Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Садриев Р.Ш.
Статья посвящена решению проблемы сварки металлов, имеющих на поверхности тугоплавкие окисные пленки. Были проведены исследования дугового разряда обратной полярности, горящий между соплом плазменной горелки и изделием, возбуждаемый и стабилизируемый с помощью факела плазмы, в ходе экспериментов были получены сваренные образцы из цветных металлов и алюминия.
Сварка является одним из самых распространенных технологических процессов в машиностроении и строитель­стве. Простейшие приемы сварки были известны еще с глу­бокой древности. Древним была известна в основном литей­ная сварка. Соединяемые детали заформовывали и подогре­вали, а место соединения заливали заранее приготовленным расплавом металлов. Чтобы получить изделие из железа и его сплавов, нужно было нагревать металлов кузнечных горнах и проковывать его. Такой метод получил название горновой, или кузнечной, сварки. Этот вид сварки был ши­роко известен и использовался во всем мире вплоть до конца XIX века. Научное обоснование и дальнейшее раз­витие сварка получила благодаря трудам великого русско­го ученого-энциклопедиста М.В.Ломоносова и его дру­га - академика Г.В. Рихмана. Широко известны слова Ло­моносова, о том, что «...електрическая сила открывает великую надежду к благополучию человеческому».

Русский электротехник, профессор Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров развил учение Ломоносова об электрической дуге и в 1802 году проде­монстрировал членам медицинской коллегии свое замеча­тельное открытие - электрическую дугу, которая возни­кает при соединении двух угольков, соединенных проводами с источником тока высокого напряжения. Продолжая экс­периментировать в своей лаборатории, ученый заменяет один из углей металлической проволокой и в результате получает пламя, от которого плавится металл. Таким об­разом ученый пришел к выводу, что электрическую дугу можно использовать для плавления металла.

Для практического осуществления электрической сварки металлов понадобились многие годы совместных усилий физиков и техников. В 1882 году россиянин Н.Н.Бенардос предложил способ электрической дуговой сварки угольным электродом. Идея электросварки посетила Бенардоса во время посещения кузни, когда ученый наблюдал за кузнечной сваркой - разогревом кромок стальных и свинцовых деталей и проковыванием их в месте соединения. Бенардос предложил разогревать кромки при помощи электрической дуги. Для соединения свинцовых плас­тин аккумуляторов изобретатель использовал тепло элек­трической дуги, открытой В.В.Петровым. Дуга возникала между углем и аккумуляторной пластиной, которая была электропроводка и служила одновременно вторым элект­родом. К пластине, прижатой к раме, подсоединялся один полюс батареи, второй полюс должен быть соединен с уголь­ным стержнем, закрепленным в специальной рукоятке. Ученый касался углем места соединения. От дуги начали плавиться кромки соединенных деталей, образуя так на­зываемую ванну расплавленного металла. Вводя в пламя дуги конец свинцового прутка, Бенардос расплавил его. В образовавшейся сварочной ванночке происходило сли­яние соединяемых частей металлов. После затвердения образовался однородный наплавленный металл - свар­ной шов.

В 1888 году другой русский ученый - Н.Г.Славянов - изобрел способ дуговой электрической сварки, ко­торый был назван электрической отливкой металлов. Спо­соб обеспечил непрерывное плавление и повысил эффек­тивность сварки. Кроме того, Славянов впервые осуществил и описал сварку дугой, погруженной во флюс.

В 1940 году академик Е.О.Патон, основываясь на работах Славянова, разработал со своими учениками спо­соб скоростной автоматической сварки под флюсом. Этот способ положен в основу механизации сварочного произ­водства в нашей стране.В настоящее время широко применяется электроду­говая, электрошлаковая и плазменно-дуговая сварка [1,2].

Из всех видов сварки менее исследованным является плазменно-дуговая сварка. По этой причине были проведены исследования дугового разряда обратной полярности, горящий между соплом плазменной горелки и изделием, возбуждаемый и стабилизируемый с помощью факела плазмы, в ходе экспериментов были получены сваренные образцы из цветных металлов и алюминия толщиной в десятые доли миллиметра. Однако в этом случае блуждание катодного пятна приводит к образованию широкого шва и зна­чительной зоны термического влияния по сравнению, например, с микроплазменной сваркой дугой прямой полярности.

