СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1998 года по МПК B23K10/02 

Изобретение относится к электродуговым плазменным способам сварки металлов и может быть использовано в машиностроении, автомобилестроении, строительстве и многих других отраслях.

В практике получил широкое применение способ электродуговой плазменной сварки металлов с использованием так называемой "сжатой дуги" [3]. Сущность его заключается в том, что дуговой разряд горит в струе инертного газа между катодом плазменной горелки плазмотрона и обрабатываемым изделием - анодом, а его диаметр ограничен каналом сопла горелки. Поскольку непосредственное возбуждение дуги между электродом и изделием через узкий канал сопла затруднено, вначале возбуждается дежурная дуга между электродом и соплом-анодом горелки и подводится инертный газ.

Под действием давления этот газ выходит через отверстие сопла-анода и за счет обжатия дежурной дуги образует плазменную струю. Как только плазменная струя достигает изделия, возбуждается основная дуга. При этом дежурная дуга может продолжать гореть, стабилизируя основную дугу на малых токах. Регулируя расход плазмообразующего газа, изменяют давление на жидкий металл ванны, это изменяет глубину проплавления изделия - анода.

Указанный известный способ позволяет получить качественные сварные соединения, однако наличие внешнего источника инертного газа создает эксплуатационные неудобства при применении этого способа, так при кипении металла в процессе сварки выделяются в окружающую среду газообразные и твердые в виде мельчайшей пыли фракции металла и его примесей (возникает так называемая "вторичная эмиссия металла"). Газ, образующий плазменную струю, поднимает их, образуя облако "грязи", ухудшая тем самым как условия работы персонала, так и в целом экологические параметры окружающей среды.

Кроме того, высокая стоимость производства инертного газа и значительные расходы по заправке баллонов и их доставке существенно ограничивают возможности использования описанного способа плазменной сварки.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков известного способа.

Сущность предлагаемого способа плазменной сварки металлов прямой электрической дугой заключается в использовании в качестве плазмообразующей среды водяного пара, при этом обязательной является прямая полярность основной электрической дуги. Пар может образовываться непосредственно в горелке за счет тепловой энергии, выделяемой дежурной дугой. Регулирование плазменной струи в зависимости от потребной глубины проплавления металла может осуществляться путем изменения тока дежурной дуги.

Известны плазменные горелки, в которых плазмообразующей средой является водяной пар, вырабатываемый непосредственно в горелке за счет испарения воды или другой жидкости под действием высоких температур электродов [2]. Однако для сварки металлов прямой электрической дугой между катодом горелки и изделием эти горелки не применялись.

Известно, что носителями тока в дуге являются, в основном, электроны (Эсибян Э.М. Плазменно-сварочная аппаратура, с. 6-9), а ионы кислорода, содержащиеся в парах воды, попадающие на свариваемый металл под действием кинетической энергии плазменного потока, вызывают окисление и разрушение его (так называемое "горение металла").

Известно также, что использование прямой дуги при обработке металла обусловлено повышенным КПД этого способа, так как при этом к энергии плазменной струи добавляется энергия дуги, возникающей между электродом горелки и металлом.

В предлагаемом способе при горении основной дуги на прямой полярности, т.е. при положительном потенциале на обрабатываемом металле, возникает поле, отталкивающее положительно заряженные ионы. Именно этот эффект предотвращает окисление и разрушение металлы и делает возможной сварку. Для уменьшения кинетической энергии плазменного потока уменьшают давление в разрядной камере, в том числе за счет уменьшения тока косвенной дуги.

Помимо вышеописанного эффекта, способ обеспечивает еще и уменьшение опасности выдувания "сварной ванночки", поскольку требует меньшей скорости энергетического потока при тех же внешних затратах энергии, так как энтальпия водяного пара выше энтальпии обычно используемых для сварки инертных газов.

