Плазмове зварювання

ПЛА́ЗМОВЕ ЗВА́РЮВА­Н­НЯ — один із видів зварюва­н­ня в захисних газах. Під час П. з. деталі, що зʼ­єд­нують, 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 обʼєкт 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 обʼєкт 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 зʼ­єд­на­н­ня. 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 зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­нань 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 обʼ­єд­нуючи 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.

Завантажити статтю