Spawanie łukiem plazmowym - Plasma arc welding

1. Plazma gazowa, 2. Ochrona dyszy, 3. Gaz osłonowy, 4. Elektroda, 5. Przewężenie dyszy, 6. Łuk elektryczny

Spawanie łukiem plazmowym ( PAW ) to proces spawania łukowego podobny do spawania łukiem gazowym wolframowym (GTAW). Łuk elektryczny tworzy się pomiędzy elektrodą (który jest zwykle, ale nie zawsze jest wykonane z spieku wolfram ) oraz przedmiotu obrabianego . Kluczową różnicą w stosunku do GTAW jest to, że w PAW elektroda jest umieszczona w korpusie palnika, dzięki czemu łuk plazmowy jest oddzielony od osłony gazu osłonowego . Osocza zostaje wypchnięta przez dyszę miedzi cienką który zwęża łuku i osocze opuszcza dyszę przy dużych prędkościach (zbliżających się do prędkości dźwięku) i temperaturze zbliżającej się do 28 000 ° C (50 000 ° F) lub wyższej.

Plazma łukowa to chwilowy stan gazu. Gaz ulega jonizacji pod wpływem przepływającego przez niego prądu elektrycznego i staje się przewodnikiem elektryczności. W stanie zjonizowanym atomy są rozbite na elektrony (−) i kationy (+), a układ zawiera mieszaninę jonów, elektronów i silnie wzbudzonych atomów. Stopień jonizacji może wynosić od 1% do ponad 100% (możliwe przy podwójnym i potrójnym stopniu jonizacji). Takie stany istnieją, gdy więcej elektronów jest wyciąganych z ich orbit.

Energia strumienia plazmy, a tym samym temperatura, zależy od mocy elektrycznej użytej do wytworzenia plazmy łukowej. Typowa wartość temperatury uzyskiwana w palniku plazmowym jest rzędu 28000 °C (50000 °F), w porównaniu do około 5500 °C (10000 °F) w zwykłym elektrycznym łuku spawalniczym. Wszystkie łuki spawalnicze są (częściowo zjonizowaną) plazmą, ale łuk w spawaniu plazmowym jest plazmą z ograniczonym łukiem.

Podobnie jak palniki tlenowo-paliwowe mogą być używane do spawania lub cięcia, tak samo palniki plazmowe mogą być używane .

Pojęcie

Spawanie łukiem plazmowym to proces spawania łukowego, w którym koalescencja jest wytwarzana przez ciepło uzyskane ze zwężonego ustawienia łuku między elektrodą wolframową/stopową wolframową a chłodzoną wodą (zwężającą) dyszą (łuk nieprzechodzący) lub między elektrodą wolframową/stopową wolframową elektroda i praca (przeniesiony łuk). W procesie wykorzystywane są dwa gazy obojętne, jeden tworzy plazmę łukową, a drugi osłania plazmę łukową. Spoiwo może być dodawane lub nie.

Historia

Proces spawania i cięcia łukiem plazmowym został wynaleziony przez Roberta M. Gage'a w 1953 roku i opatentowany w 1957 roku. Proces ten był wyjątkowy, ponieważ umożliwiał precyzyjne cięcie i spawanie zarówno cienkich, jak i grubych metali. Był również zdolny do natryskowego powlekania hartujących metali na innych metalach. Jednym z przykładów było powlekanie natryskowe łopatek turbiny rakiety Saturn związanej z księżycem.

Zasada działania

Spawanie łukiem plazmowym to zaawansowana forma spawania tig. W przypadku tig jest to otwarty łuk osłonięty argonem lub helem, natomiast plazma wykorzystywała specjalny palnik, w którym dysza służy do zwężania łuku, a gaz osłonowy jest dostarczany oddzielnie przez palnik. Łuk jest zwężany za pomocą chłodzonej wodą dyszy o małej średnicy, która ściska łuk, intensywnie zwiększa jego ciśnienie, temperaturę i ciepło, poprawiając w ten sposób stabilność łuku, kształt łuku i właściwości przenoszenia ciepła.

Łuki plazmowe powstają przy użyciu gazu w dwóch formach: jedna laminarna (niskie ciśnienie i niski przepływ), a druga to przepływ turbulentny (wysokie ciśnienie i duży przepływ).

Stosowane gazy to argon, hel, wodór lub ich mieszanina. W przypadku spawania plazmowego stosuje się przepływ laminarny (niskie ciśnienie i niski przepływ gazu plazmowego), aby zapewnić, że stopiony metal nie zostanie wydmuchany ze strefy spawania.

