Аппаратура для сварки дугой, сжатой газовым потоком

При горении сварочной дуги между неплавящимся электродом и изделием в атмосфере защитного газа столб дуги, имеющий вид конуса, принимает размеры, которые зависят от электрических параметров тока и напряжения. Если же с помощью специальных приемов не дать возможность дуге занять ее естественный объем и принудительно ее сжать, то температура в ней значительно повысится (до 30000°С). Такой способ называют сваркой сжатой дугой или плазменной сваркой.

Дугу можно сжать различными способами, например, пропуская ее через специальное сопло 2 (рис. - 1,а). Защитный газ, который подается внутрь горелки 5, вытекая через сопло 2, дополнительно сжимает столб дуги, горящей между изделием 1 и электродом 6, изолируя ее от стенок. Чтобы сопло не плавилось, оно изготовляется из материала с высокой теплопроводностью, чаще всего из меди, и при работе охлаждается проточной водой.

Рис. 1. Схема процесса сварки сжатой дугой:
а - дуга прямого действия, б - дуга косвенного действия, в - микроплазмениая или иглоплазменная дуга;
1 - изделие, 2 - сопло, 3 - газозащитное сопло, 4 - источник питания, 5 - камера горелки, 6 - электрод, 7 - фокусирующее сопло

При другой разновидности процесса дуга горит между электродом 6 и соплом 2 (рис. 1,6). В этом случае газ нагревается дугой и в значительной мере ионизируется. Плазменный поток вырывается из горелки в виде яркого, концентрированного пламени. В этом случае сварка осуществляется дугой косвенного действия. Имея очень большую скорость истечения, высокотемпературная плазменная струя частично увлекает с собой в зону сварки газы из окружающей атмосферы. Поэтому в большинстве горелок применяется дополнительная защита зоны сварки газом, подводимым через газозащитное сопло 3.

В горелках прямого действия возбуждение дуги между электродом и изделием через узкий канал сопла осуществить трудно. Поэтому при помощи осциллятора, угольного стержня, вводимого в канал сопла, или путем кратковременного замыкания электрода с соплом возбуждается вспомогательная дуга. Эта дуга между электродом и соплом питается от того же источника, что и основная, через дополнительное сопротивление R; затем, как только факел ионизированного газа коснулся изделия, автоматически загорается основная дуга и выключается вспомогательная.

Вольт - амперная характеристика плазменной дуги выглядит так же, как и характеристика обычной дуги. Однако на ее внешний вид влияют дополнительные параметры. Падение напряжения между электродом и изделием (в горелках прямого действия) или между

Рис. - 2. Конструктивные элементы горелок - плазмотронов для сварки сжатой дугой:
а - со стержневым электродом, б - со штифтом, в - со вставкой, г - кольцевой электрод;
1, 2 - сопло, 3 втулка, 4 - цанга, 5 - стержневой электрод, 6 - штифт, 7 - трубка, 8 - обойма, 9 - вставка, 10, 11 - сопла, 12 - корпус сопла

электродом и соплом (в горелках косвенного действия) состоит из суммы падений напряжений U_к - в катодной области, U_кс - между катодом и соплом, U_c - в сопле, U_сг - на участке свободного горения и U_a - в анодной области. Чем интенсивней сжата дуга, тем выше ее напряжение и тем меньше ток, при котором ее вольт - амперная характеристика переходит в жесткую или даже возрастающую. Напряжение сжатой дуги зависит от размеров горелки - плазмотрона (диаметр сопла, расстояние U_кс, см.рис.1, от электрода до сопла, длина U_c сопла), от тока дуги, от состава и расхода рабочего газа, от величины расстояния U_са между торцом горелки и изделием и, наконец, от внешней характеристики источника питания. В обычных источниках питания с падающей или пологопадающей характеристикой (см. рис. 8) ток уменьшается с увеличением напряжения дуги, вследствие чего при сварке плавящимся электродом обеспечивается саморегулирование дуги. При дуговых процессах с неплавящимся электродом отклонение тока при изменении напряжения дуги приводит к неравномерности глубины проплавления металла и к нарушению стабильности процесса. Поэтому при сварке неплавящимся электродом сжатой дугой оптимальными внешними характеристиками источника питания являются крутопадающие или даже вертикальные (см. рис. 8). Источники питания для плазменной сварки с вертикальными характеристиками появились сравнительно недавно.

Основным элементом аппарата для сварки и наплавки сжатой дугой является горелка - плазмотрон. Сохраняя общую конструктивную схему (см. рис. 1), горелки различаются по конструкции катода, способу охлаждения, способу стабилизации дуги, составу плазмообразующей среды. Катод может быть выполнен в виде цельного стержня 5 (рис. - 2 )из вольфрама, либо в виде составного стержня, состоящего из медной обоймы 8, к торцу которой припаян штифт 6 из вольфрама, циркония 9 или других тугоплавких металлов и сплавов. Обойма 8 охлаждается водой, подаваемой по концентричной трубке 7. Вольфрамовый штифт припаивается серебряным припоем или приваривается методом диффузионной сварки, а циркониевый 9, будучи более пластичным, запрессовывается в обойму.

Применяются полые катоды, кольцевые (рис. - 2,г), дисковые и др. Все они выполняются водоохлаждаемыми. Отвод тепла от стержневого вольфрамового катода 5 осуществляется зажимной токоподводящей цангой 4 и втулкой 3. Цанга изготовляется из электротеплопроводного материала (латунь, бронза).

Наиболее нагруженным элементом горелки является сопло, поэтому его необходимо интенсивно охлаждать. Применяются сопла 2 с естественным воздушным охлаждением или 1 с охлаждением проточным газом. В большинстве же случаев применяются водоохлаждаемые сопла 12, причем участок 11 сопла, непосредственно контактирующий с дугой, часто выполняется сменным.

Система стабилизации дуги обеспечивает сжатие столба и строгую его фиксацию по оси электрода и сопла горелки. Чаще всего дуга стабилизируется потоком вытекающего газа; применяется также стабилизация водой или магнитным потоком. Стабилизирующий газ может подаваться вдоль оси столба дуги (осевая стабилизация) или по касательной (вихревая стабилизация). Завихрение газа может достигаться конструкцией корпуса 10 плазмотрона. В последние годы получают все большее распространение горелки с фокусирующим потоком газа (см. рис. 1, в). Фокусирующий газ подается по наружному соплу 7 под углом к оси горелки и как бы омывает столб дуги, интенсивно охлаждая его. Благодаря этому происходит некоторое уменьшение сечения столба дуги и достигается высокая концентрация потока при сравнительно малой скорости истечения. Такие горелки, называемые иглоплазменными или микроплазменными, позволяют получить остроконечную плазменную дугу при малых токах (0,5 - 30 А).

Аппараты для сварки сжатой дугой могут выполняться ручными или механизированными. На рис. - 3 показана ручная горелка. Об - 1160А для микроплазменной сварки на переменном токе изделий из алюминия толщиной 0,5 - 1,2 мм. Плазмообразующим газом служит аргон, защитным и фокусирующим - аргон и гелий. Мощность горелки до 2 кВт. В горелке используются вольфрамовые электроды 2 диаметром 0,8; 1,0 и 1,2 мм.

Сменное сопло 4 и корпус 3 горелки охлаждаются водой. Газозащитное сопло 5 - керамическое. Электрододержатель подвижен - для замыкания электрода на сопло и снабжен возвратной пружиной.

Для механизированной плазменной сварки стыковых, угловых и нахлесточных соединений из тонкого металла (0,2 - 2,5 мм) предназначен рельсовый автомат типа А - 1342 (АСП - 1). Автомат (рис. - 4) состоит из горелки 2, ходовой тележки 1, механизма подачи 5. сварочной проволоки, направляющего рельса 6, системы корректоров 4 и пульта управления 3. Тележка снабжена четырьмя свободно вращающимися бегунками с вертикальной осью вращения. Два бегунка установлены непосредственно на тележке, два - на рычагах с пружинным поджимом. Передвижение тележки осуществляется электроприводом, на выходном валу которого установлено зубчатое колесо, сцепляющееся с рейкой направляющего рельса. Применение зубчатого зацепления тележки с рельсом обеспечивает точное соблюдение скорости сварки, так как исключает пробуксовку, что необходимо для прецизионной сварки изделий из тонкого металла.

Скорость сварки регулируется плавно в пределах 10 - 50 м/ч. Отклонения электрода от оси шва в вертикальном и поперечном направлениях при длине направляющего рельса 1300 мм составляют не более ±0,15 мм.

Присадочная проволока подается специальным устройством, которое обеспечивает стабильное и точное направление проволоки диаметром 0,8 - 1,5 мм, как из мягкого алюминия, так и из более твердых сплавов. Скорость подачи проволоки плавно настраивается в диапазоне 8 - 150 м/ч.

Рис. - 3. Горелка Об - 1160А
для микроплазменной сварки (рукоятка не показана):
1 - электрододержатель, 2 - электрод, 3 - корпус, 4 - плазмообразующее сопло, 5 - газозащитное сопло

Блок корректоров, на котором установлена микроплазменная горелка, обеспечивает вертикальное и поперечное перемещение ее совместно с присадочной проволокой. Предусмотрена также самостоятельная корректировка положения проволоки относительно горелки в горизонтальной и вертикальной плоскостях без люфтов.

Рис. - 4. Автомат А - 1342 (АСП - 1) для прецизионной сварки тонкого металла:
1 - тележка, 2 - горелка, 3 - пульт управления, 4 - корректоры, 5 - механизм подачи, 6 - рельс

Рис. - 5. Схема установки для плазменной наплавки:
1 - источник питания током дуги прямого действия, 2 - балластные сопротивления, 3 - источник питания током дуги косвенного действия, 4 - осциллятор, 5 - сопло, 6 - наружное сопло, 7 - штуцер подвода защитного газа, 8 - дозатор порошка, 9 - подача транспортирующего газа

В нижней части корректора имеется серьга для закрепления наконечника, который направляет присадочную проволоку в зону сварки.

Перед началом сварки на источнике питания включается плазмообразующий газ (аргон) и дежурная дуга. Электрическая схема - автомата обеспечивает предварительное включение защитного газа за 1 - 2 с до начала сварки и выключение его подачи через 2 - 3 с после окончания. Автомат может комплектоваться специальным источником питания переменного или постоянного тока. При применении обычных источников питания автомат можно использовать для аргонодуговой сварки различных цветных и черных металлов и сплавов.

Плазменно - дуговой процесс успешно применяется для наплавки или нанесения методом напыления износостойких или защитных покрытий. Наплавляемый материал в виде мелкогранулированного порошка подается потоком газа в плазменную струю. Нагреваясь и расплавляясь в потоке, он переносится с ним на расплавленную плазменной струей поверхность. Схема установки для плазменной наплавки металлическим порошком показана на рис. - 5. При существовании сжатой дуги между вольфрамовым электродом и соплом 5 происходит расплавление присадочного порошка, а при горении дуги между электродом и изделием поверхность последнего оплавляется. Порошок подается в сопло 6 горелки из дозатора 8 струей газа 9. Для равномерной и надежной подачи присадочного порошка количество его точно дозируется. Зона наплавки защищена струей газа, подаваемого в дополнительное сопло через штуцер 7.