Spawanie łukiem plazmowym

1. Plazma gazowa, 2. Osłona dyszy, 3. Gaz osłonowy, 4. Elektroda, 5. Zwężenie dyszy, 6. Łuk elektryczny

Spawanie łukiem plazmowym ( PAW ) to proces spawania łukowego podobny do spawania łukiem gazowo-wolframowym (GTAW). Łuk elektryczny powstaje pomiędzy elektrodą (która jest zwykle, choć nie zawsze, wykonana ze spiekanego wolframu ) a przedmiotem obrabianym . Kluczowa różnica w stosunku do GTAW polega na tym, że w PAW elektroda jest umieszczona w korpusie palnika, dzięki czemu łuk plazmowy jest oddzielony od powłoki gazu osłonowego . Plazma _ jest następnie przepuszczana przez miedzianą dyszę o drobnej średnicy, która zwęża łuk, a plazma opuszcza otwór z dużą prędkością (zbliżoną do prędkości dźwięku) i temperaturą sięgającą 28 000 ° C (50 000 ° F) lub wyższą.

Plazma łukowa jest tymczasowym stanem gazu. Gaz ulega jonizacji pod wpływem przepływającego przez niego prądu elektrycznego i staje się przewodnikiem prądu elektrycznego. W stanie zjonizowanym atomy są rozbijane na elektrony (-) i kationy (+), a układ zawiera mieszaninę jonów, elektronów i silnie wzbudzonych atomów. Stopień jonizacji może wynosić od 1% do ponad 100% (możliwy przy podwójnym i potrójnym stopniu jonizacji). Takie stany istnieją, gdy więcej elektronów jest wyciąganych z ich orbit.

Energia strumienia plazmy, a tym samym temperatura, zależą od mocy elektrycznej użytej do wytworzenia plazmy łukowej. Typowa wartość temperatury uzyskiwanej w palniku plazmowym jest rzędu 28 000 ° C (50 000 ° F), w porównaniu do około 5500 ° C (10 000 ° F) w zwykłym łuku elektrycznym. Wszystkie łuki spawalnicze są plazmą (częściowo zjonizowaną), ale łuk plazmowy stosowany w spawaniu łukiem plazmowym jest plazmą z zawężonym łukiem.

Tak jak palniki tlenowo-paliwowe można używać do spawania lub cięcia, tak też można używać palników plazmowych .

Pojęcie

Spawanie łukiem plazmowym to proces spawania łukowego, w którym koalescencja jest wytwarzana przez ciepło uzyskane z konfiguracji łuku zwężonego pomiędzy elektrodą wolframową/stopowo-wolframową a chłodzoną wodą (przewężającą) dyszą (łuk nieprzenoszony) lub pomiędzy elektrodą wolframowo-stopową elektrody i zadania (łuk przenoszony). W procesie wykorzystywane są dwa gazy obojętne, jeden tworzy plazmę łukową, a drugi osłania plazmę łukową. Metal wypełniający może być dodany lub nie.

Historia

Proces spawania i cięcia łukiem plazmowym został wynaleziony przez Roberta M. Gage'a w 1953 r. i opatentowany w 1957 r. Proces ten był wyjątkowy, ponieważ umożliwiał precyzyjne cięcie i spawanie zarówno cienkich, jak i grubych metali. Był również zdolny do powlekania natryskowego hartowanych metali na inne metale. Jednym z przykładów było powlekanie natryskowe łopatek turbin rakiety Saturn lecącej na Księżyc.

Zasada działania

Spawanie łukiem plazmowym jest zaawansowaną formą spawania w atmosferze wolframu obojętnego (TIG). W przypadku TIG jest to otwarty łuk osłonięty argonem lub helem , natomiast w przypadku plazmy stosuje się specjalny palnik, w którym dysza służy do zawężenia łuku, a gaz osłonowy jest oddzielnie dostarczany przez palnik. Łuk jest zawężany za pomocą chłodzonej wodą dyszy o małej średnicy, która ściska łuk, intensywnie zwiększa jego ciśnienie, temperaturę i ciepło, a tym samym poprawia stabilność łuku, kształt łuku i właściwości przenoszenia ciepła.

Łuki plazmowe powstają przy użyciu gazu w dwóch postaciach; laminarny (niskie ciśnienie i mały przepływ) i turbulentny (wysokie ciśnienie i duży przepływ).

Stosowanymi gazami są argon, hel, wodór lub ich mieszanina. W przypadku spawania plazmowego stosuje się przepływ laminarny (niskie ciśnienie i mały przepływ gazu plazmowego), aby zapewnić, że stopiony metal nie zostanie wydmuchany ze strefy spawania.

