СПОСОБ СВАРКИ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГОЙ Российский патент 2009 года по МПК B23K10/02 

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано при сварке плазменной дугой в среде защитных газов 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 газовой 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 обусловленные 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 вводят 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 стабильного качества сварных швов и равномерного проплавления при сварке материала толщиной свыше 6,0 мм, а также при сварке деталей в положениях, отличных от нижнего (вертикальном, потолочном).

Задачей настоящего изобретения является разработка технологии, обеспечивающей повышение качества сварки при одновременном повышении проплавляющей способности (h_пр) плазменной дуги, а также обеспечивающей проведение сварки при не только нижнем положении свариваемых деталей, но и при вертикальном и потолочном.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе сварки плазменной дугой, согласно которому в зону плазменной дуги непрерывно подают поток плазмообразующей газовой среды, новым является то, что в зону сварки дополнительно непрерывно подают поток газовой среды для защиты зоны сварки от воздействия внешней среды, причем подачу плазмообразующей и/или защитной газовой среды осуществляют с периодическим изменением расхода плазмообразующей и/или защитной газовой среды, которое осуществляют по закону волны с прямоугольной формой ее периода, при этом при изменении расхода плазмообразующей и/или защитной среды изменяют ее состав, причем для формирования защитного газового потока используют однородный газ или смесь газов, подаваемых в зону сварки с постоянным расходом, а для формирования плазмообразующего газового потока используют два различных газа или две смеси газов, подаваемых в зону плазменной дуги с периодическим изменением расхода и состава газовой среды при соотношении расходов газов или их смесей:

Q₁:Q₂=1:n (при n=2-5),

где Q₁ - расход одного плазмообразующего газа или смеси газов;

Q₂ - расход другого плазмообразующего газа или смеси газов или для формирования плазмообразующего газового потока используют однородный газ или смесь газов, подаваемый в зону плазменной дуги с постоянным расходом, а для формирования защитного газового потока используют два разнородных газа или две смеси газов, подаваемых в зону сварки с периодическим изменением расхода и состава газовой среды при соотношении расходов газов или их смесей

Q′₁:Q′₂=1-n (при n=4-10),

где Q′₁ - расход одного защитного газа или смеси газов;

Q′₂ - расход другого защитного газа или смеси газов или для формирования плазмообразующего и защитного газовых потоков используют два разнородных газа или смеси газов, синхронно подаваемых в зону плазменной дуги и в зону сварки, причем подачу газовой среды в зону сварки и в зону плазменной дуги осуществляют с синхронным изменением расхода и состава среды при соотношении расходов газов Q₁:Q₂=1:n (при n=2-5) в плазмообразующем газовом потоке и Q′₁:Q′₂=1:n (при n=4-10) в защитном газовом потоке.

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 (реализация способа);

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

Установка для сварки плазменной дугой, на которой реализуется заявленный способ, содержит газовые емкости (баллоны) 1 и 2, устройства 3 и 4 регулирования подачи газовой среды к сварочному устройству (плазматрону) 5, содержащему электрод 6, осуществляющий сварку деталей 7. Функционирование сварочного устройства осуществляется от источника питания 8. В сварочном устройстве имеется два канала 9 и 10. Канал 9 соединен с выходом устройства 3 и предназначен для подачи плазмообразующего газового потока в зону плазменной дуги. Канал 10 соединен с выходом устройства 4 и предназначен для подачи защитного газового потока в зону сварки для защиты сварочной дуги 11 и зоны сварки от воздействия окружающей среды защитным газовым потоком 12. Плазмообразующий газовый поток подается в зону плазменной дуги через отверстие 13. Каждая из емкостей 1 и 2 связана с выходами устройств 3 и 4. Функционирование устройств 3 и 4 осуществляется от блока управления 14.

Для соединения устройств установки используется стандартная газовая арматура. В качестве блока управления может быть использован стандартный программный блок. Конструкция плазматрона также является известной.

Способ сварки плазменной дугой осуществляют следующим образом.

Описание способа рассмотрим на примере использования двух газов: аргона (Ar) и гелия (Не). Однако это не означает, что для реализации способа не могут быть использованы иные газы и/или их смеси.

