Плазменная сварка и резка металлов

Содержание

Виды и особенности плазменной сварки

плазменный, сварка, резка, металл

Плазменная сварка является достаточно молодым методом соединения деталей. Несмотря на то, что он появился относительно недавно, уже набрал большую популярность за счет своих преимуществ и возможностей. Рассмотрим более подробно, что такое плазменная сварка, в чем она заключается и чем отличается от других видов сварок.

Плазменная сварка прямого действия

Это самый распространенный вид соединения металлов в данной технике исполнения швов. Он реализуется за счет электрической дуги, которая возбуждается между электродом и рабочим изделием.

Плазменная сварка алюминия должна проводиться крайне осторожно, так как этот плавиться при температуре 660,3 градуса. Важно контролировать весь процесс, чтобы не допустить пропал. В инструкции к аппаратам есть таблица, в которой указана рекомендованная сила тока для каждого вида металла. Например, плазменная сварка нержавейки проводится на среднем токе, а стали – на высоком.

В дуге прямого действия изначально возбуждается дуга на малых токах, между соплом и заготовкой, после касания плазмой свариваемого изделия возбуждается основная дуга прямого действия. Питание дуги может выполняться переменным и постоянным током прямой полярности, а ее возбуждение осуществляется осциллятором.

Сущность плазменной сварки

Плазмой называется состояние газа, в которое оно переходит под воздействием электрической дуги. Образуется она в специальном наконечнике, который называется плазмотрон (это как горелка в газовой сварке). Плавление плазмой – это такая техника, при которой для образования плазмы применяются горелка, в которой находится вольфрамовый электрод, сопла плазмы и труб подачи газа и водяного охлаждения. Данный вид незаменим для обработки изделий из металла высокой прочности и толщины (до 9 мм). Он немного схож с методикой дуговой сварки, но в отличие от электрода, который обеспечивает нагрев до 5-7 тысяч градусов, воздействует на изделие сверхвысокой температурой – до 30 тысяч градусов. От этого данный способ часто называют «плазменно-дуговая сварка». Выполнять работы таким аппаратом можно в любом пространственном положении изделия.

Плазменная сварка металла, благодаря высокой температуре воздействия на изделие позволяет обрабатывать широкий спектр металлов – бронза, титан, нержавейка, углеродистая сталь, латунь, чугун, алюминий. Такой способ применяется в разных отраслях производств – приборостроение, машиностроение, пищевая промышленность, изготовление медицинского оборудования, ювелирное дело, химическое производство и многие другие. Плазменная сварка и резка металлов необходима и незаменима практически в каждом производстве.

Плазменная сварка и резка металлов бывает двух видов:

  • Плавление металла дугой, которая возникает между изделием и неплавящимся электродом
  • Сварка плазменной струей, которая образуется благодаря дуге горит между наконечником плазмотрона и неплавящимся электродом.

В качестве материалов для образования плазмы чаще всего применяется воздух, кислород, аргон и азот. Величина тока в плазме может быть разной, и различают три подвида:

  • Микроплазменная сварка, которая реализуется на малом токе до 25 А
  • Работа на средних токах – до 150А
  • На больших токах, свыше 150А.

Говоря простыми словами, суть данного способа состоит в ионизации рабочего газа, который под давлением переходит в состояние плазмы и обеспечивает высокую температуру, используемую для расплавления металлов для резки или соединения.

Технология плазменной сварки делится на две разновидности:

  • плазменная сварка прямого действия;
  • плазменная сварка косвенного действия.

Плазменная сварка косвенного действия

В данном случае плазма образуется похожим способом, как и в плазменной сварке прямого действия. Отличие состоит в том, источник питания подключен к электроду и соплу, в результате чего образуется дуга между ними, и как следствие, на выходе из горелки — плазменная струя. Скорость выхода потока плазмы контролируется давлением газа. Основной секрет кроется в том, что газ, переходя в состояние плазмы увеличивает свой объем в 50 раз, за счет чего буквально вылетает из аппарата струей. Энергия расширяющегося газа совместно с тепловой энергией, сообщаемой струе газа, делает плазму мощным источником энергии.

Этот метод не так широко применяется, как первый, хотя имеет достаточное количество преимуществ. Во-первых, он обеспечивает бесперебойную работу даже при микроплазменной сварке (на малых токах). Во-вторых, он позволяет экономить газ (который стоит немало). В-третьих, за счет высокого давления практически нет разбрызгивания. Таким способом можно и варить и резать металл, но для резки не потребуется инертный газ, так как его функция – защищать сварочную ванну, а при разрезании металла она не образуется.

В завершение можно отметить, что устройство горелки прямого и косвенного метода сильно не отличаются. На картинке слева указана технология образования плазменной струи. Процесс происходит следующим образом: вольфрамовый электрод 2 подключен к отрицательному заряду, а сопло 4 к положительному. За счет этого дуга образуется между соплом и электродом,что характерно при косвенном методе.

На картинке справа, при прямом методе, дуга образуется между негативно-заряженным электродом и рабочей деталью, с положительным зарядом. Для поджога и возбуждения дуги используется временно подающийся ток на сопло, который после возбуждения дуги отключается.

Аппарат для работы

Аппарат воздушно плазменной сварки представляет собой небольшое техническое оборудование, весом не более 9-10 килограмм. Принцип работы его следующий: внутри находятся схемы управления, выпрямитель тока и трансформатор. Для работы к нему подключается установка с рабочими газами в баллонах – для образования плазмы и инертный газ, необходимый для защиты сварочного шва от окисления. На выходе подключается горелка с газами отдельно для резки. В связи с тем, что данный способ образует слишком высокий температурный режим, в горелке есть специальный отсек для охлаждающей жидкости. Данный аппарат по внешним признаком похож на инвертор. В продаже представлено множество моделей с различными функциями. Если говорить о самом простом, он самый компактный (около 5 кг) с минимальным количеством настроек, в которых разберется не то что новичок, а даже ребенок.