Nieprzechodzący łuk (łuk pilotujący) jest wykorzystywany podczas spawania plazmowego do inicjowania procesu spawania. Łuk powstaje między elektrodą (-) a chłodzoną wodą dyszą zwężającą (+). Nieprzeniesiony łuk jest inicjowany przez zastosowanie w obwodzie jednostki wysokiej częstotliwości. Po początkowym starcie wysokiej częstotliwości łuk pilota (niski prąd) powstaje między elektrykami przez zastosowanie niskiego prądu. Po zajarzeniu łuku głównego dysza pozostaje w pozycji neutralnej lub w przypadku siatki spawalniczej przy użyciu mikroplazmy, istnieje możliwość zapewnienia ciągłego łuku pilota. Przenoszony łuk ma wysoką gęstość energii i prędkość strumienia plazmy. W zależności od stosowanego prądu i przepływu gazu może być stosowany do cięcia i topienia metali.

Mikroplazma wykorzystuje prąd o natężeniu od 0,1 do 10 amperów i wykorzystuje folie, mieszki i cienkie arkusze. Jest to proces autogeniczny i zwykle nie wykorzystuje się drutu ani proszku.

Plazma średnia zużywa prąd od 10 do 100 A i jest używana do spawania blach o większej grubości drutem lub blach autogenicznych do 6 mm oraz do napawania metali (napawania) przy użyciu specjalistycznych palników i podajników proszków (PTA) przy użyciu proszków metali.

Plazma wysokoprądowa powyżej 100 A jest używana do spawania drutami elektrodowymi przy dużych prędkościach przesuwu.

Inne zastosowania plazmy to cięcie plazmowe, ogrzewanie, osadzanie warstw diamentowych (Kurihara i in. 1989), obróbka materiałów, metalurgia (produkcja metali i ceramiki), natryskiwanie plazmowe i cięcie pod wodą.

Ekwipunek

Sprzęt potrzebny do spawania łukiem plazmowym wraz z ich funkcjami to:

Kontrola zaniku prądu i gazu

Podczas wykańczania spoiny w konstrukcji konieczne jest prawidłowe zamknięcie otworu klucza.

Osprzęt

Należy unikać zanieczyszczenia atmosferycznego stopionego metalu pod stopką.

Materiały

Stal

Aluminium

inne materiały

Generator wysokiej częstotliwości i rezystory ograniczające prąd

Do zajarzenia łuku stosuje się generator wysokiej częstotliwości i rezystory ograniczające prąd. System zajarzenia łuku może być oddzielny lub wbudowany w system.

Latarka plazmowa

Jest to albo łuk przeniesiony, albo łuk nieprzeniesiony. Jest obsługiwany ręcznie lub zmechanizowany. Obecnie prawie wszystkie aplikacje wymagają zautomatyzowanego systemu. Palnik jest chłodzony wodą, aby wydłużyć żywotność dyszy i elektrody. Rozmiar i rodzaj końcówki dyszy dobiera się w zależności od spawanego metalu, kształtu spoiny i pożądanej głębokości wtopienia.

Zasilacz

Do spawania łukiem plazmowym odpowiednie jest źródło prądu stałego ( generator lub prostownik ) o opadającej charakterystyce i napięciu jałowym 70 V lub wyższym. Prostowniki są generalnie preferowane w stosunku do generatorów prądu stałego. Praca z helem jako gazem obojętnym wymaga napięcia w obwodzie otwartym powyżej 70 woltów. To wyższe napięcie można uzyskać poprzez szeregową pracę dwóch źródeł zasilania; lub łuk można zainicjować argonem przy normalnym napięciu obwodu otwartego, a następnie można włączyć hel.

Typowe parametry spawania dla spawania łukiem plazmowym są następujące:

Prąd od 50 do 350 amperów, napięcie od 27 do 31 woltów, natężenie przepływu gazu od 2 do 40 litrów/minutę (dolny zakres dla gazu kryzowego i wyższy zakres dla zewnętrznego gazu osłonowego), elektroda prądu stałego ujemna (DCEN) jest zwykle używana do spawania łukiem plazmowym z wyjątkiem spawania aluminium, w którym to przypadku elektroda chłodzona wodą jest preferowana do spawania z odwrotną polaryzacją, tj. elektroda prądu stałego dodatniego (DCEP).

Gazy osłonowe

Stosuje się dwa gazy obojętne lub mieszaniny gazów. Gaz kryzowy przy niższym ciśnieniu i natężeniu przepływu tworzy łuk plazmowy. Ciśnienie gazu kryzowego jest celowo utrzymywane na niskim poziomie, aby uniknąć turbulencji metalu spoiny , ale to niskie ciśnienie nie jest w stanie zapewnić odpowiedniego ekranowania jeziorka spawalniczego. Aby zapewnić odpowiednią ochronę ekranu, ten sam lub inny gaz obojętny jest przesyłany przez zewnętrzny pierścień osłaniający palnika przy porównywalnie wyższych natężeniach przepływu. Większość materiałów można spawać argonem, helem, argonem+wodorem i argon+helem jako gazami obojętnymi lub mieszaninami gazów. Powszechnie używany jest argon. Hel jest preferowany tam, gdzie pożądany jest szeroki wzór doprowadzenia ciepła i bardziej płaskie przejście otuliny bez spawania w trybie z otworem na klucz. Mieszanina argonu i wodoru dostarcza więcej energii cieplnej niż w przypadku użycia samego argonu, a tym samym umożliwia spawanie metodą dziurki od klucza w stopach na bazie niklu, stopach na bazie miedzi i stali nierdzewnej.

Do cięcia można użyć mieszaniny argonu i wodoru (10-30%) lub azotu. Wodór, ze względu na dysocjację do postaci atomowej, a następnie rekombinację, generuje temperatury wyższe od osiąganych przy użyciu samego argonu lub helu. Ponadto wodór zapewnia atmosferę redukującą, co pomaga w zapobieganiu utlenianiu spoiny i jej otoczenia. (Należy zachować ostrożność, ponieważ wodór dyfundujący do metalu może prowadzić do kruchości niektórych metali i stali.)

Kontrola napięcia

Podczas spawania konturowego wymagana jest kontrola napięcia. W normalnym spawaniu otworów od klucza zmiana długości łuku do 1,5 mm nie wpływa w znaczącym stopniu na wtopienie ściegu lub kształt ściegu, a zatem kontrola napięcia nie jest uważana za kluczową.

Opis procesu

Technika czyszczenia obrabianego przedmiotu i dodawania spoiwa jest podobna jak w spawaniu TIG . Spoiwo jest dodawane na przedniej krawędzi jeziorka spawalniczego. Spoiwo nie jest wymagane przy wykonywaniu spoin graniowych.

Typ złączy : Do spawania elementów o grubości do 25 mm stosuje się złącza takie jak czworokątne, J lub V. Spawanie plazmowe jest stosowane do wykonywania spoin zarówno z otworami na klucz, jak i bez otworów na klucz.

Wykonywanie spoin bez otworków : Proces może wykonywać spoiny bez otworków na elementach obrabianych o grubości 2,4 mm i mniejszej.

Wykonywanie spoin dziurek od klucza : Wyjątkową cechą spawania łukiem plazmowym, dzięki wyjątkowej sile penetracji strumienia plazmy, jest jego zdolność do wykonywania spoin dziurek w elemencie o grubości od 2,5 mm do 25 mm. Efekt dziurki od klucza uzyskuje się poprzez odpowiedni dobór prądu, średnicy otworu dyszy i prędkości przesuwu, które wytwarzają silny strumień plazmy, który całkowicie przenika przez obrabiany przedmiot. Strumień plazmowy w żadnym wypadku nie powinien wyrzucać stopionego metalu ze złącza. Głównymi zaletami techniki dziurki od klucza jest zdolność do szybkiego penetracji stosunkowo grubych odcinków korzenia i uzyskania jednolitego zgrubienia pod spodem bez mechanicznego podkładu. Również stosunek głębokości wtopienia do szerokości spoiny jest znacznie wyższy, co skutkuje węższą spoiną i strefą wpływu ciepła. W miarę postępu spoiny metal podstawowy przed dziurką od klucza topi się, przepływając wokół tego samego, krzepnie i tworzy ścieg spoiny. Otwór na klucz ułatwia głęboką penetrację przy większych prędkościach i zapewnia wysokiej jakości ścieg. Podczas spawania grubszych elementów, układania innych niż ścieg graniowy i używania spoiwa, siła strumienia plazmy jest redukowana poprzez odpowiednie kontrolowanie ilości gazu kryzowego.

Spawanie łukiem plazmowym to postęp w stosunku do procesu GTAW. W procesie tym wykorzystuje się nie zużywającą się elektrodę wolframową i łuk zwężony przez drobnootworową miedzianą dyszę. PAW może być używany do łączenia wszystkich metali, które można spawać za pomocą GTAW (tj. większości komercyjnych metali i stopów). Ciężkie do spawania przez PAW metale to brąz, żeliwo, ołów i magnez. Możliwych jest kilka podstawowych odmian procesu PAW poprzez zmianę natężenia prądu, natężenia przepływu gazu plazmowego i średnicy kryzy, w tym:

  • Mikroplazma (< 15 amperów)
  • Tryb topnienia (15–100 A)
  • Tryb dziurki od klucza (>100 amperów)
  • Spawanie łukiem plazmowym charakteryzuje się większą koncentracją energii w porównaniu do spawania metodą GTAW.
  • Osiągalna jest głęboka, wąska penetracja, o maksymalnej głębokości od 12 do 18 mm (0,47 do 0,71 cala) w zależności od materiału.
  • Większa stabilność łuku umożliwia znacznie większą długość łuku (odstęp) i znacznie większą tolerancję na zmiany długości łuku.
  • PAW wymaga stosunkowo drogiego i skomplikowanego sprzętu w porównaniu do GTAW; właściwa konserwacja palnika ma kluczowe znaczenie.
  • Procedury spawania są zwykle bardziej złożone i mniej tolerancyjne na zmiany w dopasowaniu itp.
  • Wymagane umiejętności operatora są nieco większe niż w przypadku GTAW.
  • Konieczna jest wymiana kryzy.

Zmienne procesowe

Gazy

W PAW wykorzystywane są co najmniej dwa oddzielne (i ewentualnie trzy) strumienie gazu:

  • Gaz plazmowy – przepływa przez otwór i ulega jonizacji.
  • Gaz osłonowy – przepływa przez dyszę zewnętrzną i osłania roztopioną spoinę przed atmosferą.
  • Gazy do płukania wstecznego i wleczenia — wymagane w przypadku niektórych materiałów i zastosowań.

Wszystkie te gazy mogą być takie same lub mieć różny skład.

Kluczowe zmienne procesu

  • Rodzaj prądu i polaryzacja
  • DCEN ze źródła CC jest standardem
  • Fala prostokątna AC jest powszechna w przypadku aluminium i magnezu
  • Prąd spawania i pulsowanie - Prąd może wahać się od 0,5 A do 1200 A; prąd może być stały lub pulsujący z częstotliwością do 20 kHz
  • Szybkość przepływu gazu (Ta krytyczna zmienna musi być dokładnie kontrolowana w oparciu o prąd, średnicę i kształt kryzy, mieszankę gazów oraz materiał podstawowy i grubość).

Inne procesy łuku plazmowego

W zależności od konstrukcji palnika (np. średnicy otworu), konstrukcji elektrody, rodzaju i prędkości gazu oraz poziomów prądu można uzyskać kilka wariantów procesu plazmowego, w tym:

Cięcie łukiem plazmowym

W przypadku zastosowania do cięcia, przepływ gazu plazmowego jest zwiększany tak, że głęboko penetrujący strumień plazmy przecina materiał, a stopiony materiał jest usuwany jako żużel po cięciu. PAC różni się od cięcia tlenowo-paliwowego tym, że proces plazmowy wykorzystuje łuk do topienia metalu, podczas gdy w procesie tlenowo-paliwowym tlen utlenia metal, a ciepło z reakcji egzotermicznej topi metal. W przeciwieństwie do cięcia tlenem, proces PAC może być stosowany do cięcia metali, które tworzą tlenki ogniotrwałe, takich jak stal nierdzewna, żeliwo, aluminium i inne stopy metali nieżelaznych. Od czasu wprowadzenia PAC przez Praxair Inc. na wystawie Amerykańskiego Towarzystwa Spawalniczego w 1954 r., wprowadzono wiele udoskonaleń procesów, rozwoju gazów i ulepszeń sprzętu.

Bibliografia

Bibliografia

  • Oberga, Eryka; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2000), Podręcznik maszynowy (wyd. 26.), New York: Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-2635-3.

Dalsza lektura

  • Amerykańskie Towarzystwo Spawalnicze, Podręcznik spawania, tom 2 (wyd. 8)

Linki zewnętrzne

Spawanie łukiem plazmowym

Spawanie mikroplazmowe

Spawanie łukowe natryskowe