close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

см. документ №3 - School32;pdf

код для вставкиСкачать
куйбы ш евский
орден а
тру до во го
красного
зн а м е н и
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С. П. КОРОЛЕВА
И. С. Гришин
МИКРОПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА
ТОНКОЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
САМАРА 1991
Государственный комитет РСФСР по делам
науки и высшей школы
Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени
авиационный институт имени академика С.П.Королева
И.С.Гришин
МИКРОПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА
ТОНКОЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Курс лекций
[ фонд РК j
Сам;<гсх1ь1 1'<>с--д .•.••гн
а»рок
li\
:ы.|
'•'''*■< ■:^итет
K.11 iS b tl
Самара 1991
_
i
УДК 621.791.755
Микроплазмеиная сварка тонколистовых конструк­
ций: Курс лекций
/И.С.Гришин; Куйбышев,
авиац. ин -т. Самара, 1991. 42 с.
T S S A / 5-230-I6896-X
Наложена физическая сущность микроплазменной
сварки, рассмотрены особенности образования плаз­
мы в сварочной дуге, способы, вопросы техники
и
технологии микроплазменной сварки, даны
примеры
применения этого метода при изготовлении
тонко­
стенных конструкций.
Курс лекций рассчитан на студентов дневной
и вечерней форм
обучения при изучении ими курсов
"Технология конструкционных материалов" и "Сварка
металлов". Работа подготовлена на кафедре производ­
ства летательных аппаратов.
Табл. 5. Ил. 20. йгблиогр.: 12 назв.
Печатается по решению редакционно-издательско­
го совета Куйбышевского ордена Трудового Красного
Знамени авиационного института имени. С.П.Королева
Рецензенты: В.М а т в е е в ,
I S 8Л/S-23O-f6696-Х ©
Ф.Т е н е н б а у м
КДОипевский авиационный институт, 1991
ВВЕДЕНИЕ
Сварные конструкции kf ..^халлов и сплавов малых толщин (0 ,0 5 1 ,5 мм) составляют значительный объем сварочных работ. Однако по­
лучение качественных сварных соединений в таких конструкциях свя­
зано с рядом трудностей. При сварке металлов малых толщин достаточ­
но сложно выдерживать оптимальные геометрические характеристики
шва и,следовательно, получать стабильное качество сварного соеди­
нения, при этом возрастает вероятность образования прожогов метал­
ла и других дефектов. Среди известных способов сварки для соедине­
ния тонколистовых материалов наибольшее применение получили г а ­
з о в а я
с в а р к а ,
д у г .о в а я
с в а р к а
неплавящимся электродом в непрерывном и импульсном режимах, а также
э л е к т р о н н о - л у ч е в а я
и
л а з е р н а я
с в а р к и . Для некоторых типов конструкций успешно применяются
контактная, диффузионная и ультразвуковая сварки.
В начале 60-х годов в научно-исследовательском институте авиа­
ционной технологии (НИИАТ) под руководством А.В.Петрова и в
ряде
зарубежных фирм (Швейцария, Англия, США и Франция) были начаты ра­
боты по использованию плазменной струи - сжатой дуги для обработки
материалов (плазменное напыление, сварка и резка металлов). В инс­
титуте электросварки им. Е.О.Патона АН УССР в эти же годы
реша­
лась задача по изучению физических процессов сварочной дуги и раз­
работке на этой основе способов микроплазменной сварки металлов
малых толщин и оборудования для ее широкого применения. Для реше­
ния этой задачи были изучены особенности и разработана теория контрагирования малоамперной сварочной дуги в различных средах, в том
числе в вакууме, выполнены исследования катодных процессов свароч­
ной дуги и определены условия стабильного горения малоамперной ду­
ги с холодным катодом. На основе результатов исследований были раз-
3
работали новые способы микроплазменной сварки металлов, в том числе
алшияхя, при нормальном и низком давлении.
Важным преимуществом микроплазменной сварки является стабиль­
ность горения сжатой электрической дуги при очень малых токах.Плаз­
менная струя имеет высокую концентрацию и интенсивность распределе­
ния теплового потока, обладает широкими технологическими
возмож­
ностями, причем ее можно регулировать в широких пределах. Микроплазменная сварка в непрерывном и импульсном режимах горения дуги наш­
ла широкое применение во многих отраслях промышленности: радиои
электротехнической, приборостроительной, электронной и медицинской
технике, в производстве летательных аппаратов при изготовлении эле­
ментов конструкции узлов и агрегатов.
В предлагаемом
курсе лекций дано краткое систематизирован­
ное изложение комплекса вопросов, связанных с физической
приро дой сжатой дуги, с ее получением и свойствами. Рассматриваются сущ­
ность и особенности технологии и техники микроплазменной сварки.
I . ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРЮ'!
I . I . Образование плазмы в сварочной дуге
дуговой разряд является одним из видов электрических разрядов
в газах. Он характеризуется относительно низким падением напряже ния и сравнительно большой плотностью тока. В применяемых на прак­
тике сварочных дугах падение напряжения составляет несколько
де­
сятков вольт, а плотность тока - 50 к / т ? и более f l ] , В обычных
условиях газ является диэлектриком. Он может проводить ^ок только
в тех условиях, когда газ инжектируется извне или внутри него ге­
нерируются заряженные частицы. Источником генерации заряженных час­
тиц является ионизация га за , в результате которой образуются
сво­
бодные электроны и положительные ионы. Обычно ионизация атомов
и
молекул газа происходит при их столкновении с электронами, атома­
ми или фотонами. При этом ионизуемым частицам передается энергия,
которая превышает некоторое минимальное значение, зависящее от ро­
да газа , называемое потенциалом ионизации. Существует также сту­
пенчатый процесс, приводящий к ионизации при столкновении атомов
и электронов с возбужденными атомами. Если же газ нагрет до высо­
кой температуры, то все процессы ионизации в нем происходят одно­
временно. Ионизации соответствует обратный процесс - рекомбинация,
в результате которой при столкновении положительного иона с элект­
роном образуются нейтральные частицы.
Для обеспечения заданной стационарной электропроводности га­
за , когда концентрация заряженных частиц не изменяется со временем
и процессы их появления и исчезновения стабилизированы, требуются
затраты энергии. Именно в этом заключается основное различие газо­
образных проводников тока от жидких и твердых. В ионизированных
газах ток переносится электронами и положительными ионами. При от­
сутствии электрического поля электроны и ионы нагретого газа
со­
вершают лишь беспорядочные движения, и средняя скорость их в лю­
бом направлении равна нулю. Если же к разрядному промежутку прило-
3-1514
5
жена разность потенциалов, то под действием электрического
поля
электроны и ионы приобретают дрейфовые скорости, которые параллель­
ны полю. Электроны дрейфуют к положительно заряженному электроду аноду,
а положительные ионы - к отрицательно заряженному элект роду - катоду. Таким образом, в дуте существуют катодная и анодная
области, обладающие объемными зарядами.
В квазинейтральной области, называемой столбом дуги и занимаю­
щей практически весь разрядный промежуток, ток переносится электронаии и ионами. Так как концентрации их практически равны, а
дрейфовая (направленная) скорость электронов под действием электри­
ческого поля значительно больше скорости ионов, то ток в столбе ду­
ги практически переносится одними электронами. Направленная
ско­
рость электронов зависит от напряженности электрического поля
и
температуры столба дуги, а также рода газа и давления. Температура
столба обусловливает ряд различных явлений в дуте и поэтому являет­
ся одним из основных параметров. В столбе дуги наблюдается наиболь­
шая степень ионизации га за . Причем, чем выше температура столба ду­
ги, тем интенсивнее протекает процесс ионизации.
При высокой температуре любой газ перестает быть нейтральным .
Однако чем больше порядковый номер элемента в периодической систе­
ме Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем
прочнее
связаны электроны внутренних слоев оболочки с атомным ядром. Поэто­
му полную ионизацию атомов тяжелых элементов можно наблюдать только
при температурах в миллионы и десятки миллионов градусов.
Плазмой
называют г а з, в котором большая часть атомов и молекул ионизирована.
Плазма является нормальной формой существования вещества при темпе­
ратуре Ю000°С и выше. Это - низкотемпературная плазма. Для высоко­
температурной плазмы нормальными считаются температуры 1 0 ^)ОС и выше
(термоядерные реакции).
