Способ плазменной сварки металлов плавящимся электродом Российский патент 2023 года по МПК B23K10/02 

Изобретение относится к сварке и наплавке металлов с использованием плазмы путём одновременного действия сжатой дуги и дуги с плавящегося электрода.

На основе просмотра и анализа информации в общетехнической литературе и в патентных ресурсах - по МПК B23K 10/02, B23K 9/00, B23K 10/00, B23K 9/16 - в патентной базе РФ, а также и в Интернет сервисе Espacenet принят патент “Способ плазменной сварки плавящимся электродом” (патент RU №2495735 от 20.10.2013 МПК B23K 10/02).

В известном патенте RU №2495735 (МПК B23K 10/02) способ плазменной сварки плавящимся электродом включает в себя сварку при помощи плазмотрона, содержащего кольцевой неплавящийся электрод для формирования сжатой дуги между этим электродом и изделием, пусковой неплавящийся электрод с функцией токоведущего наконечника, установленный внутри кольцевого неплавящегося электрода и выполненный с осевым отверстием, в котором с возможностью перемещения расположен плавящийся электрод, при этом процесс сварки при помощи плазмотрона включает в себя возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, подачу в зону сварки плавящегося электрода и возбуждение дуги между этим электродом и изделием.

Признаки известного способа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии сварки при помощи плазмотрона, содержащего кольцевой неплавящийся электрод для формирования сжатой дуги между этим электродом и изделием, пускового неплавящийся электрода с функцией токоведущего наконечника, установленного внутри кольцевого неплавящегося электрода и выполненного с осевым отверстием, в котором с возможностью перемещения расположен плавящийся электрод, а также в наличии процесса сварки при помощи плазмотрона, включающего в себя возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, подачу в зону сварки плавящегося электрода и возбуждение дуги между этим электродом и изделием.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в том, что не достигается требуемая эффективность процесса сварки, а именно, имеет место недостаточная стабильность процесса формирования наплавляемых валиков (для ряда материалов, в частности, для титановых сплавов) и недостаточное качество сварного шва.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение состоит в повышении эффективности процесса сварки.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, заключается в повышении стабильности процесса формирования сварочных валиков и в повышении качества металла сварного шва.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят в том, что в заявляемом способе плазменной сварки металлов плавящимся электродом, включающем в себя сварку при помощи плазмотрона, содержащего кольцевой неплавящийся электрод для формирования сжатой дуги между этим электродом и изделием, токоведущий наконечник, установленный внутри кольцевого неплавящегося электрода и выполненный с осевым отверстием, в котором с возможностью перемещения расположен плавящийся электрод, при этом процесс сварки при помощи плазмотрона включает в себя возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, подачу в зону сварки плавящегося электрода и возбуждение дуги между этим электродом и изделием в отличие от известного способа, во-первых, первоначально возбуждают дугу плавящегося электрода между ним и изделием путём задействования первого источника питания и перемещения плавящегося электрода вперёд к изделию и касания им изделия, затем задействуют второй источник питания, после чего происходит возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, далее в процессе сварки производят перемещение плавящегося электрода путём его динамической подачи и производят подачу импульсного тока на плавящийся электрод и одновременно с этим воздействуют постоянным осевым магнитным полем на возбуждённую дугу между плавящимся электродом и изделием и на сжатую дугу между кольцевым неплавящимся электродом и изделием.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, во-вторых, в заявляемом способе используют два независимых источника питания: первый источник питания - для возбуждения и питания дуги между плавящимся электродом и изделием используют импульсный источник питания с жёсткой вольтамперной характеристикой, и второй источник питания - для возбуждения и питания сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием используют импульсный источник питания с падающей вольтамперной характеристикой.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-третьих, в заявляемом способе динамическую подачу плавящегося электрода осуществляют путём его возвратно-поступательных колебаний, при этом импульсы тока от первого источника питания и возвратно-поступательные колебания плавящегося электрода подают независимо.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-четвёртых, в качестве сварки осуществляют плазменную наплавку плавящимся электродом.

