Плазма и ее свойства

     Для сварки Al, Mg и их сплавов разработан процесс микроплазменной сварки на обратной полярности. Особенность способа состоит в том, что используются два источника питания. Один (ИП1) для непрерывного поддержания горения дежурной дуги между вольфрамовым электродом и медным соплом плазмотрона. Другой (ИП2) для питания основной дуги, горящей между медным соплом (анодом) и свариваемой деталью (катодом). Использование медного водоохлаждаемого сопла в качестве анода основной дуги позволяет исключать влияние тока обратной полярности основной дуги на вольфрамовый электрод, тем самым обеспечивается его высокая стойкость. Небольшой диаметр электрода обеспечивает устойчивое горение дежурной дуги на токах 2...5 А. При малых расходах плазмообразующего газа (0,2...0,8 л/мин) анодное пятно основной дуги размещается внутри канала сопла, а сжатие столба дуги на открытом ее участке и вблизи катода обеспечивается защитным газом, также как и при сварке на прямой полярности. Катодное пятно непрерывно блуждает по поверхности изделия и разрушает тугоплавкую оксидную пленку. Этот способ позволяет соединять AI и его сплавы толщиной в десятые и сотые доли миллиметра. Однако блуждание пятна приводит к получению широкого шва и большой зоны термического влияния.

     В настоящее время успешно осуществляется микроплазменная сварка алюминия на переменном токе. При этом способе между соплом и электродом плазмотрона непрерывно горит дежурная дуга постоянного тока. При подаче на вольфрамовый электрод положительного относительно изделия полупериода напряжения, между ними формируется сжатая дуга обратной полярности с нестационарным катодным пятном, разрушающим оксидную пленку. Затем на вольфрамовый электрод плазмотрона поступает отрицательный относительно изделия полупериод напряжения. При этом генерируется сжатая дуга с большой плотностью энергии, достаточной для осуществления сварки металлов, имеющих на поверхности тугоплавкие окисные пленки. При этом, так как по вольфрамовому электроду проходит только ток прямой полярности, разрушения его не происходит. Возможность раздельной подачи тока прямой и обратной полярности на вольфрамовый электрод является важным технологическим достоинством данного способа микроплазменной сварки.

     Микроплазменной сваркой наиболее технологично выполняются  стыковые, отбортованные и торцовые соединения. Качество сварного шва зависит от правильности подготовки кромок под сварку, точности сборки и качества применяемой оснастки. Стыковые соединения рекомендуются при толщинах  0,3...2,0 мм. При толщинах <0,3 мм технологичнее стыковые с отбортовкой. Торцовые соединения рекомендуются для всех толщин, так как при их выполнении отпадает необходимость в применении присадочной проволоки и подкладок. Нахлесточные и тавровые соединения не рекомендуются и их следует заменять на стыковые, торцовые и стыковые с отбортовкой.

     Обратная  сторона шва (со стороны корня) формируется либо гладкой технологической подкладкой, имеющей канавку овального, треугольного или прямоугольного сечения. Для получения стыковых соединений применяют, как правило, односторонние швы, выполняемые за один проход с полным проплавлением кромок на всю толщину свариваемого металла. В некоторых случаях, например, при сварке стыковых кольцевых швов, применяют многопроходную одностороннюю сварку. Первый проход выполняется на токе меньше номинального и служит для прихватки кромок соединяемых деталей, а следующим проходом осуществляют проплавление кромок на всю толщину.

     Методом микроплазменной сварки можно выполнять  соединение деталей во всех пространственных положениях. Хотя технологически наиболее просто выполняются швы в нижнем положении, особых затруднений в выполнении вертикальных, горизонтальных и потолочных швов не возникает, так как объем сварочной ванны небольшой, и расплавленный металл легко удерживается в ней за счет сил поверхностного натяжения.

     К сборке деталей под сварку предъявляются повышенные требования. Разметка деталей допускается только мягким инструментом, наличие рисок, царапин и разрывов на свариваемых кромках не допускается. Свариваемые кромки тщательно рихтуются деревянным молотком и очищаются от загрязнений. Сборку осуществляют в прецизионных оправках. При сварке протяженных швов делаются прихватки длиной 3...5 мм.