Łuk nieprzeniesiony (łuk pilotujący) jest wykorzystywany podczas spawania plazmowego w celu zainicjowania procesu spawania. Łuk powstaje pomiędzy elektrodą (-) a chłodzoną wodą dyszą zwężającą (+). Łuk nieprzeniesiony jest inicjowany poprzez zastosowanie w obwodzie jednostki wysokiej częstotliwości. Po początkowym starcie z wysoką częstotliwością pomiędzy elektrodami powstaje łuk pilotujący (niski prąd) poprzez zastosowanie niskiego prądu. Po zajarzeniu łuku głównego dysza jest neutralna lub w przypadku siatki spawalniczej wykorzystującej mikroplazmę, może być dostępna opcja ciągłego łuku pilotującego. Przeniesiony łuk charakteryzuje się dużą gęstością energii i prędkością strumienia plazmy. W zależności od stosowanego prądu i przepływu gazu, można go stosować do cięcia i topienia metali.

Mikroplazma wykorzystuje prąd o natężeniu od 0,1 do 10 amperów i wykorzystuje folie, mieszki i cienkie arkusze. Jest to proces autogeniczny, w którym zwykle nie wykorzystuje się drutu ani proszku.

Plazma średnia wykorzystuje prąd od 10 do 100 amperów i służy do spawania blach o większej grubości drutem dodatkowym lub blach autogenicznych do 6 mm oraz osadzania metalu (napawania) przy użyciu specjalistycznych palników i podajników proszkowych (PTA) z wykorzystaniem proszków metali.

Do spawania drutami dodatkowymi przy dużych prędkościach przesuwu stosowana jest plazma wysokoprądowa o natężeniu powyżej 100 amperów.

Inne zastosowania plazmy to cięcie plazmowe, ogrzewanie, osadzanie warstw diamentowych (Kurihara i in. 1989), obróbka materiałów, metalurgia (produkcja metali i ceramiki), natryskiwanie plazmowe i cięcie pod wodą.

Sprzęt

Sprzęt niezbędny do spawania łukiem plazmowym wraz z jego funkcjami to:

Kontrola prądu i zaniku gazu

Podczas zakończenia spoiny w konstrukcji należy dokładnie zamknąć otwór kluczowy.

Osprzęt

Należy unikać zanieczyszczenia atmosferycznego roztopionego metalu pod stopką.

Materiały

Stal

Aluminium

inne materiały

Generator wysokiej częstotliwości i rezystory ograniczające prąd

Do zajarzenia łuku używany jest generator wysokiej częstotliwości i rezystory ograniczające prąd. Układ zajarzania łuku może być oddzielny lub wbudowany w system.

Palnik plazmowy

Jest to łuk przenoszony lub nieprzenoszony. Jest obsługiwany ręcznie lub zmechanizowany. Obecnie prawie wszystkie aplikacje wymagają zautomatyzowanego systemu. Palnik jest chłodzony wodą, co zwiększa żywotność dyszy i elektrody. Rozmiar i rodzaj końcówki dyszy dobiera się w zależności od spawanego metalu, kształtu spoiny i pożądanej głębokości wtopienia.

Zasilacz

Do spawania łukiem plazmowym odpowiednie jest źródło prądu stałego ( generator lub prostownik ) posiadające charakterystykę opadania i napięcie w obwodzie otwartym wynoszące 70 V lub więcej. Prostowniki są generalnie preferowane w stosunku do generatorów prądu stałego. Praca z helem jako gazem obojętnym wymaga napięcia obwodu otwartego powyżej 70 woltów. To wyższe napięcie można uzyskać poprzez szeregowe działanie dwóch źródeł zasilania; lub łuk można zainicjować argonem przy normalnym napięciu w obwodzie jałowym, a następnie można włączyć hel.

Typowe parametry spawania łukiem plazmowym są następujące:

Prąd od 50 do 350 amperów, napięcie od 27 do 31 woltów, natężenie przepływu gazu od 2 do 40 litrów na minutę (dolny zakres dla gazu kryzowego i wyższy dla zewnętrznego gazu osłonowego), do spawania łukiem plazmowym zwykle stosuje się ujemną elektrodę prądu stałego (DCEN). z wyjątkiem spawania aluminium, w którym to przypadku do spawania z odwrotną polaryzacją preferowana jest elektroda chłodzona wodą, tj. elektroda prądu stałego dodatnia (DCEP).

