СПОСОБ СВАРКИ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГОЙ
WELDING PROCESS BY PLASMA ARC

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано при сварке плазменной дугой в среде защитных газов широкого спектра конструкций из активных материалов в различных отраслях промышленности.
Известен способ сварки плазменной дугой на постоянном токе обратной полярности с использованием вольфрамового электрода, при котором в качестве газовой среды используется аргон, подаваемый с постоянными скоростью и расходом (см. статью Астахина В.И. и др. «Применение плазменно-дуговой сварки при производстве криогенного оборудования из алюминиевых сплавов», «Сварочное производство», 1976 г., №4, с.16-17).
Недостатком известного способа является низкая стойкость вольфрамового электрода на повышенных токах, малая проплавляющая способность и обусловленные этим значительная ширина шва и малая производительность процесса сварки.
Известен способ сварки плазменной дугой, при котором создают непрерывную пульсацию защитного газового потока по закону синусоидальной волны за счет непрерывного увеличения и уменьшения расхода аргона, который вводят в плазменную дугу, при этом предварительно в свариваемой детали производят сквозное проплавление (отверстие), а затем это отверстие заполняют расплавленным металлом (см. патент США №3324278, кл. 219-137, 15.01.64 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что данный способ не обеспечивает стабильного качества сварных швов и равномерного проплавления при сварке материала толщиной свыше 6,0 мм, а также при сварке деталей в положениях, отличных от нижнего (вертикальном, потолочном).
пр
Задачей настоящего изобретения является разработка технологии, обеспечивающей повышение качества сварки при одновременном повышении проплавляющей способности (h) плазменной дуги, а также обеспечивающей проведение сварки при не только нижнем положении свариваемых деталей, но и при вертикальном и потолочном.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе сварки плазменной дугой, согласно которому в зону плазменной дуги непрерывно подают поток плазмообразующей газовой среды, новым является то, что в зону сварки дополнительно непрерывно подают поток газовой среды для защиты зоны сварки от воздействия внешней среды, причем подачу плазмообразующей и/или защитной газовой среды осуществляют с периодическим изменением расхода плазмообразующей и/или защитной газовой среды, которое осуществляют по закону волны с прямоугольной формой ее периода, при этом при изменении расхода плазмообразующей и/или защитной среды изменяют ее состав, причем для формирования защитного газового потока используют однородный газ или смесь газов, подаваемых в зону сварки с постоянным расходом, а для формирования плазмообразующего газового потока используют два различных газа или две смеси газов, подаваемых в зону плазменной дуги с периодическим изменением расхода и состава газовой среды при соотношении расходов газов или их смесей:
1
2
Q:Q=1:n (при n=2-5),
1
где Q - расход одного плазмообразующего газа или смеси газов;
2
Q - расход другого плазмообразующего газа или смеси газов или для формирования плазмообразующего газового потока используют однородный газ или смесь газов, подаваемый в зону плазменной дуги с постоянным расходом, а для формирования защитного газового потока используют два разнородных газа или две смеси газов, подаваемых в зону сварки с периодическим изменением расхода и состава газовой среды при соотношении расходов газов или их смесей
1
2
Q′:Q′=1-n (при n=4-10),
1
где Q′ - расход одного защитного газа или смеси газов;
2
1
2
1
2
Q′ - расход другого защитного газа или смеси газов или для формирования плазмообразующего и защитного газовых потоков используют два разнородных газа или смеси газов, синхронно подаваемых в зону плазменной дуги и в зону сварки, причем подачу газовой среды в зону сварки и в зону плазменной дуги осуществляют с синхронным изменением расхода и состава среды при соотношении расходов газов Q:Q=1:n (при n=2-5) в плазмообразующем газовом потоке и Q′:Q′=1:n (при n=4-10) в защитном газовом потоке.
При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленному, а следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Сущность заявленного изобретения не следует явным образом из уровня техники, а следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых
на фиг.1 - установка для сварки плазменной дугой (реализация способа);
л
мин
на фиг.2-5 - графики изменения расхода газа (Q /) от времени (t) в защитном (а) и плазмообразующем (б) газовых потоках.
