Одним из сравнительно новых видов соединений металлов и сплавов является плазменная сварка. Этот вид, схожий с вариантом аргонодуговой сварки неплавящимся электродом, позволяет получать более качественный результат гораздо быстрее. Технология плазменной сварки заключается в использовании электрической дуги, горящей в среде полностью или частично ионизированного газа. Газ называется плазмообразующим.
Особенности и характеристики процесса
Главной особенностью плазменного метода является очень высокая температура в зоне сваривания вследствие принудительного уменьшения размеров сечения дуги и увеличения ее мощности.
В результате происходит сварка, так называемой, плазменной струей, температура которой может доходить до 30000 °C, в отличие от 5000-7000 °C при обычной аргонодуговой сварке.
Кроме этого, дуга приобретает цилиндрическую форму, в отличие от обычной конической, что позволяет сохранять одинаковую мощность по всей ее длине. На практике это успешно используется для более глубокого и точного прогрева металла.
Давление дуги на поверхность свариваемых деталей при плазменной сварке очень велико, что позволяет воздействовать практически на любые металлы и сплавы.
Технологический процесс плазменной сварки позволяет использовать ее при малых токах величиной всего 0,2 — 30,0 А.
Все эти особенности делают плазменную сварку практически универсальной. Она может с успехом использоваться в труднодоступных местах, при соединении тонких алюминиевых листовых заготовок без опасения их прожига.
Незначительное изменение расстояния между электродом и деталью не оказывает сильного влияния на прогрев, а значит и на качество шва, как при других видах сварки.
Большая глубина прогрева деталей позволяет обходиться без предварительной подготовки их кромок. Допускается сваривание металлов с неметаллами.
В результате повышается производительность работ, уменьшается температурная деформация шва, то есть деталь не «ведет». Используя технологию плазменной сварки, плазменной струей можно быстро и качественно резать металлы и неметаллы практически в любом положении.
Как это работает
Для реализации идеи плазменной сварки, в конструкции горелки используется устройство (горелка), именуемое плазмотроном. Он представляет собой коническое сопло, внутри которого находятся охлаждающая жидкость.
Электрическая дуга в плазменной сварке возбуждается при помощи сварочного аппарата со встроенным осциллятором. Она горит внутри плазмотрона, и во время горения к ней подается плазмообразующий газ.
Как правило, это аргон с малыми примесями водорода или гелия. Газ подается под небольшим давлением, но внутри горелки он нагревается и, увеличиваясь в объеме до 30 раз, создает на выходе из сопла мощную струю.
Сама конструкция сопла наделяет газ высокой кинетической энергией, которая и реализуется в мощный поток, имеющий высокую температуру. Это и есть плазма.
Так как возбуждать дугу между электродом и свариваемой деталью затруднительно, конструкция горелки предусматривает постоянное поддержание «дежурной» дуги между электродом и соплом. Она преобразуется в рабочую при касании горелкой соединяемых изделий.
Защитный газ, а это, как правило, тоже аргон, подается в зону сварки по отдельному каналу и, как бы обволакивает струю и разогреваемую ею область металла. При этом защитный газ, вытесняя воздух из будущего шва, не допускает окисления материала соединяемых деталей и присадочного материала вплоть до образования прочного однородного шва.
Способы подключения
В зависимости от конструкции горелки и схемы подключения к источнику тока, различают два способа плазменной сварки:
- дугой прямого действия;
- дугой косвенного действия.
Первый способ подключения заключается в подаче тока от источника питания на электрод из вольфрама и свариваемую деталь.
В этом случае дуга устойчиво горит между электродом и металлом, а ее характеристики усиливаются и доводятся до нужных значений струей плазмообразующего газа внутри сопла, которое является электрически нейтральным относительно всей системы. Способ прямого действия применяют для резки металлов, наплавки и непосредственно сварки. Его часто применяют в быту.
При втором способе ток подается на электрод и сопло. В этом случае дуга образуется между электродом и корпусом сопла, а плазмообразующий газ выдувает ее, превращая в мощную струю плазмы.
Температура дуги в косвенном методе сварки меньше, чем в прямом. Косвенный способ применяют для напыления металла, нагрева деталей. Им можно варить и резать материалы, не проводящие электричества.
При плазменной сварке и резке необходимо учитывать правильность выбора режима. Режимы должны учитывать правильную подачу тока, типы свариваемых материалов, их толщину, диаметр сопла плазмотрона. При резке разных материалов используются и разные газы.
