая;
ряд 3 – Nэ – полярность обратная; ряд 4 – Nc – полярность обратная
17
Рис. 8. Зависимость мощности части столба дуги, расположенного
внутри плазмотрона, от тока дуги при Qп = 4,7 л/мин: а – hэ.с = 1 мм;
б – hэ.с = 3 мм. Ряд 1 – dc = 3 мм, полярность прямая; ряд 2 – dc = 4 мм,
полярность прямая; ряд 3 – dc = 6 мм, полярность прямая;
ряд 4 – dc = 3 мм, полярность обратная; ряд 5 – dc = 4 мм, полярность
обратная; ряд 6 = dc – 6 мм, полярность обратная
18
Рис. 9. Зависимость относительного тепловложения в плазмообразующее
сопло ηс* = (Pc/Pд.г)100 % от тока дуги при Qп = 1,4 л/мин: а – hэ.с = 1 мм;
б – hэ.с = 3 мм. Ряд 1 – dc = 3 мм, полярность прямая; ряд 2 – dc = 4 мм,
полярность прямая; ряд 3 – dc = 6 мм, полярность прямая; ряд 4 – dc = 3 мм,
полярность обратная; ряд 5 – dc = 4 мм, полярность обратная;
ряд 6 – dc = 6 мм, полярность обратная
19
Контрольные вопросы
1. Схемы плазменных горелок и разновидности способов плазменной обработки металлов.
2. Способы получения низкотемпературной плазмы.
3. Структурная модель плазменной дуги.
4. Распределение тепловой мощности плазменной дуги и струи.
5. Особенности тепловложения в анод и катод плазмотрона.
6. Как рассчитывается тепловложение в изделие?
7. Как определяется эффективный КПД процесса сварки плавлением?
8. Как рассчитываются потери тепла в сопло?
9. Какими способами можно определять распределение тепловой
мощности плазменной дуги и струи?
10. Какие параметры влияют на распределение тепловой энергии
плазменной дуги и струи?
11. Основные элементы плазмотронов.
12. Приборы для измерения расхода воды и газов.
13. Как рассчитывается тепловложение в элементы цепи плазмотрон – изделие по результатам измерения?
14. Как влияет полярность на распределение тепловой мощности
сжатой дуги?
15. Что такое плазма, параметры плазменной дуги и струи?
Список литературы
1. Эсибян Э.М. Плазменнодуговая аппаратура. – Киев: Техника,
1971. – 164 с.
2. Быховский Д.Г., Беляев В.М. Энергетические характеристики плазменной дуги при сварке на обратной полярности // Автоматическая сварка. –
1971. – № 5. – С. 27–30.
3. Петров А.В. Плазменная сварка // Итоги науки и техники. Сер.
Сварка / ВИНИТИ. – 1980. – Т. 12. – С. 53–67.
4. Щицын Ю.Д., Косолапов О.А. Влияние полярности на тепловые нагрузки плазмотрона // Сварочное производство. – 1997. – № 3. – С. 23–25.
5. Щицын В.Ю., Язовских В.М. Влияние полярности на тепловложение в сопло плазмотрона // Сварочное производство. – 2002. – № 1. –
С. 17–19.
20
2. ПЛАЗМОТРОНЫ
Центральным звеном плазменных установок является плазменная
горелка (плазмотрон), обеспечивающая возбуждение и стабилизацию
горения плазменной дуги. Многообразие процессов плазменной обработки материалов определяет различие конструкций плазмотронов.
Плазмотроны отличаются технологическими возможностями и насыщенностью техническими решениями.
Факторы, влияющие на конструктивные особенности плазмотронов, можно представить в виде разветвленной схемы (рис. 10). На схеме
показаны определяющие факторы, которые, в свою очередь, включают
множество дополнительных ветвей.
За период практического применения плазменной сварки (около
40 лет) разработано большое количество конструкций плазмотронов (речь
идет о дуговых плазмотронах, см. патентную литературу Кл. В23К9/00;
9/16; 10/00; 15/00; 16/00; 28/00).
По способу получения электрического разряда плазмотроны делятся на дуговые и высокочастотные.
В общем виде основными элементами дуговых плазмотронов являются: электрододержатель с электродом (катод или анод); камера для
плазмообразования, плазмообразующее сопло, формирующее сжатую
дугу или плазменную струю; изолятор их разделяющий; вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего, защитного газов и охлаждающей жидкости. При разработке
плазмотронов должны учитываться не только основные факторы, приведенные на схеме (см. рис. 10), но и целый ряд других, таких как мощность (или максимальный ток), надежность, срок службы отдельных
элементов, возможность двойного дугообразования, способы токоподвода, способы возбуждения сжатой дуги, воспроизводимость и управляемость параметрами сжатой дуги или плазменной струи и др.
Общими требованиями при конструировании плазмотронов являются:
– достаточная мощность и широкий диапазон регулирования сварочных параметров;
– создание оптимальных характеристик сжатой дуги и обеспечение их постоянства в процессе работы;
21
22
– обеспечение многократного, стабильного возбуждения сжатой дуги
(плазменной струи);
– надежность и значительный ресурс работы отдельных элементов
плазмотрона;
– простота конструкции, обслуживания и эксплуатации;
– минимальные габариты и масса, обеспечивающие возможность
доступа к труднодоступным местам изделия в различных пространственных положениях;
– универсальность, легкость перенастройки;
– экономичность изготовления, минимальная материалоемкость,
экономия дорогостоящих материалов;
– возможность восстановления плазмотронов при отработке ими
ресурса или аварийном выходе из строя в условиях предприятий-потребителей и ряд других.
Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод о том, что разработка плазмотронов является сложной и многоплановой задачей.
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАЗМОТРОНОВ
Различные варианты схем плазмотронов удобнее всего представить
в виде классификации (рис. 11).
В первую очередь все плазмотроны разделяются на две группы
по виду дуги: плазмотроны с дугой прямого и косвенного действия
(см. рис. 11, 1, 2). По системе охлаждения электрода и сопла плазмотроны могут быть с газовым и водяным охлаждением (см. рис. 11, 3, 4).
Теплоемкость воды намного выше теплоемкости воздуха и других газов, поэтому наиболее эффективной и распространенной является водяная система охлаждения. При водяном охлаждении допускаются высокие тепловые нагрузки на электрод и сопло, т.е. обеспечивается надежная работа при больших токах и высокой степени обжатия столба дуги.
Известная формула расчета отводимой тепловой мощности при водяном
охлаждении имеет вид
N в = cS ∆T ,
где N в – отводимая мощность, Вт; c – теплоемкость воды,
c = 4190 Дж/кг·град; S – расход воды, кг/с; ∆T – разность температур на
выходе и входе в соответствующий элемент плазмотрона, ∆T = Tвых − Tвх .
23
Рис. 11. Классификация плазмотронов
24
Рис. 11. Классификация плазмотронов (продолжение)
Эта формула позволяет оценить предельную мощность плазмотрона в зависимости от расхода воды. Учитывая, что в плазмотрон отводится порядка 25–40 % мощности сжатой дуги, для обеспечения работоспособности плазмотрона на токах 500–600 А теоретически достаточно небольшого расхода воды (1,5–2 л/мин) при ∆T = 40 °С.
Известные конструкции плазмотронов такой мощности требуют расхода
воды от 10 л/мин и более и отличаются сложностью системы охлаждения, значительными габаритами и массой. Чистота воды существенно
влияет на эффективность охлаждения. Для установок большой мощности целесообразно использовать автономную замкнутую систему охлаждения с дистиллированной водой во избежание образования накипи.
Системы газового охлаждения, ввиду низкой эффективности, применяются реже, главным образом для охлаждения маломощных плазменных горелок и ручных плазменных резаков для воздушной резки.
Плазмотроны можно классифицировать по способу стабилизации
дуги (см. рис. 11, 5, 6, 7, 8, 9). Система стабилизации обеспечивает сжатие столба дуги и строгую ориентацию его по оси электрода и сопла
плазмотрона и является одним из важнейших элементов плазмотрона.
25
Существует три вида стабилизации дуги: газовая, водяная и магнитная.
Наиболее простой и распространенной является газовая стабилизация,
при которой наружный, холодный слой рабочего плазмообразующего
газа, омывая стенки столба дуги, охлаждает и сжимает его. При этом,
в зависимости от способа подачи газа, газовая стабилизация может быть
аксиальной или вихревой (см. рис. 11, 5, 6). Наибольшее обжатие дуги
достигается при вихревой стабилизации, поэтому этот способ чаще используется в плазмотронах для резки и напыления. При аксиальной стабилизации поток газа, обдувающий столб дуги, имеет более спокойный,
ламинарный характер, что обеспечивает лучшие условия защиты нагреваемого изделия от воздействия окружающей среды. Такую стабилизацию предпочтительней использовать для сварки и наплавки. В ряде
случаев используют двойную стабилизацию дуги, при которой сочетается аксиальная подача через первичное и вихревая подача газа через
вторичное сопло и наоборот (см. рис. 11, 7).
При водяной стабилизации можно достичь наиболее высокой степени сжатия и температуры столба дуги (до 50 000–70 000 К). Однако
присутствие паров воды вблизи катодной области приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов. Поэтому в плазмотронах с водяной стабилизацией (например, для резки) чаще используют графитовый электрод, автоматически перемещаемый по мере его
сгорания (см. рис. 11, 8).
Магнитная стабилизация (см. рис. 11, 9), при которой создаваемое
продольное магнитное поле сжимает столб дуги, менее эффективна, чем
водяная и газовая. Кроме того, наличие соленоида усложняет конструкцию
плазмотрона и увеличивает его габариты. Преимущество магнитной стабилизации состоит в возможности регулирования степени сжатия столба
дуги, независимо от расхода рабочего газа. На практике наложение продольного магнитного поля применяется не столько для стабилизации дуги,
сколько для вращения ее анодного пятна по внутренним стенкам сопла,
при работе в режиме косвенной дуги, с целью повышения стойкости последнего, например в плазмотронах, применяемых для напыления.
По виду электрода-катода плазмотроны постоянного тока можно
разделить на плазмотроны со стержневым (см. рис. 11, 10, 11) и распределенным (см. рис. 11, 12–15) катодом. В плазмотронах со стержневым катодом катодное пятно фиксируется на торце электрода, а в плазмотронах с расщепленным катодом – интенсивно перемещается с помощью газовихревого или магнитного вращения по развитой поверхности
электрода.
26
Стержневые катоды могут быть трех видов: расходуемые, газозащитные и пленкозащитные (рис. 11, 10–13). Расходуемый, чаще всего
графитовый, электрод, несмотря на высокую температуру плавления,
имеет повышенный расход из-за возгонки вблизи температуры плавления. Газозащитный вольфрамовый электрод – самый распространенный
из всех видов электродов. Вольфрам имеет высокую прочность и достаточно высокие электро- и теплопроводность. При работе в инертной
(аргон, гелий) среде при нагрузке j = 15–20 А/мм2 вольфрам практически не расходуется. Пленкозащитные катоды обладают высокой стойкостью в активных газах (воздух, углекислый газ, технический азот).
Он представляет собой стержень из циркония или гафния, запрессованный в медной обойме. Высокая термостойкость таких электродов обусловлена образованием стойкой тугоплавкой пленки из оксидов и нитридов, защищающей чистый металл от испарения. Активная вставка
расходуется главным образом при включении дуги, вследствие разрушения пленки от термоудара. При использовании циркониевого электрода допускается бо́льшая плотность тока (80–100 А/мм2), чем при использовании вольфрамового электрода.
При работе плазмотрона с окислительной плазмообразующей средой на больших токах (1000 А и более) применяются разнообразные виды распределенных катодов, наиболее распространенными из которых
являются полый, дисковый и кольцевой (рис. 11, 13–15). Недостатками
распределенных катодов являются сложность их конструкции, трудность равномерного перемещения катодного пятна по всей поверхности
электрода, низкая стабильность горения дуги, рост напряжения прикатодной области дуги и связанное с этим увеличение потерь мощности
в электроде.
Плазмотроны различаются по используемой плазмообразующей
среде (см. рис. 11, 16–18). Состав плазмообразующей среды диктуется
технологическим процессом и, в свою очередь, является определяющим
фактором при выборе схемы плазмотрона. По химическому воздействию на обрабатываемое изделие и электроды плазмотрона все плазмообразующие среды можно разделить на три большие группы: инертные,
восстановительные и окислительные.
По роду тока плазмотроны отличаются большим разнообразием
(см. рис. 11, 19–22). Подавляющее большинство плазмотронов выполняются для работы на постоянном токе прямой полярности. Это объясняется тем, что на аноде дуги выделяется большее количество тепла,
27
чем на катоде. Тепловая мощность, выделяемая в электроде плазмотрона, в отличие от плавящегося электрода сварочной дуги, является не
только бесполезной, но и вредной. Наименьшую тепловую нагрузку несет электрод, являющийся катодом.
Предельно допустимая нагрузка на лантанированный вольфрамовый электрод на переменном токе примерно в два раза, а на обратной
полярности, при использовании постоянного тока, в десять раз ниже,
чем на прямой полярности. Поэтому плазмотроны постоянного тока
прямой полярности имеют наиболее высокий коэффициент полезного
использования мощности.
При работе плазмотрона на переменном токе прохождение тока
через ноль может вызвать гашение дуги, поэтому напряжение холостого
хода источника питания переменным током должно не менее чем в два
раза превышать рабочее напряжение дуги. Плазмотроны, работающие
на переменном токе, рекомендуется применять для сварки алюминиевых сплавов, так как в периоды обратной полярности происходит разрушение тугоплавкой оксидной пленки, препятствующей качественному формированию сварного шва. Существует несколько схем плазмотронов переменного тока. На рис. 11, 20 представлены плазмотроны,
питание которых происходит от однофазного трансформатора. При вентильной схеме коммутации тока (рис. 11, 21) электрод плазмотрона
функционирует только как катод (в полупериод прямой полярности),
а сопло – как анод (в полупериод обратной полярности). При такой схеме питания обеспечивается большая стойкость вольфрамового электрода. Однако с увеличением тока ухудшаются условия работы сопла,
а при работе на токах ниже определенного предела (порядка 150 А) нарушается стабильность горения дуги. Стабильность горения дуги обеспечивается при трехфазной схеме питания плазмотрона (рис. 11, 22),
но электроды и сопло находятся в сравнительно тяжелых условиях работы, и значительно усложняется конструкция плазмотрона. Для повышения стабильности горения дуги переменного тока в ряде случаев
плазмотроны выполняют комбинированными (рис. 11, 23, 24).
Наряду с дуговыми плазмотронами, работающими на токе промышленной частоты, были разработаны высокочастотные (ВЧ) (рис. 11, 25)
и сверхвысокочастотные (СВЧ) (рис. 11, 26) плазмотроны. Принцип работы высокочастотного индуктивного или безэлектродного плазмотрона
заключается в нагреве газа до состояния плазмы в электромагнитном поле индуктора (рис. 11, 25). Для этого в полость индуктора, питаемого от
28
высокочастотного генератора (частотой 1–40 МГц, напряжением до 10 кВ
и мощностью до 50 кВт), помещается трубка из термостойкого изоляционного материала, например кварца. В трубку подается плазмообразующий газ и кратковременно вводится графитовый или металлический пруток. Последний раскаляется под действием поля индуктора и вызывает
нагрев и первоначальную ионизацию окружающего газа. Когда электропроводность газа возрастает до определенной величины, начинается интенсивный его нагрев и ионизация вихревыми токами, создаваемыми полем индуктора. После развития самостоятельного кольцевого разряда
пруток удаляется из полости трубки. Продуваемый через трубку газ, проходя через кольцевой разряд, нагревается и истекает в виде плазменной
струи, температура которой достигает 15 000–20 000 К, а скорость истечения в десятки раз меньше скорости истечения плазменной струи дуговых плазмотронов. Оборудование для высокочастотной плазмы дорого
и имеет ограниченную мощность, поэтому ВЧ-плазма находит применение в специальных технологиях.
В сверхвысокочастотных плазмотронах газ также нагревается электромагнитным полем, создаваемым электродом-излучателем (рис. 11, 26).
СВЧ-плазма возникает у электрода при остроконечной его форме
и высокой напряженности поля вблизи него. В высоковольтном
и сверхвысокочастотном электрическом поле свободные электроны
ускоряются и приобретают такую кинетическую энергию, что при
столкновении с частицами газа вызывают их диссоциацию и ионизацию. Электрод плазмотрона подключен к магнетронному генератору
частотой с 2000–3000 МГц и мощностью 2–5 кВт. Плазменный факел
СВЧ-плазмотрона интересен тем, что в нем нет термического равновесия. Температура электронов на порядок выше температуры ионов
и свободных атомов. Например, при температуре факела равной 3500 К
электронная температура достигает 35 000 К. Высокая температура
электронов позволяет производить химические реакции синтеза некоторых специальных материалов.
2.2 КОНСТРУКЦИИ УЗЛОВ ПЛАЗМОТРОНА
Основными узлами плазмотронов являются электродный, сопловой, изолятор, система подачи плазмообразующего газа.
Катоды. Основная характеристика материала катода – эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода электронов. Чем
29
выше эмиссионные свойства материала катода (чем меньше работа выхода), тем лучше решаются задачи стабилизации дуги и охлаждения катода. Для инертных плазмообразующих газов наилучшим материалом
катодов является вольфрам, легированный окислами лантана и иттрия
(марки ВЛ и СВИ).
Конструктивно катоды из вольфрама выполняются двумя способами: в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным в электродном узле плазмотрона (рис. 12, а), и в виде медной
державки с заделанным в нее стержнем вольфрама, закрепленной
в электродном узле. Последняя конструкция менее удобна, но обеспечивает более высокие плотности тока на катоде (рис. 12, б).
а
б
в
г
д
Рис. 12. Конструкции катодов плазмотронов
Катодная вставка может закрепляться в цельном корпусе
(см. рис. 12, б) и сменных медных наконечниках, соединяемых с корпусом электрододержателя конусной посадкой или резьбой (рис. 12, в).
Конструкции (см. рис. 12, в, г, д) характерны для катодов с активной
вставкой (цирконий, гафний), предназначенных для работы в кислородсодержащих средах. Вставка соединяется с наконечником различными
способами: пайкой, диффузионной сваркой, запрессовкой, совместной
холодной штамповкой активной вставки с медной державкой и др.
Аноды. Как отмечалось выше, при работе плазмотрона на обратной полярности тепловая нагрузка на электрод резко возрастает. Опыт
показывает, что для обеспечения адекватной стойкости сечение вольфрамового электрода при работе на обратной полярности должно быть
в 9 раз больше, чем на прямой полярности. Для снижения плотности
теплового потока в анод необходимо рассредоточить разряд по поверхности анода. Эксперименты, проводимые с вольфрамовыми электродами различной конструкции (рис. 13), показали, что при токе 150 А
30
Рис. 13. Конструкции электродов–анодов из вольфрама
Рис. 14. Конструкции медных
электродов–анодов
и токе возбуждения 50 А они разрушались меньше, чем за 23 мин, а при
токе 200 А – за 2–3 мин. Это объясняется недостаточной теплопроводностью вольфрама.