Установка для сварки плазменной дугой, на которой реализуется заявленный способ, содержит газовые емкости (баллоны) 1 и 2, устройства 3 и 4 регулирования подачи газовой среды к сварочному устройству (плазматрону) 5, содержащему электрод 6, осуществляющий сварку деталей 7. Функционирование сварочного устройства осуществляется от источника питания 8. В сварочном устройстве имеется два канала 9 и 10. Канал 9 соединен с выходом устройства 3 и предназначен для подачи плазмообразующего газового потока в зону плазменной дуги. Канал 10 соединен с выходом устройства 4 и предназначен для подачи защитного газового потока в зону сварки для защиты сварочной дуги 11 и зоны сварки от воздействия окружающей среды защитным газовым потоком 12. Плазмообразующий газовый поток подается в зону плазменной дуги через отверстие 13. Каждая из емкостей 1 и 2 связана с выходами устройств 3 и 4. Функционирование устройств 3 и 4 осуществляется от блока управления 14.
Для соединения устройств установки используется стандартная газовая арматура. В качестве блока управления может быть использован стандартный программный блок. Конструкция плазматрона также является известной.
Способ сварки плазменной дугой осуществляют следующим образом.
Описание способа рассмотрим на примере использования двух газов: аргона (Ar) и гелия (Не). Однако это не означает, что для реализации способа не могут быть использованы иные газы и/или их смеси.
В процессе реализации способа емкости 1 и 2 постоянно находятся в открытом положении и на входы устройств 3 и 4 постоянно подаются газы из емкостей 1 и 2,
В зависимости от заданной программы блок 14 обеспечивает управление блоками 3 и 4 таким образом, что в плазмообразующий и 9 и защитный 10 каналы плазматрона 5 постоянно подается газовый поток.
Газовые потоки могут подаваться в каналы 9 и 10 как с постоянным расходом, так и с периодически меняющимся расходом, причем при изменении расхода изменяется и подаваемый газ или смесь газов. Защитный газовый поток обозначим буквой «а», а подаваемый в плазмообразующий канал - «б».
Так на фиг. 3 представлен график, согласно которому при осуществлении способа при сварке деталей 7 плазмообразующий газ подается в зону сварочной дуги с постоянным расходом, а в защитный канал устройства 5 подаются попеременно защитные газы (в данном случае аргон и гелий), причем расход каждого газа при подаче его в защитный канал устройства 5 постоянен, их относительный расход различен, а смена газа и расхода осуществляется очень быстро, то есть можно утверждать, что подача газа в защитный канал осуществляется в виде непрерывной пульсирующей прямоугольной волны. Это характерно и для приведенных ниже сведений, раскрывающих заявленный способ.
Подача пульсирующей газовой среды в защитный канал устройства обеспечивает как защиту зоны сварки от воздействия окружающей среды, так и повышает качество сварного соединения. Пульсирующее воздействие газового потока на свариваемые поверхности путем попеременного изменения подаваемых газов и их расхода способствует увеличению глубины проплавления и уменьшению ширины сварочного шва.
Как показали исследования, наибольший эффект достигается при соотношении расходов газов
1
2
Q:Q=1:n (при n=4-10),
1
где Q - расход одного защитного газа или смеси газов;
2
Q - расход другого защитного газа или смеси газов.
Пульсация газа осуществляется изменением его расхода за счет работы устройств 3 и 4 в защитном и плазмообразующем каналах.
1
2
Пульсация газового потока в плазмообразующем канале (фиг.2) в виде непрерывной прямоугольной волны также способствует дополнительному увеличению глубины проплавления при соотношении минимального и максимального расходов Q:Q=1:n (при n=2-5).
1
2
1
2
Увеличение проплавляющей способности плазменной дуги происходит при синхронной пульсации в виде непрерывной волны прямоугольной формы ее периода плазмообразующего и защитного потоков, причем в моменты максимального расхода газа в защитном потоке расход газа в плазмообразующем потоке минимален и наоборот, а изменения минимальных и максимальных расходов подчиняются соотношениям Q:Q=1:n (при n=4-10) и Q:Q=1:n (где n=2-5).