Требования к соблюдению технологии
При кажущейся простоте процесса плазменной сварки, он очень требователен к точному соблюдению технологии и к содержанию оборудования. Основными ошибками являются:
- запоздалая замена сменных элементов плазмотрона;
- использование некачественных или дефектных деталей;
- использование некорректных режимов, которые сокращают срок службы элементов;
- отсутствие контроля за параметрами плазмообразующего материала;
- высокая или низкая скорость резки в сравнении с предусмотренной режимом;
Для успешного осуществления работ при помощи плазменной сварки необходим сварочный аппарат, обеспечивающий необходимые характеристики сварочного тока.
Понадобиться также специальная горелка с неплавящимся электродом, комплект шлангов для подачи или циркуляции охлаждающей жидкости, баллоны с аргоном и комплект газопроводных шлангов.
Как сделать плазмотрон своими руками
Ручной аппарат для плазменной сварки можно изготовить из обычного сварочного аппарата инверторного типа. Основной задачей является изготовление непосредственно самого плазмотрона, так как в остальном весь процесс схож с обычной аргонодуговой сваркой.
Анод и сопло
Для плазмотрона понадобится бронзовая заготовка, которую предстоит обрабатывать на токарном станке. Из этой заготовки необходимо выточить две детали околоцилиндрической формы, которые, вставив одна в другую, необходимо спаять вместе, чтобы внутри образовалась полость по принципу термоса.
Эта полость будет использоваться для прокачки охлаждающей жидкости. Это будет анод горелки. Он может быть и соплом в плазменной сварке. Диаметр сопла должен быть 1,8-2,0 миллиметра. Можно сделать сопло из более тугоплавкого материала и вкрутить его в анод, предварительно предусмотрев устройство резьбы на обеих деталях.
Охлаждение
Циркуляцию охлаждающей жидкости можно осуществить путем подключения через систему шлангов обычного автомобильного омывателя ветрового стекла. То есть не самого омывателя, а только бачка с перекачивающим насосом. Питание насоса напряжением постоянного тока 12 В организуется от аккумулятора или через подходящий блок питания.
Катод
Для катода можно использовать заточенный под конус стержень, изготовленный из вольфрамового электрода. Диаметр стержня должен быть 4,0 миллиметра. На тыльной стороне стержня необходимо предусмотреть резьбовое устройство, позволяющее осуществлять контролируемый ввод стержня в корпус плазмотрона.
Корпус
Сам корпус можно выполнить из неметаллического твердого тугоплавкого материала. Внутри необходимо предусмотреть возможность подачи плазмообразующего и защитного газа, для чего необходимо впаять патрубки подходящих размеров.
Возбуждение дуги
От основного источника питания, который теперь можно называть плазменным инвертором, подводится положительный заряд. Минимальная величина тока в 5-7 А должна будет поддерживать горение дежурной дуги.
Если аппарат имеет встроенный осциллятор, то возбуждение дуги не должно вызвать проблем. Если осциллятора нет, придется усложнить конструкцию плазмотрона, подпружинив катод таким образом, чтобы можно было осуществить кратковременное касание анода.
Именно в момент касания и будет зажигаться дежурная дуга. Пружину необходимо предусмотреть достаточно жесткую, чтобы контакт был как можно короче по времени, иначе катод может пригореть к аноду.
Нагнетание газа
При работе необходимо учесть существенный недостаток – в самодельном устройстве для плазменной сварки, расход аргона будет неоправданно высок. Поэтому при резке металлов или других материалов целесообразно использовать сжатый воздух или водяной пар. Но ими можно только резать, так как и воздух и пар не являются химически нейтральными к металлу и могут вызвать окисление шва.
Для нагнетания сжатого воздуха используются компрессоры. Подключать компрессор к плазмотрону лучше не напрямую, а через ресивер – баллон, в котором воздух аккумулируется под некоторым давлением.
Если ресивер не использовать, то подача воздуха будет неровной и качество плазменной дуги будет низкое. Для подачи водяного пара используют различные парогенераторы.
Микроплазменные аппараты
Очень часто домашние умельцы делают аппараты для плазменной резки и пайки, в которых температура плазмы не превышает всего 8000-9000 °C. Отличительной особенностью такого микроплазменного аппарата, является то, что он использует для образования плазмы спиртоводную жидкость, которая испаряется прямо в плазмотроне.
Для этого в конструкции предусмотрен специальный резервуар. Подобные аппараты очень удобны для мелких работ ввиду своей мобильности, ведь нет необходимости транспортировать громоздкие баллоны с газом или газогенераторы.
При правильной эксплуатации сварочного оборудования и соблюдении режимов сварки, при использовании качественных расходных материалов, плазменная сварка является наиболее эффективным способом резки или соединения материалов.
В настоящее время только лазерная сварка является более технологичной, но ее стоимость и требования к оборудованию на порядок выше, чем у плазменной.
