СПОСОБ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1998 года по МПК B23K10/02 

Настоящее изобретение относится к способам плазменно-дуговой сварки металлов и может быть использовано в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности.

Известны способы плазменно-дуговой сварки металлов сжатой дугой косвенного действия, в которых плавление металла производится плазменной струей [1, 2]. Известны способы сварки металлов сжатой дугой прямого действия, возбуждаемой между электродами плазмотрона и обрабатываемым изделием [3, 4].

Упомянутые способы предусматривают образование плазменной струи путем обжатия дугового разряда инертным газом. Они позволяют получить качественные сварные соединения, однако наличие внешнего источника инертного газа создает эксплуатационные неудобства, а высокая стоимость производства инертного газа и значительные расходы по заправке баллонов существенно ограничивают возможности использования. К тому же при обработке легкоокисляющихся металлов необходимо помимо плазмообразующего газа подавать в плазмотрон и защитный [5].

Известны плазменные горелки (плазмотроны), в которых для создания плазменной струи используют водяной пар, подводимый от специального парогенератора или вырабатываемый непосредственно в горелке путем испарения жидкости за счет тепла, выделяемого электродами [6]. Последняя из упомянутых плазменных горелок наиболее экономична и проста в эксплуатации, однако использование ее для сварки затруднено из-за интенсивного окисления металла, вызываемого присутствием в плазменной струе паров воды, а также молекул и атомов кислорода.

Изобретение направлено на решение задачи создания способа плазменно-дуговой сварки металлов с использованием пара в качестве плазмообразующей среды, обеспечивающего высокое качество сварных соединений, путем снижения окисляющих свойств плазменной струи.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе плазменно-дуговой сварки металлов сжатой дугой прямого или косвенного действия, включающем обжатие дуги плазмообразующей средой с получением плазменной струи, в качестве плазмообразующей среды используют пары жидкости, содержащей воду с добавлением органического растворителя в виде кислородсодержащих соединений углеводородов, обладающих способностью предотвращать вступление атомов и молекул кислорода, содержащихся в парах, в окислительную реакцию с обрабатываемым металлом.

Экспериментально показано, что наилучший результат дает использование в качестве добавок к воде спиртов, а оптимальным с точки зрения энергетики и прочности сварного шва является содержание их в парообразующей жидкости в пределах 30-50%. При уменьшении содержания спиртов в смеси ниже нижнего предела увеличивается присутствие окалины в сварном соединении, что в свою очередь снижает его прочностные характеристики. При превышении содержания спиртов в смеси 50% понижается смешиваемость органического растворителя с водой, что приводит к расслоению смеси и неравномерному ее испарению. К тому же при этом падает энтальпия пара, что с свою очередь понижает температуру плазменной струи. Наилучший результат дало использование для сварки плазменной горелки, в которой плазмообразующий пар получен из наиболее распространенной в быту жидкости, содержащей 60% воды и 40% этилового спирта.

Парообразование может быть произведено непосредственно в плазменной горелке путем испарения жидкости, заполняющей специальный резервуар, за счет тепловой энергии, выделяемой горящей дугой на электродах горелки.

Осуществление заявленного способа плазменно-дуговой сварки возможно посредством плазмотронов как косвенного действия, при котором тепловая энергия передается обрабатываемому изделию непосредственно плазменной струей, выходящей из сопла-анода горелки, так и посредством плазмотронов прямого действия, в которых воздействие на изделие производится дугой, стабилизированной плазменной струей. Во втором случае для плавления металла используется не только энергия плазменной струи, но и энергия электрической дуги, что существенно улучшает энергетические характеристики способа.

На фиг. 1 схематично изображено устройство, осуществляющее сварку металлов дугой косвенного действия. Оно состоит из плазменной горелки (плазмотрона), включающей катод 1, сопло-анод 2 с каналами для плазмообразующей среды, заполненный влаговпитывающим материалом резервуар 3 с патрубком 4, электроизоляционную крышку 5, а также источник питания 6 с регулятором тока 7. В качестве влаговпитывающего материала могут быть использованы каолиновая вата, стекловата, стеклоткань, углеткань, углевойлок, а в качестве парообразующей жидкости, например, смесь воды со спиртом или ацетоном.

Сварку производят следующим образом.

Открывают патрубок 4 резервуара 3 и заливают в него упомянутую выше жидкость. Закрывают патрубок, от источника питания подают напряжение между катодом и соплом-анодом. Поджигают дугу, например, путем возвратно-поступательного перемещения катода до соприкосновения с соплом-анодом. Тепловая энергия, выделяемая горящей дугой на сопле-аноде и катоде, испаряет жидкость, находящуюся в резервуаре 3. Образовавшиеся пары поступают в разрядную камеру по каналам сопла-анода и выходят через его центральное отверстие, вытягивая при этом электродуговой столб. Пар за счет обжатия в отверстии сопла-анода электродугового столба нагревается до высоких температур и переходит в плазменное состояние, образуя на выходе сопла-анода плазменную струю. Струю направляют на место сварки и доводят металл до плавления. Ток дуги изменяют посредством регулятора 7.

На фиг. 2 схематически представлено устройство, посредством которого осуществляется сварка дугой прямого действия. Оно также состоит из плазменной горелки, включающей катод 1, сопло-анод 2 с каналами для плазмообразующей среды, заполненный влаговпитывающим материалом резервуар 3 с патрубком 4, электроизоляционную крышку 5, источника питания 6 с регулятором тока 7, а также второго источника питания 9, подключенного между катодом 1 и свариваемым металлом 8.

Сварку производят следующим образом.

Формируют на выходе сопла-анода 2 плазменную струю, произведя описанные выше операции. После выхода горелки на установившийся температурный режим подают напряжение от второго источника питания 9 между катодом 1 и свариваемым металлом 8. Направляют плазменную струю на место сварки и уменьшают расстояние между соплом-анодом и свариваемым металлом до возникновения прямой дуги между ними, осуществляют плавление металла. Глубину плавления изменяют, изменяя ток первой дуги регулятором 7. Положение регулятора выбирают таким образом, чтобы, с одной стороны, предотвратить выдувание жидкого металла из сварочной ванны, а, с другой стороны, обеспечить устойчивую стабилизацию положения прямой дуги.

В случае использования присадочного материала 10 его электрически соединяют со свариваемым металлом и вводят по мере необходимости в плазменный поток, где он расплавляется под действием прямой дуги и заполняет образовавшуюся на поверхности металла сварочную ванну.

Образцы устройств, схемы которых приведены на фиг. 1 и 2, при проведении перечисленных выше операций в оговоренной последовательности, составляющих сущность заявленного способа, обеспечивали сварку стальных конструкций с толщиной листа 3-5 мм, при глубине проплавления 3-4 мм.

Способ плазменно-дуговой сварки металлов может быть использован в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности. Плазменно-дуговую сварку металлов выполняют сжатой дугой прямого или косвенного действия. В качестве плазмообразующей среды используют пары жидкости, содержащей воду с добавлением органического растворителя в виде кислородсодержащих соединений углеводородов. В качестве органического растворителя может быть применен спирт. Парообразование осуществляют непосредственно в плазменной горелке. 3 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Способ плазменно-дуговой сварки металлов сжатой дугой прямого или косвенного действия, включающий обжатие дуги плазмообразующей средой с получением плазменной струи, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующей среды используют пары жидкости, содержащей воду с добавлением органического растворителя в виде кислородсодержащих соединений углеводородов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют спирты. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержание спиртов в жидкости составляет 30 50%
4. Способ по п. 1 или 3, отличающийся тем, что парообразование осуществляют непосредственно в плазмотроне.