Плазменная сварка

                 

 

 

 

 

 

Схема плазматрона прямого действия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – изолятор; 2 – электрод; 3 –  сопло; 4 – обрабатываемая деталь;

5 – плазменная дуга

 

Рис. 1.1

 

 

По сравнению с аргонодуговой сваркой вольфрамовым неплавящимся электродом преимущества плазменной сварки следующие:

- меньшее влияние возможного  изменения расстояния от торца сопла до                    изделия на геометрические размеры зоны проплавления;

- меньшее влияние изменение  тока на форму дуги, а следовательно, и на стабильность проплавления  металла;

- высокая надежность зажигания  дуги благодаря дежурной дуге;

- отсутствие включений вольфрама  в сварном соединении;

- повышенная скорость сварки;

- меньшее тепловложение и, следовательно, коробление изделий.

Если принять одинаковую скорость сварки, то при плазменной сварке необходим ток в два раза меньший по сравнению с аргонодуговой, сварные швы более узкие и с уменьшенной зоной термического влияния, большая глубина проплавления благодаря более высокой концентрации теплового потока на изделии. При плазменной сварке более продолжительный срок службы электрода, так как он защищен медным соплом и контакт с деталью или присадочной проволокой исключен[1].

 

 

1.1.4 Классификация плазменных установок

Плазменные установки (ПУ) являются самостоятельным классом технологических установок, широко применяемых в технологических процессах обработки в различных областях промышленности. Плазменные установки, учитывая специфику их действия, имеют ряд преимуществ перед лазерными и электронно-лучевыми технологическими установками. К ним можно отнести высокие транспортабельность; коэффициент полезного действия преобразования электрической энергии в тепловую и использования тепловой энергии для обработки (85-90%); температуры (десятки и сотни тысяч градусов); уникальные технологические возможности (например, для резки и сварки под водой, обработка любого вида материалов, высокая производительность обработки); простоту конструкции и низкую себестоимость, соответственно быстрая окупаемость. В то же время они имеют недостатки: невозможность фокусировки плазменного пучка до микронных размеров, ограниченность минимальной толщины свариваемых деталей, необходимость использования плазмообразующих и защитных газов, более низкая точность обработки.

Плазменные установки по технологическому применению разделяются на следующие классы:

• установки для сварки;
• установки для наплавки;
• установки для термической обработки (закалка, отпуск);
• установки для напыления;
• установки для резки.

Все существующие конструкции дуговых плазмотронов можно классифицировать следующим образом:

а) По способу взаимодействия дугового разряда с изделием:

• прямого;
• косвенного действия.

б) По числу дуг:

• однодуговые;
• многодуговые.

в) По составу плазмообразующего газа:

• плазмотроны, работающие на инертных газах;
• нейтральных газах;
• кислородсодержащих газах.

г) По способу подачи плазмообразующего газа:

• с тангенциальной подачей;
• с аксиальной подачей.

д) По роду сварочного тока:

• плазмотроны переменного тока прямой и обратной полярности;
• плазматроны постоянного тока прямой и обратной полярности.

е) По способу применения:

• ручные;
• механизированные.

ж) По разновидности применения:

• для микроплазменной сварки (при токе 0,1-15 А);
• плазменной сварки (15-100 А);
• плазменной сварки с глубоким и сквозным проплавлением(больше 100 А).

з) По форме канала сопла:

• цилиндрическое;
• параболическое;
• щелевое и др.

и) По способу дополнительного сжатия (фокусировки) дуги:

• плазмотроны с системой дополнительных каналов, выходящих на торец сопловой части, внутрь канала сопла (многоканальные);
• плазмотроны с системой отверстий, выходящих и внутрь, и на срез сопловой части.

к) По способу сжатия дугового разряда:

• стенками канала сопла;
• газовым потоком.

л) По способу охлаждения катода и сопла плазмотрона:

• прямое охлаждение;
• косвенное охлаждение (водяное и воздушное).

В настоящее время имеется множество конструкций плазмотронов. Наибольшее распространение получили плазмотроны постоянного тока, как более простые по своим конструктивным схемам, обладающие высокой эффективностью преобразования электрической энергии в тепловую и имеющие простую схему электропитания. Широкое применение плазмотронов переменного тока сдерживается из-за значительной эрозии электродов и из-за невысокой стабильности горения дуги.

Несмотря на разнообразие конструкций, плазмотронам присущи следующие основные элементы: корпус, сопло, электрод, узел крепления электрода, изолятор, разделяющий находящиеся под разными электрическими потенциалами электрод и сопло, водяные и газовые коммуникации (см. рис.1.1).

Наиболее  термически нагруженными элементами являются электроды и сопла. Они отличаются по конструкции, роду используемого материла, типу охлаждения.

Тип и конструкция электрода определяются составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих в среде инертных и нейтральных газов применяются катоды из вольфрама, а в кислородсодержащих средах - гафний и цирконий.

 Охлаждение катодов бывает прямым и косвенным. Прямое охлаждение осуществляется путем циркуляции воды по поверхности или внутри электрода. Оно используется при работе на очень больших токах.

При охлаждении сопл, электродов, корпусов плазмотронов необходимо применять достаточно чистую воду, исключая образование накипи и ржавчины[1].

