книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

ностного слоя. Если имеется течение газа относительно поверх­ ности, как в случае плазменной обработки, освобожденные ато­ мы могут удаляться от поверхности с большой скоростью.

Газ, влага, адсорбированные поверхностью металла, другие загрязнения также могут распыляться под воздействием потока положительно заряженных ионов.

При изучении распыления адсорбированного газа при низ­ кой (менее 10 эВ) энергии бомбардирующих ионов было обна­ ружено, что количество распыленных атомов одним ионом выражается зависимостью

S~a(E - Ео) (при Е > £ 0);

где S - степень распыления; EQ - пороговая энергия падающих ионов, выше которой процесс распыления имеет место; а - крутизна характеристики.

Существует попытка объяснить очистку поверхности металла резким вскипанием поверхности катода и сублимацией окислов (например при сварке алюминия). Плотность тока в катодных пятнах 10б А/см2обусловливает мощность удельных тепловых потоков, достигающую значений 107Вт/см2. Потоки по величине превышают те тепловые потоки, которые могут бьггь отведены за счет теплопроводности материала катода, что вызывает эрозию поверхности за счет кипения и испарения. Достоверных данных о реальной температуре поверхности в зоне катодных пятен также пока нет из-за трудности ее измерения. Например, определение температуры путем спектроскопических исследований излучения пятна затрудняется интенсивным излучением из окружающей плазмы. Кроме того, следует напом­ нить, что при гелиевой атмосфере катодная очистка отсутствует. Поэтому сублимация не является основной причиной очистки по­ верхности. Это подтверждается и тем, что при работе плазмотрона на прямой полярности очистки поверхности не происходит, хотя теплопередача в анод выше, чем в катод.

Таким образом, можно сделать вывод, что катодная очистка поверхности изделий представляет собой совокупность целого ряда процессов, основной причиной которых является бомбар­ дировка положительно заряженными ионами. Катодная очистка имеет место при всех дуговых способах сварки, когда изделие является катодом.

41

Лабораторная работа № 3

«Исследование катодной очистки обрабатываемой поверхности сжатой дугой обратной полярности»

Цели работы:

1.Изучить процессы, протекающие при катодной очистке рабочей зоны при плазменной сварке на обратной полярности

ипри подготовке изделий под пайку.

2.Ознакомиться с оборудованием и технологией плазмен­ ной сварки на обратной полярности.

3.Исследовать влияние параметров режима обработки на эф­ фективность катодной очистки металлических поверхностей.

4.Выявить особенности сварки алюминия и его сплавов.

Методика проведения экспериментов

Основными параметрами плазменной обработки металлов на обратной полярности являются:

-ток сжатой дуги /д, А;

-расход плазмообразующего газа (Ar) Q„, л/мин;

-диаметр плазмообразующего сопла dc, мм;

-расход защитного газа (Ar) Q3, л/мин;

-скорость движения плазмотрона VCB, м/ч;

-расстояние от среза сопла плазмотрона до изделия Я, мм. Исследования проводятся на образцах из различных мате­

риалов (табл. 1). Образцы имеют следующие размеры: толщина 5-15 мм; ширина 80 мм; длина 250 мм.

43

Исследования выполняются на стенде для плазменной обработки материалов, скомплектованном на базе станка напла­ вочного.

В качестве рабочего инструмента используется плазмотрон для сварки на обратной полярности конструкции кафедры сва­ рочного производства и технологии конструкционных материа­ лов Пермского государственного технического университета.

Для питания сварочного тока используется выпрямитель типа ВДУ-505, имеющий падающую внешнюю вольт-амиерную характеристику и плавное регулирование сварочного тока.

В качестве защитного и плазмообразующего газа исполь­ зуется аргон.

Порядок проведения работы

1. Подготавливается стенд плазменной обработки к работе: а) включается пускатель системы управления стенда; б) включается пускатель источника питания сварочного

тока; в) включается система подачи охлаждающей воды и система

подачи газа; устанавливается необходимый расход, контролируе­ мый соответствующими ротаметрами.

2.На рабочий стол укладывается испытываемый образец.

3.Устанавливаются требуемые параметры режима (табл. 2), включается сварочный ток и механизм перемещения плаз­ мотрона.

Таблица 2 Параметры режимов процесса катодной очистки

44

Наблюдается явление катодной очистки. После остывания образца производится определение ширины зоны катодной очистки.

Исследования проводятся последовательно по каждому параметру режима при поддержании остальных параметров постоянными. Подплавление поверхности образцов не допус­ кается. Для исключения влияния предварительного подогрева на ширину зоны катодной очистки выполнение повторных проходов допускается только после охлаждения образца.

Измеряется ширина зоны катодной очистки, результаты исследований заносятся в таблицы. По полученным результатам строятся графики зависимостей ширины зоны катодной очистки от изменения параметров режима обработки (рис. 21-24).

Ряд1 — Ряд2 -А -РядЗ-к-Ряд4|

Рис. 21. Зависимость расхода защитного газа от ширины зоны

45

Рис. 22. Зависимость скорости сварки от ширины зоны катодной очистки. Обозначения и условия см. на рис. 21 при 0 3 = 5 л/мин (ряд 5 - /св = 300 А)

Рис. 23. Зависимость расхода плазмообразующего газа от ширины зоны катодной очистки. Обозначения и условия см. на рис. 21 при Q3 = 5 л/мин (ряд 5 - / „ = 300 А)

46

р -» — Рйд1 — Ряд2^-А— РядЗ —х— Ряд4 — Кщ5 [

Рис. 24. Зависимость расстояния от среза сопла до изделия от ширины зоны катодной очистки. Обозначения и условия см. на рис.