Модели, которые в цене дороже, имеют дополнительные настройки и функции, которые кроме резки и сварки могут выполнять пайку, воронение, оксидирование и закалку металла. Самыми простыми изделия считаются с минимально мощностью до 12А. Их Оборудование на класс выше и мощнее, до 150А стоят от 40 и до 150 тысяч, зависимо от производителя и дополнительных функций. Самые дорогие модели имеют мощность от 150А, а их Для профессионалов, которые постоянно занимаются сплавлением, рекомендуется приобретать качественное и дорогое оборудование. Заплатив один раз можно получить многофункциональное устройство, с помощью которого можно выполнять всевозможные процедуры по металлообработке.

Преимущества и недостатки

Плазменная сварка прямого действия и косвенного имеет свои преимущества и недостатки, как и другие виды сварки. Основными плюсами, что делают этот метод незаменимым для использования во многих промышленных отраслях, являются следующие:

  • высокий коэффициент полезного действия и высокая скорость выполнения работ;
  • высококачественная резка металла оставляет гладкие кромки и не требует дополнительной их обработки;
  • возможность варить и резать изделия, толщиной почти в сантиметр;
  • при работе нет шлаков и отходов;
  • контроль глубины провара металла, что позволяет избежать пропалов и деформации;
  • простота в использовании аппарата.

Кроме положительных моментов, можно отметить несколько недостатков:

  • дороговизна оборудования и высокая стоимость работ;
  • в сфере профессионального использования высокие требования к мастеру;
  • необходимость постоянного контроля над охлаждением, из-за высокой рабочей температуры.

В принципе, все эти минусы, можно превратить в плюсы, если посмотреть на это с другой стороны. Профессиональный мастер, имеющий качественное оборудование может работать в любой сфере и при этом зарабатывать хорошие деньги.

Особенности лазерной резки

Лазерные установки состоят из трех основных частей:

  • Рабочей (активной) среды – источника лазерного излучения.
  • Источника энергии (системы накачки), создающего условия, при которых начинается электромагнитное излучение.
  • Оптического резонатора – зеркала, усиливающего лазерное излучение.

Металл разогревается на небольшом участке. Процесс раскроя может идти при температуре расплавления или испарения металла. Второй вариант энергозатратней и применяется только для тонких материалов.

Для облегчения работы в зону резки подается газ: азот, гелий, аргон, кислород или воздух. Он необходим для удаления расплавленного металла, поддержания его горения, охлаждения прилегающей зоны, увеличения скорости и глубины резки.

Процесс лазерной резки можно посмотреть на видео ниже:

Преимущества и недостатки лазерной резки

  • благодаря отсутствию контакта с поверхностью разрезаемого металла ее используют для работы с легкодеформируемыми или хрупкими материалами;
  • с ее помощью можно изготавливать детали любой конфигурации;
  • экономный расход листового металла за счет более плотной раскладки на листе;
  • высокая скорость и точность;
  • можно резать металлы толщиной до 30 мм.

Недостатками лазерной резки считаются высокое энергопотребление, дорогое оборудование.

Лазерная резка оптимальна для изготовления сложных по конфигурации изделий из тонких металлов

Преимущества и недостатки плазменной резки

У плазменной резки 4 основных преимущества:

  • Можно работать со сталями, алюминиевыми и медными сплавами, чугуном и прочими материалами.
  • Можно изготавливать детали сложной конфигурации.
  • Режет металл толщиной до 150 мм.
  • Высокая точность.

К недостаткам плазменной резки относят необходимость механической обработки кромок разрезаемых материалов и конусность резов.

Плазменная резка чаще используется в машиностроении

Лазер или плазма: в чем отличия

Лазерную и плазменную резку используют для раскроя металлов ,

и в ряде случаев они могут заменять друг друга. Какие это случаи, чем отличаются способы резки и какому из них отдать предпочтение?

Виды лазерной резки

По типу рабочей среды лазеры бывают трех типов:

  • Твердотельные. В качестве рабочего тела используется стержень из неодимового стекла, рубина или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом или иттербием. Источник энергии – газоразрядная лампа-вспышка или полупроводниковый лазер.
  • Газовые. Рабочее тело – углекислый газ или его смесь с азотом и гелием. В зависимости от конструкции такие лазеры делятся на устройства с продольной или поперечной прокачкой и щелевые. Возбуждение газовой среды достигается с помощью электрических разрядов.
  • Газодинамические. Рабочее тело – углекислый газ, нагретый до 1 000–3 000 °К (726–2 726 °С). Он возбуждается с помощью вспомогательного маломощного лазера.

Особенности плазменной резки

Для плазменной резки используют плазмообразующий газ: азот, кислород, смесь водорода с аргоном или сжатый воздух. В охлаждаемом плазмотроне он нагревается до температуры 5 000–30 000 °С и переходит в состояние плазмы: смеси нейтральных атомов, ионов и свободных электронов. В результате газ приобретает способность проводить электрический ток. За счет теплового расширения его объем увеличивается в 50–100 раз и он с огромной скоростью вытекает из плазмотрона. Под воздействием плазмы начинает плавиться металл.

READ  Как пилить точно под углом металл

Узнать больше о плазменной резке можно из видео ниже:

Виды плазменной резки

При использовании плазменной резки между электродом и соплом резака возникает электрическая дуга. Для этого используют источники питания постоянного тока. Дуга образуется при поднесении резака к материалу.