Новые признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что в способе плазменной сварки металлов плавящимся электродом первоначально возбуждают дугу плавящегося электрода между ним и изделием путём задействования первого источника питания и перемещения плавящегося электрода вперёд к изделию и касания им изделия, затем задействуют второй источник питания, после чего происходит возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, далее в процессе сварки производят перемещение плавящегося электрода путём его динамической подачи и производят подачу импульсного тока на плавящийся электрод и одновременно с этим воздействуют постоянным осевым магнитным полем на возбуждённую дугу между плавящимся электродом и изделием и на сжатую дугу между кольцевым неплавящимся электродом и изделием.

При этом в способе плазменной сварки металлов плавящимся электродом как вариант:

- используют два независимых источника питания: первый источник питания - для возбуждения и питания дуги между плавящимся электродом и изделием используют импульсный источник питания с жёсткой вольтамперной характеристикой, и второй источник питания - для возбуждения и питания сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием используют импульсный источник питания с падающей вольтамперной характеристикой;

- динамическую подачу плавящегося электрода осуществляют путём его возвратно-поступательных колебаний, при этом импульсы тока от первого источника питания и возвратно-поступательные колебания подают независимо;

- в качестве сварки осуществляют плазменную наплавку плавящимся электродом.

Описанные выше созданные технические средства в составе способа плазменной сварки металлов плавящимся электродом позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении стабильности формирования сварочных валиков и в повышении качества металла сварного шва в связи с тем, что:

- выполнение ниже перечисленных действий в заданной последовательности, а именно - первоначальное возбуждение дуги плавящегося электрода между ним и изделием путём задействования первого источника питания и перемещения плавящегося электрода вперёд к изделию и касания им изделия, затем задействование второго источника питания, после чего происходит возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, далее в процессе сварки осуществление перемещения плавящегося электрода путём его динамической подачи и осуществление подачи импульсного тока на плавящийся электрод и одновременно с этим воздействие постоянным осевым магнитным полем на возбуждённую дугу между плавящимся электродом и изделием и на сжатую дугу между кольцевым неплавящимся электродом и изделием - оказывает существенное положительное влияние на стабильность процесса формирования сварочных валиков и качества металла сварного шва, так как под действием импульсного сварочного тока происходит образование капли на конце плавящегося электрода и за счет динамической подачи плавящегося электрода происходит принудительное отделение капель расплава, благодаря этому происходит увеличение частоты переноса капель расплава в сварочный валик, достигается устойчивый мелкокапельный процесс и повышается качество металла сварного шва, так как под действием импульсного сварочного тока происходит образование капли на конце плавящегося электрода и за счет динамической подачи плавящегося электрода происходит принудительное отделение капель расплава, благодаря этому происходит увеличение частоты переноса капель расплава в сварочный валик, достигается устойчивый мелкокапельный процесс и повышается качество поверхности наплавляемого сварочного валика;

- использование двух независимых источников питания, из которых первый источник питания - для возбуждения и питания дуги между плавящимся электродом и изделием в качестве импульсного источника питания с жёсткой вольтамперной характеристикой, и из которых второй источник питания - для возбуждения и питания сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием в качестве импульсного источника питания с падающей вольтамперной характеристикой приводит к дополнительному положительному влиянию на стабильность формирования сварочных валиков и на качество металла сварного шва, так как за счет применения импульсного тока снижается количество подводимой теплоты и снижается разбрызгивание металла в процессе сварки, что положительно сказывается на уровне механических свойств металла сварного шва и качестве поверхности сварочного валика;

- осуществление динамической подачи плавящегося электрода путём его возвратно-поступательных колебаний, и при этом осуществление подачи импульсов тока от первого источника питания и подачи названных возвратно-поступательных колебаний независимо друг от друга - приводит к дополнительному положительному влиянию на стабильность формирования сварочных валиков, так как благодаря дополнительному механическому воздействию достигается принудительное отделение капель расплава от плавящегося электрода, что обеспечивает возможность управления частотой переноса капель расплава и способствует уменьшению их размера, даже при сохранении базовых значений сварочного тока, происходит более упорядоченный процесс переноса капель расплава и повышается качество поверхности наплавляемого валика;

