ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ, ТАКИЕ КАК ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

Барминова Т.Н.

Георгиевский филиал Невинномысский государственный

Гуманитарно- технический институт

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ, ТАКИЕ КАК ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА.

Основу любой современной техники, в том числе, колёсной и гусеничной, составляют изделия из металла. А металл, каким бы прочным он не был, всё равно не вечен. При этом он не только ржавеет, но и гнётся, и даёт трещины. Основным способом ремонта металла была и остаётся его резка и сварка. Где-где, а здесь, казалось бы, особенно, в области сварки металлов, уже вряд ли можно придумать что-то новое. Разве что, усовершенствовать какую-то давно работающую технологию, которую её изобретатели, их последователи или другие энтузиасты, пытаются улучшить, внося туда какие-то новшества с оглядкой на требования сегодняшнего дня.

Одним из важнейших свойств металлов является их способность подвергаться той или иной обработке. Можно говорить о способности металлов пластически деформироваться в холод­ном или горячем состоянии, обрабатываться резанием, изме­нять свои свойства под влиянием термической обработки и т. д.. Очевидно, можно и необходимо говорить о способности метал­лов соединяться в процессе сварки и пайки - об их свариваемо­сти и паяемости.

Технологические сложности и низкая экономическая эффективность традиционных видов сварки при производстве деталей и изделий привели к необходимости разработки принципиально нового метода.

Очевидно, что при определении понятия свариваемости ме­таллов необходимо исходить из физической сущности сварки и отношения к ней металлов. Сварку целесообразно рассматри­вать как сочетание нескольких одновременно протекающих; процессов: взаимная кристаллизация металлов, тепловое воз­действие на металл в околошовных участках и плавление, ме­таллургическая обработка и кристаллизация металла шва. Под свариваемостью, следовательно, необходимо понимать отноше­ние металлов к этим основным процессам.

Плазменная сварка - это сварка плавлением, при которой нагрев проводится направленным потоком дуговой плазмы (плазменной струей). Процесс осуществляется по схеме прямого действия. Плазменный способ является продолжением развития сварки в среде аргона вольфрамовым электродом и отличается следующими процессами: принудительное вдувание в дугу плазмообразующего газа и сжатие дуги за счет размещения ее в специальном плазмотроне.

Плазменная дуга отличается от обычной электродуги высокой концентрацией энергии и широкими возможностями ее регулирования. Отсюда вытекают преимущества плазменной дуговой сварки, которые следует выделить особо.
Возможна плазменная сварка проникающей дугой, которая обеспечивает полное проплавление металлов толщиной от 8 до 12 мм без предварительной разделки кромок.
Высокая концентрация дуги - это минимальная зона теплового воздействия (ЗТВ), меньшее коробление изделия.
Плазменная дуга цилиндрической формы - отсюда меньшая критичность к изменению длины дуги, высокая стабильность проплавления и геометрии сварного шва.
Вольфрамовый электрод защищен соплом - значит, нет включений вольфрама в шве.
Высокое качество сварочных швов, не требующих дополнительной обработки.
Высокая скорость сварки - от 10 до 50 м/ч.
Отличное качество сварки при автоматизации процесса.

Качество сварочных соединений сравнимо с качеством швов, получаемых при электронно-лучевой сварке. Но та сложнее в обеспечении, т.к. обладает вредным рентгеновским излучением. Неслучайно более «прирученная» плазменная сварка, показывая почти те же результаты, нашла применение в авиастроении и ракетной технике. А там, как известно, к технологиям - особые требования. Впрочем, плазменные методы обработки охотно взяли на вооружение и автомобилестроение, электронное, электротехническое, химическое машиностроение, пищевая промышленность и др.

Но я хочу, отдельно остановится на точечной сварке. Ведь именно в этой сфере плазма стала наиболее востребованной в промышленности, найдя применение даже на автоматизированных комплексах, что может свидетельствовать только о высокой степени доверия к самой технологии.

Плазменная точечная сварка, в отличие от контактной, является односторонней. Благодаря этому возможна приварка листов к объемным конструкциям, а также сварка в труднодоступных местах, что касается и угловых соединений снаружи, и тавровых соединений внутри металлоконструкций.

Кроме того, плазменная сварка проводится бесконтактно. Значит, отсутствуют деформации, обеспечивается отличное качество видовой (лицевой) стороны. Достигается высокая стабильность и воспроизводимость (повторяемость) точек. Есть возможность вести сварку в импульсном режиме, причем параметры импульсов регулируются. При действии плазменной струи в течение установленного короткого периода (импульсом) происходит расплавление металлов до определенной глубины, а значит, их сварка. Особая фокусировка плазменной струи концентрирует тепловую энергию в точку так, что при коротком времени действия вызывает незначительное прогревание поверхности вокруг точки и соответственно малое коробление свариваемых изделий.

Для сварки применяются различные типы плазменных горелок (плазмотронов). Выбор зависит от вида и способа сварки (ручной или автоматический), а также от толщины свариваемых изделий. Металлический наконечник плазмотрона - съемный, что позволяет производить одной горелкой точечную сварку изделий различной конфигурации и толщины.

Процессы сварки могут быть смоделированы и запрограммированы.