Различают аппараты прямого или косвенного действия. В первом случае дуга образуется между катодом плазматрона и разрезаемым материалом (плазменно-дуговая резка). Во втором – внутри резака (плазменно-струйная резка). Этот способ обработки удобен для материалов, не проводящих электрический ток.

Плюсы и минусы плазменной резки металла

Достоинствами метода являются:

  • Универсальность. Технология дает возможность разделять любые металлы, в том числе черные, легированные, титан, алюминиевые и медные сплавы.
  • Резка материала производится за несколько минут. К примеру, портальное устройство МТР «Юпитер», оборудование «Omega» и даже довольно дешевый станок «Гермес» позволяют выполнять плазменную резку металлических заготовок со скоростью до 12 м/мин.
  • Резка материала толщиной до 30 мм имеет низкую себестоимость. Но она значительно увеличивается при толщине от 30 до 50 мм. При воздушно-плазменной резке металлических заготовок издержки при производстве будут минимальными.
  • В районе реза зона воздействия высоких температур на лист материала совсем небольшая.
  • Обработка высокого качества. Применение плазмотронов вместе с правильно выбранными плазмообразующими и охлаждающими газами дает возможность получить минимальную ширину и конусность реза, а также равномерные гладкие кромки, которые не нуждаются еще в какой-то обработке. Высокоточное плазменное разделение металлов отвечает всем условиям.
  • Безопасность. В отличие от газовой резки, плазменная технология не заставляет прибегать к таким горючим газам, как ацетилен и пропан.

К минусам принципа плазменной резки металла относят следующие:

  • Разделение металлолома толщиной от 50 до 100 мм обходится довольно дорого.
  • Толщина разрезаемого материала обычно ограничена максимальным значением в 100–110 мм.
  • При разрезании черного металла конусность реза составляет 1–10°, а при резке цветного – 1–20°. Причем этот показатель лишь растет, если в качестве используемого газа выбрать воздух или резать металл увеличенной толщины.
  • Применяемое в процессе оборудование очень сложное. Поэтому подключить к одному аппарату два плазменных резака и одновременно использовать их не получится.

Плазменная резка металла

  • Какова технология плазменной резки металла
  • Какое оборудование используется для плазменной резки металла
  • Какие системы качества применяются для плазменной резки металла
  • Какие дефекты существуют при плазменной резке металла

Для операций по разделению тех или иных металлов сегодня успешно используется плазма. Это источник тепловой энергии высокой концентрации, применение которого для резки металлических заготовок чаще всего гораздо эффективнее многих других подобных технологий. Дело в том, что для разделения металла плазмой не требуются кислород и горючие газы. При этом данный способ дает возможность отлично разрезать материал в разных условиях применения. Ниже мы подробно расскажем, как происходит плазменная резка металла и рассмотрим устройства, которые для этого требуются.

Технология плазменной резки металла

Плазменное разделение металла – это когда резка производится большим потоком плазмы. Последняя же формируется во время обдува электрической дуги газом, молекулы которого при нагреве распадаются на положительные и отрицательные ионы. В итоге получившийся поток имеет температуру в несколько тысяч градусов.

Основные виды резки плазмой:

Плазменная сварка и резка Multiplaz 2500М Мультиплаз Плазматрон метал

  • разделительный;
  • поверхностный.

Первый вид предполагает утопание электрода в разрезе материала. Также при разделительной резке угол между деталью и электродом составляет примерно 60–90 градусов. Поверхностная резка угол больше 30° не допускает.

Способов разделения плазмой тоже два:

  • плазменной дугой;
  • плазменной струей.

В первом случае между поверхностью заготовки и неплавящимся электродом горит плазменная дуга. Второй же подразумевает, что она горит между электродом и наконечником плазмотрона. При резке струей плазмы изделие в электрическую цепь не входит.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Одним из самых популярных методов разрезания металлов сегодня является плазменно-дуговая резка, а для обработки изделий из других материалов больше подходит обработка струей плазмы.

Технология разделения металла плазморезом имеет свои особенности, которые обязательно нужно принимать во внимание:

  • для охлаждения плазменного резака необходим постоянный приток воздуха;
  • в составе газа для разделения металлов не должны присутствовать частицы масла и воды, иначе оборудование сломается;
  • тщательное очищение заготовки перед резкой – обязательный этап;
  • чтобы рез был качественным, требуется верно рассчитать давление газа и силу тока;
  • в зависимости от вида металла и силы тока резак необходимо вести со скоростью 0,2–2 м/мин.
  • во время плазменной резки сопло должно находиться перпендикулярно детали – лучше всего, если они будут удалены друг от друга на 1,6–3 мм.

Плазмотрон позволяет разрезать абсолютно любой металл. Нужно лишь правильно подобрать вид газа.

Резка металла плазмой с помощью воздуха. Если для формирования плазмы применяется воздух, то ее потоком можно обрабатывать самые разные металлические заготовки. Это могут быть детали из меди, латуни, черной и нержавеющей стали и т. п. Причем цена плазменной резки металла в этом случае невысока. Именно воздушно-плазменный метод нередко лежит в основе работы простейшего оборудования, которое находит применение, например, в частных хозяйствах. Качество резки металла и скорость здесь средние.

Плазменная резка. Что такое плазма и как работает плазменная резка?

Кислородная резка. Она выполняется исключительно на профессиональном оборудовании. За счет использования чистого кислорода получаются высококачественные швы с небольшим слоем облоя. При этом рез строго перпендикулярен поверхности, а скорость разделения металла высокая.

Резка металлических заготовок защитными газами. На кислороде, азоте, аргоне и воздухе работает оборудование, созданное по последним технологиям. Цены на такие устройства немаленькие. К примеру, плазмотрон может обойтись в сумму свыше 10 миллионов рублей. Однако и качество обработки деталей будет не хуже, чем при лазерной резке.