- применение заявляемого способа в качестве способа плазменной наплавки плавящимся электродом - приводит к расширению номенклатуры сфер применения этого способа к дополнительному положительному влиянию на стабильность формирования сварочных валиков и на качество металла сварного шва за счёт того, что другой, но родственный процесс, расширяет практику и инструментарий положительного влияния на стабильность формирования сварочных валиков и на металл сварного шва в названном способе.

Изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3

На фиг.1 представлена схема плазменной сварки металлов плавящимся электродом при помощи плазмотрона, состав которого показан на данном рисунке. На схеме показано:

1 - изделие металлическое.

2 - плавящийся электрод.

3 - токоведущий наконечник.

4 - кольцевой неплавящийся электрод.

5 - защитное сопло.

6 - первый источник питания (возбуждает и питает дугу плавящегося электрода).

7 - второй источник питания (возбуждает и питает дугу кольцевого неплавящегося электрода).

8 - электромагнит (питает постоянное осевое магнитное поле).

9 - плазмообразующий газ.

10 - защитный газ.

11 - приводной механизм плавящегося электрода (осуществляет перемещение и возвратно-поступательные колебания плавящегося электрода).

12 - дуга плавящегося электрода.

13 - сжатая дуга кольцевого неплавящегося электрода.

14 - сварочная ванна = сварной шов (сплавленный и/или наплавленный металл).

На фиг. 2 представлен 1 пример внешнего вида наплавленных валиков из титанового сплава ВТ6 без использования динамической подачи проволоки и применения внешнего осевого магнитного поля и с их применением.

На фиг. 3 представлен 2 пример внешнего вида наплавленных валиков из титанового сплава ВТ6 без использования динамической подачи проволоки и применения внешнего осевого магнитного поля и с их применением.

Согласно заявляемому изобретению плазменная сварка металлов плавящимся электродом при помощи плазмотрона производится следующим образом. Выполняется подача плазмообразующего 9 и защитного 10 газа через кольцевой неплавящийся электрод 4 и защитное сопло 5 соответственно. Производится возбуждение дуги 12 плавящегося электрода 2 между ним и изделием 1 путём задействования первого источника питания 6 и перемещения плавящегося электрода 2 вперёд к изделию 1 и касания им изделия 1, затем задействуют второй источник питания 7, после чего происходит возбуждение сжатой дуги 13 между кольцевым неплавящимся электродом 4 и изделием 1, далее в процессе сварки производят перемещение плавящегося электрода 2 путём его динамической подачи и производят подачу импульсного тока от первого источника питания 6 на плавящийся электрод 2 и одновременно с этим воздействуют постоянным осевым магнитным полем от электромагнита 8 на возбуждённую дугу 12 между плавящимся электродом 2 и изделием 1 и на сжатую дугу 13 между кольцевым неплавящимся электродом 4 и изделием 1.

При этом первый источник питания 6, который служит для возбуждения и питания дуги 12 между плавящимся электродом 2 и изделием 1, является импульсным источником питания с жёсткой вольтамперной характеристикой, а второй источник питания 7, который служит для возбуждения и питания сжатой дуги 13 между кольцевым неплавящимся электродом 4 и изделием 1 является импульсным источником питания с падающей вольтамперной характеристикой.

И при этом динамическая подача плавящегося электрода 2 осуществляется путём его возвратно-поступательных колебаний, а импульсы тока от первого источника питания 6 и возвратно-поступательные колебания подают независимо.

