СПОСОБ СВАРКИ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГОЙ Российский патент 2008 года по МПК B23K10/02 

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано при сварке плазменной дугой в защитной среде широкого спектра конструкций из активных материалов в различных отраслях промышленности.

Известен способ сварки плазменной дугой на постоянном токе обратной полярности с использованием вольфрамового электрода, при котором в качестве защитной среды используется аргон, подаваемый с постоянными скоростью и расходом (см. статью Астахина В.И. и др. «Применение плазменно-дуговой сварки при производстве криогенного оборудования из алюминиевых сплавов», «Сварочное производство», 1976 г., №4, с.16-17).

Недостатком известного способа является низкая стойкость вольфрамового электрода на повышенных токах, малая проплавляющая способность и связанные с этим значительная ширина шва и малая производительность процесса сварки.

Известен способ сварки плазменной дугой, при котором создают непрерывную пульсацию защитного газового потока по закону синусоидальной волны за счет непрерывного увеличения и уменьшения расхода аргона, который вводится в плазменную дугу, при этом предварительно в свариваемой детали производят сквозное проплавление (отверстие), а затем это отверстие заполняют расплавленным металлом (см. патент США №3324278, кл. 219-137, 15.01.64 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что данный способ не обеспечивает равномерного проплавления при сварке материала толщиной свыше 6,0 мм, а также при сварке деталей в положениях, отличных от нижнего.

Задачей настоящего изобретения является разработка технологии, обеспечивающей повышение качества сварки при одновременном повышении проплавляющей способности (h_пр) плазменной дуги.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе сварки плазменной дугой, согласно которому сварку выполняют в защитной газовой среде с периодическим изменением расхода защитной среды, новым является то, что в качестве защитной среды используют два газа или смеси двух газов, причем в процессе сварки один газ или смесь газов подают в зону сварочного электрода для образования плазменного потока, а другой газ или смесь газов подают к зоне сварки для защиты ее от воздействия внешней среды, при этом в процессе сварки постоянно по закону непрерывной прямоугольной волны осуществляют изменение расхода защитного и/или плазмообразующего газа или смесей газов, в соответствии с соотношением: Q_min:Q_max=1:n (где n=4...10) и/или Q_min′:Q_max′=1:n′ (где n′=2...5), где:

Q_min - минимальный расход защитного газа;

Q_max - максимальный расход защитного газа;

Q_min′ - минимальный расход плазмообразующего газа;

Q_max′ - максимальный расход плазмообразующего газа,

причем процесс сварки может осуществляться при постоянном расходе плазмообразующего газа или защитного газа, или в процессе сварки синхронно изменяют расход защитного и плазмообразующего газов, причем в течение времени максимального расхода подачи защитного газа осуществляют минимальный расход плазмообразующего газа, и наоборот или процессе сварки синхронно изменяют расход защитного и плазмообразующего газов, причем в течение времени максимального расхода подачи защитного газа осуществляют максимальный расход плазмообразующего газа, и наоборот.

При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленному, а следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Сущность заявленного изобретения не следует явным образом из уровня техники, а следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых:

на фиг.1 - установка для сварки плазменной дугой (реализации способа);

на фиг.2-5 - графики изменения расхода газа (Q^л/мин) от времени (t) в защитном (а) и плазмообразующем (б) потоках.

Установка для сварки плазменной дугой выполнена в виде двух газовых баллонов 1 и 2, каждый из которых своей магистралью 3 соединен со своим устройством 4 импульсной подачи газа. Устройство 4 импульсной подачи газа, соединенное с баллоном 1, магистралью 5 соединено с плазмообразующим каналом 6, а второе устройство 4 импульсной подачи газа, соединенное с баллоном 1, магистралью 7 соединено с каналом 8 газовой защиты зоны сварки (защитным каналом). В канале 6 установлен электрод 9 для сварки деталей 10. Система также включает источник питания 11.

Сварка осуществляется плазменной дугой 12, истекающей от электрода 9 через отверстие 13 сварочного устройства, защищенной от воздействия внешней среды защитным газовым потоком 14.

Все конструктивные элементы, блоки и агрегаты, используемые в установке для сварки плазменной дугой, являются известными, они не составляют предмета патентной охраны и поэтому в материалах настоящей заявки не раскрыты.

Способ сварки плазменной дугой осуществляют следующим образом.

Для обеспечения сварки деталей 10 включают источник питания 11 и осуществляют подачу газов или их смесей из баллонов 1 и 2 по магистралям 3 через устройства 4 импульсной подачи газа и магистрали 5 и 7 в плазмообразующий канал 6 и канал 8 газовой защиты зоны сварки и плазменной дуги 12, истекающей с электрода 9 на свариваемые детали 10 для их неразъемного соединения.