Эксперименты, проведенные с медными анодами (теплопроводность в 3 раза
выше, чем у вольфрама) различной конструкции (рис. 14), показали, что конструкции а и б при токе 200 А и токе возбуждения 50 А быстро разрушались. На
электроде на рис. 14, в активное пятно
располагалось на кромке электрода, что
приводило к аварийной работе плазмотрона (двойной дуге).
Электрод конструкции 14, г при
токе 200 А имел ресурс 300 мин при
60 возбуждениях дуги. Считается, что
рост ресурса анодов связан с увеличением
размеров электродов и улучшением их
охлаждения. Предложен анодный узел,
31
состоящий из медной водоохлаждаемой
державки и активной вольфрамовой
вставки (рис. 15). Диаметр державки 12;
17 и 25 мм, диаметр вставки 6; 6 и 8 мм
соответственно. Высокая стойкость анода
обеспечивается качественным соединением меди с вольфрамом и системой водяного охлаждения. Наилучшие результаты достигались при осадке расплавленРис. 15. Конструкция
ной меди на вольфрамовую вставку.
комбинированного
Стойкость таких анодов достигает до
анодного узла
100–300 ч при рабочем токе до 400 А при
100–500 включениях.
Плазмообразующие сопла воспринимают большие тепловые нагрузки и поэтому требуют тщательного конструктивного оформления.
Опыт эксплуатации показал, что наилучшим материалом для изготовления сопел является медь высокой чистоты (марки М0, М1), обладающая
высокой теплопроводностью и сравнительно невысокой стоимостью.
Армирование стенок сопла теплостойкими материалами приводит
к уменьшению срока его службы из-за снижения теплопроводности.
Сопла малоамперных и ручных плазменных горелок могут иметь естественное или газовое охлаждение (рис. 16, а, б).
а
б
в
г
д
Рис. 16. Конструкции плазмообразующих сопел.
В большинстве случаев применяется водяное охлаждение сопел,
при этом участок сопла, контактирующий с плазменным столбом, может быть сменным (рис. 16, в, г, д).
32
Узел завихрения рабочего газа определяет качество стабилизации
столба сжатой дуги. Конструктивные варианты узлов завихрения можно
разделить на группы, представленные на рис. 17.
Функции завихрителя может выполнять корпус плазмотрона
(рис. 17, а, б), керамическая шайба, помещенная у входа в сопло
(рис. 17, в), само сопло (рис. 17, г), при этом можно значительно сократить длину канала сопла, заменив большую часть его кольцами стабилизирующего газа, вращающимися вокруг столба дуги (очень сложное
и трудоемкое в изготовлении), и сам электрод плазмотрона, на наружной поверхности которого выполняется винтовая нарезка (рис. 17, д).
а
б
в
г
д
Рис. 17. Конструкции узлов завихрения плазмообразующего газа
Изоляторы. Плазмообразующее сопло и электродный узел должны быть электрически изолированы друг от друга. Одним из условий
стабильного горения дуги является точная центровка электрода и сопла
при сборке плазмотрона. Функции механической связи электродного
узла и плазмотрона, их точной взаимоцентровки и электрической изоляции выполняет изолятор. К материалу изолятора предъявляются разнообразные, а иногда и противоречивые требования:
33
– достаточная механическая прочность;
– высокая электрическая прочность, так как возбуждение дежурной дуги осуществляется с помощью высоковольтного высокочастотного разряда;
– термостойкость, так как части изолятора подвергаются тепловому и световому воздействию сжатой дуги;
– возможность механической обработки (например, режущими инструментами);
– герметичность, поскольку через изолятор могут проходить коммуникации плазмообразующего газа и водяной системы охлаждения.
Материалы, наиболее применимые для изготовления изоляторов
плазмотронов, можно условно разделить на две группы: обрабатываемые на универсальном оборудовании из заготовок (прутки, листы)
и получаемые с использованием специальной технологической оснастки (пресс-формы, заливочные формы).
К первой группе относятся фторопласт Ф-4, иногда капролон, эбонит; ко второй – эпоксидная смола холодного отверждения ЭД-5 с кремнийорганическим наполнителем, стеклонаполненные пресс-материалы
типов АГ-4В, ДСВ, КМК-218, КПС и др., а также высокоглиноземистые
керамические типа кристаллокорунд и 22ХС.
Из материалов первой группы изоляторы изготовляются на универсальном оборудовании (токарные, фрезерные, сверлильные станки)
и могут быть достаточно сложными. К недостаткам их можно отнести
низкую технологичность процесса изготовления и невысокую термостойкость. Из материалов второй группы детали можно изготовлять
достаточно простым способом с минимальной трудоемкостью и потерями материала. Недостатком является трудность обеспечения точности
размеров и формы изолятора. Это объясняется наличием литейных конусов и уклонов, а также изменением коэффициента усадки у одного
и того же материала. В связи с этим в пресс-формах изготовляют простые детали, не требующие высокой точности. Применение перспективных керамических материалов сдерживается двумя причинами. Первая – большой разброс коэффициента усадки шликерной массы при
спекании, что не позволяет получать детали выше пятого класса точности. Вторая причина – для изготовления керамических деталей требуется набор специального технологического оборудования (шаровые мельницы, машины шликерного литья, водородные печи для спекания), это
снижает рентабельность при мелкосерийном производстве.
34
2.3. УСЛОВИЯ БЕЗАВАРИЙНОЙ РАБОТЫ ПЛАЗМОТРОНОВ
Стабильная работа плазмотронов обеспечивается при соблюдении
определенных соотношений между геометрическими параметрами катода и плазмообразующего сопла. В плазмотронах дугу можно сжимать
до определенного предела. При предельном значении тока для установленного диаметра сопла образуется «двойная», или каскадная, дуга, горящая между электродом и соплом и между соплом и изделием. Это явление связано с тем, что при увеличении тока и уменьшении диаметра
сопла увеличивается падение напряжения в столбе дуги и одновременно
уменьшается пограничный холодный слой газа у стенки сопла, благодаря чему повышается его электропроводность и создаются условия для
электрического пробоя. Режим двойной дуги является аварийным, так
как при этом нарушается формирование шва и разрушается сопло. Величину допустимого тока в зависимости от диаметра вольфрамового
катода рекомендуется определять из следующего соотношения:
I д = 67d к3/2 ,
где d к – диаметр катода, мм.
При токах более 100 А соотношение тока и диаметра катода предлагается следующее:
d к = 0, 0065 I д + 0, 7.
Вылет электрода из электрододержателя рекомендуется ограничивать в следующих пределах: d к ≤ l ≤ 15 мм.
Диаметр плазмообразующего сопла не должен быть меньше диаметра катода – d с ≥ d к . Длина канала сопла не должна превышать диаметра
сопла lс ≤ d с для предельно допустимых токов. Величина предельного тока для данного диаметра сопла зависит от состава и расхода плазмообразующего газа и длины сопла. Для lс ≈ dс при использовании аргона в качестве плазмообразующего газа ток дуги
I д ≈ (80...120)d с .
Такая величина тока устанавливается из условия отсутствия двойной дуги.
35
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ
Цели работы:
1. Изучить принципы классификации плазмотронов в зависимости
от их назначения и особенностей конструкции.
2. Ознакомиться с конструктивными вариантами основных элементов плазмотронов в зависимости от их целевого назначения и материалами, применяемыми для изготовления плазмотронов.
3. Получить навыки конструирования плазмотронов различного
назначения.
Порядок проведения работы
1. Студенту выдается реальный плазмотрон.
2. Производится разборка плазмотрона на главные узлы: электродный, сопловой, изолятор. Оценивается назначение плазмотрона.
3. Производится детальная разборка главных узлов плазмотрона
(если таковая возможна). Проводится оценка устройства систем охлаждения и газоснабжения плазмотрона.
4. Вычерчивается эскиз плазмотрона с необходимыми разрезами
и сечениями.
5. Составляется подробное описание конструкции плазмотрона
и отдельных его узлов, устройства систем охлаждения и газоснабжения.
Проводится анализ преимуществ и недостатков устройства узлов плазмотрона и всей конструкции в целом.
6. Производится сборка плазмотрона.
Контрольные вопросы
1. Основы классификации плазмотронов.
2. Общие требования, предъявляемые к конструкции плазмотронов.
3. Основные узлы плазмотронов.
4. Способы стабилизации сжатой дуги.
5. Разновидности катодов плазмотронов, материалы катодов.
6. Конструкции анодов плазмотронов.
7. Устройство сопловых узлов плазмотронов.
8. Изоляторы, назначение, материалы изоляторов.
9. Системы охлаждения теплонагруженных узлов плазмотронов.
36
10. Системы газоснабжения плазмотронов.
11. Классификация плазмотронов по роду тока.
12. Классификация плазмотронов по плазмообразующей среде.
13. Плазмотроны для высокочастотных плазменных технологоий.
Список литературы
1. Эсибян Э.М. Плазменно-дуговая аппаратура. – Киев: Техника,
1971. – 164 с.
2. Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы
и установки в машиностроении. – Л.: Машиностроение, 1979. – 221 с.
3. Плазменно-дуговая технология в промышленном производстве /
под ред. В.И. Макарова / ЦЭНДИСИ СССР. – М., 1991. – 183 с.
4. Щицын Ю.Д., Тыткин Ю.М. Компоновка плазмотронов на базе
унифицированных узлов // Сварочное производство. – 1986. – № 6. – С. 24.
37
3. ЯВЛЕНИЕ КАТОДНОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ
НА ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ
Качество сварного и паяного соединения во многом определяется
качеством подготовки поверхностей изделий. Поверхность металлов
загрязнена средствами консервации, остатками смазочно-охлаждающих
жидкостей, окалиной, адсорбированными газами и пр. Кроме того, легкие цветные металлы (Al, Mg) и их сплавы обладают специфическим
отличием, затрудняющим процессы их сварки и пайки – наличием на
поверхности прочной, тугоплавкой окисной пленки (например, Al2O3
имеет температуру плавления Тпл ≈ 2050 °C, а у алюминия Тпл ≈ 660 °С).
Наличие такого окисла на свариваемых (паяемых) поверхностях затрудняет их смачивание жидким металлом (припоем), образование общей
сварочной ванны и качественного сварного (паяного) соединения. Существует ряд способов удаления загрязнений и окисной пленки с рабочих поверхностей перед сваркой или пайкой: механические, химические, электрохимические, физические. Среди них флюсовый, абразивный, ультразвуковой, использование моющих и растворяющих средств,
химическое травление, вакуумный, гальванический. Перечисленные
способы очистки поверхностей имеют свои специфические недостатки.
Общими для них являются высокая трудоемкость, значительная длительность процесса, сложность оборудования, загрязнение окружающей
среды. Особенно недостатки таких способов очистки проявляются при
обработке сложных изделий с использованием различных материалов
и технологических операций. Кроме того, необходимо учитывать разнообразие загрязнителей изделий. Ими могут быть окисные пленки, масляные загрязнения, адсорбированная влага, технологические пленки
(например, электронно-лучевое осаждение) и др.
При контакте очищенных поверхностей с атмосферой на них происходит быстрое повторное образование окисной пленки вследствие
высокого сродства к O2 (кислороду). Поэтому удаление окисла предпочтительней проводить непосредственно в процессе сварки (пайки),
а зону обработки необходимо защищать от окисления вновь, пока не
произойдет образование соединения. Использование обратной поляр38
ности при плазменной обработке металлов дает такую возможность.
На изделие воздействуют сжатой дугой обратной полярности (изделие
при этом является катодом), зона обработки защищается подачей аргона через защитное сопло плазмотрона. За счет явления «катодной
очистки» с поверхности изделия удаляются оксидные пленки и другие
загрязнители.
3.1. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ
До сих пор нет устоявшегося представления о природе процесса
катодного распыления. Поверхность изделия при обработке дугой обратной полярности для большинства конструкционных металлов является «холодным катодом». Термин «холодный катод» принято применять к катодам из металлов, температура кипения которых ниже точки,
при которой можно рассчитывать на заметную термоэлектронную
эмиссию. К особенностям этих катодов относятся кратковременность
существования катодных пятен, высокая плотность катодного тока,
беспорядочное движение конца дуги по поверхности катода, а часто
одновременное или последовательное существование нескольких катодных пятен. Скорость перемещения катодного пятна так высока, что
визуально дуга имеет форму усеченного конуса между соплом плазмотрона и поверхностью изделия (рис. 18).
Рис. 18. Процесс катодной очистки при работе плазмотрона
на обратной полярности
39
Ширина зоны движения катодных пятен (и ширина зоны катодной очистки) может превышать диаметр защитного сопла плазмотрона (рис. 19).
Рис. 19. Внешний вид очищенного слоя ( × 2)
До сих пор нет общепринятой теории катодных процессов на холодных катодах и механизма катодного распыления. Предположительно
считается, что разрушение и удаление окисной пленки и загрязнений
в зоне воздействия дуги обратной полярности происходит в результате
эмиссии электронов и бомбардировки положительными ионами поверхности металла, при этом может протекать ряд процессов: вторичная
электронная эмиссия, эмиссия отрицательных ионов и нейтральных
атомов, отражение падающих ионов и распыление.
Эффективность катодного распыления существенно повышается
при использовании в качестве защитного газа аргона и является незначительной при применении гелия.
Эмиссия электронов. Предполагается, что выход электронов с поверхности холодного катода может происходить вследствие электростатической эмиссии. Сильное электростатическое поле, необходимое для
выхода, создается пространственным зарядом положительных ионов
в зоне катодного падения потенциала. Величина электрического поля
должна достигать порядка 106 В/см. Достоверных данных о наличии поля такой силы на сегодняшний день нет. Кроме того, при работе дуги
40
постоянного тока электронная эмиссия с катода не должна зависеть от
состава газовой среды, однако отмечено, что при использовании гелия
в качестве защитного и плазмообразующего газа явление катодной очистки поверхности изделия не наблюдается, в то время как при использовании аргона катодная очистка имеет место. Отсюда можно сделать вывод, что автоэлектронная эмиссия не является основной причиной катодной очистки.
Вторичная электронная эмиссия. Бомбардировка положительными ионами может вызвать эмиссию электронов с поверхности твердого
тела. Пороговая энергия положительных ионов, при которой появляется
заметная эмиссия электронов, E0He+ = 380 эВ и E0Ar+ = 180 эВ. Более высокий выход е имеет место при бомбардировке окисленной поверхности. При бомбардировке нейтральными атомами также может наблюдаться эмиссия.
Эмиссия отрицательных ионов и нейтральных атомов. Падающий положительный ион может соединиться с электроном (е), вырванным с поверхности, образующийся при этом нейтральный атом
может затем поглотиться поверхностью или отразиться от нее. Прямых
данных об эмиссии нейтральных атомов нет, однако доказательством
наличия этого процесса является наличие весьма низкой е эмиссии.
Образование нейтральных атомов вероятнее всего происходит при
низких значениях падающих ионов. Положительный ион, бомбардирующий поверхность, может захватывать два е и превращаться в отрицательный ион. Имеющиеся данные показывают, что выход отрицательных ионов весьма мал.
Отражение падающих ионов. Некоторые ионы, ударяющиеся
о поверхность твердого тела, могут отражаться поверхностью с потерей
энергии. Отражение по зеркальному углу наиболее вероятно, однако
ионы обнаруживаются не только в этом направлении. Коэффициент отражения при бомбардировке поверхности разреженным газом достаточно высок при энергии падающих ионов не менее 50 эВ. Данные, полученные при бомбардировке поверхности ионами с энергией несколько
сотен электрон-вольт, показывают, что коэффициент отражения значительно уменьшается при увеличении атомного веса иона. Например, коэффициент отражения ионов He+ на порядок выше, чем ионов Ar+ при
величине энергии 600 эВ.
Распыление от падающих ионов. Атом или группа атомов могут
вырываться из поверхностного слоя в результате ударения положи41
тельно заряженных ионов. Падающий ион вторгается в кристаллическую решетку поверхности металла, воздействуя на атомы или даже
молекулы, которые, сталкиваясь друг с другом, приобретают скорость,
достаточную для выхода из поверхностного слоя. Если имеется течение газа относительно поверхности, как в случае плазменной обработки, освобожденные атомы могут удаляться от поверхности с большой
скоростью.
Газ, влага, адсорбированные поверхностью металла, другие загрязнения также могут распыляться под воздействием потока положительно заряженных ионов.
При изучении распыления адсорбированного газа при низкой (менее 10 эВ) энергии бомбардирующих ионов было обнаружено, что количество распыленных атомов одним ионом выражается зависимостью
S ≈ a (E – E0) при Е ≥ Е0;
где S – степень распыления; Е0 – пороговая энергия падающих ионов,
выше которой процесс распыления имеет место; а – крутизна характеристики.
Существует попытка объяснить очистку поверхности металла
резким вскипанием поверхности катода и сублимацией окислов (например, при сварке алюминия). Плотность тока в катодных пятнах,
достигающая 106 А/см2, обусловливает высокие удельные тепловые
потоки, достигающие значений 107 Вт/см2. Последние по величине
превышают те тепловые потоки, которые могут быть отведены за счет
теплопроводности материала катода, что вызывает эрозию поверхности за счет кипения и испарения. Достоверных данных о реальной
температуре поверхности в зоне катодных пятен также пока нет из-за
трудности ее измерения. Например, определение температуры путем
спектроскопических исследований излучения пятна затрудняется интенсивным излучением из окружающей плазмы. Кроме того, следует
напомнить, что при гелиевой атмосфере катодная очистка отсутствует,
поэтому сублимация не является основной причиной очистки поверхности. Это подтверждается и тем, что при работе плазмотрона на прямой полярности очистки поверхности не происходит, хотя теплопередача в анод выше, чем в катод.
Таким образом, можно сделать вывод, что катодная очистка поверхности изделий представляет собой совокупность целого ряда про42
цессов, основной причиной которых является бомбардировка положительно заряженными ионами. Катодная очистка имеет место при всех
дуговых способах сварки, когда изделие является катодом.
3.2. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
НА ПРОЦЕСС КАТОДНОЙ ОЧИСТКИ
Основными параметрами плазменной обработки металлов на
обратной полярности являются: ток сжатой дуги Jд, А; расход плазмообразующего газа Qп, л/мин (Ar); расход защитного газа Qз, л/мин
(Ar); диаметр плазмообразующего сопла dс, мм; скорость движения
плазмотрона vсв, м/ч; расстояние от среза сопла плазмотрона до изделия H, мм.