     Стабильность  горения плазменной дуги и качество сварного соединения зависят от формы  рабочей части электрода и  положения его в канале сопла. Угол заточки рабочей части вольфрамового электрода должен выдерживаться в пределах 10... 15 градусов. Ось электрода должна точно совпадать с осью канала сопла, а сам электрод должен быть утоплен в канале сопла не более чем на 0,5 мм. При соблюдении данных требований длина факела плазмы при горении дежурной дуги должна быть не менее 1,5...2,0 мм.

     Основная  дуга возбуждается касанием факела дежурной дуги свариваемого металла. После зажигания  основной дуги плазмотрон не перемещается до тех пор, пока на кромках не образуется сварочная ванна (при ручной сварке). После этого плазмотрон перемещается по стыку в направлении сварки. Угол наклона плазмотрона поддерживается в пределах 60...80° при ручной и 80...90° при автоматической (сварка углом вперед). Поперечные колебания плазмотрона не производят. Защитный газ подается еще в течение нескольких секунд после окончания процесса сварки и отключения основной дуги.

     При разработке технологии сварки любых  металлов следует учитывать их исходные свойства. Например, низкоуглеродистые спокойные и полуспокойные стали успешно свариваются при использовании в качестве защитного газа аргоно-водородной смеси. Кипящие стали склонны к образованию пор, появляющихся в результате взаимодействия водорода с оксидами железа во время кристаллизации расплава сварочной ванны. Поэтому содержание водорода в защитном газе не должно превышать 3%.

     Наиболее  успешно микроплазменная сварка применяется при соединении деталей, выполненных из коррозионно-стойких  сталей аустенитного класса. Сварка этих материалов выполняется в жестких зажимных приспособлениях для обеспечения теплоотвода из зоны сварки и уменьшения коробления свариваемых деталей и сварного изделия. 

     2.2 Плазменная наплавка и напыление

     Некоторые детали и узлы современных машин  и аппаратов работают в таких условиях, при которых они должны быть одновременно механически прочными и стойкими при воздействии на них высоких температур, химически агрессивных сред и др. Выполнять такие изделия из одного материала почти невозможно и экономически нецелесообразно. Гораздо выгоднее и проще изготовить деталь, например, из конструкционной стали, удовлетворяющей требованиям механической прочности, и покрыть ее поверхность более дорогим жаропрочным, износостойким или кислотоупорным сплавом. Используя в качестве защитных покрытий различные по составу металлические и неметаллические материалы, можно придавать деталям в целом требуемые механические, тепловые, диэлектрические и другие свойства. Наиболее универсальными и совершенными методами нанесения защитных покрытий являются наплавка и напыление плазменной дугой. Материал покрытия, специально приготовленный в виде мелкогранулированного порошка или проволоки, подается в поток плазменной струей и, нагреваясь или расплавляясь в этом потоке, переносится с ним на обрабатываемое изделие. Одновременно струя плазмы подогревает изделие.

     Преимущества  методов плазменного нанесения  покрытий перед другими (гальваническим, вакуумным, кислородно-ацетиленовым и  др.) заключаются в следующем:

     - высокая температура плазменного потока позволяет расплавлять и наносить самые тугоплавкие материалы;

     - поток плазмы дает возможность получать сплавы различных по свойствам материалов или наносить многослойные покрытия из различных сплавов. Это открывает широкую возможность получения покрытий, сочетающих разнообразные защитные свойства;

     - возможности этого способа не ограничены формой и размерами обрабатываемого изделия;

     - плазменная дуга - наиболее гибкий источник нагрева, позволяющий в широких пределах регулировать его энергетические характеристики.

     Для плазменной наплавки наиболее широко применяется плазмотрон комбинированного действия. При горении независимой  дуги такого плазмотрона между вольфрамовым электродом и соплом происходит расплавление присадочного металлического порошка, а при горении дуги между электродом и изделием поверхность последнего нагревается, и обеспечивается сплавление присадочного и основного металла. Использование комбинированной плазменной дуги позволяет получить минимальную глубину проплавления и долю основного металла в составе наплавленного, что является важнейшим технологическим преимуществом плазменной наплавки по сравнению с другими способами наплавки (открытой дугой, дугой под флюсом, индукционной и др.).

     Защита  наплавляемого слоя от воздействия  окружающей среды обеспечивается потоком инертного газа, окружающим дугу и подаваемым в наружное сопло плазмотрона. Присадочный порошок подается также инертным транспортирующим газом из специального порошкового питателя.

     С помощью плазменной наплавки металлическим  порошком можно получить жаростойкие и наиболее износостойкие покрытия из сплавов на основе никеля и кобальта. Этот способ позволяет получить тонкий равномерный слой покрытия с гладкой беспористой поверхностью, часто не требующей дополнительной механической обработки. При плазменной наплавке токоведущей присадочной проволокой дуга горит между катодом плазмотрона и проволокой, являющейся анодом, равномерно подаваемой в пространство между соплом и изделием. При таком способе обеспечивается более высокая производительность процесса наплавки при малой глубине проплавления основного металла, однако возможности получения тонкого и равномерного слоя при таком способе наплавки ограничены.

     Кроме того, применение присадочного материала  в виде порошка позволяет использовать для наплавки практически любые сплавы, что трудно осуществить при использовании проволоки в качестве присадочного материала. При плазменной наплавке в качестве плазмообразующего, защитного и транспортирующего газов обычно используется аргон. Расход газа и диапазон рабочих токов и напряжений при наплавке примерно тот же, что и при плазменной сварке. В отличие от наплавки процесс напыления характеризуется большей концентрацией теплового потока и высокой скоростью течения плазменной струи. Появление этого отличия связано с тем, что при плазменном напылении в качестве материалов покрытия применяются тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал и др.) или окислы металлов (Аl2О3, MgO, ZrO2), силициды (MoSi2), карбиды (В4С, SiC), бориды (ZnB2, HfB2), т. е. неметаллические материалы, обладающие весьма высокой температурой плавления. Эти материалы, приготовленные в виде мелкогранулированного порошка (размеры частиц 40-70 мкм), проходя через плазменную струю, успевают нагреться в основном лишь до пластического состояния. Однако благодаря высокой скорости плазменной струи частицы порошка приобретают значительную кинетическую энергию и при соударении с напыляемой поверхностью расплющиваются, внедряясь в нее и заполняя неровности. При этом кинетическая энергия частиц выделяется в виде тепла, температура их повышается, что обеспечивает прочное сцепление частиц между собой и с поверхностью изделия. Для напыления используется плазменная дуга косвенного действия, горящая между охлаждаемыми водой вольфрамовым катодом и медным соплом (анодом) и выдуваемая через сопло в виде плазменного факела. На досопловом и внутрисопловом участках плазмотрона происходит плазмообразование. Порошок вместе с транспортирующим его газом подается в небольшое отверстие вблизи выхода из сопла, т. е. вдувается в наиболее высокотемпературную область плазменной струи. Нагрев порошка происходит на участке, который начинается от анодного пятна и заканчивается факелом плазмы. Эффективность нагрева частиц порошка определяется временем их пребывания в плазме, т. е. расстоянием от среза сопла до изделия и мощностью плазменной струи. Повышение мощности может быть достигнуто при использовании двухатомных газов с высоким теплосодержанием, например N2 и Н2. Благодаря высокой теплопроводности водорода увеличивается длина высокотемпературной части факела, что дает возможность повысить температуру порошка за счет некоторого удаления плазмотрона от обрабатываемого изделия. Однако скорость плазменной струи с удалением от среза сопла понижается. Поэтому следует выдерживать оптимальное расстояние от среза сопла до поверхности изделия, величина которого зависит от параметров режима напыления, от материала покрытия и изделия и изменяется от 4 до 20 мм. Мощность плазмотрона, используемого для напыления, можно повысить также при увеличении длины досоплового и внутрисоплового участков столба дуги, однако при чрезмерном увеличении внутрисоплового участка столба дуги затрудняется возбуждение дуги, обычно производимое с помощью высокочастотного пробоя. Увеличение длины канала сопла свыше определенного предела приводит к явлению шунтирования столба дуги и снижению к. п. д. плазмотрона. Обычно в плазмотронах для напыления диаметр сопла составляет 5- 6 мм, длина досоплового участка - 4-8 мм, а длина канала сопла - 10-18 мм. Повышение мощности плазмотрона за счет увеличения тока дуги ограничивается стойкостью сопла (анода). При эрозии сопла появляется не только опасность его разрушения, но и возможность загрязнения напыляемого материала, что может резко ухудшить качество покрытия. В плазмотронах для напыления вращение анодного пятна по внутренней стенке сопла создается либо с помощью вихревой системы ввода рабочего газа, либо с помощью магнитного поля, образуемого катушкой постоянного тока, надетой на сопло. При использовании водорода в качестве рабочего газа с целью уменьшения величины теплового потока, направленного от дуги к соплу, водород применяют в смеси с аргоном, обеспечивающим тепловую изоляцию сопла от столба дуги. Обычно в плазмотронах для напыления ток не превышает 400 А, напряжение при использовании азота и смеси водорода с аргоном в зависимости от их расхода изменяется в пределах 60-100 В. Таким образом, мощность не превышает 40 кВт. При этом производительность процесса напыления в зависимости от материала покрытия составляет 2-3 кг/ч. Качество обработки поверхности при плазменном напылении определяется максимальной прочностью сцепления материала покрытия с изделием и минимальной пористостью покрытия. Высокое качество покрытия обеспечивается при соответствии физических свойств материалов, например в случае близости значений их коэффициентов теплового расширения. Повышение качества достигается при тщательной подготовке поверхности изделия перед процессом (обезжиривание, пескоструйная обработка, сушка и др.) и правильном выборе параметров режима напыления.  