В процессе реализации способа емкости 1 и 2 постоянно находятся в открытом положении и на входы устройств 3 и 4 постоянно подаются газы из емкостей 1 и 2,

В зависимости от заданной программы блок 14 обеспечивает управление блоками 3 и 4 таким образом, что в плазмообразующий и 9 и защитный 10 каналы плазматрона 5 постоянно подается газовый поток.

Газовые потоки могут подаваться в каналы 9 и 10 как с постоянным расходом, так и с периодически меняющимся расходом, причем при изменении расхода изменяется и подаваемый газ или смесь газов. Защитный газовый поток обозначим буквой «а», а подаваемый в плазмообразующий канал - «б».

Так на фиг. 3 представлен график, согласно которому при осуществлении способа при сварке деталей 7 плазмообразующий газ подается в зону сварочной дуги с постоянным расходом, а в защитный канал устройства 5 подаются попеременно защитные газы (в данном случае аргон и гелий), причем расход каждого газа при подаче его в защитный канал устройства 5 постоянен, их относительный расход различен, а смена газа и расхода осуществляется очень быстро, то есть можно утверждать, что подача газа в защитный канал осуществляется в виде непрерывной пульсирующей прямоугольной волны. Это характерно и для приведенных ниже сведений, раскрывающих заявленный способ.

Подача пульсирующей газовой среды в защитный канал устройства обеспечивает как защиту зоны сварки от воздействия окружающей среды, так и повышает качество сварного соединения. Пульсирующее воздействие газового потока на свариваемые поверхности путем попеременного изменения подаваемых газов и их расхода способствует увеличению глубины проплавления и уменьшению ширины сварочного шва.

Как показали исследования, наибольший эффект достигается при соотношении расходов газов

Q₁:Q₂=1:n (при n=4-10),

где Q₁ - расход одного защитного газа или смеси газов;

Q₂ - расход другого защитного газа или смеси газов.

Пульсация газа осуществляется изменением его расхода за счет работы устройств 3 и 4 в защитном и плазмообразующем каналах.

Пульсация газового потока в плазмообразующем канале (фиг.2) в виде непрерывной прямоугольной волны также способствует дополнительному увеличению глубины проплавления при соотношении минимального и максимального расходов Q₁:Q₂=1:n (при n=2-5).

Увеличение проплавляющей способности плазменной дуги происходит при синхронной пульсации в виде непрерывной волны прямоугольной формы ее периода 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 Q₁:Q₂=1:n (при n=4-10) и Q₁:Q₂=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, указанным выше.

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

Пример выполнения способа

Выполняли сварку плазменной дугой на образцах из алюминиевого сплава 1201 толщиной 20,0 мм. В качестве источника питания дуги использовали ТИР-315. Ток сварки составлял 140 А, скорость 15 ^м/_час. В качестве защитных газов опробовались аргон и гелий. Период полуволны составлял 0,4 сек. Остальные параметры режимов представлены в таблице.