Электронное регулирование подачи плазмообразующего газа, управление продувкой защитных газов, автоматический контроль за установкой охлаждения, сигнализация с индикацией на дисплее появившихся неисправностей существенно облегчает автоматизацию сварочного процесса. При настройке сварочных параметров имеется возможность точечной сварки в режиме многочисленных различных по величине и частоте коротких импульсов. Это позволяет ограничить нагрузку на плазменную горелку и улучшить оптику точечного соединения.

Плазмообразующая среда

В этом качестве, как уже говорилось выше, применяют различные газы (аргон, гелий, азот, водород и их смеси между собой или с воздухом). Механизм образования плазмы этих газов различен. Низкие энергетические характеристики аргоновой плазмы несколько ограничивают ее возможности. Гелий обладает более высокими энергетическими показателями, но из-за высокой стоимости и дефицитности не может иметь широкого применения. Азот по сравнению с аргоном имеет лучшие энергетические и экономические плазменные показатели, но при нагреве до высоких температур оказывает вредное влияние на окружающую среду.

Воздушная плазма является самой экономичной, высоко энергетической и доступной. Однако образующиеся нитриды и озон значительно ухудшают санитарно-гигиенические условия труда. Водород имеет отличные теплофизические свойства. Он позволяет достигнуть напряженности электрического поля в 2-3 раза выше, чем в аргоновой дуге, и повысить энергетический потенциал сжатой дуги за счет высокой теплопроводности и энтальпии. Наличие водорода в плазменной струе благоприятно сказывается на качестве сварного соединения, поскольку водород предохраняет расплавленный металл от действия окружающей среды. Но, как нетрудно догадаться, недостатками плазменной водородной среды являются взрывоопасность и пониженный ресурс работы сопла плазмотрона. Высокая теплопроводность снижает тепло- и электроизоляцию сопла от плазменной струи.

Между тем, в последнее время появились аппараты, в которых плазмообразующей средой выступает водяной пар. В такой роли он просто идеален, т.к. представляет собой удачное и дешевое сочетание водорода с кислородом.

При образовании плазмы воды (ионизации) образуется два объема ионов водорода и один объем ионов кислорода. Диссоциация водяного пара на водород и кислород начинается при температуре 1500К и при температуре 2300К составляет 1,8%. Основная масса водяного пара диссоциируется при температуре 4000К. Дальнейшее повышение температуры способствует ионизации водорода с поглощением значительного количества тепла. Соответственно при рекомбинации в области анода (изделия) высвобождается большое количество энергии, способствующей интенсификации процесса плавления металла. При высоких температурах, которые дает плазменная струя, водяной пар может также диссоциировать на водород и гидроксил (ОН). Последний, являясь высокоустойчивым соединением, не растворяется в металле, способствуя тем самым улучшению поверхности расплавленного металла (поверхность характеризуется металлическим блеском).

Большие перспективы использования водяного пара в качестве плазмообразующей среды вызывали желание разработчиков плазмотронов искать технические решения, позволяющие создать такие приборы. Однако сложности разработки и изготовления подобных аппаратов долго не давали возможности говорить об их широком применении, тем более промышленном. Но прорыв в этом направлении совершен, причем в России.

Инновационная разработка российской оборонной промышленности в использовании возможностей плазмы была удостоена золотых медалей на международных салонах изобретений в Брюсселе, Женеве и Софии. Их универсальность и многофункциональность заключаются в следующем: резка косвенной и прямой дугой; сварка - плазменная и плазменно-дуговая; пайка твердым и мягким припоем.

Устройство состоит из блока-инвертора и плазменно-водяной горелки. Последняя выполнена в форме пистолета и включает в себя разрядную камеру, конструктивно объединенную с устройством для парообразования. Такое решение позволило создать эффективную систему охлаждения электродов горелки за счет использования тепловой энергии, выделяемой на электродах для парообразования. Получилась по сути саморегулируемая система охлаждения (чем больше мощность, выделяемая на электродах горелки, тем больше количество вырабатываемого плазмообразующего пара).

Сварка возможна для «черных» и низколегированных сталей, в т.ч. некоторых сортов нержавеющих. Свариваются и сплавы алюминия, металлы медной группы, чугуны и т.д. А практика показывает, что путем подбора соответствующих присадочных материалов и флюсов большинство задач удается успешно решить. Такое возможно только при применении инновационных технологий, таких как плазменная сварка или сварочные инверторы. Если использовать этот способ сварки, металл не просто разогревается плазменной струей, но и подвергается газодинамическому воздействию. За счет этого работы проводятся быстро, и за короткий промежуток времени можно создать огромное количество сварочных швов. Производительность труда повышается, а стоимость сварки, наоборот, падает почти в 6 раз. Надежды на эту технологию огромны, но, к сожалению, сегодня ее применяют не так часто, как можно было бы. Пока использовать плазменную сварку повсеместно мешает дороговизна ее оборудования. И при этом технология нуждается в доработке. Сейчас работать с этой технологией могут только высококвалифицированные специалисты.

Идеальной плазмообразующей средой - экологически чистой, взрывобезопасной и безотходной, является водяной пар. К тому же, он не оказывает негативного влияния на санитарно-гигиенические условия труда.