В электрической дуге энергия источника питания превращается в
кинетическую и потенциальную энергию частиц плазмы - газового стол­
в
ба дути, которая передается электродам и частично превращается
электромагнитное излучение - фотоны. Во всех дугах действуют мощные
потоки ионизированного газа с преимущественным направлением
вдоль
оси, их скорости при сварке достигают 75—1ЬО м /с . Вели столб дуго­
вого разряда сжать, например, путем истечения газо во го потока через
узкое водоохлаждаемое сопло сварочной горелки, то это приведет
к
6
увеличению плотности тока в столбе дуги и связанному с этим значи­
тельному повышению температуры. Высокая температура столба
дуги
способствует ионизации плазмообразующего га за , при которой он об­
ладает весьма значительной электропроводностью, приближающейся
к
электропроводности проводника. Таким образом, можно сравнительно
просто получить плазменную струю сжатием дугового разряда потоком
газа. Поэтому плазменная сварка представляет собой новый вид сварки
плавлением, при котором детали нагреваются плазменной струей - сжа­
той дутой (ГОСТ 2601-84).
1 .2 . Формирование сжатой дуги
Основными недостатками малоамперной аргоновой дуги, затрудняю­
щими осуществление : качественной сварки металлов малых толщин, яв­
ляются низкая стабильность (во времени и пространстве) дуги
малых
токов и малая плотность в анодном пятне (рис. 1 ,а ) . Работы по плаз­
менной сварке на больших токах показали [ 2 ] , что сжатая дуга, фор­
мируемая каналом плазмотрона, имеет значительно большую пространст­
венную устойчивость, чем свободно горящая, а раздельная подача
плазмообразующего и защитного газов позволяет применять при сварке
различные смеси газов (рис. 1 ,6 ) . Указанные преимущества сжатой ду­
ги приемлемы также и для сварки металлов малых толщин ( S < I мм),
что обусловило по существу появление нового способа - микроплазмен­
ной
сварки.
Плазменные струи получают в специальных устройствах, которые
в сварочной технике называют плазменными горелками или плазмотрона­
ми [ 3 J . Наиболее распространены способы получения плазменных струй
путем интенсивного охлаждения газовым потоком столба дуги, горящего
в сравнительно узком водоохлаждаемом канале плазменной горелки.
В
инженерной практике наметились две схемы дуговых плазменных
горе­
лок (рис. 2 ) .
I.
Горелки для сварки плазменной дугой (горелки прямого дейст­
вия) , в которых одним из электродов является обрабатываемый мате­
риал (рис. 2 ,а ) . В этом случае используют два энергетических источ­
ника: плазменную струю и электрически активное пятно дуги. Сопло и
канал совмещены: плазменная струя совпадает со столбом дута. Внут­
ренний коэффициент полезного действия такой горелки, т .е . использо­
вание подведенной к ней электрической энергии, достигает 60-80$?.
?
Р и с . I . Распределение температуры в дуговом
разряде: а - без стабилизации газовым потоком
при аргонодуговой сваоке; б - дуговой разряд,
горящий в канале плазменной горелки в потоке
аргона
2. Горелки для сварки плазменной струей (горелки косвенного
действия, рис. 2 , 0, в ) . На рис. 2 ,6 изображены раздельные сопло
* канал, плазменная струя выделена из столба дуга. На рис. 2 , в
сопло и канал совмещены. Для снижения тепловой нагрузки на э д е ч :роды применяют плазменные горелки с магнитным закручиванием д у т .
Максимальное значение внутреннего КОД таких горелок (пои болы г./
расходах газа) достигает 50-70?;.
Принципиальная схема процесса микроплазменной сварки с по: кой прямого действия показана на рис. 3. Вольфрамовый злектгпг.
диаметром 0 ,8 -2 ,0 мм с острозаточенным концом выставляется о-” -огпо оси водоохлакдаеиого сопла 6 с отверстием в нем, равным и л . т - -
a
&
b
P и с . 2. Принципиальные схемы плазменных горелок: I электрод; 2 - канал; 3 - охлаждающая вода; 3 столб
дуги; 5 - сопло; 6 - плазменнар струя; £ - источник
тока; И - изделие; 6 - углубление элект­
рода в канал
ру электрода. Электрод устанавливают внутри сопла на расстояние,
равное диаметру выходного отверстия. Между электродом и соплом по­
дается плазмообразующий г а з . От вспомогательного источника питания
2 между соплом и электродом возбуждается малоамперная дежурная ду­
г а, которая горит непрерывно. Поток плазмообразутощего газа
выду­
вает из выходного отверстия сопла плазменную струю. При поднесении
горелки к изделию 4 на расстояние 1-2 мм без закорачивания
сопла
на изделие от основного источника тока 5 возбуждается рабочая ду­
г а . Для защиты свариваемого металла от окисления и повышения
ус­
тойчивости столба дуги малого диаметра по зазору между водоохлаж даемым соплом и керамическим мундштуком 3 подается защитный г а з .
3-151 4
9
nS)QjJUOo6pCtjt/H>U/Uu
Р и с . 3. Схема устройства для получения микроплазменной
струи.
1 . 3 . Характеристики плазменных струй
Ярко светящееся ядро плазменной струи с основанием, несколько
меньшим входного сопла, окружено менее светящимся факелом.
Длина
струи определяется в основном мощностью дуги, размерами сопла, ро­
дом и расходом г а за . При ламинарном истечении газа (низкие скорос­
ти струи) наблюдается длинная, мало смешивающаяся с окружающей ат­
мосферой струя плазмы. Короткая струя плазмы наблюдается при тур­
булентном истечении газа (большие скорости струи). Формой
сопла
можно задавать очертания плазменной струи и тем самым распредело ние теплового и силового воздействия по поверхности обрабатываемо­
го тела. Температура плазменной дуги и плазменной струи и радиусу
и длине распределяется крайне неравномерно (рис. 4 ). Максимальная
температура наблюдается в центре струи. В токоведущей части плаз­
менной струи вблизи катода температура газа достигает 24000-32000°С
3200 5000
/ООО
о
/о
го
зо
40
3000
мм
Р и с . 4. Распределение температуры в плазменной струе
II
p pt с S . С е к е В с г » в о л м - в ^ е г ч л 1 * П ¥ £ Т « р - г г c a r o t Х /г е (зв в гти н В
- » ' * e ' “ • # z '•
*% e. т \ г
—
4 ^
f
1
t
2
/
«
9
У».9
t 1 c . 6 . C e n lO T e O В О Ф М К П в р й в ! М У К Я П Я Г Т ч /
o n to ! о п т u r a u rV O B аввтн н х гяяоэ: I - 4 g ,
I - 9 9 » * * 4 82 i J - m i « -* » * He *if> ^ ; b - C 0 -
Дуга при сварке неплавящимся электродом в среде инертного га­
за имеет форму колокола. При плазменной сварке вследствие обжатия
сопла стенками дуга принимает форму цилиндра и лаке конуса с верши­
ной, обращенной к изделию, поэтому плазменная сварка мало чувстви­
тельна к изменению длины дуги. Плотность тепловой энергии в
цент­
ральной части плазменной дуги составляет больше 10^ Вт/см^, т .е . в
10 раз больше, чем значение теплового потока дуги при сварке непла­
вящимся электродом в среде инертных газов. Плотность тепловой энер­
гии при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) равна 10®-Г0® Вт/см^, т .е .
плотность плазменной дуги занимает промежуточное значение и
отно­
сится к высококонцентрированным источникам нагрева.
Для выявления энергетических и технологических особенностей
микроплазмы в работе [ 4 J изучены вольт-амперные характеристики в
различных защитных средах в зависимости от длины дуги и расходов
газов (рис. 5 и 6 ). Падение напряжения на дуге существенно зависит
от рода защитного г а за . При одинаковой длине дуги падение напряже­
ния наименьшее при использовании аргона. В гелии и углекислом газе
наблюдается более высокое падение напряжения,
а наибольшее в
случае применения СО^ . Добавление водорода в защитный газ (как
к аргону, так к к гелию) увеличивает падение напряжения
на дуге.
5'зменение величины падения напряжения при замене защитного газа
обусловлено изменением теплофизических свойств среды в районе стол­
ба дуги и в ее анодной области. Как видно из рис. 5 и 6 , все харак­
теристики дуги падающие. С увеличением длины дуги напряжение
па­
дает, но это менее заметно при увеличении силы тока в дуте. На ве­
личину падения напряжения в дуге на малых токах оказывают влияние
присутствие дежурной дуги, диаметр канала сопла, а также расход
плазмообразующего и защитного газов.