Перечисленные параметры должны оказывать влияние на эффективность катодной очистки.
Качество катодной очистки можно контролировать по нескольким параметрам: ширине зоны катодной очистки Во (рис. 20), сопротивлению поверхностного слоя до и после очистки (например, мостом постоянного тока МО-62), растекаемости припоя, химическому
составу поверхностного слоя (например, рентгеновским микроанализатором МАР-2).
Рис. 20. Изменение ширины зоны катодной очистки
при уменьшении скорости движения плазмотрона
43
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТОДНОЙ ОЧИСТКИ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ
ПОВЕРХНОСТИ СЖАТОЙ ДУГОЙ ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ
Цели работы:
1. Изучить процессы, протекающие при катодной очистке рабочей
зоны при плазменной сварке на обратной полярности и при подготовке
изделий под пайку.
2. Ознакомиться с оборудованием и технологией плазменной сварки на обратной полярности.
3. Исследовать влияние параметров режима обработки на эффективность катодной очистки металлических поверхностей.
4. Выявить особенности сварки алюминия и его сплавов.
Методика проведения экспериментов
Основными параметрами плазменной обработки металлов на обратной полярности являются:
Jд, А – ток сжатой дуги;
Qп, л/мин – расход плазмообразующего газа (Ar);
dс, мм – диаметр плазмообразующего сопла;
Qз, л/мин – расход защитного газа (Ar);
vсв, м/ч – скорость движения плазмотрона;
H, мм – расстояние от среза сопла плазмотрона до изделия.
Исследования проводятся на образцах из различных материалов
(табл. 1). Образцы имеют следующие размеры: толщина 5–15 мм; ширина – 80 мм; длина 250 мм.
Таблица 1
Исследуемые материалы
№
п/п
1
2
3
4
5
6
44
Группа материалов
Алюминиевые сплавы
Высоколегированные коррозионно-стойкие стали
Высоколегированные жаропрочные стали
Сплавы на никелевой основе
Бронза
Титановые сплавы
Металлпредставитель
АМг6; АМц; Д16Т
12Х18Н10Т
09Х16Н4Б
ХН67ВМТЮ
БрХ08
ОТ4
Исследования выполняются на стенде для плазменной обработки
материалов, скомплектованном на базе станка наплавочного.
В качестве рабочего инструмента используется плазмотрон для сварки на обратной полярности, сконструированный на кафедре сварочного
производства и технологии конструкционных материалов Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Для питания сварочного тока используется выпрямитель типа
ВДУ-505, имеющий падающую внешнюю вольт-амперную характеристику и плавное регулирование сварочного тока.
В качестве защитного и плазмообразующего газа используется аргон.
Порядок проведения работы
1. Подготавливается стенд плазменной обработки к работе:
а) включается пускатель системы управления стенда;
б) включается пускатель источника питания сварочного тока;
в) включается система подачи охлаждающей воды и система подачи газа; устанавливается необходимый расход, контролируемый соответствующими ротаметрами.
2. На рабочий стол укладывается испытываемый образец.
3. Устанавливаются требуемые параметры режима (табл. 3), включается сварочный ток и механизм перемещения плазмотрона.
Таблица 3
Параметры режимов процесса катодной очистки
№
п/п
1
2
3
4
5
6
Параметры
Сварочный ток Iсв, А
Диаметр плазмообразующего сопла dс, мм
Расход плазмообразующего газа, Аr, Qп, л/мин
Расход защитного газа, Ar, Qз, л/мин
Скорость перемещения плазмотрона vсв, м/ч
Расстояние от среза сопла до изделия h, мм
Диапазон
изменения
50–200
3–6
2–8
2–9
5–80
5–20
Наблюдается явление катодной очистки. После остывания образца
производится определение ширины зоны катодной очистки.
Исследования проводятся последовательно по каждому параметру режима при поддержании остальных параметров постоянными.
Подплавление поверхности образцов не допускается. Для исключения
влияния предварительного подогрева на ширину зоны катодной очист45
ки выполнение повторных проходов допускается только после охлаждения образца.
Измеряется ширина зоны катодной очистки, результаты исследований заносятся в таблицы. По полученным результатам строятся графики зависимостей ширины зоны катодной очистки от изменения параметров режима обработки (рис. 21–24).
Рис. 21. Влияние расхода защитного газа на ширину зоны катодной очистки:
ряд 1 – Iсв = 60 А; ряд 2 – Iсв = 100 А; ряд 3 – Iсв = 150 А; ряд 4 – Iсв = 200 А;
ряд 5 – Iсв = 300 А; при vсв, = 16 м/ч, Qп = 4 л/мин, dс = 6 мм и h = 7 мм
Рис. 22. Влияние скорости сварки на ширину зоны катодной очистки.
Обозначения и условия см. на рис. 21 при Qз, = 5 л/мин
46
Рис. 23. Влияние расхода плазмообразующего газа на ширину
зоны катодной очистки. Обозначения и условия см. на
рис. 21 при Qз = 5 л/мин
Рис. 24. Влияние расстояния от среза сопла до изделия
на ширину зоны катодной очистки. Обозначения и условия
см. на рис. 21 при Qз = 5 л/мин
Проводится анализ полученных результатов, выявляются параметры режима, оказывающие наибольшее влияние, составляются выводы по проведенным исследованиям. Для сокращения числа экспериментов и возможности математической обработки полученных результатов рекомендуется использовать методику планирования
эксперимента.
47
Техника безопасности
1. Работа на стенде для плазменной обработки металлов производится под контролем ведущего преподавателя или учебного мастера.
2. Наблюдение за зоной обработки плазменной дугой производится через сварочный светофильтр.
3. Измерение зоны катодной очистки производится после остывания образцов.
4. Работа проводится при включенной вытяжной вентиляции.
5. Регулировка скорости перемещения плазмотрона сменными
шестернями привода производится при выключенном пускателе стенда.
Контрольные вопросы
1. Особенности сварки алюминиевых и магниевых сплавов.
2. Способы подготовки поверхностей изделий под сварку и пайку.
3. Механизм процесса катодного распыления.
4. Вторичная электронная эмиссия.
5. Эмиссия отрицательных ионов и нейтральных атомов.
6. Отражение падающих ионов.
7. Распыление от падающих ионов.
8. При каких способах сварки имеет место катодная очистка поверхности изделия?
9. Какие параметры режима обработки плазменной дугой влияют
на мощность катодной очистки?
10. Какими параметрами можно оценить качество катодной очистки?
11. Какие материалы можно подвергать процессу катодной очистки?
12. Почему при использовании гелия в качестве защитного и плазмообразующего газа не наблюдается явление катодной очистки?
13. Почему происходит сужение зоны катодной очистки при расплавлении металла?
Список литературы
1. Предупреждение образования окалины и методы очистки деталей. – М.: Машиностроение, 1984. – 164 с.
2. Рабкин Д.М., Фурсов В.А. О процессе катодного распыления
в сварочной дуге // Физика и химия обработки металлов. – 1973. –
№ 8. – С. 28–30.
48
3. Pattee H.E., Anno J.N., Ranadall M.D. Theoretical and experimentax
stady of catodic cleaning With the plasma arc // Welding Journall. – 1968. –
Vol. 47, № 4. – P. 181–192.
4. Щицын Ю.Д., Тыткин Ю.М. Исследование способа катодной
очистки для подготовки деталей под пайку // Сварка в машиностроении:
сб. науч. тр. – М.: Знание, 1995. – С. 95–99.
49
4. ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ
Плазменная резка на сегодняшний день является одним из наиболее освоенных направлений плазменной обработки металлов. Плазменная резка находит все более широкое применение в различных
отраслях промышленности. Это обусловливается возможностью ее
использования для резки практически всех металлов и их сплавов,
высокой производительностью и точностью, отсутствием грата на
кромках деталей, низкой стоимостью погонного метра реза, взрывобезопасностью.
В настоящее время накоплен опыт использования различных видов плазменной резки и средств ее технологического оснащения в виде
стационарных машин с программным управлением, переносных машин,
поточных линий и различных средств механизации вспомогательных
и транспортных операций. Создаются гибкие автоматизированные производственные системы на базе плазморежущих машин с программным
управлением.
Плазменно-дуговая резка и необходимое для ее выполнения оборудование впервые были разработаны и исследованы во ВНИИАвтогенмаш
в 1956–1957 гг. одновременно с аналогичными разработками в США,
Англии и ФРГ. Также вопросами разработки и практического внедрения
плазменной резки занимались ВНИИЭСО, ЦНИИТС, НИКИМТ, ИЭС
им. Е.О. Патона.
Плазменной резке поддаются все металлы. В отличие от кислородной резки, при которой около 70 % тепловой энергии создается при
горении, в процессе плазменной резки энергия, необходимая для расплавления металла, создается электрическим способом. Сущность способа состоит в локальном интенсивном расплавлении разрезаемого металла в полости реза теплотой, генерируемой сжатой дугой (температура плазмы может достигать 20 000–30 000 °С), и интенсивном удалении
расплава из полости высокоскоростным плазменным потоком, вытекающим из канала сопла плазмотрона. Плотность энергии в формирующих соплах режущих плазмотронов достигает 106 Вт/см2. Скорость
плазмы в струе, истекающей из сопла режущего плазмотрона, может
превышать 2–3 км/с.
50
4.1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
В настоящее время известен ряд методов плазменной резки, которые отличаются способом плазмообразования, используемой плазмообразующей средой, способом подачи плазмообразующего газа, материалом катода, полярностью тока, устройством плазмотрона, сопутствующими технологическими приемами.
Для резки могут использоваться сжатая дуга (прямого действия) и плазменная струя (косвенного действия). В дуге прямого
действия (рис. 25) в качестве анода применяется разрезаемый металл, что позволяет использовать
при резке высокую температуру
анодного пятна.
В этом случае разрезаемый
металл является токоведущим элементом и плазменная струя, истекающая из сопла плазмотрона, совмещена со столбом дуги по всей
его длине, начиная от входного среза
канала сопла и заканчивая анодным
Рис. 25. Схема резки сжатой дугой
пятном на фронтальной поверхнопрямого действия. Участки дуги:
сти полости реза. В результате теп1 – закрытый; 2 – сжатый; 3 – открыловая энергия вводится в разрезаетый; 4 – рабочий; 5 – факел плазмы;
Г – генератор тока
мый металл струей плазмы, столбом
дуги и тепловыделением в анодном
пятне. Эффективный КПД при этом составляет 60–70 %. К недостатку
дуги прямого действия можно отнести невозможность обработки материалов, не проводящих электрический ток.
Плазменная струя (рис. 26) возбуждается и горит между электродами, которые не связаны с обрабатываемым материалом. Катодом
служит электрод плазмотрона, а в качестве анода используется его
плазмообразующее сопло. Плазмообразующий газ и плазма лишь на
коротком участке (от конца электрода до выходного среза канала сопла плазмотрона) контактируют со столбом дуги, а затем существуют
независимо от него. При такой резке нагрев изделия в зоне обработки
51
осуществляется только воздействием тепла плазменной струи. Вследствие этого температура и скорость
истечения струи плазмы по мере
удаления от среза сопла резко
уменьшаются. КПД нагрева изделия не превышает 30–40 %. Плазменную струю используют при обработке не проводящих электрический ток материалов и для резки
металлов небольшой толщины.
При резке сжатой дугой прямого действия имеется три источника
тепла: пятно дуги, столб дуги и струя
плазмы.
Рис. 26. Схема резки плазменной
Каждый из них вносит свою
струей. Участки дуги: 1 – закрытый;
долю тепла либо по всей высоте ре2 – сжатый; 3 – плазменная струя;
4 – факел плазмы; Г – генератор тока
за, либо на отдельных ее участках.
При этом изменение формы фронтальной поверхности реза по высоте отражает распределение количества
вводимого тепла по высоте полости реза. При резке только плазменной
струей форма фронтальной поверхности по высоте полости реза изменяется по экспоненциальному закону.
При резке же дугой прямого действия в верхней части фронтальной поверхности обычно имеется углубление (рис. 27, а), что свидетельствует о вводе тепла в данном месте за счет дополнительного действия анодного пятна. Измерения яркости дуги по высоте реза показывают, что частота расположения пятна в верхней части реза выше,
чем в нижней (рис. 27, б). Верхнее предельное положение пятна ограничено верхней кромкой полости реза, а нижнее непрерывно меняется
в пределах толщины листа, поэтому среднестатистическое положение
пятна смещено к верхней части полости реза и проплавление здесь
больше, чем в нижней части.
Вся полость реза может быть разбита на три участка по высоте
(см. рис. 27, а). Первый верхний участок характеризуется тем, что
плавление основного металла осуществляется в основном за счет теплоты, поступающей из столба дуги. Второй участок, расположенный
в средней части толщины листа, является основной областью рас52
пространения пятна. На этом участке основной металл плавится за
счет энергии столба дуги и энергии пятна. Добавлением энергии пятна объясняется некоторое выдвижение вперед этого участка по сравнению с первым. При прямой полярности пятно существует в основном
в центральной части фронтальной поверхности и может занимать довольно
широкую область, составляющую от 0,3 до 0,6 толщины разрезаемого
листа. На третьем (нижнем) участке плавление металла по фронтальной поверхности осуществляется в основном за счет тепла, которое несет высокотемпературная плазменная струя. По мере уменьшения количества тепла, поступающего из высокотемпературной плазмы, форма фронтальной поверхности реза становится все более покатой.
а
б
Рис. 27. Поведение режущей дуги: а – схема перeмещений
анодного пятна по фронтальной поверхности реза; б – яркость;
○–○ Ar + 10 % H2; ◊–◊ Ar; ∆–∆ N2;
Из рис. 27, б следует, что на ширину области распространения
пятна по толщине листа оказывает влияние и вид плазмообразующей
среды. При использовании азота область распространения пятна наиболее широкая.
Установлено, что характер перемещений анодного пятна внутри
полости реза влияет на форму не только фронтальной поверхности, но
и боковых стенок полости реза, т. е. на форму кромок вырезаемых деталей. Характер перемещения анодного пятна влияет и на поведение рас53
плавленного металла в полости реза. Несмотря на высокую скорость
плазменного потока, в верхней части реза, т. е. в месте пятна, имеют место перемещения расплавленного металла, направленные из центральной области фронтальной поверхности в сторону линии затвердевания
(рис. 28, а ) . Перемещение расплавленного металла по боковой поверхности в верхней части полости реза, на участках 1 и 2 (показано стрелками), объясняется действием сил поверхностного натяжения, появляющихся вследствие большой разности температур в центральной части фронтальной поверхности и на участке затвердевания, где объем
металла уменьшается (см. рис. 28, а ).
а
б
Рис. 28. Схема полости реза и перемещения расплава под воздействием
сил поверхностного натяжения: а – продольное; б – поперечное сечения
При этом, чем выше локальная плотность вводимого тепла, тем
больше составляющая потока расплавленного металла, направленная
к боковым стенкам реза. В связи с этим на участке ВС (см. рис. 28, а, б),
являющемся областью существования пятна, расплавленный металл
в большей степени перемещается в направлении поверхности затвердевания, чем на участке АВ. По мере перемещения к нижней части полости реза уменьшаются время пребывания анодного пятна и плотность тепла, вводимого из потока плазмы (участок СD). Поэтому снижается разность температур между центральной частью фронтальной
поверхности и участком затвердевания на боковой поверхности. Это
приводит к ослаблению сил поверхностного натяжения, в результате
54
чего на данном участке расплавленный металл большей частью стекает вниз. На участке ниже точки D происходит дальнейшее снижение
плотности вводимого тепла и изменение угла наклона центральной
части фронтальной поверхности полости реза в результате изменения
направления потока газа, снова увеличивается составляющая потока
расплавленного металла к боковым стенкам реза. В результате этого
образуется поток расплавленного металла, направленный к линии затвердевания (см. рис. 28, а).
4.2. ПЛАЗМООБРАЗУЮЩИЕ СРЕДЫ ДЛЯ РЕЗКИ
В технике плазменной резки применяются две системы стабилизации и обжатия столба дуги – осевая и вихревая.
При осевой (или аксиальной) системе газ подается вдоль продольной оси электрода, охлаждает его и выходит через канал сопла,
обжимая в нем и за его пределами столб дуги. В плазмотроне с осевой
системой стабилизации электрод участвует в формировании дуги и поэтому имеет форму стержня с заострением на конце, чтобы обеспечить
точное совпадение оси столба дуги с осью канала сопла, а также равномерность толщины газовой оболочки, обжимающей столб дуги в канале сопла. В связи с этим требования к соосности электрода и канала
сопла очень высокие. Это является недостатком осевой системы стабилизации.
При вихревой (тангенциальной) системе стабилизации газ поступает в дуговую камеру по каналам, продольные оси которых расположены по касательным к окружности поперечного сечения дуговой камеры, или по каналам винтообразной формы. Вследствие этого газ
в камере движется по спирали, охватывая столб дуги вихревым потоком. При этом катодное пятно и столб дуги автоматически и точно
фиксируются в точке пересечения оси канала сопла с поверхностью
катода, что позволяет применять электроды с плоской или другой
формой рабочей поверхности. Возрастает стойкость сопла за счет
обеспечения равномерности толщины газовой оболочки, обжимающей
столб дуги в камере и в канале сопла.
Качественный состав плазмообразующей среды существенно влияет на основные технологические показатели процесса, и в первую очередь скорость и качество резки.
55
Состав среды определяет при заданной геометрии сопла и данном
токе напряженность поля столба дуги как внутри, так и вне сопла, и, следовательно, за счет изменения состава среды можно в широких пределах
регулировать количество тепловой энергии, выделяющейся в дуге.
Состав плазмообразующей среды сильно влияет на максимально
допустимое значение I/d, что позволяет регулировать плотность тока
в дуге, величину теплового потока в полости реза и, в конечном итоге,
ширину реза и скорость резки.
Теплопроводность плазмообразующей среды определяет эффективность передачи разрезаемому листу выделенной в дуге тепловой
энергии.
Плазмообразующая среда, взаимодействуя с выплавляемым металлом, дает возможность изменять его вязкость, величину поверхностного натяжения, химический состав. В результате изменения состава
среды можно создавать наиболее благоприятные условия удаления
расплавленного металла из полости реза, предотвращая образование
наплывов на нижних кромках разрезаемого листа или делая их легко
удаляемыми.
Следует также учитывать в некоторых случаях добавку тепловой
энергии за счет химического взаимодействия плазмообразующей среды с разрезаемым металлом. Дополнительный вклад химической реакции в общий тепловой баланс может достигать величины, соизмеримой с электрической мощностью дуги.
Состав плазмообразующей среды сильно влияет на физико-химические процессы на стенках реза; от состава среды зависит насыщение
стенок реза различными газами, а также глубина газонасыщеного слоя.