Наибольшего увеличения проплавляющей способности плазменной дуги достигают при пульсации в виде непрерывной волны прямоугольной формы плазмообразующего и защитного потоков, причем в моменты максимального расхода газа в газозащитном потоке расход газа в плазмообразующем потоке так же максимальный, а в моменты минимального расхода газа в газозащитном потоке в плазмообразующем потоке расход газа так же минимальный, а изменение минимальных и максимальных значений расходов газа подчиняется соотношениям, указанным выше.
Конкретный режим подачи газов или их смесей задают исходя из конкретных требований к свариваемому изделию.
Пример выполнения способа
м
час
Выполняли сварку плазменной дугой на образцах из алюминиевого сплава 1201 толщиной 20,0 мм. В качестве источника питания дуги использовали ТИР-315. Ток сварки составлял 140 А, скорость 15 /. В качестве защитных газов опробовались аргон и гелий. Период полуволны составлял 0,4 сек. Остальные параметры режимов представлены в таблице.
Использование способа позволило повысить стабильность плазменной дуги и увеличить ее проплавляющую способность, повысив тем самым качество сварки.
№№
Расход газов, л/мин
Q′<sub>1</sub>/Q′<sub>2</sub>
Q<sub>1</sub>/Q<sub>2</sub>
Результаты
в защитном потоке
в плазмообразующем потоке
Q<sub>1</sub>
Q<sub>2</sub>
Q<sub>1</sub>
Q<sub>2</sub>
Аргон
Гелий
Аргон
Гелий
1
2
3
4
5
6
7
8
1.
12,0
6,0
Неравномерная глубина проплавления h<sub>np</sub>=6,0..7,2 мм
2.
12,0
-
6,0
1
-
6
Неравномерная глубина проплавления h<sub>пр</sub>=6,2..7,8 мм
3.
12,0
-
3,8
1,2
-
3
h<sub>пр</sub>=8,1..8,2
4.
12,0
-
6,5
2,5
-
3
h<sub>пр</sub>=9,0..9,1
5.
12,0
-
1,2
3,6
-
3
h<sub>пр</sub>=10,5..12,6
6.
12,0
-
7,0
1,0
-
7
Нестабильность процесса сварки
7.
10,3
2,7
5,0
-
3,8
-
Нарушение защиты сварочного шва
8.
10,0
2,0
5,0
-
5
-
h<sub>пр</sub>=7,5..7,6 мм
9.
8,0
2,0
5,0
-
4
-
h<sub>пр</sub>=8,5..8,6 мм
10.
2,0
10,0
5,0
-
5
-
h<sub>пр</sub>=9,0..9,1 мм
11.
1,7
17,8
5,0
10,5
Нарушение защиты сварочного шва
12.
1,7
10,3
2,5
2,5
6
1
Нарушение защиты сварочного шва
13.
12,0
6,0
5,0
2,5
6
2
h<sub>пр</sub>=13,8..13,9 мм
14.
1,7
5,0
3,8
1,2
3
3
Неравномерное формирование сварочного шва
15.
2,0
10,0
6,0
1,2
5
5
h<sub>пр</sub>=11,2…11,3 мм
16.
2,0
10,0
1,2
3,6
5
3
h<sub>пр</sub>=14.2..14.3 мм
17.
1,7
10,3
1,2
7,0
6
5,8
Неравномерное формирование сварочного шва
18.
6,0
6,0
1,0
4,0
1
4
Нестабильность процесса сварки
19.
6,0
1,0
1,2
3,8
6
3
h<sub>пр</sub>ll.9..12.0 мм
20.
2,0
10,0
2,0
5,0
5
1,5
Нестабильность процесса сварки
21.
6,0
1,7
3,8
1,2
3,7
3
Нарушение защиты сварочного шва
22.
10,0
2,0
3,8
1,2
5
3
h<sub>пр</sub>=12,0..12,1 мм
23.
10,0
2,0
6,0
2,5
5
2,6
h<sub>пр</sub>=12,5..12,6 мм
24.
10,0
2,0
1,2
3,8
5
3
h<sub>пр</sub>=13,1..13,2 мм
25.
10,0
2,0
1,0
6,0
5
6
Нестабильность процесса сварки