Таким образом, использование сопел с малым диаметром канала
к применение различных газо в, выполняющих кроме функции защиты ме­
талла шва также функцию фокусировки дуги (посредством более интен­
сивного охлаждения плазмы и затруднения развития ионизации в
ра­
диальном направлении), позволяет в микроплазме существенно
повы­
сить плотность тока.
4-1514
13
2 . CITOCORI МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ
2 Л . Сварка на постоянном токе
Сварка подавляющего большинства металлов осуществляется в не­
прерывном или импульсном режиме Лугой прямой полярности, горящей
между вольфрамовым электродом плазмотрона и изделием в струе плаз мообразующего инертного га за , как правило, аргона (см. рис. 3 ). Для
получения качественных сварных соединений из особо тонких металлов
( S < 0 ,2 мм) в ИЭС им. Е.О.Патона разработан способ импульсной
микроплазменной сварки £5}, суть которого сводится к следующему.
Нагрев и плавление металла осуществляются в течение импульса тока
длительностью Vun дугой прямой полярности. В промежуток времени
между импульсами (во время паузы Т~п
) ванночка жидкого металла
остывает, металл кристаллизуется и формируется сварная точка. Час­
тота импульса и скорость сварки выбирается так, чтобы обеспечить
определенную величину перекрытия сварных точек. Импульсное введе­
ние тепла в металл позволяет регулировать время пребывания жидкой
ванны в расплавленном состоянии и ее размеры, уменьшить до миниму­
ма величину деформации кромок и устранить провисание шва, а также
уменьшить пористость.
При микроплазменной сварке тонколистового алюминия для обес­
печения стабильности горения малоамперной дуги (по аналогии
со
сваркой на прямой полярности) применяется малоамперная дежурная ду­
г а , горящая между вольфрамовым катодом и соплом плазменной горелки.
Такое решение вытекает из ионно-электронного механизма эмиссии [ 6 ] .
Физическая сущность этого механизма эмиссии состоит в том, что ион,
подходя к поверхности катода, своим собственным электрическим
по­
лем вырывает из катода электрон, который под действием внешнего
электрического поля, создаваемого катодным падением потенциала,
свободно уходит в прикатодную зону дута, осуществляя перенос элект­
ронной компоненты тока в ней. Повысить устойчивость горения дуги с
холодным катодом на малых токах согласно этому механизму
эмиссии
можно, используя посторонний источник ионов. Таким источником, не
эаяисяшм от тока основной дуги, служит факел плазмы 3 (рис. 7 ),
создаваемый дежурной дугой косвенного действия. В связи с тем, что
в промежутке "сопло 2 - изделие 4" существует такой факел,
при
14
Р и с . 7. Схема микроплазменной сварки на обратной по­
лярности
подаче на сопло 2 положительного напряжения (относительно изделия)
в разрядном промежутке будет протекать ток несамостоятельного раз­
ряда обратной полярности. Таким образом, под действием электричес­
кого поля из факела плазмы на изделие (катод) 4 непрерывно посту­
пают ионы, обеспечивая тем самым легкость возбуждения и стабиль­
ность эмиссии с холодного катода. Использование медного водоохлаж­
даемого сопла горелки в качестве анода основной дуги позволяет ис­
ключить воздействие тока дуги обратной полярности на катод дежур­
ной дуги. При такой схеме питания плазмотрона вольтфрамовый элект­
род I горелки используется только в качестве катода дежурной дуги
и его малый диаметр обеспечивает устойчивое горение при токе
2-5 А.
При малых расходах плазмообразующего газа (0 ,2 -0 ,8 л/мин)
анодное пятно дуги обратной полярности размещается внутри
канала
сопла, а фокусировка (сжатие) столба вблизи изделия и пространствен­
ная его устойчивость обеспечиваются защитным газом. Катодное пятно
15
3 првхедвх узкой зоны непрерывно блуждает по поверхности изделия
я разрушает окисную пленку алюминия путем ее диссоциации. Если ток
д у р я обратной полярности достаточен для расплавления кромок свариж ет т ъ изделия, то одновременно с разрушением окисных пленок будет
происходить процесс сварки. Как правило, плазмообразукяцим газом
в
втсм случав служит аргон, а защитным - гелий или смесь гелия с ар­
гоном.
2 .2 .
Сварка на переменном токе
При атом способе сварки дуга обратной полярности используется
только в один полупериод для разрушения окисных пленок на кромках
ввариваемых деталей. Плавление металла осуществляется в другой попрямой
дуяервод «сококонцентрированным источником тепла - дугой
пр
гоИОДЯриости, горящей между вольфрамовым электродом плазменной
г
"Ш вж в изделием (рис. 8 ). Между электродом и спплом плазменной
гооелки в потоке плаамообраэующего га за непрерывно горит дежурная
Я П постоянного тока, с о зд ай с я в промежутке "сопло-изделие" фасел пл азю . При подаче на сопло горелки положительного (относитель10 та»»||" н1 полупериода напряжения между соплом и изделием форми? ||в * е я д у л обратной полярности с нестационарным катодным пятном.
1/к,
KJ U
у
*
I
1
1
I
I
A
л*л
'
I
i
I
/
1
V
I
I
\
I
P
P t c . 8 . Схема шкропла эменной сварки на переменном
токе: 1 ,2 , *■ соответственно электрод и сопло плазмен­
ной горелки; 3 - изделие
-
В течение этого полуперкода происходит разрушение окисной пленки
на кромках свариваемого изделия. Величина т о к е обратной полярнос­
ти выбирается только из соображений качественной с ч и с т к е ж
по­
этому мала. Затем не вольфрамовый электрод горелки поступает от­
рицательный (относительно изделия) полупер&од напряжения.
При
этом формируется плазменная духа с большой плотностью энергии,дос­
таточной для плавления, и таким образом осуществляется сварка ме­
таллов, имеющих на поверхности тугоплавкие окисные пленки.
Как следует из вышеописанного способа сварки, через изделие
проходит асимметричный переменный ток, а по вольфрамовому электро­
ду - только ток прямой полярности. Поэтому оплавления вольфрамово­
го электрода, как при аргонодуговой сварке на переменно? токе, не
происходит. Это обеспечивает высокую пространственную устойчивость
и стабильность горения дуги даже при токах меньше I А. Режим
де­
журной дуги, глубина погружения электрода в канале сопла, расхода
газов и величины токов в различные полупериода являются
важными
технологическими параметрами, оптимальный выбор которых обеспечи вает стабильность процесса сварки тонкого алюминия и хорошее
ка­
чество сварного соединения.
Способ сварки на переменном токе допускает возможность попе­
ременной подачи импульсов не только синусоидальной, но ж лю­
бой другой формы (например, прямоугольной) различной длительнос­
ти. Раздельная регулировка длительности и амплитуда тока дуги пря­
мой и обратной полярности значительно расширяет технологические
возможности этого способа, поскольку степень очистки поверхности
от окисных пленок и .скорость плавления металла можно изменять в
нужном направлении путем регулировки длительности и амплитуда им­
пульсов тока. В этом случае сплошной шов образуется , плавлением
отдельных точек с заданным перекрытием.
Процесс сварки заключается в следующем. В течение импульса
тока У „р дугой прямой полярности передается свариваемым кромкам
достаточное количество тепла ?„рУ/?р
,
которое расплавлю*
ет основной металл, образуя сварочную ванну в виде точки. В течение
импульса
тока
дуги обратной полярности вводится зна­
чительно меньшее количество тепла
достаточное
только для разрушения окисных пленок, и сварочная ванна охл аж дает*,
ся до полной или частичной кристаллизации. Здесь
и
1/2 5-1514
17
ttjp , M p f - соответственно КЦД и падение напряжения на дуге
прямой и обратной полярности. Следующий импульс тока прямой поляр­
ности создает сварочную точку на расстоянии h
от предыдущей
точки:
где
V e t - скорость оварки.