Выбор плазмообразующей среды определяется природой разрезаемых металлов и толщиной листов. Чем выше теплопроводность материала и больше толщина листа, тем более жесткие требования предъявляются к составу плазмообразующей среды и тем более сужается
диапазон смесей, которые могут использоваться.
При выборе плазмообразующей среды необходимо также учитывать себестоимость процесса и дефицитность применяемых материалов.
Выбор плазмообразующей среды влияет на характеристики оборудования. В первую очередь состав плазмообразующей среды определяет конструкцию плазмотрона. В прямой зависимости от состава
среды находится материал катода. В инертных или нейтральных смесях применяется нерасходуемый катод. В химически активных средах
56
катод рассчитан либо на относительно частую замену, либо на непрерывную подачу. От состава плазмообразующей среды зависит не только материал катода, но и способ его крепления в плазмотроне, а также
интенсивность его охлаждения, что, в свою очередь, определяет конструкцию катодного узла.
В зависимости от состава среды изменяется величина тепловых
потоков в сопла плазмотрона при прочих равных условиях и, следовательно, конструкция системы охлаждения сопел.
Как показали исследования, от состава плазмообразующей среды
зависит величина частоты и амплитуда колебаний в кривой напряжения на дуге, от которых зависит устойчивость системы дуга – источник питания.
Состав и расход плазмообразующего газа полностью определяют
циклограмму формирования рабочей дуги и, следовательно, схему
управления установкой.
Таким образом, технологические возможности процесса и характеристики основных узлов оборудования во многом определяются
плазмообразующей средой.
Исследования показали, что однокомпонентные плазмообразующие среды нецелесообразно использовать при плазменной резке. Справедливость этого положения подтверждается при рассмотрении основных газов с точки зрения возможности использования их при плазменной резке.
Аргон. Нецелесообразность применения аргона как самостоятельного плазмообразующего газа объясняется его плохими энергетическими характеристиками. В данном случае под энергетическими характеристиками понимается способность среды преобразовывать электрическую энергию в тепловую и передавать ее разрезаемому металлу.
Аргон также имеет наиболее низкую теплопроводность по сравнения со всеми плазмообразующими средами, вследствие чего тепло, выделяющееся в аргоновой дуге, используется плохо (рис. 29, а).
Проникающая способность дуги наиболее низкая из всех газовых
сред, что снижает скорость и прорезающую способность дуги при заданных параметрах тока и геометрии плазмотрона.
Аргоновая дуга характеризуется наиболее низкой напряженностью
поля (рис. 29, б), в результате чего при одном и том же токе в дуге выделяется наименьшее количество тепла.
57
а
б
Рис. 29. Зависимость теплопроводности газов: а – от температуры;
б – от напряжения на дуге в различных газах
Максимально допустимое значение I/d в аргоне намного меньше,
чем в других средах.
В какой-то степени можно было компенсировать плохие электрические и теплофизические характеристики аргона значительным
повышением его расхода. Увеличение расхода позволило бы повысить максимально допустимый ток для заданного диаметра сопла,
а кроме того, с увеличением расхода газа повысилась бы проникающая способность дуги. Но аргон один из наиболее дефицитных и дорогих газов, вследствие чего работа при высоком расходе экономически нецелесообразна.
Азот. Азот – единственный газ, который можно применять самостоятельно в качестве плазмообразующей среды при резке. Это объясняется следующим. Теплопроводность и теплоемкость азота при высоких температурах довольно высоки. Благодаря этому в азотной дуге
можно обеспечить достаточно эффективное преобразование электрической энергии в тепловую и передачу последней разрезаемому металлу.
В результате скорость резки при использовании азота в несколько раз
выше, чем при использовании аргона. Как и при использовании других
плазмообразующих смесей, содержащих двухатомные газы, проникающая способность азотной дуги значительно выше, чем аргоновой дуги,
что обеспечивает возможность резки листов больших толщин.
Технологические исследования показали, что в азоте обеспечивается достаточно высокое качество резки нержавеющих сталей, особенно
58
малых толщин. Качество резки алюминиевых сплавов и сплавов на медной основе хуже, чем при резке в водородсодержащих смесях, но лучше, чем в аргоне.
Широкое применение азота в качестве плазмообразующего газа
при плазменной резке ограничивается тем, что даже чистый азот взаимодействует с вольфрамом при высоких температурах, образуя нитриды. Еще более сложно использование технического азота, содержащего
1–2 % кислорода. При температурах около 600 °С кислород начинает
взаимодействовать с вольфрамом, образуя ряд более или менее летучих
окислов (WO3, W2O3, W2O5). В результате, особенно в техническом азоте, вольфрамовый катод быстро сгорает, если величина тока превышает
500 А (табл. 3).
Используя очень чистый азот, например спектрально чистый,
можно несколько поднять допустимые значения тока, но спектрально
чистый азот не намного дешевле аргона. Таким образом, азот в отличие от аргона можно применять в качестве самостоятельного плазмообразующего газа при резке. Однако из-за низкой производительности
и невысокой прорезающей способности области использования его
весьма ограничены: механизированная резка листов небольшой толщины (преимущественно нержавеющих сталей) и ручная резка.
Таблица 3
Изменение длины и веса вольфрамового электрода за 1 ч работы
Сила тока, А
200
250
300
350
400
Потеря в весе, г
0,13
0,16
0,17
0,22
0,34
Уменьшение длины, мм
0,4
0,6
0,7
0,8
1,1
Гелий. Использование гелия в качестве плазмообразующей среды
значительно целесообразнее, чем использование аргона. В гелиевой дуге более высокая напряженность поля, поэтому при одной и той же силе
тока обеспечивается больший запас тепловой энергии в дуге. Анодное
падение напряжения также более высокое, что способствует увеличению удельных тепловых потоков в анодной области. Оба фактора приводят к тому, что скорость резки и прорезающая способность гелиевой
дуги более высокие, чем аргоновой, и приближаются по параметрам
к азотной дуге.
59
Хорошие результаты дает использование для резки аргонно-гелиевых смесей. Однако необходимо помнить об очень высокой стоимости
и дефицитности гелия.
Возможной областью применения гелия в качестве плазмообразующего газа (и смеси с аргоном) является резка таких сплавов, для которых с точки зрения металлургии наличие водорода и азота в зоне реза
недопустимо.
Кислород. При использовании кислорода нельзя пренебрегать
химическим взаимодействием плазмообразующей среды с разрезаемым металлом. При горении металлов в кислороде выделяется довольно большое количество тепла, которое может складываться с тепловой
мощностью дуги. При добавлении кислорода в плазмообразующий газ
азот и неизменном общем расходе газа скорость резки малоуглеродистых сталей постепенно увеличивается. Поскольку теплофизические
параметры кислорода и азота весьма близки (теплоемкость и теплопроводность), то такое увеличение скорости может быть объяснено
только химическим взаимодействием кислорода со сталью. Скорость
резки линейно увеличивается с увеличением содержания кислорода
в смеси. Это значит, что наличие азота в смеси фактически не влияет
на процесс горения железа. В то же время при газовой кислородной
резке наличие примесей в кислороде существенно снижает скорость
резки, а при содержании примесей свыше 30 % процесс резки невозможен. Такое различие во влиянии примесей при плазменной резке
в кислороде и обычной кислородной резке может быть объяснено тем,
что необходимая для устойчивого горения температура на поверхности фронта горения поддерживается при плазменной резке за счет тепла электрической дуги.
Применение кислорода при плазменной резке сталей, несомненно,
целесообразно, так как оно дает возможность получить высокие скорости резки на малых токах при небольшой ширине реза. Качество резки
при этом не уступает качеству обычной кислородной резки. В то же
время в качестве самостоятельной плазмообразующей среды кислород
не может быть использован из-за крайне низкой стойкости катода.
К тому же скорость резки в чистом кислороде ниже, чем в смеси азота
с кислородом.
Водород. Наилучшим газом для плазменной резки как процесса локального выплавления металла является водород. В водороде по сравнению со всеми рассмотренными газами величина анодного напряжения
60
максимальна (в 3–4 раза выше, чем в аргоне), это значит, что только за
счет увеличения анодного падения величина удельного теплового потока
(определяющего в основном режим резки) в анодной области может быть
увеличена в несколько раз.
Напряженность поля в водородной дуге также в 2–3 раза выше,
чем в аргоновой. Благодаря более высокому значению напряженности
поля при одном и том же токе в водородной дуге выделяется значительно большее количество тепла. Следовательно, в водородной дуге обеспечиваются наилучшие условия для преобразования электрической
энергии в тепловую.
Теплопроводность водорода также значительно выше, чем у всех
остальных газов (см. рис. 29), что обеспечивает максимальное использование тепловой энергии, выделившейся в дуге.
К тому же водород не дорог и не дефицитен. Несмотря на это,
водород не нашел промышленного применения в качестве самостоятельного плазмообразующего газа. Стабильная работа обеспечивается
только при больших значениях отношения величины диаметра сопла
к величине тока, в результате чего не удалось добиться высоких скоростей резки.
Кроме того, как и при резке в кислороде, оказалось, что скорость
при прочих равных условиях в одном водороде ниже, чем в смесях аргона с водородом или азота с водородом. Но даже при столь низких значениях скорости резки стабильность горения водородной дуги значительно ниже, чем дуги, горящей в смесях на основе водорода.
Лучшие характеристики достигаются при использовании ряда газовых смесей (например, водородсодержащие, кислородосодержащие).
Воздух. Экономично использовать плазмотроны, работающие на
воздухе (смесь Н2-О2-N2). Проникающая способность воздушной плазмы более высокая, чем у азота, так как содержащийся в составе воздуха кислород обладает высоким теплосодержанием и, кроме того, он
окисляет металл с выделением значительной тепловой энергии. При
этом происходит заметное сокращение ширины реза и уменьшение
скоса кромок.
Вода может быть использована в качестве плазмообразующей
среды. Вода при высокой температуре столба дуги частично превращается в пар, а частично диссоциирует на водород и кислород. Энергетические параметры дуги позволяют отнести воду к водородсодержащим смесям, а качество резки указывает на то, что кислород активно
61
взаимодействует с выплавляемым металлом. При использовании воды
наблюдается повышенный расход электрода (чаще используется угольный), что требует применения механизма подачи электрода. Воду используют также как добавку к основному плазмообразующему газу
в небольших количествах; ее вводят в столб плазменной дуги в канале
сопла или на его нижнем срезе.
4.3. ПЛАЗМОТРОНЫ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
Установка для плазменной резки состоит из источника питания
с аппаратурой управления процессом резки и плазмотрона, основными
элементами которого являются электрод и сопло.
По назначению режущие плазмотроны подразделяются на машинные и ручные. Машинные плазмотроны работают от источников питания с напряжением холостого хода до 300 В при величине рабочего
тока 250–500 А и выше.
Ручные плазмотроны для обеспечения безопасности работают
при напряжении холостого хода источника не более 180 В, величине
рабочего тока до 250 А и мощности дуги до 30 кВт. Толщина разрезаемого металла не превышает 40 мм при использовании в качестве
плазмообразующей среды сжатого воздуха. Применяются ручные
плазмотроны на монтажных работах, при утилизации металлических
конструкций, при обработке отливок и при резке листового проката
в малых объемах.
Наиболее широко применяются плазмотроны с дугой прямого
действия.
По роду используемого тока наиболее распространены режущие
плазмотроны постоянного тока, отличающиеся лучшей стабильностью
горения дуги. Проведены исследования режущих плазмотронов на
пульсирующем токе; исследуются также возможности применения переменного тока промышленной частоты.
По роду применяемой рабочей среды можно выделить три основных типа плазмотронов: с окислительным рабочим газом, с нейтральным рабочим газом и с использованием воды в качестве плазмообразующей среды. Из газов, нейтральных по отношению к рабочему электроду, наибольшее применение получили аргон, азот, водород и их смеси.
Экономично использовать плазмотроны, работающие на воздухе. Интерес представляют плазмотроны, рабочей средой которых является вода.
62
Электроды плазмотрона по типу и конструкции зависят от состава
плазмообразующей среды, используемой при резке. Для работы в нейтральных плазмообразующих средах используются термокатоды – это
катоды, имеющие высокую эмиссионную способность при нагреве до
температуры ниже температуры плавления. Типичным примером такого
катода является вольфрам и вольфрам с добавками, повышающими плотность тока термоэлектронной эмиссии (лантан, иттрий, торий).
Конструктивно электроды из вольфрама выполняются двумя способами: в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным в электродном узле плазмотрона (рис. 30, а), и в виде медной
державки с заделанным в нее стержнем вольфрама, закрепленным
в электродном узле (рис. 30, б).
а
б
Рис. 30. Плазмотроны с вольфрамовым катодом
Последняя конструкция предпочтительней, так как позволяет получать более высокие плотности тока на катоде благодаря лучшим условиям теплоотвода. Она также более экономична с точки зрения расхода вольфрама, поскольку при эксплуатации вольфрамового прутка его
часть, находящаяся в цанговом зажиме, не используется.
В качестве материала для электродов, работающих в кислородсодержащих средах, используются гафний и цирконий, так как его соединения обладают высокими эмиссионными свойствами, устойчивы тер63
мически к колебаниям токового и газового режимов, а также условий
охлаждения (табл. 4).
Таблица 4
Свойства материалов, применяемых для изготовления катодов
Металл
Вольфрам
Цирконий
Гафний
Температура плавления, К
Металл
Нитрид
Оксид
1742
–
3650
2950
3255
2125
3063
3580
2488
Работа выхода, эВ
(торированный) 2,63
(оксид) 5,8; (нитрид) 2,92
(оксид) 3,53; (нитрид) –
Теплофизические константы гафния и циркония и его соединений существенно ниже соответствующих теплофизических констант
вольфрама: теплопроводность в 3–4 раза, а температура плавления –
в 2 раза. В связи с этим для улучшения теплоотвода от активной катодной вставки из гафния ее помещают заподлицо в медную державку. Исходя из необходимости обеспечения максимального ресурса
работы таких катодов создается и конструкция медной державки:
в частности, диаметр ее торцовой части не может быть меньше определенной величины для заданного тока дуги. Объясняется это тем,
что величина допустимого теплового потока, проходящего через материал активной вставки, зависит от радиуса медной державки. Стабилизация дуги – вихревая (тангенциальная). При нарушении четкой
вихревой подачи плазмообразующего газа катодное пятно вместе со
столбом дуги будет смещаться от центра катодной вставки, что приводит к нестабильному горению сжатой дуги, двойному дугообразованию и выходу плазматрона из строя.
Технология изготовления электрода должна обеспечивать гарантированный тепловой и электрический контакт между медью
и гафнием по всей поверхности активной вставки в течение всего
времени ее работы. Наиболее полно этим требованиям отвечает метод совместной холодной штамповки активной вставки и медной
державки (рис. 31, а).
Для предотвращения расплавления стенок медной державки под
воздействием теплового потока столба дуги и для повышения ресурса
работы электрода между активной гафниевой вставкой и медной державкой делается алюминиевая прокладка толщиной 0,05–0,15 мм.
64
а
б
Рис. 31. Схема катода с активной вставкой: а – обойма 1
с впрессованной вставкой 2; б – и кратер на катодной вставке
Катод работает следующим образом. При подаче напряжения на
электрод и возбуждении сжатой дуги на поверхности торца катодной
вставки (в зоне привязки катодного пятна) материал катода расплавляется. Вследствие взаимодействия расплавленного металла с кислородом
и азотом воздуха образуются тугоплавкие оксиды и нитриды в виде
пленки золотистого цвета, эта пленка защищает материал катодной
вставки от дальнейшего разрушения. Эта особенность циркония и гафния образовывать пленки оксидов при высоких температурах позволила
назвать такие катоды «пленочными».
Материал катодной вставки под действием дуги испаряется, а поверхность вставки в зоне действия катодного пятна имеет температуру,
не превышающую точку кипения расплава (для двуоксида циркония
4583 К). В интервале температур от точки плавления до точки кипения
дуговой разряд может существовать беспрепятственно, так как электропроводность оксидной пленки высокая. Однако неравномерное распределение тепловой нагрузки в зоне действия катодного пятна приводит
к неравномерному испарению металла на рабочей поверхности вставки.
Поверхность катода в этой зоне приобретает вид кратера (рис. 31, б).
Кроме естественного износа путем испарения унос металла вставки из
кратера происходит во время последующих возбуждений сжатой дуги.
При возбуждении дуги пленка частично отслаивается, расплавляется
и испаряется. При этом происходит разбрызгивание материала пленки
и циркония. По мере роста числа включений износ вставки увеличивается и она, после определенного числа включений, становится непригодной для дальнейшего использования. Продолжительность работы
65
катодной вставки задается количеством включений сжатой дуги. Ресурс
электрода при силе тока 200–300 А и диаметре сопла 3 мм составляет
1,5–3 ч суммарного времени горения дуги.
С целью повышения стойкости электрода и расширения технологических возможностей плазменной резки были разработаны плазмотроны с полым медным электродом. Режущие плазмотроны с полым
медным электродом могут быть прямого и косвенного действия
(рис. 32). Они состоят из полого внутреннего электрода, завихрителя
и соплового электрода. Завихритель расположен между электродом
и соплом и изготовляется из изолирующего материала или из меди с изолирующими прокладками. У плазмотронов для дуги косвенного действия сопловый электрод удлинен.
а
б
Рис. 32. Принципиальные схемы плазмотронов с медными полыми
электродами: а – с дугой прямого действия; б – с дугой косвенного
действия: 1 – полый внутренний электрод; 2 – завихритель; 3 – сопловая
часть; 4 – дуга; 5 – металл; 6 – струя плазмы; 7 – балластное
сопротивление; 8 – контактор; 9 – подача охлаждающей воды;
10 – подача воздуха
66
Отличительной особенностью полых электродов является интенсивное перемещение опорного пятна дуги по сильно охлаждаемой поверхности электрода, которое осуществляется под действием газового циклона,
создаваемого тангенциальными отверстиями в завихрителе и наличием
соленоида на внешней поверхности плазмотрона. При этом обеспечивается
стабильное положение столба дуги по оси полости электрода и не допускается локальный нагрев электрода и сопла. Интенсивное наружное охлаждение обеспечивает длительный срок службы электродов.
Полые электроды имеют невысокую температуру нагрева (420–470 К),
и в качестве рабочего газа может быть использован сжатый воздух.
В отличие от плазмотронов с гафниевым или циркониевым катодом
плазмотрон с полым электродом имеет увеличенный ресурс работы
(примерно 40 ч), а также обладает более высокими мощностью и производительностью.