К преимуществам разделения металла защитными газами можно отнести:

  • скорость резки – 2,5–10 м/мин;
  • толщину струи порядка 0,5–2 мм;
  • возможность обрабатывать заготовку толщиной 0,5–60 мм;
  • давление газа – 5–12 атмосфер;
  • силу тока в пределах от 20 до 800 ампер.

Оборудование для плазменной резки металла

Для разрезания металла плазменным методом могут применяться электродуговые, высокочастотные и комбинированные плазмотроны.

По виду формирования дуги плазменные резаки делятся на:

  • Оборудование с дугой прямого действия. Эта разновидность предполагает, что дуга горит между заготовкой из металла и неплавящимся электродом. Источником питания здесь является постоянный ток.
  • Плазмотроны с дугой косвенного действия. Здесь дуга горит между соплом и электродом, которые выполняют роль анода и катода соответственно. С обрабатываемой деталью дуга никак не связана. Такое оборудование подключается к источнику переменного тока.

Охлаждение плазмотрона может быть:

Второй вариант встречается чаще всего, поскольку теплоемкость воды выше, чем этот же показатель воздуха. Водяное охлаждение плазменных резаков дает возможность давать высокие тепловые нагрузки на сопло и электрод. В результате производительность плазменной сварки растет. Что касается минусов такого охлаждения, то к ним относят конструкцию самого устройства и постоянную потребность в чистой воде.

Стабилизация дуги может осуществляться разными способами. Выделить можно следующие:

  • вихревой;
  • двойной;
  • водяной;
  • магнитный;
  • аксиальный одинарный.

Водяной способ по своей конструкции довольно сложен, а также обладает системой автоматической подачи и регулирования электрода, которая не отличается высокой надежностью.

Вихревой, двойной и аксиальный одинарный способы стабилизации дуги – самые легкие и популярные. Магнитный вид считается неэффективным, потому что формирует малый сжимающий столб дуги. К тому же, при эксплуатации данного устройства возникают сложности.

Электроды, работающие с металлом при плазменной резке, бывают:

  • газозащищенные;
  • расходуемые;
  • пленкозащищенные.

Самый распространенный вид – это газозащищенные катоды, имеющие вольфрамовый стержень. Расходуемыми электродами являются графитовые катоды, а пленкозащищенные выполнены из запрессованного в медной обойме циркония.

Сам плазмотрон можно назвать компактным и надежным генератором плазмы. Устройство позволяет без труда отрегулировать мощность, пуск и остановку режимов работы.

Главные части конструкции плазменного резака:

  • Кожух.
  • Корпус из фторопласта.
  • Электродный узел.
  • Механизм закрутки воздушного потока.
  • Изоляционная втулка.
  • Электрод.
  • Гайка сопла.
  • Сопло.

Сопло и электрод – это расходные материалы. Скорости их износа равны, а значит, замена этих элементов проводится в одно и то же время. Если не поменять эти материалы вовремя, качество реза ухудшится, а другие части плазмотрона начнут изнашиваться следом.

Чтобы защитить плазменный резак от брызг металла и пыли, используется кожух. Его, как и само устройство, периодически стоит очищать от грязи.

На этапе подготовки к работе следует удостовериться в необходимом давлении компрессора и проверить, нагрета ли жидкость водяных приборов до определенной температуры.

Нажатие на кнопку «розжиг» приводит к тому, что от источника питания к прибору начинает поступать ток высокой частоты. От этого в плазмотроне формируется дежурная электрическая дуга, и весь канал занимает ее столб.

В камеру прибора проходит сжатый воздух. Благодаря дуге он нагревается, занимает больший объем, меняет свои свойства и начинает проводить электричество.

Аппарат плазменной резки // Плазморез // Чем резать металл

После этого из сопла плазмотрона со скоростью 2-3 м/с выходит нагретый почти до 30 000 °С воздушный поток. Это и есть плазма.

Теперь зажигается не дежурная дуга, а режущая. Она касается металлической детали и нагревает область реза. Раскаленный воздух заставляет разлетаться частицы расплавленного металла, которые образовались на изделии. При этом на месте плавки формируется рез.

Если кнопку «розжиг» отпустить, дуга сразу же перестанет гореть.

Шлак на краях реза удаляется. Также, если требуется, заготовку зачищают от всего лишнего.

Чтобы без проблем разрезать металл плазмой, получая гладкий и качественный рез, нужно понимать сам принцип работы плазменного резака.

Сегодня на производствах можно увидеть и автоматическое, и ручное разделение металлических заготовок плазмой.

При плазменной резке листов металла и всевозможных деталей используют устройства разных типов:

  • Плазменные резаки для разделения металлов. К этому типу относятся воздушно-плазменный и газоплазменный резак. Первое устройство обладает несложной конструкцией, а применяется для разрезания черных металлов. Для эксплуатации такого резака подходят однофазная и трехфазная сети. Что касается газоплазменного типа, то он использует водяной пар. Плазма здесь формируется из кислорода, азота, водорода или аргона.
  • Индукционный резак. Представляет собой высокочастотный прибор, в основе работы которого лежит принцип индуктивно связанной плазмы. Она отличается электронами высокой плотности и нагревается до 6 000 К.
  • Комбинированные аппараты. Предполагают совмещение высокочастотных токов с электрической дугой. Магнитное поле действует на поток заряженных частиц, сжимая его.
  • Газовые устройства. Они функционируют за счет того, что образующий плазму газ сжимает столб дуги.
  • Водяные приборы. Работать им позволяет паровой газ. Водяной пар, нагретый до высокой отметки, заставляет углерод ускоренно сгорать.
  • Магнитные резаки. Эти устройства не дают нужных результатов, поэтому спросом не пользуются. Но хороши они тем, что дают возможность регулировать сжатие электрической дуги, не теряя газа.