Общее количество тепла, вкладываемое в одну точечную ванну,
можно представить как [7 ]
~ t?/>p J/? p М /?р %~/?р
'
Таким обрааом, шов формируется путем периодического расплав­
ления точек с шагом к
. Перекрытие точек задается их размером
и шагом. Количество теш »
, приходящееся на единицу длины
шва, в данном случае представлено как
М/rp
^
+■t y /
С £/?р 1~
( I)
) V ef
Если мощность дуги обратной полярности намного меньше мощнос­
ти дуги прямой полярности, то уравнение ( I ) упрощается и приводит­
ся к шражению усредненной мощности с периодически повторяющимися
импульсами душ прямой полярности:
“ч-Ух.. ,
а ,*
(2)
С*яр Г
Учитывая, что -SsC_ = д -
_ коэффициент жесткости и
= р
-
коэффициент ао аш етр ш тока, соотношение (2) можно записать в ви­
де
а ш
( **г
,
(3)
Г г 1 - & .Ж *
Выражение (3) представляет собой усредненную мощность микроплаеменной д у л с разнополярными импульсами тока, когда амплитуда
и длительность импульсов тока прямой и обратной полярности различ­
ии. Расчет распространения тепла при микроплазменной сварке разно­
13
полярными импульсами тока и выбор режимов сварки можно осуществлять
так ж е,как и для периодически горящей дута постоянного тока с
не­
прерывно действующим источником тепла мощностью
/*-&
Следует отметить, что по сравнению с микроплазменной сваркой
синусоидальным током при сварке разнополярными импульсами прямо­
угольной формы
благодаря постоянному значению коэффициента
контрагирования в течение всей длительности импульса глубина про­
плавления увеличивается, а ширина шва уменьшается.
3. ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ
3 .1 . Аппараты для сварки
Для реализации оптимальных условий контрагирования дуги
и
обеспечения стабильных и качественных сварных соединений из метал­
лов малых толщин требуются специальные источники питания. Они дол­
жны обладать гиперболической или пологопадающей внешней
характе­
ристикой, обеспечивать надежное возбуждение и горение дуги в
не­
прерывном и импульсном режимах в широком диапазоне токов, начиная
примерно от 0 ,5 А, с длительностью импульсов и паузы между ними
( 1 0 - 5 0 0 ) *1СГ3 с . Кроме .того, для сварки легких металлов и сплавов
необходимо обеспечить возбуждение и горение дуги обратной
поляр­
ности.
Все микроплазменные источники питания состоят из двух основ­
ных узлов: с в а р
очного'
в ы п р я м и т е л я
и
к о м м у т а т о р а
(прерывателя) тока. Источники питания,пред­
назначенные для сварки алюминия и его сплавов,содержат еще,
как
правило, выпрямитель и коммутатор разнополярных импульсов тока.Кро­
ме того, во всех источниках питания для микроплазменной сварки име­
ются маломощный выпрямитель для питания дежурной дута, а также раз­
личные элементы автоматики: электрогазоклапаны, реле и контакторы,
гидравлические датчики и т .п .
6 -1 514
19
Сварочные ишрямнтель состоит из трансформатора и блока вен­
тилей. Используются лва типа трехфазных трансформаторов: с
жест­
кой гневней характеристик ой и сишетричный трансформатор с разви­
тым магнитят рассеянно! и с подвижными катушками. В сварочных вы­
прямителях микроплазменных источников питания используются крош е­
ные вентили типа БК и кремневые лавинные вентили типа ВЛ. Эти при­
боры отличаются высокой проводимостью ( IO2—103 ChГ 1) в прямом на­
правлении в незначительными (до 5 мА) токами утечки в обратном на­
правлении. Характеристики кремневых вентилей остаются стабильными
при повышенных температурах (вплоть до 150-200°С) и допускают вы­
сокие плотности тока (до 200 А/см2) [8 J .
Наиболее сложной частью импульсных микроплазменных источни ков питания является коммутатор, предназначенный для преобразова­
ния постоянного тока в импульсный. Во всех микроплазменных источ­
никах питания используются коммутаторы, в которых в качестве при боров ключевого действия применен управляемый диод - тиристор. Тер­
мин "тиристор” обозначает полупроводниковый ключевой прибор,
два
возможных состояния которого (запертое и открытое) обуславливаются
регенеративной внутренней обратной связью в многослойной структуре
ГЯ]. Наиболее распространенными являются крем н ете управляемые вен­
тили: КУБ, ВКУ, Т, Т2, Т4 и др.
Коммутатор постоянного тока, построенный на баэе тиристорного
мультипликатора, показан на рис. 9. Принцип его работы состоит
в
следуицем. При включении тиристора TI (рве. 9 ,а ) в цепи электрода
изделия будет протекать ток дуги
, величина которого опреде­
ляется напряжением холостого хода источника постоянного тока, па­
дением напряжения на дуге М ?г и резистором
. По истечении
заданного промежутка времени r f
включается тиристор Т2, ранее
.
открытый тиристор TI закрывается и начинает протекать ток дуги ^
Его величина определяется также напряжением холостого хода, паде­
нием напряжения Uj z
и резистором
. Через время
.
где Т - длительность полного цикла коиыутатора, снова включаетоя тиристор TI и схема возвращается в первоначальное состояние.Как
можно видеть на рис. 9 ,6 , длительность полного цикла работы
ком­
мутатора зависит от напряжения, до которого заряжается кеш утатор,
и от времени его зарядки и разрядки до этого напряжения.
Аппараты для микроплазменной сварки, изготовляемые
серийно
прошшхеяностьв, по назначению можно разделить на три группы:
20
л
t
о
Рис.
9. Схема коммутатора ( а ) , эшоры тока и напряжения (б)
для сварки на постоянном токе;
для сварки на переменном токе;
универсальные аппарата.
В табл. I приведены основные характеристики всех разработан­
ных в ИЭС им. Е.О.Патона АН УССР аппаратов для микроплазменной свар­
ки [ 4 j .
Следует особенно отметать универсальную установку для ручной
и механизированной микроплазменной сварки МПУ-4, имеющую широкий
диапазон возможностей для сварки черных и цветных металлов и спла­
вов ив тонколистового материала, которая обеопечивает четыре режи­
ма работа:
1 . Режим "А" - сварка постоянным током прямой полярности
с
плавной регулировкой тока от 2 ,5 до 30 А.
2 . Режим "В" - сварка импульсным током прямой полярности
с
плавной регулировкой импульсов тока от 2 ,5 до 30 А и дискретной
регулировкой длительности импульсов и nays в пределах 0 ,0 2 ;
0 ,0 3 ;
0 ,0 4 ; 0 ,0 6 ; 0 ,0 8 ; 0 ,1 ; 0 ,2 ; 0 ,3 ; 0 ,4 ; 0 ,5 ,с (т о ч н о с т ь+1010.
21
для микроплазменной
Технические характеристики аппаратов
сварки
1ft
о
-«J
со о
о
со
<*ч
о
СО
М
W
СО н
СО
Н
СМ н
М М М
со
W
м
W
СМ
м
СО
м
м
pi
р4
ui 1_4 pi
pi
4
щ
pi
о
I Ей
о
СО
о
О
О О О
о
о
о
tU
§§*
§е
« 1
см
оО
ю in м
* ю *о
_
-о
• о_ С
МО I о I о
сом
|
Л
о
8•о
°. о
°
о •о- 8- «о
_^ 8 s -- о
Ow о ^ о ^ о 2 о
ю
ю *
о
(
•о
^
о
-
я
ю
юо о
-о
-о о о
а-
ю ■О Я
Ю * N ■ ” ■Ю .
о 8 s. 8 ° . о
« *о
«о
о O w О '-' о
«о
о°.
*о
о
О ЕН
о
« о
9Щ
§■
■ si
я в
§ЗВ
§
S i,*
ООО
I I
О
^
ОЮ
н н
Ю
ю
С
М О
м
со
ю
ci ci
ci
ui
О В Я
32
ою *
о
со
о
со
о
со
о
о
3
ci
3
з
о
о
м
со
ш
в в
со
о
О О
о
u5
22
6
§:
2 3 в§ 38
g*
Рч
S
gН
ш
^S
со м
Sо
йхэ
0) Л
ft ft
о
о о
О в
О ft
1§
Ш
о
О
е е
ft я
.в оя
см ю со
I
I I
М
и
о о
ю S
in in
я»4 4
со
со
0
А 4 1
о
о
оо
о
23 3 3 3
C
N
2
ООО
м
ю
о
о
о
ю
ч 2 й ч
м
м
со
о
м
о
о"
о
о
о
Н in S
СО £• ft
N
м
IP J
м S
44§
13Й
0g
н Q)
О
gl
1S
e g
•я
•(Dсо
я r •
a> к
g f t Eft
с *es
я6-t aя
оя
s s o
aM
4
Ю
J
о 0>
Я2
22
3. Режим "С" - сварка импульсным током разной полярности
с
плавной регулировкой тока прямой полярности от 2 ,5 до 30 А и диск­
ретной регулировкой длительности импульсов тока прямой полярности
в пределах 0 ,0 2 ; 0,0 3 ; 0,0 4 ; 0 ,0 6 ; 0,08; 0 ,1 ; 0 ,2 ; 0 ,3 ; 0 ,4 ; 0 ,5 с
(точность
+Ю$)
и тока обратной полярности от 4 до 12 А и дли­
тельности импульсов тока обратной полярности в ’пределах 0 ,0 2 ; 0,03;
0,04; 0,0 6 ; 0,0 8 ; 0 .1 ; 0 ,2 ; 0 ,3 ; 0 ,4 ; 0 ,5 с (точность +10$).
4. Режим ”Д" - сварка постоянным током обратной полярности с
плавной регулировкой тока от 4 до 12 А.
Ток дежурной дуги в режиме "А" - 3+0,5 А, в режиме "Д" 6±0,5 А. Ток основной дуги прямой полярности в непрерывном режиме
при длине дуги 3-6 мм: на I ступени - 2 ,5 -1 0 А +7,5$; на П ступе­
ни - 8-30 А +7,5$.
Ток основной дуги обратной полярности в непрерывном
режиме
при длине дути 2-3 мм - 4-12 А +7,5$. Длина основной дуги
прямой
полярности при токе сварки 2 ,5 А не менее 3 мм. Длина основной ду­
ги обратной полярности при токе сварки 6 А не менее 2 мм.
Для механизированной сварки кроме специализированных аппара тов могут применяться автоматы АДЩ1, АДСВ и другие, серийно изго­
товляемые для автоматической АДС с установкой на них плазменных
горелок (плазмотронов), показанных в табл. I . Могут также исполь­
зоваться механизмы перемещения сварочных тракторов и подвесных го­
ловок после их доработки.
3 .2 . Особенности технологии и техники сварки
Технология микроплазменной сварки различных металлов и спле вов во многом зависит от их физико-химических свойств. Техника
сварки в каждом конкретном случае должна разрабатываться 'с учетом
свойств данного металла или сплава, а также типов соединений
и
конструкции изделия.
Типы сварных соединений. В зависимости от взаимного располо­
жения свариваемых элементов применяют стыковые, угловые и нахлесточные соединения. При микроплазменной сварке стыковые соединения
(рис. 1 0 ,а) применяют для металлов толщиной 0 ,1 -2 ,0 мм.
Разделка
свариваемых кромок для этих толщин не производится. При
сварке
элементов различной толщины на более толстом из них выполняют скос
23
B
I S
a
e zm z& K S ^
s
P ж o . 10. Стыковые соединения: a - одинаковой тол­
щины; б - различно! толщины; в - с отбортовкой кро­
мок; г - о предварительным изгибом нромок
хромок до тодившы меньшего влемента. (рис. 1 0 ,6 ). Для металлов тол­
щине! менее 0 ,2 ш применяется отбортонка хромок (рис. 1 0 ,в ). Свар­
ку стыковых соединений осуществляют в прецизионных 8акюяшх приспо­
соблениях на технологических подкладках о формирующее подкладкой
или б ез н ее, если толщина металла не превышает 0 ,3 ш, качественное
соединение легких металлов толщиной 0 ,2 -0 ,3 мм может быть получено,
волн стыковку осуществлять так, как показано на рис. Ю ,г. Соедине­
ние таким способом способствует удалению окисных пленок из
зоны
сварки.
Ориентировочные размеры стыковых ввов приведены на рис. II.О оновшши конструктивными элементами таких вЬов являются общая толщи­
на вва, нкрива провара в верхнем и никнем основаниях, величина про­
плава н высота усиления.
Угловые соединения (рис. 12) в зависимости от угла расположе вин деталей по форме являются слоговыми и торцевыми. ВЬрокое рас­
пространение при микроплазменной сварке получили соединения впритык
о лоохедуннш разгибанием детали на необходим ! угол.
В иаххесточных соединениях предусматривают проплавление верх­
него и нижнего листов на всю глубину (рис. 13,а ) . Как и при других
опоообех сварки плавлением, микроплазменной сваркой можно такие по­
лучать нахлесточные соединения с злектрозаклепочными и шпоночными
ивмии, заполняемая присадочным металлом (рис. 1 3 ,б ,в ) .
Техника
сварки тавровых ооедквений при микроплазменном сшоообе затрудве на. Тихие ооединевхя оледует заменять отыковнми, угловыми или тор-
24
ш
a
г /л
AU
гц А
<r
Р и с . I I . Р азм ер стыковых швов металла толщиной:
а - 0 ,3 мм;
б - 0 ,5 мм;
в - 1 ,5 мм
цешми. Поскольку при микроплазмеиной сварке объем сварочной ванны
небольшой, то возникают благоприятные возможности получения качест­
венных швов, расположенных в различных пространственных положениях.
Этот процесс значительно упрощается при использовании
импульсного
режима сварки.
Свариа-углеродистых и легирозяншпг сталей, Микроплааменная
сварка этих классов сталей осуществляется, как правило, на постоян­
ном токе прямой полярности в непрерывном и импульсном режимах горе­
ния дуги, и особенности их сварки во многом одинаковы. Однако
при
разработке технологии конкретных изделий следует учитывать свойства
25
Q /Ш Ш
1
4
%
Р и о. 12. Углоше соединения с прямым ( а ) , острым (б),
тупым (в) углом и соединение впритык {г)
■
..
11
Р а е , 13. Нахлйсточные сое;
шиш (б ) , даоночшаш (в
26
—
с угловым ( а ) , точеч-
... .
стали данной марки. Так, ниэкоуглероджстые кипящие стали зачастую
склонны к пористости и з-з а Сохшего содержания водорода в защит­
ной аргоногодородной смеси. Дхя предупреждения этого явления со­
держание водорода в защитном г а зе не должно превышать 3^. Нержа­
веющие стали аустенитного класса вследствие низкой теплопроводнос­
ти и большого коэффициента линейного расширения склонны к деформаци­
ям сварных конструкций .Для борьбы с короблением конструкций микроплаз­
менную сварку нержавеющих сталей необходимо выполнять в жесткой
оснастке. Следует избегать концентрации швов на небольшое участ­
ках, а сборку свариваемых элементов необходимо проводить с мини­
мальными зазорами и превышениями кромок. Ш бранще режимы сварки
должны обеспечивать такие условия нагреве и охлаждения металла,
при которых
ширина зоны термического влияния будет минимальной.
В атом отношении число повторных нагревов металла необходимо огра­
ничивать.
Для сварки металлов на постоянна* токе в непрерывном
режиме
величину сварного тока выбирают пропорционально толщине метадлв.Ва
рис. 1 4 ,а представлены зависимости тока от скорости сварки
при
различной толщине металла. Дхя вахтой толщины металла существует
оптимальная скорость сварки (рис. 1 4 ,6 ). При превышении скорости
сварки увеличивается вероятность образования подрезов. При малых
же скоростях сварки увеличиваются т р и н а швов и величина зоны тер­
мического влияю т.
Я 9г
so
40
го
SO
*r
so
*г
а
4 f во т
&
д?
Ци
а
Р и с . 14. Влияние тоящида металла н а, величину сварочного
тока (а) ж сжорос р . сверки (б)
Методически более сложно выбирать режимы импульсно£ микроллаз.»
меяной сварки ввиду большего количества параметров режшов,чеы ир»;
сварке стационарной дугой.В работе [10] приведена методика выборе- ре­
жимов мнкроплазменной сварки нержавеющей стали. Амплитуда тока
подбирается из условия обеспечения
полного проплавлеяия прм ми­
нимальной ширине шва. При изменении длительности импульса
к
паузы
2^
необходимая для данной толщины детали амплитуда тока
не зависит от абсолютного значения
и
и обуслав­
ливается только жесткостью &-=*
,
Частота следования импульсов ( т .е . длительность импульса при заданной жесткости) выбирается
таким образом, чтобы перекрытие точек Р = 50$. Задаваясь значень­
ями /> , G и скорости сварки
, можно вычислить
пара­
метры импульсного режима ? /7 г 4 х >
^
'
У /п а я :
V e j> (f->-£-)■*-/
r« ’
/=
'■
^
(1~Р)€
“* п »
где
{
;
< £0 *
,
у-с? г ? + * )
’
>
'7°
“ значение J m o s v при
- частота импульсов тока,
= 0,
- ширина шва.
Данную методику можно применять при выборе режимов сварки и
для других металлов малой толщины. В табл. 2 приведены ориентиров
вочные режимы микроплазмеиной сварки некоторых металлов и сплавов
на постоянной токе прямойполярности в непрерывном иимпульсном
режимах.
Сварка титана и его сплавов. Титан и его сплавы отличаются вы­
сокой химической активностью по отношению к атмосферным газам
в
расплавленном и твердой состоянии. Продукты их взаимодействия (ок­
а ю , нитриды и гидриды) сильно охрупчивают металл. Поэтому
при
28
Т а б л и ц а
2
Режимы мнкроплазменной сварки
Свариваемый
материал
Низкоуглеро­
дистая сталь
Сталь
I2XI8HI0
Ф
а>
0,1
0,1
2, 0
3.0
24
20
0,25 6.0
25
Медь
0,08 10
28-30
Никель
0 ,3
Золото
0,35 12
Платина
0,2
18
8
24
22-26
23
Длитель­
ность, с
им­ iay пульс за
Расход
Состав
защитно­ газа,л/мин
го газа
плаз- за­
мооб- щит­
о eg
разу- ного
«й
о о
ощего
лs
S
tf
ок
12 Аргон+3? 0,2
Непрерыв­
ный
водорода
Импульсный 22 Аргон+4% 0,2
0,02 0,02
водорода
Непрерывны! 12 Аргон + 0 ,3
0,5% во­
дорода
Непрерыв­ м
Аргон + 0,2
ный
75% гелий
Непрерыв­
11 Аргон + 0,25
ный
5% водо­
рода
ю
0,25
Непрерыв­
ный
12
0,В
сварке возникает необходимость надежной защиты от окружающей атмос­
феры как расплавленного металла сварочной ванны, так и околошовной
зоны, а также корня и остывающего сварного шва (рис. 1 5 ). В качест­
ве плазмообразующего газа применяют аргон, а защитного - гелий.
Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности в непрерывном
и импульсном режимах. В табл. 3 приведены режимы мнкроплазменной
сварки стыковых соединений титана.
В обеспечении стабильного формирования швов титана и титано­
вых сплавов важную роль играют форма и размеры соединений.
При
сварке толщиной более 0 ,3 мм отбортовка не требуется. Для
толщин
О,1 -0 ,5 мм зазоры и смещение кромок не должны превышать 0 ,2 S .При
сварке стыковых соединений толщиной 0 ,1 -0 ,3 мм необходимо соблю­
дать все параметры режима и, в первую очередь, амплитуду импульса
тока, длительность импульса и паузы.
29
^
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ Ш
№ / ? / / / / '/ / / / / / / / / / / / щ / / / / / / / ± / щ
Р и с . 15. Схема процесса микрошгазмеиной сварки
титана: I - электрод; 2 - плазмообразующий г а з ;
3 - источник питания дежурной дуги; 4 - керами­
ческий наконечник; 5 - защитный г а з ; 6 - приспо­
собление для защиты остаточных участков шва; 7 защитный г а з ; 8 - свариваемое изделие; 9 ис­
точник питания микроплазмы постоянного тока;
10 - защитный г а а ; I I - водоохлакдаемое сопло
Сварка алшиния и его сплавов. Основные особенности, которые
технологии и техники микроплазследует учитывать при разработке
менной сварки алюминия к , его сплавов, заключаются в следующем.
Вследствие пошшенного сродства поверхность металла в исходном
состоянии всегда покрыта слоем тутоплавких окислов, отрицательно
30
Т а б л и ц а
3
Режимы микроплазменной сварки титана
Толщи­ Ток, А Длительность,
на, мм
с
им­
пауза
пульс
Скорость "Расход га за ,
л/мин
сварки,
м/ч
плазмо­ защит­
образу­ ного
ющего
0,06*
0,1
0,2
0,2
0,3
0 ,3
0 ,5
0 ,5
1,0
1,0
9
20
36-60
13 •
30-60
24-48
24-48
13
6-12
10-15
3
5-6
5-8
14
6-10
12-15
12-15
24
25-30
90-100
Примечание.
0,16
0,16
0 ,1 6 '
0,4
<0,08
0,08
—
0,08
—
0,4
0,15
0,15
0,4
0,2
0 ,4 -0 ,5
0 ,5 -0 ,6
0 ,5 -0 ,6
0,4
0 ,7 -0 ,8
0,4
4
4
3-4
5
5-4
5-6
5-6
8 ,5
8,6
8-10
Режим
работы
Непрерывный
п
Импульсный
Непрерывный
Импульсный
Непрерывный
Импульсный
Непрерывный
Импульсный
* - соединение с отбортовкой.
влияющих на процесс сварки и качество соединений. Попадание гидрати­
рованных окислов в сварочную ванну является основной причиной обра­
зования дефектов типа окисных включений и пор. Способы очистки сое­
диняемых кромок алюминия и его сплавов перед сваркой одинаковы для
всех видов сварки и хорошо освещены в литературе [117. Это в пол­
ной мере относится и к подготовке под сварку присадочной проволоки,
В условиях высокотемпературного нагрева происходит дополнительное
окисление поверхности свариваемого металла. Непременным условием
для получения качественных соединений является предупреждение чрез­
мерного окисления металла в процессе сварки путем создания надежной
газовой защиты околошовной зоны и сварочной ванны.
Для разрушения ( очистки) окисных пленок непосредственно в про­
цессе горения дуги при микроплазменной сварке применяется постоян ный ток обратной полярности, переменный ток и сварка разнополярными
импульсами. Так как мощность дуги постоянного тока обратной поляр*
ности значительно меньше, чем мощность дуги прямой полярности,
то
31
этот способ целесообразно применять для толщин металла меньше 0,3мм
При сварке на переменном токе амплитуда и длительность импульса то­
ка обратной полярности должны быть подобраны таким образом,
чтобы
обеспечить разрушение окислов, образовавшихся за время от момента
обработки поверхности металла до сварки и в процессе нее.
Исследованиями [4] установлено, что с увеличением тока прямой
полярности глубина А
и ширина 6
проплавления шва непрерывно
повышаются. Характерно, что при использовании гелия в качестве за­
щитного газа значение А
ж 3
значительно больше, чем
при
сварке в аргоне, а ширина зоны очистки в 1,5 раза меньше. При ис­
следовании влияния коэффициента асимметрии тока
) на про­
цесс разрушения поверхностных окисных пленок обнаружено, что с его
увеличением от I до 3 и более при постоянном значении 7 ^
фор­
мирование шва не ухудшается, а ширина швов в и зоны очистки уменьшатеся для металлов толщиной 0 ,1 -0 ,3 мм. При увеличении
значения
К
до 10 качество очистки поверхности достаточно хорошее. Уве­
личение скорости сварки при постоянной величине тока приводит
к
заметному уменьшению ширины и глубины проплавления. Изменение дли­
ны дуги от 2 до 5 ш не сказывается существенно на стабильности
процесса. Режимы микроплазменной сварки алюминиевых сплавов пере­
менным током и разнополярными импульсами приведены в табл. 4 и 5.
При микроплазменной сварке алюминия и его сплавов применяет­
ся присадочная проволока того же состава, что и свариваемый
ме­
талл.
Т а б л и ц а
4
Режимы микроплазменной сварки на переменном токе
Толщи­
на S,
мм
0,3
0 ,5
1 ,0
1 .5
32
Марка
сплава
У0 7 ’
Д
А5
АМгб
А5
АМгб
А5
АМгб
А5
АМгб
12-15
8-10
22-26
16-18
30-46
30-34
50-60
40-60
>
д
#■
ММ
8-10
6-8
16-18
10-12
22-25
18-22
25-30
20-25
16-18
1,0
Ks>
Расход газа ,
л/мин
M /V
термооб- защит­
оазувщего ного
25-30 0 ,1 5 -0 ,2
2-3
20-432 1 ,0 -1 ,5
22-26 0 ,2 -0 ,2 5
2-3
22-24 1 ,0 -1 ,5
20-24 0 ,2 5 -0 ,3
3-4
22-24 I , 5-2,0
18-24 0 ,3 -0 ,3 5
4-5
Т а б л и ц а
5
Режимы микроплазменной сварки раэнополярными импульсами
Толщи­ Марка
на, S
спла­
мм
ва
0 ,3
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0
У/Г/0 г
/7
А5
10-12
А5
20-25
А5
40-50
АМгб
35-40
А5
70-80
60-70
АМгб
А5
110-130
АМгб
90-110
К *,
ММ W /9
Расход газа
л/мин
плазмооб­ защит­
разующего ного
/7
С
С
8-10
15-20
18-20
16-18
25-30
20-25
30-40
30-35
0,02
0,03
0,04
0,04
0,03
0,04
1,0
1,0
1 .0
25-30
25-30
20-25
0,1 5 -0 ,2
0,2—0,25
0 ,2 5 -0 ,3
2-3
2-3
3-4
0,06
0,06
1 ,5
20-25
0 ,3 -0 ,3 5
3-4
0,08
0,08
1 ,5
15-20
0 ,3 5 -0 ,4
4-5
4. ПРИМШЕНИЕ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ
4 .1 . Сварка тонкостенных труб
Тонкостенные трубы из высоколегарованных нержавеющих сталей
диаметром 5-IO мм и толщиной 0 ,1 5 -0 ,5 мм широко применяют при и зго ­
товлении теплообменных аппаратов, гибких металлических рукавов, из­
мерительных приборов и других конструкций. До освоения микроплазмен­
ной сварки тонкостенные трубы изготовляли бесшовными. Цельностянутые трубы обладают рядом недостатков и, прежде всего, высокой стои­
мостью. Аргонодуговая сварка такого рода изделий не обеспечивает •
стабильного качества соединений. Более эффективной в данном случае
оказалась микроплазменная сварка [ 1 2 ] . Микропдазмеиную сварку про­
изводят на специальных установках с использованием источников пита­
ния A-I255 и МПУ-М, укомплектованных малогабаритными плазмотронами.
Схема процесса микроплазменной сварки |вЬботонкостениых труб приве­
дена на рис. 16.
В горелкодержатель I устанавливают электрически изолированный
от него плазмотрон 2. Заготовку трусь 5 подают в фильере 4 , установ­
ленной в фильеродержателе 6 . Дня уменьшения деформации заготовки в
процессе сварки применяют^ предварительное деформирование кромок
с
33
Рис.
16. Схема процесса микроплазменной сварки тонко­
стенных труб
помощью ролика 3. Зильера в данном случае выполняет функцию не
только калибрующего устройства, но и является микрокамерой,' запол­
ненной аргоном под некоторым избыточным давлением. Такой
прием
обеспечивает высокую эффективность защиты сварного соединения при
незначительных расходах защитного г а з а . Например, при сварке труб
диаметром 8 ,8 мм из ленты толщиной 0,2 мм (сталь I2XI8HI0T) рас­
ход плазмообразующего г а за равен 0,2 л/мин, а защитного
газа
( # z + Ъ%
) - I л/мин. Скорость сварки составляет 70 м/ч при
сварочном токе 6 А. Получаемые микроплазменной сваркой швы харак­
теризуются высокой стабильностью размеров, не имеют
провисаний,
ослаблений и наплывов, характерных для аргонодутовой сварки. Высо­
кая эффективность защиты .сварных соединений при сварке труб с при­
менением фильеры приближает этот процесс к условиям сварки в каме­
ре с контролируемой атмосферой.
Ресурс изделий, изготовленных из сварных труб, увеличивается в
2-3 раза по сравнению с изделиями, наполненными из цельнотянутых
труб и труб, изготовленных аргонодуговой сваркой. При массовом
производстве особотонколистовые трубы в среднем в 10 раз экономич­
нее цельнотянутых бесшовных труб. Дальнейшее повышение эффективнос­
ти применения микроплазменной сварки тонкостенных трубок достигает­
ся за счет использования оборудования, обеспечивающего одновремен­
ную сварку несколькими дугами.
4 .2 . Сварка сильфонных узлов
Основное техническое требование, предъявляемое к силъфонным
узлам, - получение прочноплотных и вакуумно-плотных сварных соеди­
нений с сохранением упругих и антикоррозионных свойств фяльфона.
Для обеспечения необходимой работоспособности сильфояа нагрев его
рабочих частей в процессе сварки не должен превышать 200°С.
На
рис. 17 представлен оптимальный вариант соединения сильфона с де­
талями арматуры. Технологические разработки реализованы на сильфонах из стали I2H8HI0T диаметром от 17 до 72 мм, толщиной
0 ,1 2 С,15 мм. В качестве источника используют установку МПУ-М.
Шкроплазменную сварку сильфона
к стенке производят при вертикальной
оси вращения узла. Оптимальные раз­
меры элементов свариваемых
кромок
представлены ка рис. 18. Удовлетво­
рительные показатели, сварных соеди­
нений получаются при величине притуп­
ления кромки 0,3 .мм, угле
скола
20°
и высоте бортиков не менее I мм.
Существенное влияние на качест­
во сварных соединений оказывает ве­
личина зазора между телом сильфона и
Р к с . 17. Соединение
деталями стенки. Этот зазор не дол­
сильфона с деталям'
жен превышать 0,05 мм. Несоблюдение
арматура
этого требования приводит я несплавяениюкромок, дляустранения ко­
торого требуется повышать
сварочный токисоответственно увеличи-
«J
ZZZXZZZZ2 ZZZH
P a o> J $ . Л о а г о т о а ь п apcw u* | и г v m p k y
f
» / л ivp o i-
а а т ь t f v s e С 'З j.-v -h -h i о : ^ » е ? а х л а . О о с ж п в е о а ^ б а п г о ^ в т п г о с я п а ^ г? *
егм
'а ^ е е т я в cD w ici т а ч . H » ; j w : e r c iu i c цре*'5 я u> i*.(‘ u»« ^ v o "
i..
cto. ' i > 'i'irtcr& »e6oe eee'si’j e e . ? в : ж c.yvp" rot'j'ex'ic’v ;
jjn w * j« <
с и л ь ф * " '»
нкп
.t e c .K C T
eg
а г . 'С Ф к у 0 , 2
О ря с а а р в с с к в д ы и ы х
весбхохла
п р ? д к р л е гА а я
л г о г о т с и
w y e e /rin x
еагку
ага
кесй гоотс
р а в а а х
J g j
ь
$ -9
с
U
w tfp e a jio a rc i и м
вдв
c o v o e w
♦дасроя э р е
r .p w s a c e ? *
o s i 'i m
A;
-с1 * : з е е
j
a
ч .г ч а я г с
еварм П
м ееььс,
ф оввого
п
эт^ь
o ’y i e e
О Д госряяио
р л в
в
его
с и н и е ' 1i i > j
e ? w »
к к -р и а
ала
93 л * .
э ': т с ; .
в
U -t2
п огорели .
п огою аа
с ? б 8в в е е ? ь а
ч /ч .
a a ie c m ;
с в а и ч 'З
i .
с » м '. : л . < с
f jh iio » " - ’
гэ
ш „ |« 'ч
> h i'
m s*
" ю
-
vboo-
ji- r o n c
i‘ j ' « r t n r '
свли глли
tc w © * » .
вв
рвбстигдвсочтосп: п
lie
t
:.w jp io ja ..
C s e j i a * . i j v g ; n > .i » i
* ? / -
аргое,
Я
(б а и ч 4
г г и д с и м а л .и я
ь с о .о и ? т а
яапосрсаетю всо
2 > 2 C B;
iip i« e o e o a o p g in je c » rc ' о
гсвов
w .
у в .с с » б о г о э н х
-
с
гл -ч -
\ . l i 'i
а р п л 'л ц -
3
;
;а ? «
“ ■ • т о н 1 ■ <• <л с п и —
о м ш .
cm pee-ffB B iB '' а а т р у в н е н и я ш а г е » '* ? '»r*i*>pxa г я г ь ф е в в в o tr y 'g 'p v i
х м
)
зяга?вви ю В
раэквиы
« Я в е для y c rc o sa fM
36
11 ш
и ш
!
срсл^чясчкх ч а с ?с З .
п р вао го * *pcwc* с д е з д о е в ix o C m w .iv
л
» “ »1
> iic .ig -
» u b i ? l '‘ к о а г ь к я " ' .р а с . 1 9 ) e о ся а о т т т у , o S e s j c u x a w j i ) w R t e x e e s a r t
о г » я t w a i о т т а » с а л в ф н е . t o » r » r e о н а Л п о ш В уз& д з е ш в г ц
о я р ец ау т е ш : э б р е в о * , т т з в с я р е б о ч м ч аозъ ем л а ф в а
в л у т о я э а р а в м . в ст ы в в н е т у п е е ? K j я е е я в в е д ч п у
Вовы о к н у
адош о4
■ огрове в о
^ аатте
яахедвгоя
м ало
гг:.
2
в в я м х ся а в св арад; эр а г о с я э и г т е л н о
р еете—
ц Е г щ ч Е л a t p * * а в в д л м ъ a « t у г а а в г A S 7 . Г1с ь чхъьвогл с д у т ы х а о л в в А ? ь э е р л я а д ь е о й . в
дгагеаояе
o B o p o c fe ft с в е р я я : , w , o
уховягтеом те»*®
н / « no o r o e р е а ш * * 1с в * е ’ з о а р м е "
пд
си л в ахезв в и э т с у т о п е е гго ж о гев д а т а г а в т е я
Щ * с в е р о ч в ® r o s e IA- г о
Л;
- 1 8 -2 0 В ;
ff
s 2 -4 »*!
д о ­
х о д д д а а ю ф З р о в л ® ^ " а з е ( а р п в в ) р е в е т 0 , 4 .i/ ч о с : j e o o f l а д з п ? н с !ч т е з е
( г е л и я я в а р т с ^ о э о л о р о о е о в с и л с я ) с е в е г 3 - 4 л У ю т , Воли
ц свозр уттал e t c в е я н о г о
у\с&
зо еа о д п в т п тл вввм и г*. «в аря ? го л
д о а 4 0 ° , г о ь е Д ч в н е еевр оч лог^ г ю а и о в * бв тъ у в ел я а а к а
20 А.
во
утI t
Трх в т е х у ы еи ы д е? га > е в р о я т е в о г в м р а е с а а ы в а о р с в ч Л в .
6
* • с , J 5 . К о и т о а м к и е о г н о в © весну а е я Д г к * с о
M jv r w » 'a l i <£дедак о )
'iffji о п т е* »г*?ампдаетяо* лгчверп еялъфмов в ф м в н ■ « c - W * * о х л в я о в г. Праыегоняо о т р в л л е а е е в ш u i y n ■ п н
ч»е 'оээодае? у т ^ с г * ? в кояегруяпп) соелпгеявв, отеалатК я о т а с 37
полнительных теплозащитных колец и существенно снижает тепловложение в околоиовную зону.
4 .3 . Сварка узлов электровакуумных приборов
Сварку узлов большинства электровакуумных приборов необходимо
производить при пониженном давлении окружающей атмосферы, посколь­
ку данные узлы после сварки подвергаются вакуумированию. Качество
таких приборов в значительной мере зависит от постоянства давления
среды внутри прибора в течение продолжительного промежутка време­
ни. Если сварные швы насыщены газом или окислены, то в процессе
эксплуатации давление внутри прибора увеличивается, что
отрица­
тельно сказывается на работоспособности изделия. Например, в
ва­
куумных конденсаторах это приводит к снижению электрической проч­
ности сварных соединений вплоть до выхода их из строя. Микроплаз менная сварка при давлениях среды 10~^ - ТО-3 мм р т .с т . обеспечи­
вает высокое качество соединений. Чистота атмосферы, окружающей
сварочную ванну, в этом случае определяется чистотой плазмообразую­
щего г а з а .
Характерным примером применения микроплазменной сварки в ва­
кууме является ее использование при изготовлении вакуумных конден­
саторов. Схема соединений (рис. 2 0 ), предусматривающая
сочетание
наружных технологических колец с выступом и проточкой на массивном
основании и втулке, обеспечивает оптимальные условия нагрева соеди­
нений деталей, обладающих резко отличающимися теплофизическими
свойствами. При этом технологическое кольцо служит одновременно и
присадочным материалом, способствующим получению вакуумно-плотных
соединений.
При разработке технологии сварки тонкостенных конструкций во
всех случаях предпочтительней использовать автоматическую микроплазменную сварку, обеспечивающую более равномерное Нормирование швов
по сравнению с ручным способом. При этом сборочно-сварочные
уста­
новки для механизированной микроплазменной сварки целесообразно соз­
давать ка базе унифицированных узлов.
Вышеприведенными примерами далеко не ограничиваются основные
области применения микроплазменной сварки. Имеются широкие возмок-
28
%
У У ///Л
]
Р и с . 20. Схема соединения при изготовлении вакуумных
конденсаторов: I - основание,, медь МБ; 2 - технологи­
ческое кольцо, медь МБ; 3 - силъфон, сталь I2XI8HI0T ;
4 - технологическое кольцо, бронза КМцЗ-1; 5 - втулка;
бронза КЙцЗ-1
ностк дальнейшего увеличения объемов использования микроплазменной
технологии, повышения ее эффективности и расширения областей при­
менения в различных отраслях народного хозяйства.
Б и б л и о г р а ф и ч е с к и й
с п и с о к
1. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М.: Машинострое­
ние, 1970. 335 с.
2. Гвоздецкий B.C. О функциях распределения плотности тока в
анодном пятне дуги //Автомат, сварка, 1973. Л 12. С. 20-24.
3. Озерка в машиностроении: Справочник в 4-х т. / Под ред.
Н.А.Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978. Т. I . 504 с.
4 . Мпкроплазменная сварка /Под ред. Б.Е.Патсна. Киев: Маши­
ностроение, IS79. 248 с.
5. Няайдер Б .И ., Почребиский Д.М. Технология микроплазменной
свары: не постоянном токе //Автомат, сварка, 1973. JR 4. С. 47-51.
G. Гвоздецкий B.C. К теории катодных процессов в электричес­
кой дуте //Автомат, сварка, 1969. № I . С. 33-37; № 6. С. 1-4.
39
7. Гвоздецкий B.C. Импульсная микроплазменная сварка на пос­
тоянном и переыешюк токе //Автомат, сварка, IS75. J6 2. С. 39-42.
8. Преображенский В.И., Зимин Е.Н. Силовые кремневые е й н т и л и .
М.: Энергия, T97I. 80 с.
9. Коммутаторы тока тая микроплазменной сварки /Д.А.Дуико к др.
//Автомат, сварка, 1972. If 3. С. 59-61.
10. Выбор режимов микроплазменной сварки /В.С.Гвоздецкий и др.
/'/Автомат, сварка, Т973.
7. С. 48-50.
11. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых
сплавов. М.: Машиностроение, 1972. 264 с.
12. Сварка оооботонкоетеить-х труб /Д.А.Дудко и др. М.: Маши­
ностроение, J977. 128 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................................
1. Физическая сущность микроплазменнойсварки . . . .
1 .1 . Образование плазмы в сварочной дуге .............
1 .2 . Формирование сжатой дути .................................
1 .3 . Характеристики плазменных струй ...................
2 . Способы микроплазменной с в а р к и ..................... ..
2 .1 .
Сварка на'постоянном токе .............................
2 .2 .
Сварка на переменном токе .............................
3. Оборудование и технология микроплазменной
сварки .................................................................................
3 .1 . Аппараты для с в а р к и ............................................
3 .2 . Особенности технологии и техникисварки . .
4. Применение микроплазменной сварки .........................
4 .1 .
Сварка тонкостенных труб ................................
4 .2 . Сварка сильфонных у з л о в ..................................
4 .3 . Сварка узлов электровакуумных приборов . . .
Библиографический список ................................................
3
5
5
7
II
14
14
16
19
19
23
33
33
35
38
39
Гришин
Иван Сергеевич
МИКРОПШМШАЯ СВАРКА
т ш к о л и с т о в ы х КОНСТРУКЦИЙ
Редактор Т.И.К у Э н е ц о в а
Техн.редактор Н.М.К а л е а ю к
Корректор
Н.С.К у п р и я н о в а
Свод. тем. пл. Л 34
Подписано в печать 1 9 .03.91.
Формат 60х841/ 16 , Бумага оберточная белая.
Печать оперативная, У сл .п еч .л .2 »5 5 * У с л /к р .-о т т .,
У ч.-изд.л. 2 ,4 . Тиран 500 эк з. Заказ м i s U . Цена
Куйбншевскив ордена Трудового Красного Знамени
авиационный институт имени академика С.П.Королева.
443086 г . Самара, Московское шоссе, 34.
Типография ям. В.П.Мяги Самарского полиграфического
объединения. 443099 г . Самара, ул. Венцека, 60.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа