Плазмове зварювання

ПЛА́ЗМОВЕ ЗВА́РЮВАННЯ — один із видів зварювання в захисних газах. Під час П. з. деталі, що з’єднують, нагрівають плазмою електричної дуги, що стиснута потоком газу в каналі сопла плазмотрона (плазмового пальника). Діаметр плазмоформуючого каналу менший за діаметр стовпа дуги, що вільно горить при такому ж струмі. При П. з. дугою прямої дії об’єкт зварювання належить до зварювального ланцюга. При П. з. дугою непрямої дії дуговий розряд горить між електродом і соплом або між двома електродами в плазмотроні, а об’єкт зварювання нагрівають теплом плазмового струменя. У дугових плазмотронах плазмоутворюючий газ, що подають аксіально або з завихренням, перетворюється на плазмовий потік з температурою понад 104 К.

Для використання інертних газів (аргон, гелій тощо) як плазмоутворюючого середовища у плазмотронах встановлюють електрод з вольфрамових сплавів, сопла — з міді (іноді вставки виготовляють з вольфраму, молібдену та інших тугоплавких металів). У дугових плазмотронах, у яких використовують активні гази (повітря, вуглекислий газ тощо), основний електрод — мідний з цирконієвими або гафнієвими вставками. Для запобігання розплавлення теплом дуги елементи плазмотрона охолоджують. Зварювальні плазмотрони мають зовнішнє сопло, через яке подають захисний газ. Джерела електроживлення дугових плазмотронів розраховані на підвищену напругу стиснутої дуги, містять додаткові пристрої для її збудження та забезпечення стабільності процесу. Плазмові пальники можуть бути змонтовані на будь-яких зварювальних маніпуляторах або роботах, зокрема з можливістю додавання присаджувального дроту.

Процес П. з. відрізняється від зварювання дугою (див. Дугове зварювання), що вільно горить, енергетичнішим коефіцієнтом корисної дії, більшою концентрацією енергії та значним газодинамічним тиском на поверхню зварювальної ванни. Завдяки цьому з металу шва видаляють окисні та шлакові домішки, зменшують зону термічного впливу, знижують деформації зварного з’єднання. Крім того, П. з. забезпечує значну глибину проплавлення при порівняно малому тепловкладенні.

При високому газодинамічному тиску плазмового потоку можливе наскрізне проплавлення зварюваного металу, що дозволяє реалізувати процес плазмового різання матеріалів. Ефект наскрізного проплавлення залежить переважно від оптимального співвідношення кількох факторів, якими можна варіювати, а підвищена концентрація енергії є позитивним чинником розробки конкретних зварювальних технологій. Для реалізації цього ефекту необхідно не тільки витримати оптимальне співвідношення між тепловою потужністю і газодинамічним тиском плазмового потоку, але і виконати низку додаткових умов, як от: нахил осі плазмотрона щодо передньої стінки порожнини кратера. Для контролю процесу наскрізного проплавлення можна використовувати потік іонізованого газу, що виходить зі зворотного боку виробу. Технологію П. з. почали розробляти в США наприкінці 1950-х рр. Протягом декількох років в Інституті електрозварювання АН УРСР (Київ) та інших установах було створено плазмотрони, джерела живлення та технології плазмового зварювання постійним струмом прямої полярності (електрод плазмотрона — катод дуги) для з’єднання конструкцій майже з усіх металів. Проблему П. з. змінним струмом промислової частоти для зварювання алюмінію та сплавів із тугоплавкою оксидною плівкою на поверхні було вирішено у названому Інституті на початку 1960-х рр. (Д. Дудко, О. Корнієнко, С. Лакиза). Розроблено спеціалізовані джерела живлення, що забезпечують стабілізацію процесу в період зміни полярності; плазмотрони з різними способами стиснення дуги; прийоми регулювання концентрації енергії, керування проплавленням та формуванням шва.

У середині 1960-х рр. розпочато удосконалювання електродно-соплових вузлів дугових плазмотронів з метою підвищення ресурсу їх роботи, розроблення способів керування тиском плазмового потоку та, по можливості, одночасного підвищення концентрації теплової енергії на поверхні виробу і зменшення тепла, що передають на сопловий вузол. Запропоновано десятки конструктивних схем формування плазмової дуги. Одним із перших був винахід С. Купера (США), який запропонував виконати додаткові канали малого діаметра навколо прямоточного плазмоформуючого каналу. Тоді ж в академічному Інституті електрозварювання (Д. Дудко, О. Корнієнко та ін.) розроблено та запатентовано кілька оригінальних конструкцій дугових плазмотронів, зокрема з поділом плазмоформуючого каналу на секції; зі стисканням дуги струминними потоками газу з окремих каналів; з подаванням плазмоутворюючого газу перпендикулярно до осі дуги через вольфрамо-мідний пористий канал або з пазів у його стінках. 1965 науковці Інституту розробили процес біполярного плазмово-дугового зварювання, при якому дуговий пальник і плазмотрон розміщені з різних сторін виробу і формують загальну зварювальну ванну (Д. Дудко, О. Корнієнко, Ф. Виноградський). 1966 цей вид П. з. застосували для зварювання вертикальних швів корпусів суден.