Подобрав тип плазмотрона, можно с легкостью разрезать изделия из любых металлов, в том числе и из тех, которые отличаются высоким расширением. Материалы, не проводящие ток, тоже можно обрабатывать такими устройствами.

Какие стандарты качества применяют к плазменной резке металла

Заготовительные предприятия нашей страны уже свыше десятилетия используют технологии резки металла плазмой. Однако устройства плазменной резки зарубежного производства демонстрируют гораздо более высокие показатели. О таких европейских и американских компаниях, как Hypertherm, Kjellberg и Victor, слышали многие. Но не все знают о том, что иностранные изготовители оценивают качество обработки деталей на своем оборудовании не по ГОСТу 14792-80,а согласно ISO 9013:2002.

READ  Резка металла ножовкой слесарное дело

ГОСТ 14792-80 появился, соответственно, в 1980 году, а ISO 9013:2002 – в 2002-м. Исходя из того, что между датами их утверждения прошло столько лет, второй стандарт, возможно, является более прогрессивным. При этом государство не заставляет предприятия, использующие резку плазмой и оказывающие такие услуги, строго придерживаться того или иного регламента. Если раньше производства должны были следовать определенному ГОСТу, то сейчас они могут выбрать и ISO.

ГОСТ 14792-80 определяет такие характеристики устройств для резки плазмой:

  • Точность получаемых изделий.
  • Качество реза.
  • Перпендикулярность реза относительно заготовки.
  • Шероховатость поверхности реза.
  • Область воздействия тепла.

В первую очередь SO 9013:2002 отличается от ГОСТа 14792-80 тем, что определяет не только сами этапы плазменной резки металлов, но и технологию проведения замеров для изделий разных габаритов и всевозможных типов реза.

Плазменная сварка и резка металла

Практика показывает, что плазменной струей можно сваривать практически все металлы как в горизонтальном, так и вертикальном положениях. В качестве плазмообразующего газа используют аргон или гелий. К преимуществам плазменной сварки относятся высокая производительность, малая чувствительность к колебаниям длины дуги, устранение включений вольфрама в металле шва. Этим методом можно сваривать металл толщиной до 15 мм. По существу данный процесс представляет собой прорезание изделия с одновременной заваркой места резки. Одним из видов такой сварки является микроплазменная сварка, которая успешно применяется, в том числе, при соединении деталей, выполненных из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса. При резке металлов посредством плазменной сварки наиболее эффективным является использование смесей газов, содержащих двухатомные газы. При резке, в том числе, углеродистых сталей во многих случаях резка плазменной струей более экономична, чем газокислородная, ввиду высокой скорости и лучшего качества среза.

Плазменная сварка — это та же сварка посредством плавления. Здесь тоже действует электрическая дуга. Но это уже сжатая дуга, которую позволяет получить специальная горелка, — плазмотрон с температурой до 30 000 °С

Сущность метода. Плазма — это ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток.

Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000–30 000 °С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму.

Плазменную струю, используемую для сварки и резки, как отмечалось, получают в специальных плазмотронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.

Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазмотрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50–100 и более раз приводит к истечению плазмы со сверхзвуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл.

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха.

В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение.

Технология сварки

Специфика метода плазменно-дуговой технологии сварки состоит в том, что в область соединения подается плазма из специальной горелки – плазмотрона. В некоторых случаях, если необходимо, может быть использован аргон или гелий для создания инертной среды в области стыка деталей.

Вся энергия концентрируется в плазменной струе. За счет этого нагрев не распространяется по всей области изделия, а фокусируется только возле соединения. При этом температура на таком участке может составлять 10000-15000°С. Однако за счет быстрого отвода тепла металлом, она снижается до температуры плавления в зоне стыка.

Если во время данной процедуры соединение защитить инертным газом, то можно получить высококачественный шов, который не потребует дополнительной ручной обработки.

Корпус горелки выполняется из стали, анод – из меди. Последний охлаждается водой. Дуга питается газом, подающимся под большим давлением в полость между анодом и катодом.

В то же время важно иметь в виду, что аргон не ионизируется. Он быстро улетучивается, смешиваясь с воздухом. Чтобы он надежно выполнял свои защитные функции, необходимо придерживаться определенного расстояния между горелкой и деталью.

Поскольку метод обеспечивает высокий нагрев только в области стыка, это может привести и к нежелательным последствиям. Иногда приходится изделие предварительно прогревать или использовать несколько горелок, чтобы избежать резкого перепада температур по поверхности материала.

При использовании микроплазменной сварки удается получать качественные швы на тонких материалах. Реализация данной технологии возможна даже без использования присадочной проволоки.

Аппарат для работы

Аппарат воздушно плазменной сварки представляет собой небольшое техническое оборудование, весом не более 9-10 килограмм. Принцип работы его следующий: внутри находятся схемы управления, выпрямитель тока и трансформатор. Для работы к нему подключается установка с рабочими газами в баллонах – для образования плазмы и инертный газ, необходимый для защиты сварочного шва от окисления. На выходе подключается горелка с газами отдельно для резки. В связи с тем, что данный способ образует слишком высокий температурный режим, в горелке есть специальный отсек для охлаждающей жидкости. Данный аппарат по внешним признаком похож на инвертор. В продаже представлено множество моделей с различными функциями. Если говорить о самом простом, он самый компактный (около 5 кг) с минимальным количеством настроек, в которых разберется не то что новичок, а даже ребенок.

