Плазменная сварка закрытой сжатой дугой

Исследована возможность использования механизированной сварки закрытой сжатой дугой для формирования сварных швов, определены технологические особенности закрытой сжатой дуги и условия, исключающие образования дефектов при сварке продольных и кольцевых швов на изделиях из титана.

Ключевые слова: плазменная сварка закрытой сжатой дугой, установка для сварки продольных и кольцевых швов, крепление и характеристика сварочных головок.

Плазменная сварка закрытой сжатой дугой (закрытой плазмой) относится к высококонцентрированным источникам тепла и отличается от обычной сварки открытой дугой большей проплавляющей способностью и высокой стабильностью формирования сварного шва. По мере сжатия дуги плазмообразующим газом увеличивается концентрация теплового потока и повышается проплавляющая способность источника тепла. Однако, преимущества плазменной сварки закрытой сжатой дугой и ее технологические возможности далеко не раскрыты. При сварке сжатой дугой обеспечиваются большие возможности регулирования тепловыми режимами. Особенно важно такие свойства учитывать при сварке тонколистового металла. Плазменный нагрев сжатой дугой решает важную технологическую проблему - устранение опасности образования дефектов в виде прожогов, газовой пористости, коробления сварного соединения и, как следствие, нарушение процесса сварки. Преимущества сварки сжатой дугой были использованы при отработке серийной технологии изготовления сосудов внутреннего давления диаметром 250 мм из титанового сплава марки ОТ-4 толщиной стенки 0,5-0,8 мм. Сварку продольных и кольцевых швов выполняли на специальной установке (рис.1) с применением устройства для сварки закрытой сжатой дугой (рис. 2).

Рис. 1 Установка для сварки кольцевых и продольных швов. ..........................................Рис. 2 Устройство для сварки закрытой сжатой дугой

После сварки изделия подвергали низкотемпературному отжигу с нагревом до температуры 485 0С для снятия остаточных напряжений. Процессы рекристаллизации при указанной температуре и выдержке 10 мин не развиваются, так как заметные изменения в строении структуры и механических свойствах соединений отсутствовали [2, 3, 4]. Все сварные швы после отжига проходили визуальный контроль и рентгеновское просвечивание. Следует отметить, что после сварки сосудов давления из титана закрытой сжатой дугой, газовая пористость и микротрещины в металле сварного шва не наблюдались. Отсутствие газовой пористости в титане в процессе сварки закрытой сжатой дугой - явление малоизученное и, являясь важным преимуществом в технологии плазменной сварки титана, может быть предметом дальнейших исследований. В новой конструкции сварочной головки предусмотрена микрокамера, позволяющая эффективно использовать тепловую энергию плазменной дуги и защиту расплавленного металла от контакта с атмосферой воздуха. Основными параметрами конструкции плазменной головки, повышающих стабильность горения сжатой дуги, являются диаметр и длина сопла, зазор между соплом и изделием, а также расход плазмообразующего газа.

На практике сварку закрытой сжатой дугой выполняли с меньшим значением сварочного тока на 20-25% по сравнению с открытой дугой. Благодаря такому преимуществу уменьшалась зона разогрева свариваемого металла и размер сварного шва, что является важным при сварке тонколистового металла для уменьшения коробления кромок и вероятности образования прожогов. Для более полного использования технологических возможностей закрытой сжатой дуги при сварке тонколистового материала была разработана новая конструкция сварочной головки для сварки прямолинейных и кольцевых швов (ГС-1, ГС-2, ГС-3). Головка состоит из следующих основных частей: микрокамеры 1, охлаждаемого медного сопла 2, изоляционной втулки 3, присадочной проволоки 4, свариваемого изделия 5 (рис. 3).

• надежная защита шва при расходе аргона в 5-10 раз меньше, чем при – сварке открытой дугой;
• высокая стабильность процесса формирования шва;
• возможность увеличение скорости сварки в 1,5-2 раза;
• снижение остаточных деформаций свариваемых изделий;
• улучшение условий работы сварщика.

Сварочная головка устанавливается при помощи специального шарнирного крепления на серийных автоматах, предназначенных для аргонно-дуговой сварки, например, АДСВ-2, АДСВ-5, АДСП-2 и другие. Шарнирное крепление сварочной головки должно обеспечивать плотное прилегание микрокамеры к поверхности свариваемого изделия и не допускать торможение при движении головки вдоль стыка во время сварки.

При отработке режимов сварки эффективную тепловую мощность нагрева сжатой дуги оценивали в сравнении с эффективной мощностью нагрева при сварке открытой дугой в соответствии с теорией тепловых процессов. Равенство условий эффективных мощностей ( qu = 0,24.ηu.IU ) в обоих случаях обеспечивали путем подбора отношения сварочного тока при сварке сжатой дугой относительно величины тока в процессе сварки открытой дугой ( qu cж.д / qu откр.д ) Установлено, что сжатая дуга имеет более высокое напряжение, так как при сварке током 100А напряжение равнялось 20-22В, в то время как напряжение горения открытой дуги при токе 130А было равно 8-9В. Можно допустить, что эффективная тепловая мощность сжатой дуги примерно на 35-40% больше, чем тепловая мощность открытой дуги. Однако следует учитывать, что при сварке закрытой сжатой дугой тепловая эффективность теряется при охлаждении дуги холодными стенками сопла. Для сравнения были выполнены эксперименты, в результате из приведенных зависимостей можно сделать вывод, что при заданном проплавлении и определенной эффективной мощности сжатая дуга позволяет выполнять сварку на большей скорости, чем открытая дуга.

Для установления оптимальных условий сварки специалистами нашей компанией Сварзавод (svarzavod.ru) были выполнены эксперименты по определению влияния различных параметров режима на тепловые характеристики дуги и формирование шва. С уменьшением диаметра сопла, т.е. с увеличением степени сжатия дугового столба, резко увеличивается проплавляющая способность дуги. Результаты подтверждаются значительным увеличением термического коэффициентом полезного действия (ηt) проплавления с уменьшением диаметра сопла (рис. 4).