Gazy osłonowe

Stosuje się dwa gazy obojętne lub mieszaniny gazów. Gaz z kryzy przy niższym ciśnieniu i natężeniu przepływu tworzy łuk plazmowy. Ciśnienie gazu w kryzie celowo utrzymuje się na niskim poziomie, aby uniknąć turbulencji metalu spoiny , ale to niskie ciśnienie nie jest w stanie zapewnić właściwej osłony jeziorka spawalniczego. Aby zapewnić odpowiednią ochronę ekranującą, ten sam lub inny gaz obojętny przepuszcza się przez zewnętrzny pierścień osłonowy palnika przy stosunkowo większym natężeniu przepływu. Większość materiałów można spawać argonem, helem, argonem i wodorem oraz argonem i helem, jako gazy obojętne lub mieszaniny gazów. Powszechnie stosowany jest argon. Hel jest preferowany tam, gdzie pożądany jest szeroki zakres dopływu ciepła i bardziej płaska warstwa kryjąca bez spoiny metodą dziurki od klucza. Mieszanka argonu i wodoru dostarcza wyższą energię cieplną niż w przypadku stosowania samego argonu, co pozwala na spawanie metodą dziurki od klucza w stopach na bazie niklu, stopach na bazie miedzi i stalach nierdzewnych.

Do cięcia można zastosować mieszaninę argonu i wodoru (10-30%) lub azotu. Wodór, z powodu swojej dysocjacji do postaci atomowej, a następnie rekombinacji, generuje temperatury wyższe od temperatur osiąganych przy użyciu samego argonu lub helu. Ponadto wodór zapewnia atmosferę redukującą, która pomaga zapobiegać utlenianiu spoiny i jej otoczenia. (Należy zachować ostrożność, ponieważ wodór dyfundujący do metalu może prowadzić do kruchości niektórych metali i stali.)

Kontrola napięcia

Przy spawaniu konturowym wymagana jest kontrola napięcia. W przypadku normalnego spawania metodą dziurki od klucza zmiana długości łuku do 1,5 mm nie wpływa w znaczący sposób na penetrację ściegu spoiny ani na jego kształt, dlatego też kontrola napięcia nie jest uważana za niezbędną.

Opis procesu

Technika oczyszczania przedmiotu obrabianego i dodawania spoiwa jest podobna jak przy spawaniu TIG . Spoiwo dodawane jest na krawędzi natarcia jeziorka spawalniczego. Do wykonania spoiny graniowej nie jest wymagany metal wypełniający.

Rodzaj połączeń : Do spawania detali o grubości do 25 mm stosuje się złącza typu kwadratowego, J lub V. Spawanie plazmowe stosuje się do wykonywania spoin zarówno z otworami kluczowymi, jak i niekluczowymi.

Wykonywanie spoin bez otworów wpustowych : W procesie tym można wykonywać spoiny bez otworów wpustowych na elementach obrabianych o grubości 2,4 mm i mniejszej.

Wykonywanie spoin typu dziurka od klucza : Wyjątkową cechą spawania łukiem plazmowym, dzięki wyjątkowej sile penetracji strumienia plazmy, jest jego zdolność do wytwarzania spoin typu dziurka od klucza w przedmiocie obrabianym o grubości od 2,5 mm do 25 mm. Efekt dziurki od klucza uzyskuje się poprzez odpowiedni dobór prądu, średnicy dyszy i prędkości przesuwu, które tworzą silny strumień plazmy, który całkowicie przenika przez obrabiany przedmiot. Strumień plazmy w żadnym wypadku nie powinien wyrzucać stopionego metalu ze złącza. Głównymi zaletami techniki dziurki od klucza jest możliwość szybkiej penetracji przez stosunkowo grube sekcje korzeniowe i wytworzenie jednolitej warstwy pod spodem bez mechanicznego podkładu. Również stosunek głębokości wtopienia do szerokości spoiny jest znacznie większy, co skutkuje węższą spoiną i strefą wpływu ciepła. W miarę postępu spoiny metal nieszlachetny znajdujący się przed dziurką od klucza topi się, a przepływ wokół niego krzepnie i tworzy ścieg spoiny. Dziurka od klucza ułatwia głęboką penetrację przy większych prędkościach i zapewnia wysokiej jakości stopkę. Podczas spawania grubszych elementów, układania innego niż graniowa i stosowania spoiwa, siła strumienia plazmy jest zmniejszana poprzez odpowiednią kontrolę ilości gazu w otworze.