Пульсация газа осуществляется изменением его расхода (за счет работы устройств 4) в защитном и плазмообразующем каналах. При отключенном устройстве импульсной подачи газа через него осуществляется подача газа с постоянным расходом.

При отключенном устройстве 4, связанном с баллоном 1, производится пульсация газа в канале 8 газовой защиты и его подача с постоянным расходом в канале 6 (фиг.2).

При отключенном устройстве 4, связанном с баллоном 2, производится пульсация газа в плазмообразующем канале 6 и его подача с постоянным расходом в канале 8 (фиг.3).

При включенных устройствах 4, связанных с баллонами 1 и 2, производится пульсация газа в каналах 6 и 8 (фиг.4 и 5).

Пульсация газового потока, осуществляемая по закону непрерывной прямоугольной волны в защитном канале приводит к увеличению глубины проплавления и уменьшению ширины шва при соотношении минимального (Q_min) и максимального (Q_max) расходов при их соотношениях: Q_min:Q_max=1:n, где n=4...10.

Пульсация газового потока в плазмообразующем канале в виде непрерывной волны прямоугольной формы способствует дополнительному увеличению глубины проплавления при соотношении минимального (Q_min′) и максимального (Q_max′) расходов: Q_min′:Q_max′=1:n′ (где n′=2...5).

Увеличение проплавляющей способности плазменной дуги происходит и при синхронной пульсации в виде непрерывной волны прямоугольной формы плазмообразующего и защитного потоков, причем в моменты максимального расхода газа в защитном потоке расход газа в плазмообразующем потоке минимален и наоборот, а изменения минимальных и максимальных расходов подчиняются соотношениям: Q_min:Q_max=1:n (где n=4...10) и Q_min′:Q_max′=1:n′ (где n′=2...5).

Наибольшего увеличения проплавляющей способности плазменной дуги достигают при пульсации в виде непрерывной волны прямоугольной формы плазмообразующего и защитного потоков, причем в моменты максимального расхода газа в газозащитном потоке расход газа в плазмообразующем потоке так же максимальный, а в моменты минимального расхода газа в газозащитном потоке в плазмообразующем потоке расход газа так же минимальный, а изменение минимальных и максимальных значений расходов газа подчиняется соотношениям:

Q_min:Q_max=1:n (где n=4...10) иQ_min′:Q_max′=1:n′ (где n′=2...5).

Конкретный режим подачи газов или их смесей задают исходя из конкретных требований к свариваемому изделию.

Интервалы значений расхода газа, приведенные в заявке, установлены экспериментально.

Пример выполнения способа

Выполняли сварку плазменной дугой на образцах из алюминиевого сплава 1201 толщиной 20,0 мм. В качестве источника питания дуги использовали источник ТИР-315. Ток сварки составлял 105 А, скорость сварки 15 ^м/_час. В качестве защитных газов использовались аргон и смесь 70% Ar + 30% Не. В способе могут быть использованы газы или их смеси, традиционно используемые при сварке. Период полуволны при пульсирующей подаче газа составлял 0,4 сек. Остальные параметры режима представлены в таблице.

При сварке на режимах по п.3, 4, 7, 8, 12, 13, 14, 20, 21, 24, 25, 29, 30, 31 (таблица) соблюдались соотношения минимальных и максимальных расходов газов в защитном и плазмообразующем потоках в пределах Q_min:Q_max=4...10 и Q_min′:Q_max′=2...5.

Это позволило повысить стабильность плазменной дуги и увеличить ее проплавляющую способность, повысив тем самым качество сварки.

