книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч
.1.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Пермский государственный технический университет
Ю.Д. Щицын
ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Часть 1
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
вкачестве учебного пособия для магистров направления 551800 «Технологические машины и оборудование»
специализации 551806 «Машины и технология сварочного производства» и студентов специальности 120500 «Оборудование и технология сварочного производства»
Пермь 2004
УДК 621. 791. 755 Щ91
Рецензенты:
канд. техн. наук А.Н. Аржакин (АО «Пермские моторы»), д-р техн. наук В М Язоеских (Пермский государственный технический университет)
Щнцын Ю.Д.
Щ91 Плазменные технологии ' 'варочном пропзвс.-стве: Учеб, посо бие для магистров направлен/... э51800 «Технолоь.ч. сгис машины и оборудование» специализации 551806 «Машины и -л.- м^гия сва рочного производства» и студентов специальности 120, f u> «Обору дование и технология сварочного производства». Ч. i / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2004. 73 с.
Рассмотрены энергетические и газодинамические характеристики сжатой дуги и сущность основных технологических процессов плазменной сварки. Да ны классификация и описание конструкций плазмотронов. Представлены ре зультаты экспериментально-теоретических исследований, раскрывающих осо бенности плазменной сварки с использованием форсированных и комбиниро ванных технологий.
УДК 621. 791. 755
t>Хкрмский государственный технический университет, 2004
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... |
4 |
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАЗМЕННОМ ИСТОЧНИКЕ НАГРЕВА |
6 |
1.1. Энергетические свойства сжатой дуги...................................... |
7 |
1.2. Воздействие сжатой дуги на зону обработки........................... |
11 |
1.2.1. Взаимодействие сжатой дуги с преградой, распо |
|
ложенной под углом к оси струи........................................ |
15 |
1.2.2. Взаимодействие сжатой дуги с полостью кратера... |
18 |
1.3. Тепловой баланс сжатой дуги........................................................ |
23 |
1.3.1. Оценка теплового баланса на электроде-катоде при |
|
работе плазмотрона на прямой полярности........................ |
24 |
1.3.2. Тепловой баланс на электроде-аноде при работе |
|
плазмотрона на обратной полярности.................................. |
26 |
2. ПЛАЗМОТРОНЫ.......................................................................................... |
28 |
2.1. Конструкции узлов плазмотрона................................................ |
36 |
2.2. Условия безаварийной работы плазмотронов.......................... |
40 |
3. СПОСОБЫ ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ...................................................... |
41 |
3.1. Плазменная сварка проникающей дугой.............................. |
42 |
3.2 Микроплазменная сварка............................................................. |
49 |
3.3. Сварка закрытой сжатой дугой................................................... |
52 |
3.4. Плазменная сварка плавящимся электродом.............................. |
53 |
3.4.1. Плазменная сварка обесточенной проволокой........ |
59 |
3.4.2. Плазменная сварка токоведущей проволокой......... |
62 |
3.4.3. Плазменная сварка погруженной дугой с плавяще |
|
гося электрода............................................................................. |
67 |
Библиографический список |
69 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Применение современных материалов в различных отраслях техники требует совершенствования технологических приемов их обработки и, в частности, сварки. Усложнение условий эксплуатации сварных конструк ций, таких как повышенные и пониженные температуры, агрессивные сре ды, тяжелое многоосное, а часто и циклическое, нагружение, работа в ус ловиях комбинированного воздействия неблагоприятных факторов, повы шает уровень требований к качеству сварных швов. Причем сварные швы должны, например, обеспечивать равнопрочность с основным металлом при минимальных остаточных деформациях, иметь строго заданные гео метрические параметры и высокое качество поверхности, при минималь ном усилении шва обеспечивать плавный переход к основному металлу и др.
На рубеже XX и XXI веков специалисты ведущих стран мира обра щают серьезное внимание на оценку достижений сварочной науки и тех ники, а также на выбор приоритетных и перспективных направлений раз вития сварки и родственных технологий в интересах промышленного про изводства XXI века. Делается попытка выработки стратегии развития сва рочной науки и сварочного производства, а также оценки рынка сварочной техники на ближайшие 10-20 лет. Практика показала, что не все из приме няющихся сейчас конкретных сварочных технологий перспективны по со временным требованиям, а ряд из них достиг технологического потолка.
Одним из перспективных направлений совершенствования свароч ных технологий, отвечающих современным требованиям, является разра ботка и внедрение высококонцентрированных источников энергии, в том числе и плазменной сварки. Благодаря уникальным качествам сжатой дуги и плазменной струи как источника нагрева обрабатываемой зоны, плаз менные технологии утверждаются в общем арсенале других методов свар ки в самостоятельный вид. Плазменная струя и сжатая дуга обеспечивают не только тепловое, но и мощное силовое воздействие на зону обработки. Удачное сочетание высокой мощности и концентрации энергии в сжатой дуге с возможностью использования различного сварочного и вспомога тельного оборудования, разработанного для дуговых способов сварки, предполагает перспективность применения плазменной сварки для произ водства ответственных конструкций.
Плазменные сварочные технологии являются дальнейшим развитием электродуговых процессов. Известно, что сжатие столба дугового разряда повышает энергетические характеристики и его можно рассматривать как источник нагрева с высокой энергетической плотностью - до 106 Вт/мм2. Считается, что толчком к развитию плазменных технологий послужили
4
работы 3. Петерса (1950-1954 гг.). Используя анод с отверстием диамет ром 2,5 мм в виде сопла Ловаля, он получил плазменную струю, истекаю щую в открытое пространство со сверхзвуковой скоростью и имеющую
температуру около 10 000 К. Устройства, |
генерирующие плазменные |
струи, впоследствии стали называть плазмотронами. |
|
Практическое использование плазменных технологий в развитых |
|
странах - США, Англии, Германии, СССР - |
началось с середины 60-х гг. |
По ряду направлений отечественные разработки опережали западные. Ис следованием плазменных технологий и разработкой оборудования для их •практической реализации занимались во многих институтах в СССР (позд нее в СНГ): ИЭС им. Е.О. Патона, ВНИИЭСО, ВНИИАвтоген, Ленинград ский политехнический институт, УПИ, отраслевые институты. Такие крупные ученые-сварщики, как Д.А. Дудко, А.В. Петров, Д.Г. Быховский, Ю.С. Ищенко, А.И. Акулов, В.С. Клубникин, Н.А. Соснин и другие, участ вовали в разработке теоретических основ плазменных технологий и техно логических рекомендаций при их практическом применении. В совершен ствовании технологий и оборудования плазменной обработки металлов, в частности, на форсированных режимах принимала и принимает участие кафедра сварки Пермского государственного технического университета.
В настоящее время разработан и успешно применяется ряд техноло гических процессов и установок, основанных на использовании низкотем пературной плазмы. Среди них плазменная и микроплазменная сварка, резка, наплавка, плазменное напыление покрытий, металлизация, плазмен ное поверхностное упрочнение деталей, плазменная плавка и рафинирова ние металлов, плазменно-механическая обработка и другие. Использова ние сварочных технологий позволяет значительно повысить производи тельность процессов и получить ряд дополнительных преимуществ, на пример: финишное плазменное упрочнение позволяет на 50-400% про длить срок службы изнашивающихся деталей; напыление поверхностных слоев деталей, работающих в сложных условиях, обеспечивает получение свойств, не достижимых другими технологиями; плазменная сварка про никающей дугой позволяет повысить производительность в 1,5-2 раза при 100 %-ном качестве швов, снизить стоимость погонного метра сварки в 2- 6 раз; плазменная сварка плавящимся электродом позволяет доводить ско рость сварки и наплавки до сотен метров в час; плазменная сварка посто янным током на обратной полярности решает проблему сварки алюминие вых сплавов. Первоначально плазменные технологии применялись в ос новном в оборонной и космической отраслях. В наступившем веке ожида ется значительное расширение области применения плазменных техноло гий в различных отраслях промышленности. В 1970 г. объем применения плазменных технологий распределялся так: аэрокосмическая отрасль - 70 %, оборонная промышленность - 20 %, электроника - 5 %, другие от
5
расли - 5 %. А в 1997 г. это распределение выглядело уже следующим об разом: аэрокосмическая и оборонная отрасли - по 24 %, машиностроение - 10 %, металлургия и электроника - по 7 %, добывающая промышленность, энергетика, ремонтные работы, автомобильный транспорт, другие - по 5- 6 %. Однако суммарный объем использования плазменных технологий до настоящего времени не велик и не превышает 5 % от общего объема сва рочного производства. На европейском рынке сварочного оборудования объем продаж оборудования для плазменной сварки и резки в период 1995-2000 гг. не превышал 4% . Это объясняется несколькими причинами: отсутствием доступных надежных технологических рекомендаций для практического использования плазменных технологий, сложностью, низ кой надежностью и высокой стоимостью предлагаемого промышленно стью оборудования.
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАЗМЕННОМ ИСТОЧНИКЕ НАГРЕВА
При свободном горении средняя температура столба дуги зависит от состава газовой среды и достигает 5000-6000 °С. При ограничении воз можности свободного расширения дуги температуру столба можно повы сить до 15 000-20 000 °С (при стабилизации водяным вихрем - до 40 000— 60 000 °С). Кроме того, при сжатии столба дуги ограничивается свободное перемещение активного пятна по поверхности изделия.
Благодаря этому тепловой поток в изделие становится более сосре доточенным, проплавление стабильным с минимальной зоной нагрева ос новного металла.
Рис. 1. Распределение температуры: а - а свободной и сжатой луге (I - дуговой разряд без стабилизации газовым потоком при аргонодуговой сварке; сила тока 200 А: напря жение дуги 14.5 В: II - сжатая дуга в канале плазмотрона в потоке аргона: катод - торированный вольфрам; анод - медная пластина; диаметр канала 4.9 мм: расход аргона
1.08 м'/ч: сила тока 200 А: напряжение дуги 29 В): 6 - в плазменной струе
6
В отличие от свободной дуги, имеющей форму конуса с расширяю щимся сечением в сторону изделия, сжатая дуга имеет цилиндрическую форму (рис. 1, а). При этом изменение длины дуги в достаточно широких пределах не сказывается на глубине проплавления.
Сжатая дуга применяется для обработки в двух вариантах: перенос ная (прямого действия) и не переносная (косвенного действия) - плазмен ная струя. В первом случае дуга горит между электродом и изделием через канал плазмообразующего сопла (см. рис. 1, а), а во втором - между элек тродом и соплом (рис. 1, б).
Температура сжатой дуги и плазменной струи по радиусу и длине распределяется достаточно не равномерно, о чем подробней будет сказано далее, в специальном разделе. В инженерной практике пользуются средне массовой температурой на срезе сопла плазменной горелки, которая может
быть определена по удельной энтальпии Н плазмообразующего газа: |
|
я = с - |
m |
где q - эффективная мощность сжатой дуги на срезе сопла; G - массовый расход плазмообразующего газа.
Сжатие электрической дуги можно осуществлять следующим обра зом: 1) охлаждением наружных слоев дугового столба за счет интенсивно го теплоотвода от электрода и стенок сопла горелки; 2) разграничением столба дуги и стенок сопла относительно холодной прослойкой газа (газо вая стабилизация); 3) локализацией столба дугового разряда вблизи оси с помощью магнитного поля.
Устройства, в которых образуется плазма, в технике называются плазмотронами (плазменными горелками). Для плазменной сварки, резки и ряда других процессов чаще используются плазмотроны, реализующие первые два способа сжатия дуги. В плазмохимических технологиях, плаз менных двигателях, некоторых специальных технологиях обработки ме таллов применяются плазмотроны с магнитной стабилизацией дуги.
1.1.Энергетические свойства сжатой дуги
Сжатая дуга - преобразователь электрической энергии в тепловую. Поэтому она характеризуется, с одной стороны, как элемент электрической цепи электрическими параметрами (током, напряжением), а с другой сто роны, как источник тепла тепловыми параметрами (температурой, тепло содержанием, энтальпией). Кроме того, сжатая дуга оказывает заметное силовое (механическое) воздействие на обрабатываемый объект. Сущест вует сложная взаимосвязь между параметрами первой, второй и третьей
7
группы. Структурно сжатую дугу постоянного тока (а такие дуги исполь зуются наиболее часто) можно представить в виде ряда характерных уча стков, последовательно расположенных вдоль ее оси. Сжатая дуга прямого действия (рис. 2) состоит из катодной области, досоплового, внутрисоплового и засоплового участков столба и анодной области, расположенной на обрабатываемом изделии.
а |
б |
Рис. 2. Структурная схема сжатой дуги: а- прямого действия; |
|
б - косвенного действия: Э - электрод; С - сопло; |
И - изделие |
Напряжение дуги является суммой падений напряжений на этих уча |
|
стках: |
|
и = ик + икс + ис +мса +ыа . |
(2) |
Причем икс = ЕКСКС; ис = ЕСС; иса = £ са/са, где /кс, /с, /са - протяжен
ность соответственно досоплового, внутрисоплового и засоплового участ ков столба дуги; Екс, Ес, Еса - напряженность электрического поля тех же участков столба дуги (В/мм). На внутрисопловом участке столб представ ляет собой цилиндрический электропроводный канал диметром dx < dc
(dc- диаметр сопла), а за срезом сопла, по мере удаления от него, диаметр электропроводного канала увеличивается и на изделии достигает величины d2, а температура и скорость течения плазменной струи уменьшаются.
Столб сжатой дуги косвенного действия (плазменной струи) (рис. 2, 6) 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 умень
8
шаются. Напряжение плазменной струи может быть определено следую щим образом:
и= ик +икс +ис +иа.
Взависимости от тока и степени сжатия дуги в плазмотронах с вольфрамовым катодом величина ик составляет 5-8 В. Величина ыа, по разным источникам, может быть в пределах 3-12 В и мало зависит от ма
териала анода. Значения £ кс и Ес близки по величине и почти неизменны по всей длине досоплового и внутрисоплового участков столба. Для сжа той дуги прямого действия
Напряженность поля открытой части столба дуги уменьшается по мере удаления от среза сопла. Среднее значение его можно определить как
с• _ ~ ипл ~ ис ~ ил
£ са= --------- ;----------- •
•са
Зная £ с и определяя плотность тока (А/мм ) по формуле
где к = 0,6-0,9 - коэффициент заполнения плазмой сопла, можно с доста точной для практических целей точностью определить температуру плаз менной струи на выходе из сопла. Для этого достаточно определить прово димость плазмы ( 1/Ом-см) по формуле
и по известным для различных газов значениям проводимости о ~fiT) оп ределить усредненную по сечению столба дуги температуру плазмы (рис. 3, а).
Температура плазмы является исходным параметром плазмотрона. Изменение температуры по сечению столба дуги и вдоль ее оси будет рас смотрено ниже.
Использование высокоэнтальпийных молекулярных плазмообра зующих газов в энергетическом отношении более выгодно, т.к. они при более низких температурах обладают той же тепловой эффективностью.
9
что и одноатомные газы (рис. 3, б). При этом уменьшаются потери тепла на излучение в стенки плазмотрона и в окружающую среду.
J •Ю5, Дифмолй
Рис. 3. Зависимость электропроводности (а) и энтальпии (б) плазмы от температуры
Чем выше теплосодержание плазмообразующего газа, тем большую мощность требуется передать единице длины столба дуги, тем выше, сле довательно, при данном токе напряженность поля столба Е. Таким обра зом, напряженность поля столба дуги, а значит, и напряжение сжатой дуги в первую очередь определяются составом плазмообразующего газа. При неизменном составе газа напряженность всех участков столба сжатой дуги увеличивается с ростом степени сжатия.
Таким образом, напряжение сжатой дуги зависит от конструктивных параметров плазмотрона (dc, /кс, /с), от тока дуги, состава и расхода плаз мообразующего газа, а также от расстояния от среза сопла плазмотрона до поверхности изделия. В области малых токов (десятки ампер) значения вольт-амперных характеристик сжатой дуги падающие, а с увеличением тока переходят в жесткие и возрастающие.
Электрическая мощность сжатой дуги почти полностью превращает ся в тепловую и расходуется на нагрев плазмотрона, окружающей среды и
обрабатываемого изделия |
|
Мд =иа1л = Ык +Мс+Мос +Ми , |
(3) |
где ТУд - электрическая мощность сжатой дуги, Вт; NK- часть мощности дуги, расходуемой на нагрев катода, Вт; Nc - часть мощности дуги, расхо дуемой на нагрев плазмообразующего сопла, Вт; Noc - часть мощности ду
1 0