К недостаткам плазмотронов с полым электродом можно отнести необходимость использования источников питания сварочного тока с напряжением холостого хода Ux.x ≈ 500 В. Рабочее напряжение при резке составляет порядка Uд ≈ 300 В. Плазмотроны с полым электродом из-за наличия
соленоида имеют повышенные габариты и массу. Это усложняет оборудование, снижает условия электробезопасности работ, при этом исключается
возможность использования этого способа для ручной резки металлов.
Сопло наряду с катодом является основным элементом плазмотрона. К главным характеристикам сопла относятся диаметр отверстия, его
высота, геометрия теплоотводящей поверхности. Диаметр и высота отверстия полностью определяют технологические возможности плазмотрона (толщину разрезаемых листов, скорость и качество резки), эффективность использования электрической мощности дуги, надежность работы плазмотрона (рис. 33). Геометрия сопла связана с остальными
параметрами: током, составом и расходом плазмообразующей среды,
природой разрезаемого металла, толщиной листов, скоростью резки
и т.д. Оптимизация конструктивного оформления сопла позволяет достичь максимальной концентрации режущего участка столба сжатой дуги при высоком ресурсе работы катода и сопла (см. рис. 33).
Исходным размерным параметром является диаметр канала сопла
dс, который выбирается из оптимальной плотности тока. Последняя
равна 40–70 А/мм2 для Iд = 100…300 А в плазмотронах с водяным охлаждением и соответственно 40–45 А/мм2 для Iд ≤ 150 А в плазмотронах
с воздушным охлаждением.
67
Рис. 33. Конструктивные параметры плазмообразующего сопла
плазмотрона для резки: 1 – электрод; 2 – сопло; 3 – разрезаемый
металл; rс = (0,9…2,2) dс, rэ = (0,9…1,2) dс, dэ = (4…5) dс,
hк.с = (3,5…4,5) dс, lс = (1,5…2,0) dс, δ = (0,2…0,4) dс
Экспериментальное исследование влияния высоты канала сопла
на технологические характеристики резки (скорость и качество) и надежность работы плазмотрона показало, что чем длиннее канал, тем
больше скорость и выше качество резки, но тем ниже надежность работы плазмотрона.
Теплофизический анализ работы различных материалов и практика
резки показывают, что наилучшим материалом для сопла является медь.
Исследования показали, что допустимое значение теплового потока на
внутреннюю поверхность канала сопла можно увеличить почти в полтора
раза, если покрыть эту поверхность вольфрамом. Однако при этом высоту канала сопла приходится уменьшать в сравнении с высотой медного
сопла в связи с увеличением вероятности двойного дугообразования.
Вероятность двойного дугообразования в этом случае увеличивается вследствие повышения температуры на внутренней поверхности со68
пла, что приводит к уменьшению потенциала пробоя слоя между столбом
дуги и стенками канала. Кроме того, увеличение температуры приводит
к уменьшению анодного падения напряжения. И наконец, величина катодного падения напряжения на вольфраме существенно ниже, чем на меди.
4.4. РАЗНОВИДНОСТИ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
В настоящее время известны и находят промышленное применение несколько разновидностей плазменной резки металлов. Среди них:
резка с использованием инертных газов в качестве плазмообразующей
среды, воздушно-плазменная резка плазмотронами с термохимическими
(пленочными) катодами, воздушно-плазменная резка плазмотронами
с полым электродом, резка плазмотронами с комбинированной подачей
инертного (для защиты вольфрамового электрода) и окислительного
(режущего) газов. Известны способы резки плазмой, стабилизированной
водой, воздушно-водяной плазмой, узкоструйной плазмой. Для резки
неэлектропроводных материалов применяется резка косвенной сжатой
дугой (плазменной струей).
Наибольший объем применения приходится на воздушноплазменную резку на прямой полярности с использованием пленочных
(термохимических) катодов. Воздушно-плазменная резка (ВПР) явилась
следствием развития резки металлов инертной азотной плазмой и резки
азотно-кислородной смесью. Было установлено, что добавки кислорода
к азоту до 25 % позволяют повысить скорость резки (более чем на 50 %)
за счет экзотермических реакций. Дальнейшее повышение содержания
кислорода (до 100 %) повышает скорость резки всего на 10–15 %. Воздух, как плазмообразующий режущий газ, представляет собой природную смесь 78 % азота и 21 % кислорода и, наряду с очевидными экономическими преимуществами (в сравнении с инертными к вольфраму
газами), обладает высокими теплофизическими показателями, поэтому
применение воздуха в качестве плазмообразующей среды стало очевидным. Воздушно-плазменная резка (ВПР) характеризуется сложными явлениями преобразования электрической энергии источника тока в тепловую энергию сжатой дуги (рис. 34).
Столб дуги интенсивно сжимается в формирующей камере плазмотрона, обеспечивает сквозное проплавление разрезаемого металла
и выдувает расплав из полости реза. Наличие кислорода в воздухе при
резке сталей дает дополнительный тепловой эффект за счет экзотермической реакции окисления железа.
69
Рис. 34. Схема воздушно-плазменной резки:
1 – катодный узел плазмотрона; 2 – катод с накидной гайкойзавихрителем; 3 – изоляционный корпус плазмотрона;
4 – сопловой узел; 5 – разрезаемое изделие
Возможность применения ВПР была предопределена разработкой
термохимических (пленочных) катодов, стойких в агрессивной окислительной среде. Механизм работы термохимических катодов обусловлен
возникновением при взаимодействии циркония (гафния) с воздухом
в процессе горения дуги тугоплавкой пленки из нитрида и диоксида циркония (гафния) на торце активной вставки, запрессованной в медную
обойму. Образующаяся на торце вставки пленка приобретает высокие
эмиссионные свойства и, благодаря этому, а также высоким значениям
температуры плавления и кипения, обеспечивает устойчивое существование воздушно-плазменной дуги на катодном опорном пятне.
ВПР имеет высокую тепловую эффективность и обеспечивает высокую скорость резки углеродистых сталей, цветных металлов и сплавов, при экономичности процесса.
Однако ВПР имеет существенный недостаток. При обрыве дуги
пленка быстро остывает, дает усадку и растрескивается, а при последующих включениях дуги из-за термоудара частично или полностью скалывается. В результате ресурс работы термохимического катода определя70
ется числом включений (не превышает 60–120), а также рядом других
факторов. К ним относятся: чистота меди обоймы, плотность контакта
вставки и обоймы, особенности конструктивного исполнения катода, ток
дуги, чистота воздуха и его расход, температура и расход воды или воздуха, охлаждающих катод. Кроме того, материал катодных вставок (цирконий, гафний) является дефицитным и дорогим.
В настоящее время ведутся работы по исследованию и практическому использованию ВПР с применением плазмотронов с «холодным»
электродом. Плазмотрон имеет полый внутренний медный электрод
и сопловой электрод (см. рис. 33). Дуга в рабочем режиме горит между
внутренним электродом и разрезаемым металлом. Плазмообразующий
воздух подается в разрядную камеру через тангенциальные отверстия
в завихрителе. Вихревая подача плазмообразующего воздуха обусловливает создание в камере газового циклона, который интенсивно перемещает опорное пятно дуги по внутренней поверхности электрода,
не допуская локального нагрева и расплавления. Этой же цели служит
соленоид, который охватывает медный полый электрод. При работе
плазмотрона на обратной полярности скорость эрозии электрода снижается. Использование плазмотронов с полым медным электродом позволяет повысить мощность режущей дуги, увеличить количество включений дуги без разрушения электрода.
В настоящее время ограниченное применение находит плазменная
резка металлов плазмотронами с вольфрамовым катодом и комбинированной подачей газов (рис. 35). Известен способ плазменно-дуговой
резки металлов в активных окислительных средах (например, в воздухе)
плазмотронами с использованием вольфрамового электрода, защищенного в зоне активного пятна дуги инертным газом. Для этого цилиндрический, заостренный вольфрамовый электрод располагают в специальном внутреннем сопле плазмотрона, в которое подается инертный газ,
например аргон или азот.
Окислительный газ, например воздух, подается во внешнее стабилизирующее сопло (наконечник). Резка производится на прямой полярности. Такой способ резки металлов обеспечивает высокую стойкость катода в работе при большом количестве включений сжатой дуги. Напряжение холостого хода источника питания не превышает
Ux.x ≈ 250…300 В, а рабочее напряжение на дуге Uд ≈ 110…140 В. Однако у этого способа резки есть недостаток: для надежной работы
плазмотрона (для качественной защиты вольфрамового катода) требу71
а
б
Рис. 35. Схема плазмотронов для плазменной резки с комбинированной
подачей газов: а – с внутренним формирующим соплом; б – с внутренним
защитным соплом; 1 – катодный узел; 2 – вольфрамовый катод; 3 – изолятор;
4 – формирующее внутреннее сопло; 5 – наконечник; 6 – подача плазмообразующего (защитного газа); 7 – подача окислительного газа в наконечник,
8 – защитное внутреннее сопло; 9 – подача плазмообразующего
окислительного газа
ются большие расходы аргона QAr ≥ 20…40 л/мин, что резко повышает
стоимость погонного метра реза.
Резка плазмой, стабилизированной водой, и воздушно-водяной
плазмой значительно усложняет оборудование и повышает его стоимость, поэтому объем применения этих способов не велик.
Резка узкоструйной плазмой по качеству и скорости приближается
к лазерной резке, однако она применяется только для металла малых
толщин и имеет высокую стоимость.
4.5. ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ
ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
Существенное влияние на процессы, происходящие при ВПР,
оказывают электрические параметры системы источник тока – дуга.
Схема замещения цепи источник – дуга представлена на рис. 36, а,
а статические вольт-амперные характеристики режущей дуги (ВАХд)
72
и источника (ВАХи) на рис. 36, б. Семейство кривых ВАХд (кривые 1–3)
можно условно разделить на три характерных участка: падающий
(ток дуги до 50 А), независимый (ток 50–400 А) и возрастающий (ток
более 500 А).
а
б
Рис. 36. Схема замещения электрической цепи системы источник – дуга (а)
и семейство статических ВАХд (кривые 1–3) и ВАХи (кривые 4–9) (б)
Наклон ВАХд зависит от степени сжатия столба дуги, а напряжение на дуге определяется размерами камеры плазмотрона и параметра
режима (состав и расход плазмообразующей среды, скорость резки,
длина открытого и режущего участков столба дуги). В зависимости от
схемных решений неуправляемого выпрямителя естественная ВАХи
может быть (см. рис. 36, б) крутопадающей (кривая 4) и пологопадающей (кривые 5, 6), а при введении обратных связей в управляемый выпрямитель ступенчатой (кривые 7–9). Ключевой проблемой системы
источник – дуга является ее устойчивость. При рассмотрении устойчивости дуги возмущающим параметром будет изменение напряжения дуги, возникающее при изменении определяющих его величин: длины дуги, расхода газа и др. Реакцией на это возмущение является изменение
тока, определяемое переходом на другую ВАХд. Скорость переходного
процесса определяется скоростью изменения напряжения и инерционностью системы источник – дуга. Критические условия статической
и динамической устойчивости системы особенно проявляются на падающем участке ВАХд, например при запуске дежурной дуги, ток которой ограничен допустимой нагрузкой на сопло, а возможность повышения напряжения холостого хода ограничена условиями электробезопасности. Кроме того, в случае чрезмерной пологости ВАХи (см. рис. 36, б,
73
кривая 6) в неуправляемых выпрямителях при ограничении напряжения
холостого хода не более 300 В технологическая устойчивость дуги становится критической и существенно ухудшаются режущие свойства дуги. При этом при ручной резке вследствие колебания длины дуги наблюдаются значительные изменения тока дуги, приводящие к резкому
ухудшению качества поверхности кромок реза (образованию рисок).
При ручной и машинной резке металла большой толщины с погружением дуги в глубь металла происходит уменьшение тока дуги и ее прорезающей способности.
В управляемых тиристорных выпрямителях введением отрицательной обратной связи по току достигается ВАХи, изображенная кривой 7 (см. рис. 36, б), т.е. обеспечивается стабильность тока дуги при
колебаниях ее длины, расхода рабочего газа и напряжения питающей
сети. Еще более высокие технологические свойства режущей дуги наблюдаются при введении дополнительной обратной связи положительной по напряжению дуги. В этом случае ВАХи (кривая 8) отличается
возрастанием тока дуги при увеличении длины режущего участка, что
обеспечивает высокое качество кромок реза и повышение прорезающей
способности дуги.
Идеальной ВАХи с учетом требований всех факторов устойчивости системы и высокого КПД источника является кривая 9 (см. рис. 36,
б), Такая характеристика обеспечивается комбинацией двух выпрямителей – с рабочим участком ВАХи, описываемым кривой 8, и маломощного вольтодобавочного с участком ВАХи, соответствующим кривой 4.
Представленные в сжатом виде закономерности послужили основой
для разработки современных источников питания для плазменной резки.
Крутопадающие внешние статические характеристики могут быть
обеспечены следующими типами источников питания: выпрямителями,
управляемыми дросселями насыщения, тиристорными выпрямителями
с обратной связью по току, источниками питания на базе индуктивноемкостных преобразователей и транзисторными источниками питания.
В отдельных случаях могут использоваться сварочные генераторы.
Выпрямители с дросселями насыщения широко применяются для
плазменной обработки. Они обладают хорошими регулировочными
характеристиками, просты в обслуживании и надежны в работе. Их
недостатками являются низкий соsφ, значительные габаритные размеры и масса. Не вполне удовлетворительны и динамические характеристики дросселей насыщения, поэтому появляются броски тока при
74
возбуждении дуги в источнике питания для плазменной резки. Используемое в этих источниках питания начальное ограничение тока подмагничивания дросселя насыщения все же не позволяет полностью избавиться от бросков тока.
Надежным серийным оборудованием для воздушно-плазменной
резки являются установки УПР-201, АПР-401, АПР-402 и АПР-403.
Источники питания с дросселями насыщения постепенно вытесняются более экономичными, компактными и легкими тиристорными
выпрямителями. Тиристорные выпрямители, например, установок
«Киев-5» и «Киев-6», в которых для получения крутопадающих внешних статических характеристик используется обратная связь по току нагрузки, в настоящее время в наибольшей степени соответствуют требованиям, предъявляемым к источникам питания для плазменной обработки. В источниках питания этого типа достаточно просто реализуются
режимы плавного увеличения и уменьшения тока, импульсные режимы,
что значительно расширяет и улучшает технологические возможности
выпрямителей. К числу их недостатков можно отнести большую величину пульсаций при глубоком регулировании. Уменьшение пульсаций
за счет увеличения индуктивности сглаживающего дросселя приводит
к ухудшению условий зажигания дуги.
В момент возбуждения дуги, когда сигнал обратной связи отсутствует, тиристорный выпрямитель фактически является нерегулируемым
выпрямителем с жесткими характеристиками. Увеличение угла открывания тиристоров при возбуждении дуги приводит к снижению напряжения холостого хода и уменьшению вероятности возбуждения дуги.
Источники питания на базе индуктивно-емкостных преобразователей можно отнести к сравнительно новым типам. Несмотря на то что
индуктивно-емкостные преобразователи имеют вертикальные характеристики, соответствующие требованиям плазменной технологии, они не
получили широкого распространения из-за сложности регулирования
тока. Практически ток в индуктивно-емкостном преобразователе может
регулироваться только изменением питающего напряжения. Область
применения индуктивно-емкостных преобразователей ограничивается
плазменной резкой, которая может производиться при 2–3 фиксированных значениях токов.
Несмотря на указанный недостаток, а также на необходимость
применения в индуктивно-емкостных преобразователях силовых конденсаторов и дросселей, эти источники питания весьма перспективны.
75
Транзисторные источники питания имеют высокие технические
характеристики. Поскольку транзистор является полностью управляемым полупроводниковым прибором и к тому же имеет высокие частотные параметры, транзисторные источники питания позволяют получить
любую форму статической характеристики, идеально сглаженный ток
и прекрасные динамические свойства. Однако они сравнительно дороги,
имеют низкий КПД и ограниченную мощность из-за небольшой мощности рассеяния транзисторов.
4.6. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
Для того чтобы осуществить плазменную разделительную резку
металла, необходимо расплавить определенный объем материала вдоль
предполагаемой линии реза и удалить его из полости реза скоростным
потоком плазмы.
Для выплавления зоны металла вдоль линии реза нужно подвести
определенное количество теплоты. Это количество поступает в металл
из столба сжатой дуги и носит название эффективной тепловой мощности дуги qи. Требуемая величина qи, Вт, зависит от многих параметров
и определяется по формуле
qи = vр Fρc((Tпл − T0 ) + q)4,19
где vp – скорость резки, см/с; F – площадь поперечного сечения зоны
выплавляемого металла, см2; ρ – плотность разрезаемого металла, г/см3;
с – теплоемкость металла, Дж/ (г·°С); Тпл – температура плавления металла, °С; Т0 – температура металла до начала реза, °С; q – скрытая теплота плавления металла, °С.
Здесь произведение vp·Fρ определяет массу выплавляемого металла за единицу времени и имеет размерность г/с.
Эффективная тепловая мощность qи для заданной толщины металла имеет определенное числовое значение, ниже которого процесс резки
невозможен.
Расплавленный металл, образующийся на лобовой поверхности
реза, удаляется скоростным потоком плазмы сжатой дуги. Скорость потока плазмы возрастает с увеличением расхода плазмообразующего газа
и тока и быстро уменьшается с увеличением диаметра сопла. Она может
достигать примерно 800 м/с при токе 250 А.
76
Скорость течения расплава зависит от скорости потока плазмы на
границе раздела фаз, т.е. на границе жидкий металл – поток плазмы.
Так, например, при резке металла толщиной 5–20 мм со скоростью
0,75–6 м/мин и ширине реза 3–6 мм скорость течения расплавленного
металла 20–40 м/с.
Плазменная резка позволяет производить раскрой любых металлов
с высокой скоростью толщиной до 50–60 мм (рис. 37). С дальнейшим
ростом толщины разрезаемых металлов скорость резко снижается.
а
б
Рис. 37. Скорость ВПР малоуглеродистых и низколегированных сталей:
а – плазмотронами с воздушным охлаждением при использовании установок
«Киев-5» (dc = 2,2 мм; 1 – Iд = 100…120 А; 2 – Iд = 120…140 А; 3 – Iд = 140…160
А); б – плазмотронами с водяным охлаждением, качественная резка при Iд = 200 А,
dc = 2 мм (4); Iд = 300 А, dc = 3 мм (5); Iд = 400 А, dc = 4 мм (6); кислородная
резка (7)
При плазменной резке поверхность реза претерпевает структурные изменения, которые наблюдаются в основном в литом участке зоны термического влияния у кромок реза. Для уменьшения толщины
литого участки необходимо повышать напряжение на дуге и скорость
потока плазмы.