Кроме того, применение в качестве плазмообразующего газа водяного пара позволяет повысить экологическую чистоту работы таким способом, поскольку пар, конденсируясь на газообразных и твердых фракциях металла и его примесей, связывает их за счет сил поверхностного натяжения пленки воды и осаждает последние на поверхности в ограниченной зоне вблизи рабочего места сварщика.

Пример. На чертеже схематично изображено устройство для осуществления способа сварки согласно изобретению. Это устройство состоит из плазменной горелки, включающей катод 1, сопло-анод 2 с каналами для плазмообразующей среды, резервуар 3, заполненный влаговпитывающим материалом, источника 4 питания дежурной дуги, источника 5 питания прямой дуги, регулятора 6 тока дежурной дуги. Горелка снабжена электроизоляционной герметизирующей крышкой 7. В качестве влаговпитывающего материала может быть использована каолиновая вата, углеткань или углевойлок.

Устройство работает следующим образом.

Открывают патрубок 10 резервуара 3 и заливают в него воду. Закрывают патрубок резервуара 3, от источника питания дежурной дуги 4 подают напряжение между катодом 1 и соплом-анодом 2.

Поджигают дежурную дугу, например путем возвратно-поступательного перемещения катода 1, до соприкосновения с соплом-анодом 2. Тепловая энергия, выделяемая дежурной дугой на сопле-аноде 2, испаряет воду, находящуюся в резервуаре 3. Образовавшиеся пары воды поступают в разрядную камеру через каналы сопла-анода 2 и выходят через его центральное отверстие, вытягивая при этом электродуговой столб. Водяной пар за счет обжатия в отверстии сопла-анода 2 электродугового столба нагревается до высоких температур и переходит в плазменное состояние, образуя на выходе сопла-анода 2 плазменную струю.

После выхода горелки на установившийся температурный режим подают напряжение от источника питания прямой дуги 5 между катодом 1 и свариваемым металлом 8. Направляют плазменную струю дежурной дуги на место сварки и уменьшают расстояние между соплом-анодом и свариваемым металлом до возникновения прямой дуги между катодом 1 и свариваемым металлом 8.

Возникающая прямая дуга, стабилизированная в пространстве плазменной струей дежурной дуги, осуществляет сварку металла путем его плавления. Глубину плавления металла и степень стабилизации прямой дуги изменяют с помощью регулятора тока дежурной дуги 6. 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 9 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 поверхность металла сварочную ванну.

Образец устройства, выполненный по схеме, изображенной на чертеже, при проведении перечисленных выше операций в оговоренной последовательности при токе дежурной дуги 3-4 А и при токе прямой дуги 7-10 А обеспечивал сварку стальных конструкций с толщиной листа 4-5 мм, при этом глубина проплавления составляет 3-4 мм.

Способ плазменной сварки металлов может найти применение в машиностроении. Плазменную сварку металлов ведут на прямой полярности прямой электрической дугой. В качестве плазмообразующей среды применяют водяной пар, образующийся непосредственно в горелке за счет тепловой энергии, выделяемой дежурной дугой на сопле-аноде. Регулирование образовавшейся плазменной струи осуществляют путем изменения тока дежурной дуги. Данный способ позволяет обеспечить экологические параметры окружающей среды и снизить стоимость производства за счет использования водяного пара в качестве плазмообразующего газа. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ электродуговой плазменной сварки металлов, включающий поджигание дежурной электрической дуги между электродом и соплом-анодом плазменной горелки, подвод к зоне горения указанной дежурной дуги плазмообразующей среды, обжатие дежурной дуги указанной плазмообразующей средой в сопле-аноде горелки и получение при этом плазменной струи, создание основной электрической дуги между электродом плазменной горелки и свариваемым металлом, стабилизацию основной электрической дуги указанной плазменной струей, плавление металла указанной стабилизированной основной электрической дугой, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующей среды используют водяной пар, а сварку металлов ведут на прямой полярности основной электрической дуги. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующей среды используют водяной пар, вырабатываемый непосредственно в плазменной горелке за счет тепловой энергии, выделяемой дежурной дугой. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что плазменную струю регулируют изменением величины тока дежурной дуги.