 

 

1.1.5 Устройство и функционирование плазменных установок

Плазменные установки состоят из следующих основных узлов: плазмотрона, блока питания и управления, баллона и системы напуска плазмообразующего газа, баллона и системы напуска защитного газа, устройства крепления плазмотрона и перемещения детали. Основным элементом ПУ является плазмотрон. Плазмотроны существуют двух типов: прямого и косвенного действия. Технологические возможности плазмотронов прямого и косвенного действия различны, поэтому для различных технологических операций могут применяться плазмотроны разного вида.

Принцип функционирования ПУ прямого действия. Плазмообразующий газ из баллона через систему напуска подается в плазмотрон. Давление газа всегда выше атмосферного. Тип газа определяется видом технологической операции и материалом детали. Могут применяться активные (воздух, кислород, пары воды), нейтральные и инертные (азот, аргон, гелий с добавками - водород, углеводороды) газы.

После подачи газа в плазмотрон между электродом и деталью (деталь служит вторым электродом) зажигается дуговой разряд. Напряжение для зажигания и поддержания горения дугового разряда подается с блока питания и управления. Плазменная дуга замыкается на деталь через сопло плазмотрона. В плазмотронах прямого действия (дуга горит между электродом и деталью) обработка детали производится непосредственно плазменной дугой. Температура плазменной дуги технологических плазмотронов достигает нескольких десятков тысяч градусов (заметим, что температура плазмы может достигать миллиона градусов). Поэтому плазмотронами прямого действия проводят в основном технологические операции резки, сварки толстых материалов, реже наплавки, напыления и легирования.

Электрод плазмотрона делается из тугоплавких материалов. При использовании активных газов электрод делается из гафния или циркония, при использовании нейтральных газов в качестве материала электрода применяют вольфрам. Процесс плазменной обработки может быть ручным или механизированным. При ручной обработке ПУ не имеет устройства перемещения, плазмотрон относительно обрабатываемой детали перемещается вручную. В механизированных ПУ плазмотрон закреплен в специальной оправе, а деталь перемещается устройством перемещения.

В качестве устройства перемещения используются токарные или фрезерные станки, специализированные координатные столы. При использовании портальных устройств перемещения плазмотрон крепится на портале и перемещается вместе с ним относительно неподвижной заготовки, например листа металла при резке или раскрое. Современные портальные устройства, управляемые системой ЧПУ, обеспечивают перемещение плазмотрона по горизонтали, вертикали, угол его поворота относительно плоскости обрабатываемой поверхности.

В настоящее время большинство плазмотронов прямого действия снабжены дополнительным блоком питания для зажигания дежурной (плотной) дуги. Данная дуга мощностью намного меньшей, чем основная дуга, зажигается между электродом и соплом, как в плазмотронах косвенного действия.

Наличие дежурной дуги облегчает условия зажигания рабочей дуги путем соприкосновения соплом с обрабатываемой деталью или просто его приближения к обрабатываемой поверхности. Пилотная дуга выдувается плазмообразующим газом из сопла и при приближении плазмотрона к детали она переходит на деталь.

Блоки питания современных плазменных установок снабжены системами контроля, автоматического поддержания тока дуги, системами защиты. Плазменные установки снабжены устройствами измерения скорости плазмообразующего газа и средствами его контроля[1].

 

 

1.2 Назначение и условия эксплуатации детали

Целью проекта является разработка технологического процесса плазменной сварки секторного отвода для трубопроводов тепловых электростанций (рис.1.2), для получения более качественных сварных швов, уменьшения технологического времени на изготовление, следовательно уменьшение себестоимости конечного изделия.

Внешний вид секторного отвода

 

Рис. 1.2

 

 

Основные параметры. Отвод состоит из пяти  элементов три из которых средние звенья и два торцевых. (Основные параметры и размеры приведены на листе графического исполнения СамГТУ 150206.082.008.04).

Изготавливается из углеродистой и низколегированной стали.

Требования к изготовлению. Выбор материалов, изготовление и испытание аппаратов должны производиться в соответствии с требованиями ОСТ 26-291, ПБ03-576, ПБ03-584 настоящих технических условий и технической документации.

         Сварные  швы должны быть стыковыми  и выполнены автоматической сваркой  по ГОСТ 8713. Ручная сварка по ГОСТ 5264 допускается только в том случае, когда по условиям производства нельзя применить автоматическую.

 

 

          1.3 Механические и физические свойства стали 09Г2С

        Отвод  изготавливается  из углеродистой и низколегированной стали 09Г2С. Требования к материалу – рабочая температура стенки корпуса до 425ºС.

Свойства сплава, его характерные особенности и области применения.

Сталь 09Г2С-сталь конструкционная низколегированная,

Заменитель- стали: 09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т, 10Г2С.

Вид поставки -сортовой прокат ,в том числе фасонный.

Назначение – различные детали и элементы сварных конструкций, работающих при T= -70ºС ¸425ºС под давлением (табл.1.2).

                                                             

 

                 

                 Температура критических точек,  ºС[2]                         Таблица 1.1

Ac1	Ac3(Acm )	Ar3(Arcm)	Ar1	Mn
750	825	755	665	390

                                      

              Химический состав, % (ГОСТ 19282-73) [2]            Таблица 1.2

C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	P	S	As	N
не более			не более
0,12	0,5-0,8	1,3-1,7	0,3	0,3	0,3	0,035	0,04	0,08		0,008