77
Это может быть достигнуто при увеличении расхода плазмообразующего газа, использовании сопел малого диаметра с повышенной
длиной канала, применении рабочего газа с повышенным содержанием
кислорода. Толщина литого участка ниже у верхней кромки, чем
в нижней части реза.
При плазменной резке кроме насыщения поверхности реза газами и изменения твердости металла наблюдаются и дефекты формы
кромок.
Плазменная резка алюминия и его сплавов выполняется с использованием в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха или кислорода. Скорость резки алюминиевых сплавов в среде кислорода
уменьшается на 10–12 %.
При осуществлении плазменной резки титана и его сплавов необходимо обеспечивать специальные технологические мероприятия с целью получения поверхности реза, не требующей последующей механической обработки, которая предполагает высокую трудоемкость. Трудности механической обработки возникают вследствие интенсивного
окисления и газонасыщения поверхностных слоев металла. В результате
такие элементы, как азот, кислород и водород, проникая в металл, образуют твердые растворы внедрения, обладающие повышенной твердостью, низкой пластичностью и ударной вязкостью. Эти особенности титана и его сплавов обусловливают ведение процесса резки с возможно
большой скоростью для обеспечения его минимальной длительности.
Если по каким-либо причинам это невозможно обеспечить, следует место реза защищать дополнительно инертным газом или осуществлять
резку в среде инертного газа.
Титан толщиной 5 мм можно резать на следующих режимах: диаметр канала сопла 1,4 мм, ток 100 А, расход воздуха 13,5 л/мин, напряжение 95 В и скорость резки 2,6 м/мин. При этих параметрах режима
средняя ширина реза 1,6 мм.
Скорость резки различных металлов и качество кромок могут быть
повышены при использовании водоинъекционной плазменной резки.
При водоинъекционной резке плазмообразующий газ тангенциально
подается в пространство между электродом и соплом (рис. 38). Вода
в дугу вводится радиально с помощью дополнительного сопла. Она охлаждает сопло и способствует идеальному сжатию плазмы. Температура
плазмы может достигать 50 000 К. Несмотря на такую высокую темпе78
ратуру, испаряется не более 10 % воды. Оставшиеся 90 % выходят из
сопла в виде струи конической формы. Эта струя при надводной эксплуатации охлаждает поверхность детали и препятствует образованию
оксидов на поверхности реза.
Рис. 38. Принципиальная схема водоинъекционной
плазменной горелки
В качестве режущего газа обычно используется азот. Дополнительный расход воды для инъекции в луч плазмы составляет около
1,8 л/мин. Вода должна быть умягченной, чтобы не снижалось время
эксплуатации сопел. На листах толщиной до 20 мм можно получать
безгратовые резы.
Узкоструйной плазменной резкой был закрыт значительный с технологической и экономической точек зрения пробел между двумя известными способами резки тонких листов – лазерной и воздушноплазменной. Прецизионная плазменная резка (как еще ее называют,
узкоструйная) характеризуется малым диаметром сопла в интервале от
0,4 до 0,7 мм. Прецизионная плазменная резка совмещает в себе высокую производительность, исключительное качество реза и высокую
79
точность размеров при наименьшей стоимости. Толщина реза достигает:
для углеродистых сталей 30 мм, для алюминия и нержавеющих сталей
до 16 мм. Скорость резки для малых толщин может достигать 30 м/мин.
В качестве плазмообразующей среды используется кислород (оптимальный газ при резке нелегированных сталей), азот и смеси. Прецизионная резка используется для резки листового металла в автоматическом режиме. Малое число расходных материалов и их долгий срок
службы уменьшает стоимость работ. При установке второй горелки
производительность удваивается.
Преимущества данного способа плазменной резки (рис. 39): узкий рез, небольшая шероховатость (сравнимая с лазерной резкой конструкционной стали), параллельность кромок реза (сравнима с лазером), хорошее выдерживание контуров с небольшими радиусами
и острыми углами, малое образование или полное отсутствие грата при
резке конструкционных сталей, небольшие деформации и узкие зоны
термического влияния.
Рис. 39. Примеры деталей, полученных узкоструйной
плазменной резкой
Современные машины для резки имеют программное управление.
Специальные программы создают план раскроя деталей с большой скоростью и минимальными отходами (рис. 40).
Конкретным примером такой машины является EAGLE, которая
производится в Германии фирмой ESAB Cuttinq Sistem – машина для
прецизионной резки металла толщиной от 0,75 до 30 мм (рис. 41).
80
Рис. 40. Пример программного раскроя металла для плазменной резки
Рис. 41. Установка с ЧПУ для прецизионной плазменной резки
Высокая эффективность и производительность обеспечиваются высокоточной механикой, современным ЧПУ и модульным исполнением.
Недостатком таких машин является высокая стоимость.
81
4.7. УСЛОВИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКЕ
ГОСТ 12221–79 определяет допустимое напряжение холостого хода источника питания для полуавтоматической плазменной резки не более 300 В, а для машинной – 500 В. Кроме того, дополнительно предусмотрено автоматическое отключение напряжения выпрямителя при
обрыве дуги, а также защитная изоляция наружной поверхности металлического корпуса и соплового узла.
Процессы плазменной резки сопровождаются в разной степени газопылевыделениями, шумом и световым излучением. При резке на токах 150 А и выше металлов толщиной более 20 мм шум и газопылевыделения заметно возрастают. Для защиты плазморезчика в этих условиях следует применять защитные средства электросварщика, а при резке
металлов толщиной свыше 40 мм – и шумозащитные наушники (уровень шума превышает 100 дБ). При работе в цеховых условиях обязательно использование на рабочем участке эффективной местной вытяжной и общеобменной цеховой вентиляции.
Ванна воды для опоры обрабатываемой детали и душирование вокруг горелки значительно улучшают условия труда. Плазменная резка
под водой сводит до минимума проникновение тепла в обрабатываемую
деталь и загрязнение окружающей среды (рис. 42).
Рис. 42. Схема резки над и под водой
82
Пыль и дым в значительной степени отбираются водой. Исходящий от дуги ультрафиолетовый свет также абсорбируются водой, отпадает необходимость в мерах защиты. Рез производится под водой на
глубине 70–80 мм (50 мм, если режущий газ – кислород). При опускании горелки в начале каждой операции резания должно быть соблюдено условие, что сопло горелки подводится на выбранное определенное
расстояние к поверхности обрабатываемой детали, чтобы можно было
зажечь дугу.
При резке под водяным колоколом уровень воды в ванне снижается, чтобы только нижняя сторона детали находилась в воде (см. рис. 42).
На горелке дополнительно смонтирован душ, с помощью которого
создается водяная завеса вокруг режущего луча. Дым и пыль при
этом способе эксплуатации связываются в воде, но уровень шума
и величина ультрафиолетового излучения выше, чем при плазменной
резке под водой.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ
С КОМБИНИРОВАННОЙ ПОДАЧЕЙ ГАЗОВ НА ОБРАТНОЙ
ПОЛЯРНОСТИ
Цели работы:
1. Ознакомление с теоретическими и технологическими основами
плазменной резки различных металлов и легированных сплавов.
2. Ознакомление с плазмотронами для плазменной резки.
3. Получение навыков практической работы с оборудованием для
плазменной резки.
4. Изучение влияния режимов на энергетические и технологические характеристики плазменной резки металлов.
Методика проведения работы
Сущность процесса заключается в следующем (рис. 43). Плазменная резка производится с использованием активных окислительных сред
(например, воздуха) на обратной полярности плазмотроном с использованием медного электрода, защищенного в зоне активного пятна дуги
инертным газом. Электрод снабжен высокотемпературной вставкой, например из вольфрама.
83
Рис. 43. Схема процесса плазменной резки на обратной
полярности с комбинированной подачей газов
В работе измеряется тепловложение в плазмотрон при резке по
методике, изложенной в лабораторной работе № 1, определяется распределение энергии в сжатой дуге и исследуется влияние параметров
режима на качество и скорость резки.
Для определения суммарной мощности сжатой дуги и отдельных
ее участков при проведении экспериментов фиксируются напряжения
на различных участках дуги (рис. 44).
Рис. 44. Схема измерения падений напряжения на участках
сжатой дуги при плазменной резке на обратной полярности
с комбинированной подачей газов
84
Напряжение uэ.и – напряжение дуги; uэ.п – падение напряжения на
участке электрод – плазмообразующее сопло, uэ.с – падение напряжения
на участке электрод – стабилизирующее сопло
Схема установки для проведения исследований представлена на
рис. 45.
Рис. 45. Схема установки для проведения исследований плазменной резки
металлов с комбинированной подачей газов: 1 – электрод; 2 – плазмообразующее
сопло; 3 – стабилизирующее сопло; 4 – ротаметр водяной; 5 – вентиль подачи
воды; 6 – термометры для измерения температуры воды на входе и выходе
из плазмотрона; 7 – ротаметры газовые; 8 – манометры; 9 – баллон с аргоном;
10 – компрессор; 11 – источник питания; 12 – разрезаемый металл
На скорость и качество резки оказывают влияние геометрические
параметры плазмотрона и технологические параметры резки, представленные ниже.
Для проведения исследований используется стенд для плазменной
резки (рис. 46), скомпонованный на базе станка наплавочного У-653;
плазмотроны для резки на обратной полярности с комбинированной подачей газов, сконструированные на кафедре сварочного производства
и технологии конструкционных материалов Пермского национального
исследовательского политехнического университета; источник питания
85
тока резки от установки плазменной резки типа УПР-201. Этот источник
имеет высокую надежность и широко применяется для ручной резки
металлов, обеспечивая безопасность работ. Основные технические характеристики источника: напряжение холостого хода их.х = 300 В, максимальный рабочий ток Iр = 200 А, период включения ПВ = 100 %.
Параметры режима резки:
Ток сжатой дуги Iд, А
Расход аргона QAr, л/мин
Расход воздуха QВ, л/мин
Диаметр плазмообразующего сопла dп.с, мм
Диаметр стабилизирующего сопла dс.с, мм
Расстояние электрод –
плазмообразующее сопло hэ.с, мм
Высота плазмообразующего сопла hп.с, мм
Высота стабилизирующего сопла hс.с, мм
Расстояние между соплами hп.с.с, мм
Расстояние от торца плазмотрона до изделия hс.и, мм
100; 150; 200
3,0; 5,0; 7,0
20; 30; 40
2,5; 3,0; 3,5
2,8; 3,2; 3,5
0,5; 1,0;
2,5; 3,0; 3,5
2,5; 3,0; 3,5
1,0; 1,5; 2,0
5; 10; 15
Рис. 46. Стенд для плазменной резки: 1 – манипулятор; 2 – бак с водой;
3 – разрезаемый металл; 4 – плазмотрон; 5 – воздухосборник системы
вентиляции; 6 – каретка; 7 – блок управления
86
Резка выполняется на образцах из малоуглеродистой стали типа
Ст. 3, низколегированных сталях: 16Г2АФ, 09Г2С, 10ХСНД, теплоустойчивой стали 15Х5М, нержавеющей стали Х18Н10Т, алюминиевых
сплавов АМг6 и АМц, толщина образцов 10; 20; 30 мм.
Контролируется максимальная скорость реза, ширина реза и качество кромок. По результатам исследований определяется тепловложение в плазмотрон Pпл, полная мощность сжатой дуги Pд, мощность части
столба дуги, расположенной внутри плазмотрона Pвн.
Рассчитывается погонная энергия реза для различных материалов
и толщин по формуле
qп =
Pд
,
vр
где νр – скорость резки.
Порядок выполнения работы
1. Включается пускатель системы управления установки для плазменной резки.
2. Открывается подача воды. Измеряется расход воды Qв через
плазмотрон.
3. Измеряется начальная температура воды.
4. Устанавливается разрезаемый образец на решетку, расположенную над баком с водой.
5. Включением перемещения каретки устанавливается плазмотрон
на начало реза, регулируется расстояние hс.и.
4. Включается компрессор и устанавливается заданный расход
воздуха в стабилизирующее сопло Qв, включается подача и устанавливается расход аргона в плазмообразующее сопло QАr.
5. Включается вытяжная вентиляция воздухозаборника.
6. Включается пускатель источника питания сварочного тока, устанавливается сварочный ток Iд.
7. Возбуждается сжатая дуга и включается перемещение плазмотрона. При контроле сквозного прорезания металла, устанавливается
максимальная скорость реза.
8. Измеряется напряжение на дуге и ее участках.
9. Измеряется температура воды на выходе из плазмотрона.
87
10. После окончания реза выключается перемещение плазмотрона,
отключается источник питания, компрессор и подача аргона.
11. Измеряется ширина реза и оценивается качество кромок.
Проводятся аналогичные измерения при изменении параметров
режима (см. лабораторную работу № 1), данные измерений заносятся
в таблицы.
12. Проводится расчет тепловой мощности, отведенной в плазмотрон Pпл.
13. Проводится расчет мощности сжатой дуги и части столба дуги,
расположенного внутри плазмотрона.
14. Рассчитывается погонная энергия реза для различных материалов и толщин.
15. Определяется относительное тепловложение в плазмотрон в зависимости от Pд, Рвн.
16. Оформляются выводы по выполненной работе.
Техника безопасности
1. Работа на стенде для плазменной резки производится под контролем ведущего преподавателя или учебного мастера.
2. Наблюдение за зоной резки в процессе работы производится через сварочный светофильтр.
3. Работа с образцами после резки производится после их полного
остывания.
4. Резка производится при включенной вытяжной вентиляции.
5. После выполнения реза производится обязательное выключение
источника питания и компрессора.
6. При включении резки высоковольтным высокочастотным разрядом не допускается касание плазмотрона.
Контрольные вопросы
1. Сущность процесса плазменной резки металлов.
2. Особенности взаимодействия сжатой дуги с материалом при
плазменной резке.
3. Разновидности плазменной резки металлов.
4. Плазмообразующие среды для плазменной резки.
5. Особенности устройства плазмотронов для плазменной резки.
88
6. Основные режимные параметры плазменной резки.
7. Характерные дефекты плазменной резки металлов.
8. Что такое пленкозащитные катоды?
9. Особенности источников питания для плазменной резки?
10. Для каких толщин возможно применение плазменной резки
металлов?
11. Как распределяется энергия в сжатой дуге при плазменной
резке?
12. Какие режимные параметры оказывают наибольшее влияние
на скорость резки?
13. Что характеризует погонная энергия резки?
14. Недостатки ВПР.
15. Особенности плазменной резки металлов на обратной полярности.
Список литературы
1. Эсибян Э.М. Воздушно-плазменная резка: состояние и перспективы // Автоматическая сварка. – 2000. – № 12. – С. 6–20.
2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Физматгиз, 1963. – 708 с.
3. Лакомский В.И. Оксидные катоды электрической дуги. – Запорожье: Интернал, 1997. – 192 с.
4. Исследование и оптимизация электроплазменной резки металлов / Ю.Я. Киселев [и др.]. – Кишинев: Штиинца, 1981. – 112 с.
5. Васильев К.В. Плазменно-дуговая резка. – М.: Машиностроение, 1974. – 111 с.
6. Эсибян Э.М. Плазменно-дуговая аппарутура. – Киев: Техника,
1971. – 162 с.
7. Щицын Ю.Д., Тыткин Ю.М. Плазменная обработка металлов на
обратной полярности // Сварка и контроль – 2004: сб. докл. всерос. науч.техн. конф. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2004. – Т. 1. – С. 280–288.
8. Щицын Ю.Д., Щицын В.Ю. Расширение возможностей плазменной резки металлов // Вестник ПГТУ. Механика и технология материалов и конструкций. – Пермь, 2004. – № 8. – С. 62–66.
89
5. ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА ПРОНИКАЮЩЕЙ ДУГОЙ
Возможность управления параметрами сжатой дуги в широких
пределах позволяет использовать различные технологии плазменной
сварки, помогающие получать сварные швы с различной геометрией
поперечного сечения.
Повышение производительности дуговых способов сварки
и увеличение глубины проплавления требуют увеличения мощности
дуги, что приводит к значительному росту силового воздействия на
расплавленный металл. В результате этого жидкий металл в сварочной ванне деформируется и оттесняется в ее хвостовую часть. Это
ведет к появлению подрезов, «бугристости» поверхности шва, газовых пор и полостей в металле шва, прожогам и другим дефектам. Для
увеличения глубины проплавления и повышения скорости сварки без
нарушения стабильности формирования шва необходимо снизить
мощность силового воздействия дуги на жидкую ванну, не изменяя
величины силового воздействия на фронт плавления. Этого можно
достичь сбросом части потока сжатой дуги через отверстие в корне
шва («замочную скважину») – переходом на режимы сварки проникающей дугой.
Автоматическая плазменная сварка проникающей дугой обеспечивает получение бездефектных сварных швов при высокой производительности. Этот способ сварки имеет целый ряд преимуществ перед
другими способами дуговой сварки:
1. Обеспечивается полное проплавление свариваемого металла за
один проход, сварные швы имеют в поперечном сечении узкую клиновидную форму. Внутренние дефекты сварного шва отсутствуют. Металл
шва имеет химический состав и механические характеристики, близкие
к основному металлу.
2. Не требуется разделки кромок для стыковой сварки и механическая обработки швов после сварки вследствие высокого качества корневой и лицевой частей сварочного шва.
3. Снижаются затраты на проектирование и изготовление подкладных приспособлений.
90
4. Значительно сужается зона термического влияния, вследствие
чего улучшаются механические показатели околошовной зоны и снижаются сварочные деформации.
5. Обеспечивается высокая стабильность процесса формирования
сварного шва и постоянство качества и размеров сварного шва по длине
соединения.
6. Повышается производительность и снижается энергоемкость
процесса.
9. Процесс плазменной сварки может быть автоматизирован и роботизирован.
Можно сказать, что плазменная сварка проникающей дугой обладает всеми свойствами, предъявляемыми к массовым технологическим
процессам: доступностью, экономичностью, высокой производительностью и качеством.
5.1. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЖАТОЙ ДУГИ
СО СВАРИВАЕМЫМ МАТЕРИАЛОМ ПРИ СВАРКЕ
ПРОНИКАЮЩЕЙ ДУГОЙ
Стабильность формирования шва при сварке проникающей дугой определяется устойчивостью сварочной ванны и зависит как от
теплофизических характеристик свариваемого металла, так и от особенностей теплового и силового воздействия сжатой дуги. Последний
фактор имеет особенно важное значение для данного способа сварки,
благодаря повышенной «жесткости» сжатой дуги, особенностям
взаимодействия ее со сварочной ванной и условиями удержания жидкой ванны. Взаимодействие сжатой дуги со сварочной ванной осуществляется в сформированной полости кратера, имеющей сложную
форму и сквозное отверстие в нижней части. Величина и характер
распределения силового воздействия сжатой дуги в сварочной ванне
во многом определяют особенности процесса абляции фронта плавления, движения расплава в хвостовую часть сварочной ванны, удержания жидкой ванны на весу и качество формирования шва. На рис.