Spawanie łukiem plazmowym stanowi postęp w stosunku do procesu GTAW. W procesie tym wykorzystuje się nietopliwą elektrodę wolframową i łuk przewężony przez miedzianą dyszę o drobnej średnicy. PAW można stosować do łączenia wszystkich metali, które można spawać metodą GTAW (tj. większości metali i stopów dostępnych na rynku). Do metali trudnych do spawania metodą PAW zalicza się brąz, żeliwo, ołów i magnez. Możliwych jest kilka podstawowych odmian procesu PAW poprzez zmianę prądu, natężenia przepływu gazu plazmowego i średnicy kryzy, w tym:

  • Mikroplazma (< 15 Amperów)
  • Tryb wtapiania (15–100 amperów)
  • Tryb dziurki od klucza (>100 amperów)
  • Spawanie łukiem plazmowym charakteryzuje się większą koncentracją energii w porównaniu do spawania metodą GTAW.
  • Można osiągnąć głęboką, wąską penetrację, o maksymalnej głębokości od 12 do 18 mm (0,47 do 0,71 cala), w zależności od materiału.
  • Większa stabilność łuku pozwala na znacznie dłuższą długość łuku (odsunięcie) i znacznie większą tolerancję na zmiany długości łuku.
  • PAW wymaga stosunkowo drogiego i złożonego sprzętu w porównaniu do GTAW; prawidłowa konserwacja palnika ma kluczowe znaczenie.
  • Procedury spawania są zwykle bardziej złożone i mniej tolerancyjne na różnice w dopasowaniu itp.
  • Wymagane umiejętności operatora są nieco większe niż w przypadku GTAW.
  • Konieczna jest wymiana kryzy.

Zmienne procesowe

Gazy

W PAW stosowane są co najmniej dwa oddzielne (a ewentualnie trzy) strumienie gazu:

  • Gaz plazmowy – przepływa przez otwór i zostaje zjonizowany.
  • Gaz osłonowy – przepływa przez zewnętrzną dyszę i osłania roztopioną spoinę przed atmosferą.
  • Gaz zwrotny i gaz końcowy – wymagane w przypadku niektórych materiałów i zastosowań.

Wszystkie te gazy mogą być takie same lub mieć różny skład.

Kluczowe zmienne procesowe

  • Typ prądu i polaryzacja
  • DCEN ze źródła CC jest standardem
  • Fala prostokątna AC jest powszechna w przypadku aluminium i magnezu
  • Prąd spawania i pulsacyjny - Prąd może wahać się od 0,5 A do 1200 A; prąd może być stały lub pulsacyjny przy częstotliwościach do 20 kHz
  • Natężenie przepływu gazu (tę zmienną krytyczną należy dokładnie kontrolować w oparciu o natężenie prądu, średnicę i kształt kryzy, mieszaninę gazów oraz materiał podstawowy i grubość).

Inne procesy łuku plazmowego

W zależności od konstrukcji palnika (np. średnicy kryzy), konstrukcji elektrody, rodzaju i prędkości gazu oraz poziomu prądu, można uzyskać kilka odmian procesu plazmowego, w tym:

Cięcie łukiem plazmowym

Podczas cięcia przepływ gazu plazmowego zwiększa się tak, że głęboko wnikający strumień plazmy przecina materiał, a stopiony materiał jest usuwany w postaci żużlu po cięciu. PAC różni się od cięcia tlenowego tym, że proces plazmowy wykorzystuje łuk do topienia metalu, podczas gdy w procesie tlenowo-paliwowym tlen utlenia metal, a ciepło powstające w wyniku reakcji egzotermicznej topi metal. W przeciwieństwie do cięcia tlenowego, proces PAC można zastosować do cięcia metali tworzących ogniotrwałe tlenki, takich jak stal nierdzewna, żeliwo, aluminium i inne stopy nieżelazne. Od czasu wprowadzenia PAC przez Praxair Inc. w Amerykańskim Towarzystwie Spawalniczym pokazują, że w 1954 r. miało miejsce wiele udoskonaleń procesów, udoskonaleń gazów i ulepszeń sprzętu.

Bibliografia

  •   Oberg, Eryk; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2000), Podręcznik maszyn (wyd. 26), Nowy Jork: Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-2635-3 .

Dalsza lektura

  • Amerykańskie Towarzystwo Spawalnicze, Podręcznik spawania, tom 2 (wyd. 8)

Linki zewnętrzne

Spawanie łukiem plazmowym

Spawanie mikroplazmowe

Spawanie łukowe natryskowe

Źródło: „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_arc_welding&oldid=1142728169 ”