Введение
Плазменная дуговая сварка (PAW) – это процесс дуговой сварки, аналогичный газовольфрамовой дуговой сварке (GTAW). Электрическая дуга формируется между электродом (который обычно, но не всегда изготавливается из спеченного вольфрама) и свариваемой деталью. Ключевое отличие от GTAW заключается в том, что в PAW электрод расположен внутри корпуса горелки, поэтому плазменная дуга отделена от защитной газовой оболочки. Затем плазма проходит через тонкое медное сопло, которое сужает дугу, и плазма выходит из отверстия на высоких скоростях (приближающихся к скорости звука) и при температуре, достигающей 28 000 °C (50 000 °F) и выше. Дуговая плазма – это временное состояние газа. Газ ионизируется при прохождении через него электрического тока и становится проводником электричества. В ионизированном состоянии атомы распадаются на электроны (−) и катионы (+), и система содержит смесь ионов, электронов и сильно возбужденных атомов. Степень ионизации может варьироваться от 1% до более чем 100% (возможна двойная и тройная ионизация). Такие состояния возникают при отрыве большего количества электронов от их орбит. Энергия плазменной струи и, следовательно, температура зависят от электрической мощности, используемой для создания дуговой плазмы. Типичное значение температуры в плазменной горелке составляет порядка , по сравнению с примерно в обычной сварочной электрической дуге. Все сварочные дуги являются (частично ионизированными) плазмами, но в плазменной дуговой сварке используется сжатая дуговая плазма. Подобно тому, как кислородно-топливные горелки можно использовать как для сварки, так и для резки, плазменные горелки также могут применяться для обеих этих целей.
Plasma arc welding (PAW) is an arc welding process similar to gas tungsten arc welding (GTAW). The electric arc is formed between an electrode (which is usually but not always made of sintered tungsten) and the workpiece. The key difference from GTAW is that in PAW, the electrode is positioned within the body of the torch, so the plasma arc is separated from the shielding gas envelope. The plasma is then forced through a fine bore copper nozzle which constricts the arc and the plasma exits the orifice at high velocities (approaching the speed of sound) and a temperature approaching 28,000 °C (50,000 °F) or higher. Arc plasma is a temporary state of a gas. The gas gets ionized by electric current passing through it and it becomes a conductor of electricity. In ionized state, atoms are broken into electrons (−) and cations (+) and the system contains a mixture of ions, electrons and highly excited atoms. The degree of ionization may be between 1% and greater than 100% (possible with double and triple degrees of ionization). Such states exist as more electrons are pulled from their orbits. The energy of the plasma jet and thus the temperature depends upon the electrical power employed to create arc plasma. A typical value of temperature obtained in a plasma jet torch is on the order of , compared to about in ordinary electric welding arc. All welding arcs are (partially ionized) plasmas, but the one in plasma arc welding is a constricted arc plasma. Just as oxy fuel torches can be used for either welding or cutting, so too can plasma torches.
Концепция
Плазменная дуговая сварка — это процесс дуговой сварки, при котором соединение достигается за счет тепла, выделяемого концентрированной дугой, возникающей между вольфрамовым или вольфрамовым сплавом электродом и водяным охлаждаемым (сужающим) соплом (непередаваемая дуга) или между вольфрамовым или вольфрамовым сплавом электродом и свариваемым изделием (передаваемая дуга). В процессе используются два инертных газа: один формирует плазму дуги, а второй защищает ее. Добавление присадочного металла может быть предусмотрено, а может и не быть.
История
Процесс плазменной дуговой сварки и резки был изобретен Робертом М. Гейджем в 1953 году и запатентован в 1957 году. Уникальность этого процесса заключалась в возможности точной резки и сварки как тонких, так и толстых металлов. Он также позволял наносить на другие металлы упрочняющее покрытие методом распыления. Примером является распыление покрытий на лопатки турбин ракеты-носителя "Сатурн", предназначенной для полётов на Луну.
Принцип действия
Плазменная дуговая сварка является передовой формой сварки вольфрамом в инертном газе (TIG). В случае TIG используется открытая дуга, защищенная аргоном или гелием, в то время как в плазме применяется специальный факел, в котором сопло служит для сжатия дуги, а защитный газ подается отдельно через факел. Дуга сжимается с помощью водяного дюзеля малого диаметра, который сужает дугу, интенсивно увеличивает ее давление, температуру и тепловую мощность, тем самым повышая устойчивость дуги, ее форму и характеристики теплопередачи. Плазменные дуги формируются при использовании газа в двух режимах: ламинарном (низкое давление и низкий расход) и турбулентном (высокое давление и высокий расход). В качестве газов используются аргон, гелий, водород или их смеси. В плазменной сварке применяется ламинарный поток (низкое давление и низкий расход плазменного газа) для предотвращения выдувания расплавленного металла из зоны сварки. Непередаваемая дуга (пилотная дуга) используется для инициации процесса сварки. Дуга формируется между электродом и водяным дюзелем, сжимающим дугу (+). Инициация непередаваемой дуги осуществляется с помощью высоковольтного блока в цепи. После первоначального запуска высокой частотой формируется пилотная дуга (низкий ток) с использованием низкого тока. После установления основной дуги сопло нейтрально, или, в случае сварки сетки с использованием микроплазмы, может быть предусмотрена возможность поддержания непрерывной пилотной дуги. Передаваемая дуга обладает высокой плотностью энергии и скоростью плазменной струи. В зависимости от используемого тока и расхода газа она может применяться для резки и плавления металлов. Микроплазма использует ток в диапазоне от 0,1 до 10 ампер и применяется для сварки фольги, сильфонов и тонких листов. Это автогенный процесс, который обычно не требует использования присадочной проволоки или порошка. Плазма средней мощности использует ток от 10 до 100 ампер и применяется для сварки листов большей толщины с использованием присадочной проволоки или в автогенном режиме до листов, а также для нанесения металлических покрытий (наплавки) с использованием специализированных факелов и податчиков порошка (PTA) с металлическими порошками. Плазма с высоким током, превышающим 100 ампер, используется при сварке с присадочной проволокой на высоких скоростях перемещения. Другие области применения плазмы включают плазменную резку, нагрев, нанесение алмазных пленок (Kurihara et al. 1989), обработку материалов, металлургию (производство металлов и керамики), плазменное напыление и подводную резку.
Резка плазменной дуги
При использовании для резки поток плазменного газа увеличивается, чтобы глубоко проникающая плазменная струя прорезала материал, а расплавленный материал удалялся в виде шлака резки. PAC отличается от кислородной резки тем, что в плазменном процессе металл расплавляется за счет дуги, в то время как в кислородном процессе кислород окисляет металл, а тепло, выделяемое экзотермической реакцией, расплавляет его. В отличие от кислородной резки, процесс PAC может применяться для резки металлов, образующих тугоплавкие оксиды, таких как нержавеющая сталь, чугун, алюминий и другие цветные сплавы. С момента представления PAC компанией Praxair Inc. на выставке Американского сварочного общества в 1954 году было достигнуто множество усовершенствований процесса, разработок газов и улучшений оборудования.