47 представлена схема сварочной ванны при сварке проникающей дугой в установившемся режиме, когда все силы, действующие в ванне,
находятся в равновесии.
91
На схеме (см. рис. 47) приняты следующие обозначения: dс – диаметр плазмообразующего сопла; hс.и – расстояние от среза сопла до изделия; δ – толщина свариваемого металла; a – угол наклона фронта
плавления; L – длина жидкой ванны; H – высота жидкой ванны; d –
диаметр сквозного отверстия; B – ширина шва; b – ширина корня шва;
β – угол контакта между поверхностями жидкой ванны и фронта кристаллизации; Pп.д – давление в полости кратера; G – вес жидкой ванны;
pгс – гидростатическое давление; pп.н – капиллярное давление.
Рис. 47. Схема сварочной ванны при плазменной сварке проникающей дугой:
а – продольное сечение; б – поперечное сечение; в – вид сверху
Сварочную ванну, представленную на схеме, можно условно разделить на кратерную полость и хвостовую часть – жидкую ванну. Размеры и форма кратерной полости определяют ширину шва и корня,
особенности воздействия сжатой дуги на различные участки сварочной
ванны. Устойчивость жидкой ванны определяет качество формирования
сварного шва. Квазистатическое существование жидкой ванны обеспе92
чивается при строгом балансе всех силовых факторов, действующих на
нее, и может быть описано системой уравнений Лапласа и Юнга
pг − pж = σ ж ( K1 + K 2 ),
(1)
σ ж cos θ = σ т − σ ж ,
(2)
где pг – давление в газовой фазе; pж – давление в жидкой фазе; σж – поверхностное натяжение жидкого металла; σт – поверхностное натяжение
твердого металла; σт.ж – поверхностное натяжение на границе раздела
фаз жидкий – твердый металл; K1 и K2 – кривизна главных нормальных
сечений свободной поверхности; θ – краевой угол смачивания.
Выражения (1) и (2) описывают условия на свободной поверхности и на линии контакта. Решение системы уравнений в общем виде
затрудняется неизвестным изменением pг на свободной поверхности
расплава, сложной пространственной конфигурацией жидкой ванны
и линии контакта жидкого металла с твердым, неравномерностью σж
и σт.ж вследствие неравномерного распределения температуры на поверхности жидкой ванны и состава газовой атмосферы, а также возможного изменения химического состава жидкой ванны на различных
участках. Сжатая дуга взаимодействует с передней стенкой жидкой
ванны СЕ (см. рис. 47), на верхней EF и нижней АС свободных поверхностях ванны силовое и тепловое воздействие сжатой дуги практически отсутствует. Вследствие этого следует рассмотреть два возможных механизма разрушения жидкой ванны: 1) выливание ванны
(прожог) через нижнюю поверхность сварочной ванны при превышении гравитационных сил над силами поверхностного натяжения;
2) разрушение сварочной ванны при нарушении баланса силовых факторов на передней стенке жидкой ванны.
Возможность удержания жидкой ванны на весу при плазменной
сварке проникающей дугой или ее разрушения при вытекании через
нижнюю ее поверхность ориентировочно можно оценить из выражения
1 1 
∆p = σ c  +  − ρgH .
r R
93
Учитывая, что В ≈ Н, а b = B −
2H
, получается, что для больtg(φ)
шинства металлов толщины порядка δ = 20…25 мм являются близкими
к предельным, при которых обеспечивается удержание жидкой ванны
силами поверхностного натяжения (табл. 5). На практике такими критическими толщинами являются для алюминиевых сплавов δ = 8…10 мм;
титана δ = 14…16 мм; легированных сталей δ = 10…12 мм.
Таблица 5
Расчетная толщина металла, при которой обеспечивается удержание
жидкой ванны на весу при сварке проникающей дугой*
Металл
Плотность
при Тпл, кг/м3
Al
Ti
Fe
2385
4110
7100
Поверхностное натяжение
расплава при Тпл +100 °С,
103 Н/м
0,914
1,65
1,875
Максимальная
толщина металла,
мм
20–25
20–25
16–20
* При ширине корня шва b = 3…4 мм
Известно, что в диапазоне освоенных толщин при плазменной
сварке проникающей дугой даже небольшие отклонения сварочных параметров от оптимальных приводят к нарушению стабильности формирования сварного шва.
Проведенная оценка показывает малую вероятность разрушения
жидкой ванны при превышении гравитационных сил над капиллярными.
Эти явления происходят, по-видимому, при нарушении баланса
силовых факторов на передней стенке жидкой ванны.
Наибольшую кривизну передняя стенка жидкой ванны имеет в горизонтальном сечении (рис. 47, в). Действие сил гидростатического давления ргс на переднюю стенку жидкой ванны и поверхностного натяжения от этой кривизны рσ суммируется (см. рис. 47) и достигает максимального значения вблизи отверстия в корне шва:
ρgH +
2σ с
= pп.д .
b
(3)
Для стабильного существования жидкой ванны действие этих факторов должно компенсироваться силовым воздействием сжатой дуги рп.д.
94
При невыполнении условия (3) происходит либо натекание жидкой ванны на фронт плавления с последующим сбросом жидкого металла под
действием сжатой дуги (или переход к непровару) при pгс + pσ > pп.д; либо
оттеснение жидкой ванны в хвостовую часть и разрыв ее, при этом расплав, поступающий с фронта плавления, сбрасывается с боковых кромок
без образования общей ванны, при pгс + pσ < pп.д. Оценка pгс + pσ для реальных условий сварки говорит о достаточно высоких значениях данных
силовых факторов (табл. 6).
Таблица 6
Силовые факторы, действующие на переднюю стенку
жидкой ванны со стороны жидкого металла
Металл
Al
Ti
Сталь типа 18–8
B, мм
9
10
8
b, мм
3,0
3,5
2,0
H, мм
8,0
8,0
8,0
pσ, Н/м2
609,3
942,9
1600,0
pгс, Н/м2
187,0
322,2
556,6
Σ, Н/м2
796,3
1265,2
2156,6
Кроме того, при оценке условий стабильного существования передней стенки жидкой ванны необходимо учитывать неравномерность распределения давления по высоте полости кратера. В результате неравномерности давления появляется значительная искривленность передней
стенки жидкой ванны, что также вызывает изменение условий удержания
жидкой ванны.
Наличие значительных тангенциальных напряжений на передней
стенке жидкой ванны повышает вероятность разрушения жидкой ванны.
5.2. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНОГО ШВА
ПРИ СВАРКЕ ПРОНИКАЮЩЕЙ ДУГОЙ
Основными параметрами режима, определяющими качество формирования шва при сварке проникающей дугой, являются: ток сжатой
дуги Iсв; расход плазмообразующего газа Qп; диаметр плазмообразующего сопла dс; скорость сварки vсв, свободная длина сжатой дуги hс.и.
В зависимости от изменения сварочных параметров выявлены четыре
области формирования швов при сварке проникающей дугой. Их можно
проследить, меняя скорость сварки от минимальной в сторону увеличения, при постоянстве остальных параметров, взятых для стабильного
формирования сварного шва:
95
Рис. 48. Внешний вид и диаметральное сечение сварного шва (сплав АМг,
δ = 8 мм): а – выплавление; б – стабильное формирование; в – рез; г – непровар
1-я область – при минимальной скорости сварки (рис. 48, а) характеризуется отсутствием формирования сварного шва, при этом
происходит перегрев и оплавление зоны сварки, расплавленный металл либо стекает, либо собирается на свариваемых кромках, образуя
«бульбы» (в зависимости от толщины и свойств свариваемого металла) – область выплавления;
2-я область – с повышением vсв происходит переход к стабильному
формированию сварного шва (рис. 48, б), причем, по мере роста vсв,
снижаются значения B, b, q;
3-я область – с дальнейшим ростом vсв происходит разрушение
сварочной ванны и переход к режиму реза (после области стабильно96
го формирования шва), характеризующемуся сбросом металла и образованием грата на боковых кромках (рис. 48, в). С дальнейшим ростом vсв происходит переход к 4-й области – непровару, закрытие
сквозного отверстия в корне шва и дефектное формирование сварного шва (рис. 48, г).
Каждой области формирования соответствует строго определенная форма полости кратера, однозначно характеризуемая углом наклона фронта плавления (в диаметрально-осевом сечении) (см. рис. 48).
Для различных металлов значения углов, характеризующих определенную область формирования, могут отличаться (это объясняется
различием теплофизических свойств металлов), однако характер изменения углов наклона фронта плавления при переходе от одной области
к другой одинаков для всех металлов. Следует отметить, что теплофизические свойства металлов – плотность, поверхностное натяжение –
заметно влияют на протяженность различных областей формирования
шва. Например, для титана, имеющего малую плотность и высокий коэффициент поверхностного натяжения, 3-я область – реза после области стабильного формирования для свариваемых толщин до 8 мм может
отсутствовать, вместо реза происходит формирование шва со значительным провисанием корня.
При переходе от одной области формирования к другой по мере
роста скорости сварки происходит уменьшение угла наклона фронта
плавления (см. рис. 48), причем большая толщина свариваемого металла
характеризуется большими значениями углов для адекватных областей
формирования. При плазменной сварке проникающей дугой в полости
кратера происходит разделение потока сжатой дуги Qс на сбрасываемый
через сквозное отверстие Qк и обратный Qоб.
По интенсивности и углу наклона этих потоков можно определить
угол наклона фронта плавления и форму полости кратера (рис. 49), что позволяет получить информацию о характере формирования сварного шва.
Рекомендации по выбору основных параметров режимов, обеспечивающих формирование шва, представлены в табл. 7, 8.
Сварные швы различных сплавов, выполненные по этим режимам,
не содержат внутренних дефектов, имеют гладкую поверхность лицевой
и корневой сторон шва (рис. 50–52).
97
Рис. 49. Распределение потоков сжатой дуги при сварке проникающей
дугой, (сплав АМг6, δ = 8 мм); а – Vсв = 10 м/ч – стабильное формирование;
б – Vсв = 15 м/ч – рез; в – Vсв = 18 м/ч – непровар
98
Таблица 7
Параметры оптимальных режимов сварки титановых
и сложнолегированных сплавов
Материал
Титановые
сплавы
ЭП202
δ, мм
8
10
12
8
10
12
Iсв, А
180–220
200–280
260–320
180–220
200–240
200–240
dс, мм
3,3–3,8
3,8–5,0
4,5–5,0
3,2–3,6
3,4–3,6
3,4–3,6
Qп, л/мин h, мм
3–5
5,5
3–7
5–6
4–8
5–7
3–5
3–5
3–5
3–5
3–5
3–5
vсв, м/ч
4–20
4–20
3–12
10–20
10–18
6–12
С, мм
0,8–1,2
0,8–1,5
0,8–2,0
0,5–1,0
0,8–1,2
0,8–1,2
Таблица 8
Параметры оптимальных режимов сварки сплава АМг6
δ, мм
8
10
12
14
Iсв, А
100–120
110–150
180–220
260–280
14
260–280
7
6,0
16
260–280
7
6,0
16
260–280
7
6,0
dс, мм Qп, л/мин
2,5–3,0 2,0–2,5
2,5–3,0 2,5–3,0
5
4,0–6,0
7
6,0
а
vсв, м/ч
13–25
10–15
10–15
12–14
с подогревом
22–25
8–10
с подогревом
14–16
h, мм С, мм Тподогр, °С
5
–
–
5
–
–
5
1–2
–
5–6
1–2
150–200
5–6
1–2
150–200
5–6
1–2
200–250
5–6
1–2
200–250
б
Рис. 50. Сварной шов при плазменной сварке проникающей дугой
(h = 3 мм; сплав ЭП202, δ = 8 мм, сборка стыка без зазора
с наложением «декоративного» шва): а – макрошлиф;
б – внешний вид корня шва
99
б
а
Рис. 51. Сварочные швы при плазменной сварке проникающей дугой
(сплав Амг6) – макрошлифы: а – δ = 8 мм; б – δ = 10 мм
а
б
Рис. 52. Внешний вид: а – шва; б – корня шва (по рис. 51, б)
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ ПРОНИКАЮЩЕЙ
ДУГОЙ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ
Цели работы:
1. Ознакомление с теоретическими и технологическими основами
плазменной сварки проникающей дугой цветных металлов и высоколегированных сплавов.
2. Получение навыков практической работы с оборудованием для
автоматической плазменной сварки проникающей дугой.
100
3. Получение навыков исследовательской работы по определению
оптимальных режимов плазменной сварки проникающей дугой цветных
металлов и высоколегированных сплавов.
Методика проведения работы
Основными параметрами режима, определяющими качество формирования шва при сварке проникающей дугой, являются: ток сжатой
дуги Iсв; расход плазмообразующего газа Qп; диаметр плазмообразующего сопла dс; скорость сварки vсв; свободная длина сжатой дуги hс.и.
Исследования проводятся на образцах из различных материалов
(табл. 9). Размеры образцов: толщина 5; 6; 8 и 10 мм, ширина не менее
50 мм, длина не менее 150 мм. Производится предварительная сборка
стыковых швов с зазором (0 +0,5) мм.
Для проведения исследований используется стенд для плазменной
сварки, скомпонованный на базе станка наплавочного; плазмотроны для
сварки на прямой и обратной полярности конструкции кафедры сварочного производства и технологии конструкционных материалов Пермского государственного технического университета; источник питания
сварочного тока типа ВДУ-505. В качестве плазмообразующего и защитного газов используется аргон.
Таблица 9
Образцы для сварки
1
2
3
4
5
Алюминиевые сплавы
Коррозионно-стойкие стали
Жаропрочные стали
Сплавы на никелевой основе
Титановые сплавы
АМг6, АМг5, АМц, Д16
12Х18Н10Т
09Х16Н4Б
ХН67ВМТЮ
ВТ1, ОТ4
Порядок проведения работы
1. Подготавливается стенд плазменной сварки к работе:
– включается пускатель системы управления стенда;
– включается пускатель источника питания сварочного тока;
– включается система подачи воды в систему управления плазмотрона и система подачи газа, устанавливается нужный расход, контролируемый соответствующими ротаметрами.
2. На рабочий стол укладывается собранный под сварку образец.
101
3. Устанавливаются требуемые параметры режима сварки
(см. табл. 7, 8), включается сварочный ток и перемещение сварочной
головки, при фиксированных режимах сварки меняется один из параметров. Проводится наблюдение за формированием шва.
4. После заварки шва производится оценка качества формирования
шва, замеры геометрических параметров шва. Результаты фиксируются
в журнале наблюдений.
5. Далее исследования проводятся последовательно по каждому
параметру при поддержании остальных параметров постоянными.
6. Проводится анализ полученных результатов, строятся графики
областей формирования сварных швов, составляются выводы по проведенным исследованиям (например, рис. 53).
Рис. 53. Области формирования сварного шва (сплав ЭП202, δ = 8 мм):
1 – сборка стыка без зазора; 2 – сборка стыка с зазором; А – выплавление,
Б – стабильное формирование; В – рез; Г – непровар; Iсв = 200 А,
h = 4 мм, dc = 3,5 мм
Техника безопасности
1. Работа на стенде для плазменной сварки производится под контролем ведущего преподавателя или учебного мастера.
2. Наблюдение за зоной сварки в процессе работы производится
через сварочный светофильтр.
3. Работа с образцами после сварки производится после их полного остывания.
4. Сварка производится при включенной вытяжной вентиляции.
5. При включении сварки высоковольтным высокочастотным разрядом не допускается касание плазмотрона.
102
Контрольные вопросы
1. Особенности процесса плазменной сварки проникающей дугой.
2. Особенности взаимодействия сжатой дуги с материалом при
плазменной сварке проникающей дугой.
3. Возможные механизмы разрушения жидкой ванны при плазменной сварке проникающей дугой.
4. Основные параметры режима при плазменной сварке проникающей дугой.
5. Характерные возможные области формирования сварных швов
при плазменной сварке проникающей дугой.
6. Какие свойства металлов оказывают влияние на стабильность процесса формирования шва при плазменной сварке проникающей дугой?
7. Преимущества плазменной сварки проникающей дугой.
8. Чем определяется качество формирования сварного шва при
плазменной сварке проникающей дугой?
9. Что описывают уравнения Лапласа и Юнга при рассмотрении
процесса плазменной сварки проникающей дугой?
10. Для каких толщин возможно применение плазменной сварки
проникающей дугой?
11. Чем отличается плазменная сварка проникающей дугой алюминиевых и жаропрочных сплавов на никелевой основе?
5.3. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ ПРОНИКАЮЩЕЙ ДУГОЙ
Непосредственно наблюдать процессы, происходящие в сварочной
ванне при плазменной сварке проникающей дугой, не представляется возможным. Математическое моделирование сварочных процессов, позволяющее выявить влияние технологических факторов на свойства шва, требует выяснения физических явлений, происходящих в сварочной ванне.
В связи с этим представляет интерес физическое моделирование
процесса плазменной сварки проникающей дугой.
5.3.1. Оценка возможности физического моделирования
процесса плазменной сварки проникающей дугой
Для максимального сходства модели с реальным процессом необходимо обеспечить подобие явлений, происходящих в газовой и жидкой фазах (геометрическое, кинетическое, динамическое и тепловое подобие).
103
Вопросам низкотемпературного моделирования процессов сварки
плавлением высококонцентрированными источниками нагрева посвящен ряд исследований. Однако в доступной литературе нет сведений
о возможности низкотемпературного моделирования процесса плазменной сварки проникающей дугой. Это объясняется необходимостью соблюдения целого ряда условий подобия в газовой и жидкой фазе, обусловленной сложностью изучаемого процесса:
αl
ν
Нуссельта – Nu = ; Прандтля – Pr = ;
λ
a
vl
vl
Пекле – Pe = ; (Re Pr); Рейнольдса – Re = ;
a
ν
2
vt
v
Фруда – Fr = ; Стурхала – Sh = ;
gl
l
Вебера – We =
p
ρ ⋅ v 2l
; Эйлера – Eu =
;
ρ ⋅ v2
σ
Бонда – Bo = ρ q l 2/σж и ряда других,
где α – коэффициент теплоотдачи;
l – характерный размер;
λ – коэффициент теплопроводности;
ν – кинематический коэффициент вязкости;
a – коэффициент температуропроводности;
v – скорость;
g – ускорение свободного падения;
t – время;
ρ – плотность;
p – давление;
σж – поверхностное натяжение.