В результате описанных действий происходит разогрев и оплавление стыковых кромок свариваемого изделия 1 с добавлением расплавленного металла от плавящегося электрода 2, что и приводит к образованию сварочной ванны и к последующему формированию сварного шва при остывании сварочной ванны. Продвижением плазмотрона вдоль стыковой линии свариваемого изделия от начальной точки до конечной завершается операция сварки изделия.

Операция плазменной наплавки плавящимся электродом 2 осуществляется аналогично, то есть с выполнением тех же процессов с использованием описанного плазмотрона.

Примеры внешнего вида наплавленных валиков из титанового сплава ВТ6 без использования динамической подачи проволоки и применения внешнего осевого магнитного поля и с их применением представлены на Фиг 2, 3.

На основе выше сказанного следует вывод, что техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения “Способ плазменной сварки металлов плавящимся электродом” обеспечивает решение задачи изобретения - повышение эффективности процесса сварки - за счёт получения технического результата, а именно, повышение стабильности процесса формирования сварочных валиков и повышение качества металла сварного шва.

Изобретение относится к сварке и наплавке металлов с использованием плазмы путём одновременного действия сжатой дуги и дуги с плавящегося электрода. Заявленный способ плазменной сварки металлов плавящимся электродом включает в себя сварку при помощи плазмотрона, содержащего кольцевой неплавящийся электрод для формирования сжатой дуги между этим электродом и изделием, токоведущий наконечник, установленный внутри кольцевого неплавящегося электрода и выполненный с осевым отверстием, в котором с возможностью перемещения расположен плавящийся электрод, при этом процесс сварки при помощи плазмотрона включает в себя возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, подачу в зону сварки плавящегося электрода и возбуждение дуги между этим электродом и изделием. Первоначально возбуждают дугу плавящегося электрода между ним и изделием путём задействования первого источника питания и перемещения плавящегося электрода вперёд к изделию и касания им изделия, затем задействуют второй источник питания, после чего происходит возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, далее в процессе сварки производят перемещение плавящегося электрода путём его динамической подачи и производят подачу импульсного тока на плавящийся электрод и одновременно с этим воздействуют постоянным осевым магнитным полем на возбуждённую дугу между плавящимся электродом и изделием и на сжатую дугу между кольцевым неплавящимся электродом и изделием. Обеспечивается повышение стабильности процесса формирования сварочных валиков и повышение качества металла сварного шва. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ плазменной сварки металлов плавящимся электродом, включающий в себя сварку при помощи плазмотрона, содержащего кольцевой неплавящийся электрод для формирования сжатой дуги между этим электродом и изделием, токоведущий наконечник, установленный внутри кольцевого неплавящегося электрода и выполненный с осевым отверстием, в котором с возможностью перемещения расположен плавящийся электрод, при этом процесс сварки при помощи плазмотрона включает в себя возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, подачу в зону сварки плавящегося электрода и возбуждение дуги между этим электродом и изделием, отличающийся тем, что первоначально возбуждают дугу плавящегося электрода между ним и изделием путём задействования первого источника питания и перемещения плавящегося электрода вперёд к изделию и касания им изделия, затем задействуют второй источник питания, после чего происходит возбуждение сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием, далее в процессе сварки производят перемещение плавящегося электрода путём его динамической подачи и производят подачу импульсного тока на плавящийся электрод и одновременно с этим воздействуют постоянным осевым магнитным полем на возбуждённую дугу между плавящимся электродом и изделием и на сжатую дугу между кольцевым неплавящимся электродом и изделием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют два независимых источника питания: первый источник питания - для возбуждения и питания дуги между плавящимся электродом и изделием используют импульсный источник питания с жёсткой вольтамперной характеристикой, и второй источник питания - для возбуждения и питания сжатой дуги между кольцевым неплавящимся электродом и изделием используют импульсный источник питания с падающей вольтамперной характеристикой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что динамическую подачу плавящегося электрода осуществляют путём его возвратно-поступательных колебаний, при этом импульсы тока от первого источника питания и возвратно-поступательные колебания подают независимо.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве сварки осуществляют плазменную наплавку плавящимся электродом.