Модели, которые в цене дороже, имеют дополнительные настройки и функции, которые кроме резки и сварки могут выполнять пайку, воронение, оксидирование и закалку металла. Самыми простыми изделия считаются с минимально мощностью до 12А. Их Оборудование на класс выше и мощнее, до 150А стоят от 40 и до 150 тысяч, зависимо от производителя и дополнительных функций. Самые дорогие модели имеют мощность от 150А, а их Для профессионалов, которые постоянно занимаются сплавлением, рекомендуется приобретать качественное и дорогое оборудование. Заплатив один раз можно получить многофункциональное устройство, с помощью которого можно выполнять всевозможные процедуры по металлообработке.

Устройство аппарата плазменной сварки

Плазменный сварочный аппарат состоит из специальной горелки (плазмотрона) и источника питания.

Плазмотрон состоит из следующих основных частей:

  • кожуха наружного;
  • корпуса фторопластового;
  • узла электродного;
  • механизма регулирования воздушного потока;
  • втулки изоляционной;
  • электрода;
  • втулки изоляционной;
  • сопла;
  • гайки сопла.

В конструкции предусмотрены подводы для газов (плазмообразующего и защитного) и подвод водяного или воздушного охлаждения. Плазмообразующим газом служит чистый аргон или аргон с добавками водорода или гелия, а также может использоваться воздух, азот, водород или смеси газов. Защитным газом служит чаще всего аргон. Электроды изготавливаются из вольфрама, активированного торием, лантаном или иттрием, а также изготовленные из гафния и меди. Подача воды или воздуха необходима для охлаждения стенок сопла.

Газовый поток, проходя сквозь сопло, ограничивает размеры дуги и оттесняет дугу от стенок сопла. Таким образом, изолируется слой газа от сопла. Дуговой разряд, который может возникать между электродом и свариваемым изделием (сварка дугой прямого действия) или между электродом и соплом (сварка дугой косвенного действия) проходит в центральную часть отверстия, находящегося в сопле.

Принцип работы аппарата плазменной сварки заключается в следующем.осциллятор (генератор высокого напряжения) создает электрический потенциал, который необходим для возникновения искрового разряда и поджигания электрической дуги. Возникает дежурная дуга, которая при соприкосновении со свариваемым изделием замыкается на нем и, таким образом, переходит в рабочий режим. Поток закрученного по спирали плазмообразующего газа стабилизируется и сжимает столб рабочей дуги. Это позволяет не касаться стенок сопла плазмотрона.

Разновидности

Сварка плазмой разделяется на несколько видов, в зависимости от силы тока:

  • микроплазменная;
  • на средних токах;
  • на больших токах.

Чаще всего используется именно первый тип. Дело в том, что дуга может гореть при достаточно низких токах, если используются вольфрамовые электроды диаметром до двух миллиметров. Это возможно за счет высокой степени электродуговой ионизации газа.

Схема микроплазменной сварки представлена ниже.

Данный вариант технологии наиболее эффективен для соединения тонких деталей толщиной до полутора миллиметров. При этом диаметр дуги не превышает 2 мм. Это позволяет сфокусировать тепло в достаточно маленькой области и не нагревать соседние участки.

Основным газом в данном методе является аргон. Тем не менее в зависимости от типа изделия, в него могут добавляться различные примеси, которые способствуют увеличению эффективности процесса.

Приборы для микроплазменной сварки позволяют работать в нескольких режимах:

  • непрерывный;
  • импульсный;
  • непрерывный обратной полярности.

Плазменная сварка на средних токах во многом схожа с аргонодуговой. Однако первая обладает более высокими температурами, в то же время область нагрева существенно меньше. Это обуславливает ее высокую продуктивность.

Плазменная сварка позволяет проплавлять материал более глубоко, при этом ширина шва получается меньшей, чем в аргонодуговой.

Плазменная сварка на больших токах оказывает сильное силовое действие на материал. Она полностью проплавляет металл. В результате в ванне формируется отверстие, то есть детали сначала как бы разрезаются, а затем сплавляются заново.

Плазменная сварка косвенного действия

В данном случае плазма образуется похожим способом, как и в плазменной сварке прямого действия. Отличие состоит в том, источник питания подключен к электроду и соплу, в результате чего образуется дуга между ними, и как следствие, на выходе из горелки — плазменная струя. Скорость выхода потока плазмы контролируется давлением газа. Основной секрет кроется в том, что газ, переходя в состояние плазмы увеличивает свой объем в 50 раз, за счет чего буквально вылетает из аппарата струей. Энергия расширяющегося газа совместно с тепловой энергией, сообщаемой струе газа, делает плазму мощным источником энергии.

Этот метод не так широко применяется, как первый, хотя имеет достаточное количество преимуществ. Во-первых, он обеспечивает бесперебойную работу даже при микроплазменной сварке (на малых токах). Во-вторых, он позволяет экономить газ (который стоит немало). В-третьих, за счет высокого давления практически нет разбрызгивания. Таким способом можно и варить и резать металл, но для резки не потребуется инертный газ, так как его функция – защищать сварочную ванну, а при разрезании металла она не образуется.

В завершение можно отметить, что устройство горелки прямого и косвенного метода сильно не отличаются. На картинке слева указана технология образования плазменной струи. Процесс происходит следующим образом: вольфрамовый электрод 2 подключен к отрицательному заряду, а сопло 4 к положительному. За счет этого дуга образуется между соплом и электродом,что характерно при косвенном методе.

READ  Как вырезать фигурку из дерева ножом

На картинке справа, при прямом методе, дуга образуется между негативно-заряженным электродом и рабочей деталью, с положительным зарядом. Для поджога и возбуждения дуги используется временно подающийся ток на сопло, который после возбуждения дуги отключается.

Преимущества и недостатки

Плазменная сварка прямого действия и косвенного имеет свои преимущества и недостатки, как и другие виды сварки. Основными плюсами, что делают этот метод незаменимым для использования во многих промышленных отраслях, являются следующие:

  • высокий коэффициент полезного действия и высокая скорость выполнения работ;
  • высококачественная резка металла оставляет гладкие кромки и не требует дополнительной их обработки;
  • возможность варить и резать изделия, толщиной почти в сантиметр;
  • при работе нет шлаков и отходов;
  • контроль глубины провара металла, что позволяет избежать пропалов и деформации;
  • простота в использовании аппарата.

Кроме положительных моментов, можно отметить несколько недостатков:

  • дороговизна оборудования и высокая стоимость работ;
  • в сфере профессионального использования высокие требования к мастеру;
  • необходимость постоянного контроля над охлаждением, из-за высокой рабочей температуры.

В принципе, все эти минусы, можно превратить в плюсы, если посмотреть на это с другой стороны. Профессиональный мастер, имеющий качественное оборудование может работать в любой сфере и при этом зарабатывать хорошие деньги.

Для сварки конструкций, изготовленных из нержавеющих сталей, цветных сплавов и разнородных металлов, а также при сварке металлов с неметаллами, толщиной до 15 мм используют особый вид сварки – плазменную.

Этот вид сварки осуществляется с помощью высокотемпературной плазменной дуги (до 50000 0С), которая получается с помощью специального оборудования, позволяющего получать плазменную струю или дугу. Кроме того, плазменную струю используют для резки, пайки, напыления и наплавки многих цветных и тугоплавких металлов. Известно, что плазма это газ, который нагрет до состояния ионизации и проводимости электрического тока.

Плазменная сварка используется в авиационной, космической, машиностроительной, автомобилестроительной, электротехнической, пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства, где к конструкциям предъявляются высокие требования к качеству их изготовления.

Сущность сварки – тепло принудительно сжатой электрической дуги расплавляет кромки деталей и формирует сварочный шов. Сварка может осуществляться в ручном или автоматическом режимах. Вне зависимости от режима выполнения, швы получаются высокого качества и с заданными геометрическими размерами, при этом конструкции не претерпевают деформаций.

Устройство и принцип работы

Плазменная сварка характеризуется следующим принципом работы: она основана на формировании дуги посредством осциллятора. Приборы функционируют на токах прямой полярности, которые и питают дугу. Она, в свою очередь, образует плазму.

С использованием данной дуги можно осуществлять резку или соединение любых типов металлов и сплавов во всех пространственных положениях.

Плазма формируется из газов, в качестве которых используют аргон или гелий. Они же выполняют и защитные функции. Это исключает косвенное влияние оксида на изделие при плазменной сварке.

Метод характеризуется незначительной чувствительностью к изменению длины дуги. При этом возможно соединение деталей толщиной более пятнадцати миллиметров без скоса кромок.

Это становится возможным благодаря сквозному прорезанию детали. В результате поток может выходить и на обратную сторону изделия. Само же соединение состоит из двух процессов: разрезание и последующая заварка.

Достоинства и недостатки плазменной сварки

Итак, что такое плазменная сварка? Это процесс локального расплавления металлического изделия плазменным потоком. Он формируется высокоскоростной дугой, температурой 5000-30000°С.

Газовый поток, проходящий через дугу, нагревается и ионизируется, за счет чего он превращается в плазменный поток и выдувается соплом плазматрона для сварки. В этом и заключается сущность ее работы.

Для того, чтобы данный аппарат функционировал, необходимо лишь электричество и поток сжатого газа. Если используется компрессор, тогда достаточно только электричества.

Для работы необходимо менять лишь плазмотрон и электроды. На этом обслуживание оборудования такого типа и заканчивается. В то время как для других типов сварок необходимо выполнять большее количество работ по уходу. Кроме того они являются более взрывоопасными.

К основным достоинствам данных аппаратов можно отнести:

  • высокую скорость резки металлов;
  • возможность использования аппарата практически со всеми металлами и сплавами;
  • высокая точность и качество шва;
  • более низкая стоимость работ по сравнению с другими методами;
  • отсутствие деформаций металла при обработке плазмой;
  • высокий уровень безопасности выполнения работ.

Плазменная сварка

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

Первое упоминание о разработке плазменной сварки относится к 1950-м гг. В течение 1960-х гг. были предложены несколько принципов формирования плазменно-газового потока, разработаны и внедрены оборудование и технология этого процесса в производство. Не прекращаются развитие, совершенствование плазменной сварки и поиск новых областей ее применения как у нас в стране, так и за рубежом.

Плазмой принято считать частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул ионов и электронов. Типичное плазменное состояние вещества имеет место в электрическом газовом разряде. Плазма газового разряда в зависимости от состава среды характеризуется температурами от 2000 до 50 000 °С.

Плазменной называют сварку сжатой дугой. Столб дуги помещают в узкий канал, который ограничивает его расширение. Устройства для получения сжатой дуги называют плазмотронами (рис. 1.29). Простейший плазмотрон состоит из изолятора 1, неплавящегося электрода 2 и медного охлаждаемого водой сопла 3. В сопло тангенциально (по касательной к его цилиндрической поверхности) или аксиально (вдоль оси электрода) подают плазмообразующий инертный, нейтральный или содержащий кислород газ, который в столбе дуги нагревается до высокой температуры. Плазмотроны могут работать на постоянном или переменном токе.

