книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

Министерство 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

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

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

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.

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

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