Обеспечение равенства всех критериев подобия реального процесса и модели является невыполнимой задачей, однако при определенных
допущениях задача может быть упрощена. Сжатая дуга может рассматриваться как затопленная неизотермическая турбулентная струя. При
выборе материала модели необходимо обеспечение основного требования – равенства числа Pe жидкости – натуры и модели. Установлено,
что числа Pe для парафина и алюминия приближенно равны. Моделирование процесса плазменной сварки проникающей дугой алюминиевых
сплавов возможно осуществлять воздействием струи горячего воздуха
104
на модель из парафина. В процессе моделирования плазменной сварки
проникающей дугой должны соблюдаться следующие условия: воздействие струи горячего воздуха на материал модели при определенной
скорости перемещения должно вызывать сквозное проплавление с образованием отверстия в нижней части полости кратера, образование и стабильное удержание жидкой ванны (в хвостовой части) до ее затвердевания. Следует добавить, что сама возможность стабильного ведения процесса сквозного проплавления модели струей горячего воздуха со
стабильным удержанием жидкой ванны говорит об одинаковости физических процессов, происходящих в сварочной ванне, при плазменной
сварке проникающей дугой и на модели.
В табл. 10 представлены основные теплофизические свойства
парафина.
Таблица 10
Теплофизические свойства парафина
плавления
56
Температура, °С
кипения
416
перехода
53
ρ, кг/м3
при Тпл +50 °С
758,5
µ, Па·с
при Тпл
0,22755
Из условия равенства критериев подобия были определены геометрические параметры модели, параметры газовой струи и скорость
относительного перемещения модели и сопла.
Целью проведения экспериментов является изучение, с помощью
физического моделирования, качественных закономерностей явлений,
происходящих в сварочной ванне при изменении основных параметров
процесса плазменной сварки проникающей дугой.
Порядок проведения экспериментов следующий: струей горячего
газа добивались сквозного проплавления модели и проводили наблюдение процессов, происходящих в полости кратера.
Модель шва представляет собой кювету, состоящую из двух кварцевых пластин, собранных при помощи зажимов, заполненную материалом модели.
Для визуализации движения расплава по полости кратера и в хвостовой части ванны используется угольная пудра, нанесенная на поверхность модели.
Процессы, происходящие в полости кратера, могут непосредственно
наблюдаться исследователями и фиксироваться видео- или фотокамерой.
105
Угол наклона передней стенки полости кратера (фронта плавления),
длина полости, диаметр отверстия в корневой части кратера, форма передней стенки жидкой ванны являются параметрами, которые характеризуют особенности протекания процессов в полости кратера. В экспериментах появляется возможность определить зависимость этих параметров
от изменения параметров моделирования.
5.3.2. Моделирование процесса плазменной
сварки проникающей дугой
Проведенные эксперименты показывают, что струя воздействует
на полость кратера не симметрично – на фронте плавления (рис. 54),
плавление материала и унос расплава с фронта плавления происходит
непрерывно. Полость кратера в установившемся режиме отличается
стабильностью формы и размеров. Угол наклона фронта плавления однозначно характеризует форму и размеры полости кратера. В хвостовую
часть ванны расплав также поступает непрерывно. Изменение расхода
газа или изменение скорости перемещения кюветы «сварки» ведет к изменению угла наклона фронта плавления (см. рис. 54) и соответствующим изменениям формы и размеров полости кратера (рост расхода газа
ведет к возрастанию угла наклона фронта плавления, аналогично происходящему при уменьшении «скорости сварки»). Увеличение расхода
газа (снижение «скорости сварки») вызывает ускорение плавления материала и унос расплава в хвостовую часть, при этом происходит рост
угла наклона фронта плавления α до 80° (рис. 54, а). Форма полости
кратера приближается к цилиндрической. При достижении критических
значений угла наклона α = 76…80° начинается сброс расплава через
сквозное отверстие (рис. 54, б), снижение и прекращение перемещения
расплава по боковым стенкам в хвостовую часть, происходит разрыв
жидкой ванны и начинается режим реза. В районе режимов стабильного
существования полости кратера при α = 55…75° (рис. 54, в, г, д), форма
полости кратера имеет характерную конусообразную конфигурацию
с искривленной (S-образной) передней стенкой жидкой ванны. Расплав
с фронта плавления по боковым стенкам поступает в хвостовую часть,
образуя жидкую ванну, которая удерживается силами поверхностного
натяжения и давлением, создаваемым струей в полости кратера. Плавление материала и унос расплава наиболее интенсивно происходит
в зоне приложения максимального давления струи.
106
а
б
в
г
д
е
ж
з
Рис. 54. Изменение полости кратера в зависимости от скорости
перемещении кюветы: а – v = 0 мм/с; б – v = 0,10 мм/с; в – v = 0,15 мм/с;
г – v = 0,40 мм/с; д – v = 0,50 мм/с; е – v = 0,60 мм/с; ж – v = 0,65 мм/с;
з – v = 0,70 мм/с
107
При моделировании наблюдались визуально и зафиксированы на
видео- и фотоснимках вихревые движения расплава в хвостовой части
ванны (см. рис. 54). Наблюдения показали, что из тонкого слоя угольной пудры, нанесенной на поверхность модели, частицы, пройдя через
полость кратера, попадают в вихревые движения в жидкой ванне, удерживаются некоторое время в них, вращаясь, а затем равномерно заполняют весь объем жидкой ванны. В жидкой ванне существует два вихря:
в верхней части ванны и в нижней части вблизи сквозного отверстия.
Угловая скорость (оценивалась по движению частиц угольной пыли)
вихрей находится в пределах 6,28–31,4 с–1.
Источником движения расплава в жидкой ванне следует считать
наличие касательных напряжений на передней стенке ванны, возникающих при воздействии на нее струи газа. Интенсивность вихревого
движения можно оценить по формуле
ω=
µ г du
,
µ ж dh
где µг – вязкость воздуха при 150 °С, µг = 22·10–6 Па·с.
Среднюю скорость струи можно определить, зная расход Qc, как
v=
Qc
.
πr 2
При изменении Qс по условиям моделирования скорость газового
потока находится в пределах u = 2,7…10,8 м/с. Учитывая, что максимальная скорость струи umax = 2u, и приняв толщину пограничного слоя
равной половине ширины полости кратера, можно рассчитать угловую
скорость вихревого движения расплава: ω = 5…21 с–1. При радиусе вихря 1–2 мм линейная скорость перемещения v = 0,15…2,5 м/мин, что
в 15–20 раз выше скорости «сварки». Размеры и направления вихрей
определяются формой полости кратера. При больших углах наклона
фронта плавления (65–75°) полость кратера имеет характерную узкую
воронкообразную форму, верхний вихрь имеет значительно большие
размеры, чем нижний (см. рис. 54, в). Направления вращения вихрей
в этом случае одинаковы и совпадают на передней стенке жидкой ванны
с направлением струи, сбрасываемой через отверстие в корне шва. При
уменьшении угла наклона (50–60°) фронта плавления полость кратера
расширяется, происходит выравнивание размеров вихрей, направления
108
вращения вихрей при этом остаются такими же, как и в предыдущем
случае (см. рис. 54, г).
При дальнейшем уменьшении угла наклона фронта плавления
(до 40–45°) (полость кратера характеризуется широкой верхней частью
с нависанием жидкой ванны) происходит увеличение размеров вихря
в нижней части и уменьшение в верхней части ванны, причем направление вращения вихря в верхней части изменяется на противоположное
(рис. 54, д, е). В зависимости от соотношения размеров струи и полости
кратера растекание струи по полости кратера имеет особенности. При
узкой полости кратера разворот периферийной части струи происходит
в верхнем объеме полости кратера (в приповерхностном слое) и по полости кратера часть струи с расходом Qк распространяется как стесненная струя. С уменьшением угла наклона фронта плавления (расширением приемной части полости) зона разворота струи заглубляется в полость кратера, при этом происходит перераспределение расходов: Qк –
уменьшается, Qоб – возрастает. Мощность потока, индуцирующего
вихрь в верхней части ванны, падает, уменьшается и размер вихря
в верхней части ванны. При дальнейшем уменьшении угла наклона
фронта плавления и расширении приемной части полости кратера зона
разворота струи находится в глубине полости кратера при этом значительно возрастает мощность обратного потока струи, вследствие чего
происходит изменение направления вращения верхнего вихря (на передней стенке жидкой ванны вверх). В зоне взаимодействия верхнего
и нижнего вихря потоки расплава имеют одинаковое направление движения, что способствует увеличению размеров нижнего вихря.
Дальнейшее уменьшение угла фронта плавления (до значений
меньше критического) приводит к закрытию сквозного отверстия и переходу к режиму без сквозного проплавления. Газовый поток, обтекая
полость кратера, как полуограниченная струя, индуцирует в хвостовой
части ванны гидродинамический вихрь с направлением вращения, совпадающим с направлением движения газовой струи на передней стенке
жидкой ванны (рис. 54, з).
Характер движения расплава в хвостовой части сварочной ванны определяет степень однородности металла шва, механизм насыщения жидкого металла газами, оказывает влияние на перенос тепла и особенности кристаллизации металла. Наличие интенсивного вихревого движения расплава, выявленного при моделировании, объясняет высокую однородность
металла шва и отсутствие пор при сварке проникающей дугой.
109
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ ПРОНИКАЮЩЕЙ ДУГОЙ
Цели работы:
1. Ознакомление с теоретическими и практическими основами физического моделирования сложных технологических процессов на примере низкотемпературного моделирования плазменной сварки проникающей дугой цветных металлов и высоколегированных сплавов.
2. Получение навыков практической работы с оборудованием для
моделирования плазменной сварки проникающей дугой.
3. Визуальное наблюдение динамики процессов, происходящих
в полости кратера и в жидкой ванне при моделировании плазменной
сварки проникающей дугой.
Методика проведения работы
Основными параметрами режима являются геометрические параметры модели, параметры газовой струи и скорость относительного перемещения модели и сопла («сварки») (табл. 11).
Таблица 11
Условия проведения экспериментов низкотемпературного
моделирования плазменной сварки проникающей дугой*
Наименование
Влияние расхода газа на параметры полости кратера
Влияние скорости сварки
Влияние «угла» наклона сопла
Влияние «угла» наклона модели
Параметры
Угол наклона Угол наклона
сопла, град
модели, град
v,
см/мин
Q,
л/мин
1,6
0,5–2
90
0
0–6
0–6
0–6
1,2
1,2
1,2
90
75; 115
90
0
0
±8
dс = 1,5…2 мм; h = 1,5…3 мм; толщина модели δ = 6 мм; температура газовой струи 150–180 °С.
*
Для проведения исследований используется установка для моделирования процесса плазменной сварки проникающей дугой, представленная на рис. 55.
110
Рис. 55. Схема установки для моделирования процесса
плазменной сварки проникающей дугой
Установка включает в себя:
Систему перемещения образца (кюветы) в заданном направлении
с заданной скоростью. В нее входят: исполнительный механизм перемещения кюветы 1, двигатель с редуктором 2, система электропитания и
управления двигателя.
Систему задания параметров струи газа на срезе сопла 3, включающую: подогреватель газа (головка) 4 с источником питания 5, компрессор 6 с ресивером 7, регулирующая арматура расхода газа 8, 9.
Головка 4 снабжена системой ориентации, позволяющей регулировать
высоту подъема сопла над поверхностью модели (кюветы) и изменять
угол наклона сопла в плоскости «сварки».
111
Для моделирования процесса плазменной сварки проникающей
дугой служит кювета 10, заполненная материалом модели. Кювета состоит из двух кварцевых пластин, собранных при помощи зажимов, между пластинами (на концах) установлены ограничители ширины, которыми задают ширину полости – «шва».
Подготовку кюветы проводят следующим образом: материал модели заливают в кювету и там он остывает. Ввиду большой усадки после
затвердевания, верхний слой срезают для получения ровной поверхности.
Для визуализации движения расплава по полости кратера и в хвостовой
части ванны используется угольная пудра, нанесенная на поверхность
модели. Для предотвращения сдувания пудры во время эксперимента
верхний слой подплавляется.
Для фиксации явлений, происходящих в зоне «сварки» при низкотемпературном моделировании, используется фотоаппарат или видеокамера.
Порядок проведения экспериментов следующий. Устанавливаются
параметры режима: скорость перемещения кюветы («сварки») v, расход
газовой струи Q, ориентация сопла («сварка» углом вперед и углом назад); ориентация модели («сварка» на подъем и на спуск); крепится на
подвижный стол кювета и настраивается съемочная аппаратура. Струей
горячего газа обеспечивается сквозное проплавление модели и проводится наблюдение процессов, происходящих в полости кратера.
Точка приложения максимального давления и его величина зависят от угла натекания струи на преграду. Не изменяя энергетических параметров струи, изменением угла наклона сопла (изменением
угла натекания струи) можно активно воздействовать на форму фронта плавления и гидродинамические процессы, протекающие
в полости кратера. При проплавлении углом вперед происходит сближение точки приложения максимального давления с точкой пересечения струи с преградой, при этом происходит увеличение силового
воздействия струи на фронт плавления. В зоне критической точки
происходит интенсивное плавление материала и унос расплава, при
этом передняя стенка полости кратера получает характерное искривление. При проплавлении углом назад угол наклона фронта плавления асимптотически приближается к углу наклона сопла. Угол «атаки» струи на фронт плавления значительно уменьшается, силовое
воздействие струи снижается, вследствие чего падает скорость плавления и уноса с фронта плавления.
112
Угол наклона передней стенки полости кратера (фронта плавления), длина полости, диаметр отверстия в корневой части кратера, форма передней стенки жидкой ванны являются параметрами, которые характеризуют особенности протекания процессов в полости кратера.
В экспериментах ставится задача определить зависимость этих параметров от изменения параметров моделирования.
Заметное влияние на поведение жидкой ванны оказывает пространственное положение кюветы при имитации сварки на подъем и на
спуск. При продольном наклоне кюветы возникает сила, действующая
в направлении, образующем с горизонтом угол ψ:
F = mg sinψ,
где m – масса жидкой ванны; ψ – угол наклона кюветы.
При «сварке» на спуск сила F способствует натеканию жидкой ванны на фронт плавления, а при сварке на подъем сила F способствует смещению жидкой ванны в хвостовую часть и расширению полости кратера.
Порядок проведения работы
1. Подготавливаются кюветы для проведения моделирования.
2. Кювета закрепляется на подвижном столе установки для моделирования.
3. Устанавливается сопло для подачи струи горячего воздуха.
4. Включается электрическое питание установки.
5. Подготавливается видеофотоаппаратура.
6. Включается подогреватель газа.
7. Включается компрессор и устанавливается требуемый расход
газа через сопло.
8. При заглублении струи горячего воздуха в материал модели на
2/3 толщины модели включается перемещение модели с заданной скоростью.
9. При сквозном проплавлении модели контролируется стабильность переноса расплава с фронта плавления в хвостовую часть жидкой
ванны. Производится наблюдение явлений в «сварочной ванне» и фиксирование на видео- или фотокамеру при изменении параметров моделирования (см. табл. 11).
10. Строятся графики зависимости угла наклона фронта плавления
при изменении параметров процесса, при имитации сварки «углом впе113
ред и назад» и «на подъем и на спуск». Составляется описание динамики полости кратера в зависимости от угла наклона фронта плавления.
11. Наблюдаются вихревые перемещения расплава в хвостовой
части жидкой ванны. Оценивается изменение размеров вихрей и направлений их вращения в зависимости от размеров полости кратера при
изменении параметров моделирования.
Контрольные вопросы
1. С какой целью проводится физическое моделирование технологических процессов?
2. Какие условия необходимо соблюдать при физическом моделировании технологических процессов?
3. Что такое критерии подобия?
4. От чего зависят форма и размеры полости кратера?
5. Какие факторы оказывают наибольшее влияние на процессы
в полости кратера при сварке проникающей дугой?
6. Что изменяется при изменении угла наклона сопла при сварке
проникающей дугой?
7. Как влияет изменение угла наклона изделия на формирование
шва при сварке проникающей дугой?
8. Что является причиной вихревых движений расплава в хвостовой
части сварочной ванны при сварке проникающей дугой? Какое влияние
оказывают вихревые движения расплава на качество сварного шва?
9. Опишите работу установки для моделирования при сварке проникающей дугой.
10. От чего происходит нарушение формирования сварного шва
и образование прожога при сварке проникающей дугой?
11. Для каких металлов проще обеспечить условия стабильного
формирования сварного шва при сварке проникающей дугой?
Библиографический список
1. Гарбуль А.Ф. Влияние параметров режима на формирование
шва при сварке на весу стыковых соединений плазменной дугой // Сварочное производство. – 1971. – № 8. – С. 28–30.
2. Шиганов Н.В., Трегубов Г.П., Орлов М.П. Некоторые особенности формирования шва при плазменной сварке высокопрочной стали //
Сварочное производство. – 1972. – № 1. – С. 16–17.
114
3. Ищенко Ю.С., Букаров В.А., Пищик В.Т. Сварка неповоротных
стыков труб без разделки кромок проникающей плазменной дугой //
Сварочное производство. – 1975. – № 5. – С. 17–18.
4. Плазменно-дуговая сварка алюминиевых сплавов без формирующих подкладок / М.П. Орлов [и др.] // Сварочное производство. –
1975. – № 11. – С. 23–24.
5. Wu C.C., B.E. Pinfold. Operational envelopes for plasma keyhole
welded titanium // Welding and Metal Fabrication. – 1979. – Vol. 47, № 9. –
P. 661–673.
6. Steffens H.D., Kayser H. Automatic control for plasma arc welding.
With constant keyhole diametre // Welding journal. – 1979. – Vol. 51, № 6. –
P. 408–418.
7. Плазменно-дуговая сварка высококремнистой коррозионностойкой стали 02Х8Н22С6 / О.И. Стеклов [и др.] // Сварочное производство. – 1987. – № 7. – С. 1–2.
8. Щицын Ю.Д. Устойчивость жидкой ванны при плазменной
сварке проникающей дугой // Сварочное производство. – 1997. – № 10. –
С. 3–5.
9. Щицын Ю.Д., Тыткин Ю.М. Взаимодействие сжатой дуги с полостью кратера при плазменной сварке проникающей дугой // Сварочное производство. – 1994. – № 6. – С. 32–33.
10. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. –
М; Л.: Машиностроение, 1965. – 480 с.
11. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. – М.:
Наука, 1961. – 448 с.
115
Учебное издание
Щицын Юрий Дмитриевич
ПЛАЗМЕННАЯ
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
Учебно-методическое пособие
Редактор и корректор В.В. Мальцева
__________________________________________________________
Подписано в печать 17.04.2014. Формат 70×100/16.
Усл. печ. л. 9.35. Тираж 15 экз. Заказ № 63/2014.
__________________________________________________________
Издательство
Пермского национального исследовательского
политехнического университета.
Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, к. 113.
Тел. (342) 219-80-33.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
239
Размер файла
12 330 Кб
Теги
материалы, обработка, 2500, плазменных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа