Министерство науки и образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский политехнический университет»
(МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХ)
Кафедра «Материаловедение»
Доклад на тему:
«Плазменная сварка и резка»
Кротков Вячеслав
151-112
Москва, 2017
ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА
Работа со сварочным плазменным аппаратом подразумевает резку и сварку любых металлов — сталь, алюминий и их сплавы. Технология плазменной сварки безопасна и надёжна.
Плазменная сварка и резка металла – это процесс, при котором происходит локальное расплавление металла плазменным потоком. Этот поток плазмы генерируется высокоскоростной сжатой дугой, вытекающей из плазмотрона, температура дуги составляет 5000-30000. Газ, обдувающий дугу, нагревается, и происходит его ионизация. Дальше заряженные частицы газа преобразуются в плазменный поток и выдуваются соплом плазмотрона.
Разработанная технология плазменной сварки очень похожа на аргонную сварку. Обозначается сварка плазменной дугой, как PAW – PlasmaArcWelding. Плазма – это нейтральный газ, ионизированный полностью или частично, и состоящий из заряженных электронов и ионов, а также нейтральных молекул и атомов. Обычная сварочная дуга (при аргонной сварке) не может быть отнесена к плазменной, так как рабочая температура такой дуги намного ниже – 5000-70000.
ПОЧЕМУ ТАК ПОПУЛЯРНА
Из всех видов обработки металлов плазменно-дуговая сварка наиболее распространена из-за того, что в современной тяжёлой промышленности стали широко применяться нержавеющие стали, специальные сплавы, цветные металлы и сплавы цветных металлов, а для таких материалов газовая и другие виды обработки малоэффективны.
Современный аппарат плазменной резки и сварки может обеспечить более эффективную работу по сравнению с обычными сварочными аппаратами при обработке цветных и чёрных металлов.
КАК РАБОТАЕТ ПЛАЗМЕННЫЙ СВАРОЧНЫЙ АППАРАТ?
Плазма образуется при электрических разрядах в газах или при нагреве газа до температуры, достаточно высокой для протекания интенсивной термической ионизации (10000–20000 °С). Она отличается от обычного газа рядом качественных особенностей, позволяющих считать ее особым, «четвертым» состоянием вещества (после жидкого, твердого и газообразного).
Для сварки плазму получают в виде плазменной струи, пропуская газ через столб сжатой дуги в плазменных горелках. Различают плазменную струю, выделенную из дуги (рис. 17.7а), и плазменную дугу, совмещенную с плазменной струей (рис. 17.7б). Плазменная дуга представляет собой дуговой разряд между нагреваемым или расплавляемым телом (анодом) и катодом электродугового плазмотрона.
Рис. 17.7. Схемы получения плазменной струи, выделенной из дуги (а), и плазменной дуги, совмещенной с плазменной струей: 1 – дуга, 2 – вольфрамовый электрод, 3 – керамическая прокладка, 4 – корпус горелки, 5 – сопло, 6 – плазменная струя, 7 – заготовка
В горелках для получения плазменной струи дуга 1 горит между вольфрамовым электродом 2 и соплом 5, к которому подключен положительный полюс источника тока (рис. 17.7а). Электрод изолирован от корпуса горелки керамической прокладкой 3. Сопло интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит ярко светящаяся плазменная струя 6. Горелка питается постоянным током прямой полярности от источников с падающей характеристикой. Дугу зажигают с помощью осциллятора.
Недостаток плазменной сварки (резки) заключается в недолговечности горелок из-за высокой температуры.
Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, характеризующийся очень высокой температурой и относительно небольшой тепловой мощностью. Распределение температуры в свариваемой детали качественно соответствует функции точечного источника тепла при очень малых значениях времени выравнивания 
. При этом температура плавления достигается очень близко к поверхности и в тонких слоях поверхностного слоя сосредотачивается тепловая энергия, достаточная для расплавления материала. Поэтому плазменную струю можно применять для сварки (или резки) очень тонких металлических листов и неэлектропроводных (нетеплопроводных) материалов, а также для напыления тугоплавких материалов на поверхность заготовки.
Плазменная дуга (рис. 17.7б) горит между электродом и заготовкой 7. Для облегчения зажигания дуги вначале возбуждается маломощная вспомогательная дуга между электродом и соплом. Для этого к соплу подключен токопровод от положительного полюса источника тока. При прикосновении плазменной струи заготовки зажигается основная дуга, а вспомогательная выключается.
Из-за относительно больших тепловых потоков в деталь при равных мощностях производительность плазменной сварки меньше, чем при электрической дуговой сварке (рис. 17.8).
Рис. 17.8. Баланс тепловых потоков при плазменной сварке стальной заготовки при токе I = 10 A, U = 20 В, ширина фаски сварного шва f = 1 мм
Однако для плазменной сварки характерно применение малых мощностей, что дает ей преимущество при выполнении сложных технологических работ с мелкими деталями из тугоплавких металлов.
Плазменная дуга обладает большей тепловой мощностью в сравнении с плазменной струей. Ее используют для сварки и резки тугоплавких (титана, никеля, молибдена, вольфрама), а также для резки цветных металлов, характеризующихся высокой теплопроводностью (меди, алюминия).
Благодаря этому температурное поле концентрируется вблизи источника, уменьшается тепловое влияние дуги на свариваемый металл, повышается КПД источника сварки, увеличивается проплавляющая способность, расширяются технологические возможности. Плазменной дугой (струей) можно сваривать металл до 10 мм без разделки кромок и применения присадочного материала.
Плазменная дуга обладает высокой стабильностью горения. Она позволяет сваривать очень тонкие листы металла (0,025–0,8 мм) на малых токах 0,5–10 А.
В отличие от автоматической сварки под флюсом, где основная доля мощности затрачивалась на плавление электрода, при плазменной сварке почти вся мощность отводится в виде теплового потока в деталь.
Высокая температура плазменной струи позволяет легко плавить металл, но иногда она слишком высока для сварки. Увеличивая ток и расход газа, можно осуществлять плазменную резку расплавлением. При резке плазменной дугой металл выплавляется из полости реза направленным потоком плазмы, совпадающим с токоведущим столбом создающей его дуги прямого действия. Этим способом разрезают толстые (до 80–120 мм) листы алюминия и его сплавов, медные сплавы, высоколегированную сталь.
Плазменной струей, полученной в столбе дугового разряда независимой дуги, разрезают неэлектропроводные материалы (например, керамику), тонкие стальные листы, алюминиевые и медные сплавы, жаропрочные сплавы.
Скорость резки плазменной дугой выше, чем плазменной струей.