Плазменная дуга. Плазмообразующие газы.
Плазменной дугой принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. Для плазменных дуг, применяемых в сварочном производстве, сжатие столба дуги осуществляется в канале водоохлаждаемого сопла генератора плазменной дуги или плазмотрона.Схема плазмотрона прямого действия приведена на рисунке.
¾
Плазмообразующий газ
Электрод
Водоохлаждаемое сопло
Канал сопла
 |
Плазменная дуга
 |
+
Изделие
Плазмотрон прямого действия
В плазмотроне прямого действия плазменная дуга горит между электродом и изделием и сжимается в интенсивно охлаждаемом канале сопла. Возбуждение плазменной дуги происходит в следующей последовательности:
1. Пробоем промежутка катод-сопло искровым разрядом осциллятора генерируется слаботочная дежурная дуга.
2. Потоком плазмообразующего газа плазма дежурной дуги выдувается за пределы сопла, ионизируя промежуток катод - изделие.
3. Возбуждается основная плазменная дуга между электродом и изделием.
За счет сжатия стенками канала сопла и слоем сравнительно холодного газа температура плазмы поднимается до 15-20 тысяч градусов Кельвина и в несколько раз поднимается скорость потока плазмы. Стабильность горения дуги также возрастает. За счет роста концентрации энергии и возможности ее регулирования значительно возрастают технологические возможности применения дугового разряда. Плазменная дуга прямого действия применяется при сварке и , в особенности, при плазменной резке любых электропроводных материалов.
¾
Плазмообразующий газ
+ Электрод
Водоохлаждаемое сопло
Канал сопла
| |
Плазменная струя
Плазмотрон косвенного действия
В плазмотроне косвенного действия анодом служит массивное медное водоохлаждаемое сопло. Плазма дугового разряда выдувается потоком плазмообразующего газа образуя плазменную струю. Высокая температура и скорость плазменной струи находит применение при плазменном напылении порошковых материалов. Порошок нагревается плазмой и выдувается за пределы плазмотрона, приобретая высокую кинетическую энергию. При соударении с изделием обеспечивается прочное сцепление частиц порошка и напыляемой поверхности.
Для эффективного применения плазменной дуги весьма важно правильно выбрать состав плазмообразующего газа. Он должен обеспечивать следующие основные функции:
1.Защищать от эрозии и охлаждать электрод.
2.Обеспечивать наилучшее преобразование электрической энергии в тепловую.
Наилучшую защиту вольфрамовых электродов обеспечивают инертные газы – аргон и гелий. Однако их теплосодержание (энтальпия H) при одинаковой температуре гораздо ниже, чем у многоатомных газов (азота, водорода, кислорода, углеводородов).Это объясняется тем, что при нагреве многоатомных газов затрачивается дополнительная энергия на диссоциацию их молекул на атомы (рис.3).
H
N «N+ +e -
Ar«Ar+ +e -
N2« 2N
 |
T
График зависимости энтальпии газов от температуры
Однако эти газы являются химически активными. Решить проблему их использования позволяют так называемые термохимические (пленочные) катоды . Конструктивно они представляют собой медную оправку, в которую заподлицо с ее торцом запрессован стержень из гафния или циркония.
 |
Оправка Вставка из циркония или гафния
При образовании пятна дуги на торце образуется тугоплавкая пленка из нитридов или оксидов, которая обеспечивает эмиссию электронов и предохраняет материал электродной вставки от дальнейшей эрозии.
Повысить теплосодержание инертного плазмообразующего газа с сохранением его защитных свойств возможно путем добавки небольших (порядка 5-15%) количеств многоатомного газа (азота, водорода, углеводородов). В этом случае энтальпия смеси определяется по закону аддитивности по формуле
,
где
H i ¾ энтальпия i - ого газа;
N i ¾ объемная концентрация i - ого газа .
Сварка под флюсом
Плавящимся электродом при автоматической дуговой сварке под флюсом служит проволока 1, которая постепенно, по мере оплавления, подаётся в дугу роликами (рис.1.5). При этом скорость подачи проволоки Vэ равна скорости её плавления. и длина дуги практически остаётся постоянной. Дуга перемешается вдоль свариваемых кромок механизмом перемещения со скоростью сварки Vсв.
Флюс, расплавленной дугой, образует вокруг неё жидкий шлак, который надёжно защищает зону сварки от воздействия кислорода, водорода и азота воздуха, образуя при кристаллизации шлаковую корку 7 Кроме того, флюс выполняет много других различных функций, например, раскисление металла, его легирование и др.
Сочетание высокой плотности тока с наличием слоя флюса, оказывающегося статическое давление на жидкий металл, устраняет разбрызгивает и позволяет повысить производительность процесса в пять – восемь раз по сравнению с ручной сваркой.
С помощью автоматической дуговой электросварки под флюсом свариваются листовые конструкции из стали и других металлов с толщиной листов более 4 – 5 мм. Применение её особенно целесообразно при сварке прямолинейных или кольцевых швов большой протяженности, а также при наплавочных работах.
Основным достоинством этого способа является непрерывность и высокая производительность процесса, а также высокое качество сварных соединений. Значительно улучшаются условия труда сварщика. В настоящее время он широко внедрён в промышленность и повсюду, где это возможно, вытесняет ручную сварку.
Недостатки – необходимость подачи и уборки флюса, сварка только в нижнем положении, невозможность наблюдения за дугой.
Электрошлаковая сварка
Процесс электрошлаковой сварки возник как дальнейшее развитие сварки под флюсом, когда электрод закорачивается на слой расплавленного шлака и выделение тепла происходит при прохождении тока через шлаковую ванну.
Процесс ЭШС начинается путем заливки порции заранее распплавленного шлака в пространство, ограниченное стенками водоохлаждаемых медных формирующих ползунов и кромками собранных с зазором δ свариваемых листов. При прохождении тока черех непрерывно подаваемую в зону сварки проволоку выделяется теплота, которая расходуется на поддержание шлаковой ванны и оплавление основного металла. Под шлаковой ванной наводится металлическая ванна. При перемещении ползунов вертикально вверх нижняя часть металлической ванны кристаллизуется, образуя сварной шов.
Общее количество теплоты, выделяемой при ЭШС в зоне сварки, определяется как
Q = I2Rсум t,
где Rсум – суммарное сопротивление шлаковой и металлической ванн.
Применение ЭШС позволяет сваривать за один проход детали значительной толщины (до нескольких метров). С ростом толщины растет количество одновременно подаваемых проволок.
Флюсы для ЭШС отличаются повышенной электропроводностью в расплавленном состоянии и содержат повышенное количество антистабилизаторов дугового разряда (СaF2). ЭШС ведется обычно на переменном токе силой до нескольких килоампер.
Тепловые процессы при сварке
Основные понятия
Тепло, сообщенное источником нагрева, вызывает разнообразные физические и химические процессы в сварном соединении – плавление, кристаллизацию, фазовые и структурные превращения, металлургические реакции, упругие и пластические деформации и напряжения. Для управления этими процессами необходима информация о распределении температуры в сварном соединении в пространстве и во времени. Эти вопросы рассматривает теория тепловых процессов при сварке , которая является частным случаем теории теплопроводности. Основной вклад в ее развитие внес академик Рыкалин Н.Н.
При изучении теории тепловых процессов при сварке используются следующие основные величины и понятия.
1.Температура Т– характеризует степень нагретости тела. Измеряется в градусах Кельвина.
2.Температурное поле T(x,y.z,t) – распределение температуры в теле в пространстве и во времени. Температурное поле может выражаться как в абсолютной температуре, так и в приращении температуры относительно начальной температуры тела То . Температурное поле может быть объемным, плоским или линейным. Для наглядности температурное поле представляют графически в виде семейства изотерм.
3. Изотерма – геометрическое место точек с одинаковой температурой.
4.Термический цикл сварки 
¾ зависимость температуры во времени в заданной точке тела А с координатами x,y,z .
5.Удельная теплоемкость с – количество теплоты, необходимое для изменения на один градус температуры единицы массы тела. В теории Н.Н. Рыкалина применяется усредненная в определенном температурном интервале удельная теплоемкость, что позволяет существенно упростить вывод расчетных формул.