     2.3 Плазменная резка

     Среди всех видов плазменной обработки  материалов плазменная резка получила наибольшее распространение, так как в современном машиностроении все шире применяются специальные сплавы, нержавеющие стали, цветные металлы и сплавы на их основе, для которых газокислородная или другие виды резки практически малопригодны. Плазменная резка обеспечивает более высокую производительность по сравнению с кислородной и при резке черных металлов и сплавов.

     Сущность  процесса плазменной разделительной резки  заключается в локальном интенсивном  расплавлении металла в объеме полости  реза теплотой, генерируемой сжатой дугой, и удалении жидкого металла из зоны реза высокоскоростным плазменным потоком, вытекающим из канала сопла плазмотрона.

     Одним из важнейших элементов плазмотрона, применяемого для резки, является сопло. Его конструкция и размеры  определяют технические характеристики и режим работы плазмотрона. Кроме того, сопло является анодом при возбуждении вспомогательной (дежурной) дуги, которая обеспечивает возбуждение и формирование основной плазменной дуги, используемой для резки материала. Диаметр и длина рабочего канала сопла плазмотрона определяют его технологические возможности. Их размеры выбираются в зависимости от величины рабочего тока, состава и расхода плазмообразующего газа. При плазменной резке обычно стремятся применять сопла небольшого (3...5 мм) диаметра и большой (9...12 мм) длины. Однако следует иметь в виду, что для каждого значения тока существуют оптимальные размеры канала сопла, при которых обеспечивается стабильное формирование плазменной струи и максимальные технологические возможности процесса резки. Уменьшение диаметра сопла менее 3 мм нецелесообразно из-за уменьшения ресурса работы плазмотрона. Увеличение диаметра сопла при прочих равных условиях приводит к уменьшению сжатия столба дуги и уменьшению скорости резки. При этом увеличивается ширина реза и ухудшается его качество. Однако при этом стойкость и ресурс работы сопла растут, поскольку плотность тока в струе плазмы и тепловой поток в канале сопла снижаются.

     Чем больше длина канала сопла, тем выше скорость истечения плазменной струи и лучше качество реза, так как при этом происходит увеличение тепловой мощности и температуры плазменной струи. Однако при очень длинных каналах (более 12 мм) надежность работы плазмотрона снижается из-за разрушения сопла тепловым потоком плазмы или образования двойной дуги. Оптимальная длина канала сопла должна быть больше диаметра сопла в 1,5...1,8 раза. Наилучшим материалом для сопла является медь.