П. з. на постійному струмі є найменш енергоємним видом дугового з’єднання сталей, титану, міді та їх сплавів завтовшки 2–30 мм. Для зварювання алюмінієвих сплавів використовують спосіб П. з. на змінному струмі, який впроваджено на виробництві: у суднобудуванні — алюмінієвих надбудов і корпусів кораблів на підводних крилах та повітряній подушці; ракетобудуванні — паливних баків, несучих конструкцій і вузлів; енергетиці — контактних перехідників ліній електропередач та ін. У 1970-х рр. співробітники Інституту електрозварювання (О. Корнієнко, Б. Стебловський) та дніпропетровського КБ «Південне» (Г. Воронов, О. Кузьменок) розробили технологію П. з. неповоротних стикових швів трубопроводів ракетних систем. Проплавлення кромок на всю товщину забезпечує високоякісні шви навіть на виробах, що збирають з технологічним буртом (наприклад, вварювання люків паливних баків ракет з високоміцних алюмінієвих сплавів). Крім того, висока концентрація тепла сприяла значному зменшенню зони термічного впливу й величини деформацій і напружень.

Потреба багатьох галузей промисловості в отриманні високоякісних зварних з’єднань металів малої товщини призвела до створення П. з. при силі струму 0,1–40 А — мікроплазмового зварювання. У 1960-х рр. були розроблені малогабаритні плазмотрони з вольфрамовим електродом. Для забезпечення стабільного горіння малоамперної стиснутої дуги прямої дії між електродом та соплом має постійно горіти чергова дуга. Були визначені умови, за яких плазмово-дуговий потік набуває голкоподібної форми, доведено ефективність роботи мікроплазмотронів в імпульсному режимі (Б. Патон, Д. Дудко, В. Гвоздецький).

Мікроплазмове зварювання постійним струмом прямої полярності дозволяє зварювати всі метали товщиною від 0,1 до 1,5 мм, за винятком алюмінію. Для мікроплазмового зварювання алюмінію та його сплавів було розроблено спосіб, що ґрунтується на використанні різнополярних імпульсів струму дуги. При цьому, як і при П. з. на змінному струмі, в період подачі на сопло позитивного імпульсу напруги відбувається руйнування оксидної плівки. При подаванні на електрод імпульсу негативної напруги формується дуга з великою щільністю струму і відбувається розплавлення металу, що зварюється. Мікроплазмове зварювання можна виконувати вручну або автоматами. Його застосовують в авіабудуванні, атомній, електронній, медичній та інших галузях промисловості для виготовлення мембран, сильфонів, реле, конденсаторів, термопар, теплообмінників тощо.

Водночас в Інституті електродинаміки АН УРСР (Київ) були створені плазмотрони з порожнім мідним катодом і використанням повітря як плазмоутворюючого газу та доведена принципова можливість і доцільність процесу повітряно-плазмового різання металів (К. Хренов, О. Булига). 1967 в Інституті електрозварювання створено перший промисловий апарат для повітряно-плазмового різання з цирконієвим катодом (Е. Есібян), який відразу почали застосовувати замість кисневого різання сталей та інших сплавів у суднобудуванні, трубній промисловості тощо.

Наприкінці 1970-х рр. з метою підвищення концентрації енергії, що вкладають в зварюваний метал, основна увага була звернена на використання сумішей різних плазмоутворюючих і захисних газів, зокрема й багатоатомних, застосування активних флюсів (Б. Патон, В. Гвоздецький, І. Кривцун та ін.). Ця технологія була потрібна для виготовлення конструкцій із високоміцної сталі.

У 1980-х рр. в Інституті електрозварювання та Краматорському машинобудівному інституті (Донецька обл.) розроблено новий процес, що поєднує нагрівання/плавлення металу дугою, що горить з кільцевого неплавкого електрода, та дугою з плавким електродом, який підключено в зварювальний ланцюг, і який подають співвісно через порожнину кільцевого електрода (О. Корнієнко, Н. Макаренко, О. Грановський та ін.). При цьому способі П. з. дугова плазма з кільцевого електрода додатково нагріває плавкий електрод, розширюються технологічні можливості, збільшується продуктивність і знижується розбризкування електродного металу. Спосіб П. з. з електродом, що плавиться, застосовують для зварювання відповідальних конструкцій, наприклад, при виготовленні блоку труб із міцного алюмінієвого сплаву для ядерної установки; для відновлення штампів та валків прокатних станів; наплавлення порошковими дротами з шихтою з тугоплавких компонентів та ін.

У 1990-х рр. були розроблені гібридні технології плазмового та дугового зварювання (В. Гвоздецький, І. Кривцун та ін.). В Інституті електрозварювання НАНУ запропоновано використання трьох і більше джерел нагрівання, що мають різне фізичне походження та призначення (М. Воропай, В. Мішенков). До них належить плазмово-дуговий процес зварювання, що передбачає застосування двох дугових пальників з вольфрамовими електродами та розташованого між ними плазмотрону. Можливі різні варіанти впливу джерел на виріб. Так при зварюванні алюмінієвих сплавів першою йде дуга зворотної полярності, що забезпечує катодне очищення; потім плазмова дуга прямої полярності проплавляє крайки на необхідну глибину, а формування поверхні шва здійснює остання дуга.

Нині інтенсивний розвиток отримують гібридні технологічні процеси з використанням лазерного пучка й електричної дуги. Було встановлено, що при лазерно-дугових процесах зварювання збільшується коефіцієнт використання енергії як лазерного, так і дугового джерел тепла (І. Кривцун). Ефективніше використовувати в такому гібридному процесі стислу (плазмову) дугу, поєднуючи її з лазерним пучком під кутом або об’єднуючи коаксіально за допомогою спеціалізованого плазмотрона. На початку 2000-х рр. в академічному Інституті електрозварювання створено декілька інтегрованих плазмотронів для гібридного (лазерно-плазмового) зварювання, порошкового наплавлення та нанесення покриттів.

Розмір шрифту

Плазмове зварювання

Рекомендована література

Інформація про статтю