3 — сопло; 4 — обрабатываемая деталь; 5 — сварочная дуга

Различают плазмотроны прямого и косвенного действия. В плазмотронах косвенного действия дуга горит между электродом и соплом. Их применяют при обработке неэлектропроводных материалов и в качестве нагревателей газа. Для сварки и резки чаще применяют плазмотроны прямого действия. В них дуга горит между электродом и обрабатываемым изделием. Расстояние между ними в плазмотроне больше, чем при сварке горелками для свободной дуги, поэтому сжатую дугу зажигают в две стадии. После подачи в плазмотрон газа зажигают вспомогательную (дежурную) дугу между электродом и соплом плазмотрона искровым разрядом от осциллятора или замыкая промежуток электрод-сопло графитовым стержнем, хотя последнее и повышает износ электрода и сопла. Дежурную дугу питают от отдельного маломощного источника или от основного источника через ограничивающее сопротивление, чтобы ограничить ее ток и уменьшить износ сопла. Под действием газа дежурная дуга образует струю плазмы небольшой мощности. При ее соприкосновении с деталью зажигается рабочая дуга. Если в цепь детали включить контактор, то рабочую дугу можно зажигать в нужный момент времени. После зажигания рабочей дуги дежурная дуга при автоматической сварке может отключаться. Для ручной сварки лучше, если дежурная дуга горит постоянно.

1 — досопловый участок; II — участок сжатия; III — открытый участок; 3 /ч

Исследования в области плазменных технологий как в нашей стране, так и за рубежом были направлены на решение проблем авиа- и ракетостроения, электроники, ядерной энергетики, криогенной техники. Основное внимание уделялось улучшению качества сварки изделий из алюминия, коррозионностойких и жаропрочных сплавов и титана в большом диапазоне толщин, различных типов соединений. В конце 1960-х гг. сварка проникающей плазменной дугой переменного тока была использована в СССР в производстве алюминиевых топливных баков ракет. Аналогичная технология спустя 10 лет была внедрена в США взамен аргонодуговой сварки наружных алюминиевых баков на многоразовом космическом корабле «Шаттл». Этой технологии отводят большую роль и при строительстве космических станций. В 1989 г. НАСА (NASA) выбрала технологию плазменной сварки для изготовления твердотопливных двигателей космической ракеты для доставки конструкций международной космической станции Freedom.

Сварка сжатой дугой применяется при изготовлении констукций из высоколегированных сталей, титана, никелевых сплавов, молибдена, вольфрама и многих других металлов и их сплавов.

Преимущества плазменной сварки состоят в следующем:

  • ? по сравнению с аргонодуговой плазменно-дуговая сварка характеризуется более стабильным горением дуги, при этом обеспечивается более равномерное проплавление кромок;
  • ? по проплавляющей способности плазменная дуга занимает промежуточное положение между электронным лучом и дугой, горящей в аргоне;
  • ? столб дуги и струя плазмы имеют цилиндрическую форму, поэтому площадь поверхности металла, через которую осуществляется теплопередача от струи к металлу, зависит от расстояния между электродом горелки и изделием;
  • ? благодаря цилиндрической форме столба дуги плазменно-дуговая сварка менее чувствительна к изменению длины дуги, чем аргонодуговая сварка. Изменение длины дуги конической формы (при аргонодуговой сварке) всегда ведет к изменению диаметра пятна нагрева, а следовательно, и к изменению ширины шва. Плазменная сварка позволяет иметь практически постоянный диаметр пятна и дает возможность стабилизировать проплавление основного металла. Это свойство плазменной дуги с успехом используется при сварке очень тонких листов.

Одним из существенных недостатков плазменной сварки является возможность образования двойной (каскадной) дуги, возникающей при повышенной плотности сварочного тока. Двойная дуга образуется между соплом и изделием, в результате чего оплавляется сопло и уменьшается ток основной дуги.

Сварка сжатой дугой на малых токах (0,1—10 А) получила название микроплазменной сварки. При таких токах сваривают детали с толщиной кромок 0,025—0,8 мм. По сравнению со сваркой открытой дугой изменение длины малоамперной сжатой дуги оказывает значительно меньшее влияние на качество сварного соединения. Сильно возрастает пространственная устойчивость дуги.

При микроплазменной сварке как плазмообразующий газ используют аргон, а в качестве защитного — аргон, гелий, азот, смеси аргона с водородом или с гелием и другие газы в зависимости от свариваемого металла.

Катодная область малоамперной сжатой дуги постоянного тока находится в атмосфере плазмообразующего газа, а столб дуги и анодная область — в атмосфере защитного газа. Применение в защитной смеси молекулярных газов (азота, водорода) повышает напряжение дуги, увеличивает ее проплавляющую способность, так как в столбе дуги молекулы этих газов диссоциируют, поглощая энергию, что приводит к дополнительному сжатию дуги. Дуга приобретает форму конуса (иглы), сходящегося к изделию. Плотность тока на острие этой «иглы» достигает 5000 А /см 2.

По сравнению с аргонодуговой сваркой микроплазменная сварка имеет следующие важные преимущества:

  • ? изменение длины микроплазменной дуги оказывает значительно меньшее влияние на качество сварного соединения деталей малых толщин;
  • ? дежурная плазменная дуга уверенно зажигается при токах менее 1 А;
  • ? облегчается доступ к объекту сварки и улучшается зрительный обзор рабочего пространства (при токе 15 А длина дуги достигает 10 мм).

Микроплазменную сварку применяют для соединения особо тонких материалов, для исправления микродефектов (микротрещин, царапин, раковин) миниатюрных деталей, для резки металлов и неметаллов, для прецизионной наплавки. Малая площадь нагрева и незначительная ширина зоны термического влияния обеспечивают высокое качество соединений миниатюрных и высокоточных деталей: гофрированных трубок (сильфонов) и мембран с арматурой, миниатюрных трубопроводов, полупроводниковых приборов, конденсаторов, термопар и т.п.