Таблица№№Вид защитного газаРасход газов, л/минQ_max/Q_minQ_max′/Q_min′РезультатыВ плазмообразующем потокеВ защитном потокеQ_min′Q_max′Q_minQ_max1234567891.Ar3,63,6121211Неравномерная глубина        проплавления h_пр=5,0...5,5 мм2.┤├3,63,63931Неравномерная глубина        проплавления h_пр=5,0...5,5 мм3.┤├3,63,62,49,641h_пр=5,5...5,84.┤├3,63,61,210,891h_пр=6,0...6,l5.┤├3,63,61,111,910,81Нарушение защитного сварного шва6.┤├0,53,1121215,2Неравномерное формирование шва h_пр=5,6...6,0 мм7.┤├0,63,0121215,0h_пр=6,0...6,1 mm8.┤├1,22,4121212,0h_пр=5,9...6,0 мм9.┤├1,32,3121211,8Неравномерная глубина ┤├      проплавления h_пр=5,0...5,6 мм10.┤├1,32,32,49,641,8Неравномерная глубина        проплавления h_пр=6,6...7,5 мм11.┤├1,32,31,210,891,8Неравномерная глубина        проплавления h_пр=7,0...7,9 мм12.┤├1,22,42,49,642h_пр=7,5...7,6 мм13.┤├1,22,41,210,892h_пр=7,7...7,9 мм14.┤├0,63,02,49,645h_пр=8,3...8,4 мм15.┤├0,53,12,49,645,2Неравномерная глубина        проплавления h_пр=7,8...8,5 мм16.┤├0,63,03935Неравномерная глубина проплавления h_пр=7,6...8,3 мм17.┤├0,63,01,111,910,85Неравномерная глубина проплавления h_пр=7,9...8,5 мм18.┤├4,04,0121211Неравномерная глубина проплавления h_пр=5,5...6,4 мм19.┤├4,04,03931Неравномерная глубина проплавления h_пр=5,7...6,6 мм20.┤├4,04,02,49,641h_пр=5,9...6,0 мм21.┤├4,04,01,210,891h_пр=6,3...6,4 мм22.┤├4,04,01,111,910,81Нарушение защиты сварного шва23.┤├3,43,4121215,7Неравномерное формирование шва h_пр=5,8...6,3 мм24.┤├3,33,3121214,7h_пр=6,3...6,4 мм25.┤├1,32,7121212,1h_пр=6,2...6,3 мм26.┤├1,42,6121211,8Неравномерная глубина проплавления h_пр=5,9...6,6 мм27.┤├1,42,62,49,641,8Неравномерная глубина проплавления h_пр=7,1...7,9 мм28.┤├1,42,61,210,891,8Неравномерная глубина проплавления h_пр=7,5...8,5 мм29.┤├1,32,72,49,642,1h_пр=8,3...8,4 мм30.┤├1,32,71,210,892,1h_пр=8,5...8,6 мм31.┤├0,73,32,49,644,7h_пр=8,7...8,8 мм32.┤├0,63,42,49,645,7Неравномерная глубина проплавления h_пр=8,1...8,8 мм33.┤├0,73,31,111,910,84,7Неравномерная глубина проплавления34.┤├0,73,33934,7h_пр=8,2...8,9 ммНеравномерная глубина проплавления h_пр=8,0...8,7 мм

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано при сварке плазменной дугой в защитной среде широкого спектра конструкций из активных материалов в различных отраслях промышленности. Сварку плазменной дугой выполняют в защитной газовой среде. В качестве защитного и плазмообразующего газов используют один газ или смеси двух газов. Импульсную подачу газов в процессе сварки осуществляют постоянно по закону непрерывной прямоугольной волны, изменяя расход защитного и/или плазмообразующего газа или смесей газов в соответствии с соотношениями: Q_min:Q_max=1:n при n=4...10 и/или Q_min':Q_max'=1:n' при n'=2...5, где Q_min - минимальный расход защитного газа; Q_max - максимальный расход защитного газа; Q_min' - минимальный расход плазмообразующего газа; Q_max' - максимальный расход плазмообразующего газа. В результате повышается стабильность плазменной дуги и увеличивается ее проплавляющая способность и соответственно повышается качество сварки. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ сварки плазменной дугой, включающий импульсную подачу газа в процессе сварки в зону сварочного электрода для образования плазменного потока и к зоне сварки для защиты ее от воздействия внешней среды, отличающийся тем, что в качестве защитного и плазмообразующего газа используют один газ или смесь двух газов, при этом импульсную подачу газа в процессе сварки осуществляют, изменяя расход защитного и/или плазмообразующего газа или смесей газов постоянно по закону непрерывной прямоугольной волны, в соответствии с соотношениями: Q_min:Q_max=1:n при n=4...10 и/или Q_min':Q_max'=1:n' при n'=2...5, где Q_min - минимальный расход защитного газа; Q_max - максимальный расход защитного газа; Q_min' - минимальный расход плазмообразующего газа; Q_max' - максимальный расход плазмообразующего газа.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе сварки изменяют расход защитного газа при постоянном расходе плазмообразующего газа.3. Способ сварки по п.1, отличающийся тем, что в процессе сварки изменяют расход плазмообразующего газа при постоянном расходе защитного газа.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе сварки синхронно изменяют расход защитного и плазмообразующего газов, причем в течение времени максимального расхода подачи защитного газа осуществляют минимальный расход плазмообразующего газа, и наоборот.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе сварки синхронно изменяют расход защитного и плазмообразующего газов, причем в течение времени максимального расхода подачи защитного газа осуществляют максимальный расход плазмообразующего газа, и наоборот.