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

№№ Расход газов, л/мин Q′₁/Q′₂ Q₁/Q₂ Результаты в защитном потоке в плазмообразующем потоке Q₁ Q₂ Q₁ Q₂ Аргон Гелий Аргон Гелий 1 2 3 4 5 6 7 8 1. 12,0   6,0       Неравномерная глубина проплавления h_np=6,0..7,2 мм 2. 12,0 - 6,0 1 - 6 Неравномерная глубина проплавления h_пр=6,2..7,8 мм 3. 12,0 - 3,8 1,2 - 3 h_пр=8,1..8,2 4. 12,0 - 6,5 2,5 - 3 h_пр=9,0..9,1 5. 12,0 - 1,2 3,6 - 3 h_пр=10,5..12,6 6. 12,0 - 7,0 1,0 - 7 Нестабильность процесса сварки 7. 10,3 2,7 5,0 - 3,8 - Нарушение защиты сварочного шва 8. 10,0 2,0 5,0 - 5 - h_пр=7,5..7,6 мм 9. 8,0 2,0 5,0 - 4 - h_пр=8,5..8,6 мм 10. 2,0 10,0 5,0 - 5 - h_пр=9,0..9,1 мм 11. 1,7 17,8 5,0   10,5   Нарушение защиты сварочного шва 12. 1,7 10,3 2,5 2,5 6 1 Нарушение защиты сварочного шва 13. 12,0 6,0 5,0 2,5 6 2 h_пр=13,8..13,9 мм 14. 1,7 5,0 3,8 1,2 3 3 Неравномерное формирование сварочного шва 15. 2,0 10,0 6,0 1,2 5 5 h_пр=11,2…11,3 мм 16. 2,0 10,0 1,2 3,6 5 3 h_пр=14.2..14.3 мм 17. 1,7 10,3 1,2 7,0 6 5,8 Неравномерное формирование сварочного шва 18. 6,0 6,0 1,0 4,0 1 4 Нестабильность процесса сварки 19. 6,0 1,0 1,2 3,8 6 3 h_прll.9..12.0 мм 20. 2,0 10,0 2,0 5,0 5 1,5 Нестабильность процесса сварки 21. 6,0 1,7 3,8 1,2 3,7 3 Нарушение защиты сварочного шва 22. 10,0 2,0 3,8 1,2 5 3 h_пр=12,0..12,1 мм 23. 10,0 2,0 6,0 2,5 5 2,6 h_пр=12,5..12,6 мм 24. 10,0 2,0 1,2 3,8 5 3 h_пр=13,1..13,2 мм 25. 10,0 2,0 1,0 6,0 5 6 Нестабильность процесса сварки

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к способу сварки плазменной дугой, и может быть использовано при изготовлении широкого спектра сварных конструкций из активных материалов в различных отраслях промышленности. Способ сварки включает непрерывную пульсирующую подачу в зону плазменной дуги потока плазмообразующей газовой среды и защитной газовой среды. Пульсирующую подачу плазмообразующей и/или защитной газовой среды осуществляют с периодическим изменением расхода плазмообразующей и/или защитной газовой среды, которое осуществляют по закону непрерывной прямоугольной волны. При изменении расхода плазмообразующей и/или защитной среды изменяют ее состав. В результате обеспечивается стабильное качество сварных швов толщиной свыше 6 мм за счет равномерного проплавления материала во всех пространственных положениях. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ сварки плазменной дугой, включающий непрерывную пульсирующую подачу в зону плазменной дуги потока плазмообразующей газовой среды и защитной газовой среды, отличающийся тем, что пульсирующую подачу плазмообразующей и/или защитной газовой среды осуществляют с периодическим изменением расхода плазмообразующей и/или защитной газовой среды, которое осуществляют по закону непрерывной прямоугольной волны, при этом при изменении расхода плазмообразующей и/или защитной среды изменяют ее состав.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для защитного газового потока используют однородный газ или смесь газов, подаваемый в зону сварки с постоянным расходом, а для плазмообразующего газового потока используют два различных газа или две смеси газов, подаваемого в зону плазменной дуги с периодическим изменением расхода и состава газовой среды при соотношении расходов газов или их смесей:
Q₁:Q₂=1:n (при n=2-5),
где Q₁ - расход одного плазмообразующего газа или смеси газов;
Q₂ - расход другого плазмообразующего газа или смеси газов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для плазмообразующего газового потока используют однородный газ или смесь газов, подаваемый в зону плазменной дуги с постоянным расходом, а для защитного газового потока используют два разнородных газа или две смеси газов, подаваемого в зону сварки с периодическим изменением расхода и состава газовой среды при соотношении расходов газов или их смесей: Q₁:Q₂=1-n (при n=4-10),
где Q₁ - расход одного защитного газа или смеси газов;
Q₂ - расход другого защитного газа или смеси газов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для плазмообразующего и защитного газовых потоков используют два разнородных газа или смеси газов, синхронно подаваемых в зону плазменной дуги и в зону сварки, причем подачу газовой среды в зону сварки и в зону плазменной дуги осуществляют с синхронным изменением расхода и состава среды при соотношении расходов газов: Q₁:Q₂=1:n (при n=2-5) в плазмообразующем газовом потоке и Q₁:Q₂=1:n (при n=4-10) в защитном газовом потоке.