Проводится анализ полученных результатов, выявляются параметры режима, оказывающие наибольшее влияние, состав­ ляются выводы по проведенным исследованиям. Для сокраще­ ния числа экспериментов и возможности математической обра­ ботки полученных результатов рекомендуется использовать ме­ тодику планирования эксперимента.

Техника безопасности

1. Работа на стенде для плазменной обработки металлов производится под контролем ведущего преподавателя или учебного мастера.

2.Наблюдение за зоной обработки плазменной дугой производится через сварочный светофильтр.

3.Измерение зоны катодной очистки производится после

остывания образцов.

4.Работа проводится при включенной вытяжной вентиляции.

5.Регулировка скорости перемещения плазмотрона смен­ ными шестернями привода производится при выключенном

пускателе стенда.

47

Контрольные вопросы

1.Особенности сварки алюминиевых и магниевых сплавов.

2.Способы подготовки поверхностей изделий под сварку

ипайку.

2.Механизм процесса катодного распыления.

4.Вторичная электронная эмиссия.

5.Эмиссия отрицательных ионов и нейтральных атомов.

6. Отражение падающих ионов.

7. Распыление от падающих ионов.

8. При каких способах сварки имеет место катодная очистка поверхности изделия?

9.Какие параметры режима обработки плазменной дугой влияют на мощность катодной очистки?

10.Какими параметрами можно оценить качество катодной

очистки?

11.Какие материалы можно подвергать процессу катодной очистки?

12.Почему при использовании гелия в качестве защитного

иплазмообразующего газа не наблюдается явление катодной очистки?

13.Почему происходит сужение зоны катодной очистки при расплавлении металла?

Библиографический список

1. Предупреждение образования окалины и методы очистки деталей / под ред. С.В. Леонова. - М.: Машиностроение, 1984. -

164с.

2.Рабкин Д.М. О процессе катодного распыления в свароч­

ной дуге / Д.М. Рабкин, В.А. Фурсов // Физика и химия обработ­ ки металлов. - 1973. - № 8. - С. 28-30.

3.Pattee Н.Е. Theoretical and experimentax stady of catodic cleaning With the plasma arc / H.E. Pattee, J.N. Anno, M.D. Rana-

dall // Welding Journal!. - 1968. - Vol. 47, № 4. - P. 181-192.

4. Щицын Ю.Д. Исследование способа катодной очистки для подготовки деталей под пайку / Ю.Д. Щицын, Ю.М. Тыткин // Сварка в машиностроении: Сб. науч. тр. - М.: ЦРД «Зна­ ние», 1995.-С . 95-99.

48

4. ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Плазменная резка на сегодняшний день является одним из наиболее освоенных направлений плазменной обработки метал­ лов. Плазменная резка находит все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Это обусловливается возможностью ее использования для резки практически всех металлов и их сплавов, высокой производительностью и точно­ стью, отсутствием грата на кромках деталей, низкой стоимостью погонного метра реза, взрывобезопасностью.

Внастоящее время накоплен опыт использования различ­ ных видов плазменной резки и средств ее технологического ос­ нащения в виде стационарных машин с программным управле­ нием, переносных машин, поточных линий и различных средств механизации вспомогательных и транспортных операций. Соз­ даются гибкие автоматизированные производственные системы на базе плазморежущих машин с программным управлением.

Плазменно-дуговая резка и необходимое для ее выполнения оборудование впервые были разработаны и исследованы во ВНИИАвтогенмаш в 1956-1957 гг. одновременно с аналогич­ ными разработками в США, Англии и ФРГ. Также вопросами разработки и практического внедрения плазменной резки зани­ мались ВНИИЭСО, ЦНИИТС, НИКИМТ, ИЭС им. Е.О. Патона.

Плазменной резке поддаются все металлы. В отличие от ки­ слородной резки, при которой около 70 % тепловой энергии создается при горении, в процессе плазменной резки энергия, необходимая для расплавления металла, создается электриче­ ским способом. Сущность способа состоит в локальном интен­ сивном расплавлении разрезаемого металла в полости реза теп­ лотой, генерируемой сжатой дугой (температура плазмы может достигать 20 000-30 000 °С) и интенсивном удалении расплава из полости высокоскоростным плазменным потоком, вытекаю­ щим из канала сопла плазмотрона. Плотность энергии в форми­ рующих соплах режущих плазмотронов достигает 106 Вт/см2. Скорость плазмы в струе, истекающей из сопла режущего плаз­ мотрона, может превышать 2-3 км/с.

4.1.Сущность процесса плазменной резки

Внастоящее время известен ряд способов плазменной рез­ ки, которые отличаются способом плазмообразования, исполь­ зуемой плазмообразующей средой, способом подачи плазмооб-

49

разующего газа, материалом катода, полярностью тока, уст­ ройством плазмотрона, сопутст­ вующими технологическими приемами.

дуги по всей его длине, начиная от входного среза канала сопла и кончая анодным пятном на фронтальной поверхности полости

50