В разработанном способе сварки дуга обратной полярности используется только в один полупериод для разрушения (очистки) окисных пленок на кромках свариваемых деталей. Плав­ление металла осуществляется в другой полупериод высоко­концентрированным источником тепла - дугой прямой поляр­ности, горящей между электродом плазматрона и из­делием. При этом получается узкий шов с малой зоной терми­ческого влияния.

Рисунок 1. Схема принципа плазменной сварки на переменном токе:

  1. - электрод;
  2. - плазменная дуга;
  3. - свариваемое изделие;
  4. - источник питания.

Сущность способа иллюстрируется схемой, изображенной на рис.1. Между электродами плазматрона в потоке плазмообразующего газа непрерывно горит дежурная ду­га постоянного тока, создающая в промежутке электрод - изделие факел плазмы. При подаче на сопло горелки положительного относительно изделия полупериода напряжения между електродом и изделием формируется дуга обратной полярности с неста­ционарным катодным пятном. В течение этого полупериода про­исходит разрушение окисной пленки на кромках свариваемого изделия. Величина тока обратной полярности выбирается толь­ко из соображений качественной очистки и поэтому мала. За­тем на медный электрод горелки поступает отрицатель­ный относительно изделия полупериод напряжения. При этом формируется плазменная дуга с большой плотностью энергии, достаточной для плавления, и, таким образом, осуществляется сварка металлов, имеющих на поверхности тугоплавкие окисные пленки [3].

В созданном способе плазменной сварки на переменном токе на электроды попеременно подаются полупериоды напряжения синусоидальной формы промышлен­ной частоты (50 Гц). Как следует из описанного способа свар­ки, через изделие проходит асимметричный переменный ток, а по медному электроду - только ток прямой полярно­сти. Поэтому оплавления электрода, как при аргонодуговой сварке на переменном токе, не происходит. Это обеспечивает высокую пространственную устойчивость и стабильность горе­ния дуги даже на токах = 1 А.

Возможность раздельной регулировки тока прямой и обрат­ной полярности является важным технологическим преимуще­ством данного способа сварки, поскольку это позволяет незави­симо управлять степенью очистки поверхности и скоростью плавления металла.

Режим дежурной дуги и величины токов в различные полупериоды являются важными технологическими параметрами, оптимальный выбор которых обеспечивает ста­бильность процесса сварки цветных металлов и хорошее каче­ство сварного соединения.

Следует отметить, что нестационарное катодное пятно в процессе своего блуждания не только очищает открытые по­верхности изделия, но и проникает в зазор между свариваемыми кромками, обеспечивая получение высококачественного сварного соединения без окисных включений. Это свойство пятна проникать в щели, трещины, поры, раковины и т. п. было использовано нами при разработке спо­соба заварки дефектов в различных металлах, в том числе и алюминии. Сущность этого способа заключается в следующем. В начале процесса дефектный участок изделия (в том числе внутренние полости дефектов) очищается от окисной пленки и других загрязнений дугой обратной полярности, горящей между электродом и изделием. Ток дуги мал, и заплавления дефектов не происходит. По окончании очистки наступает вторая стадия процесса - заплавление дефекта по способу сварки на перемен­ном токе.

Рисунок 1. Динамичеекая вольт-амперная характеристика дуги

Стабильность процесса горения дуги прямой и обратной по­лярности на переменном токе иллюстрируется динамической вольт-амперной характеристикой (рис.1). По оси абсцисс записывается ток дуги, по оси ординат - падение напряжения. В обоих случаях как при , так и при  харак­теристика  для дуги прямой полярности падающая . Характеристика подобна статическим вольт-амперным характеристикам плазменной дуги на постоянном токе.

 Как показала практика, разработанный способ плазменной сварки металлов на переменном токе является устойчивым процессом даже на малых токах и позволяет осуществлять качественную сварку алюминия и его сплавов малых и весьма малых толщин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М., Машиностроение, 1970. 335 с.
  2. Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. Изд. Машиностроение Ленингралское отд-ие. 1987.
  3. Теория термической электродуговой плазмы. Под ред. Жукова М.Ф. Новосибирск. 1987.

Библиографическая ссылка

Садриев Р.Ш. СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ // Успехи современного естествознания. – 2005. – № 7. – С. 20-22;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=8735 (дата обращения: 28.06.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074