Плазменно-дуговая сварка (PAW): обзор процесса, составные части и принцип работы

Что такое плазменная сварка?

Плазменно-дуговая сварка (PAW) — процесс дуговой сварки, очень похожий на TIG-сварку (WIG), так как дуга формируется между заостренным вольфрамовым электродом и заготовкой. Однако за счет расположения электрода внутри корпуса горелки плазменная дуга отделяется от оболочки защитного газа. Плазма затем принудительно пропускается через тонкую медную сопло, которое сжимает дугу.

Ключевое отличие от GTAW (TIG): в PAW электрод расположен внутри корпуса горелки, поэтому плазменная дуга отделена от оболочки защитного газа. Плазма выходит из сопла на высоких скоростях (приближаясь к скорости звука) и температуре около 28 000 °C (50 000 °F) или выше.

Плазменная дуга — временное состояние газа. Газ ионизируется проходящим через него электрическим током и становится проводником электричества. В ионизированном состоянии атомы распадаются на электроны (−) и катионы (+), система содержит смесь ионов, электронов и высоковозбужденных атомов.

Степень ионизации может быть от 1% до более 100% (возможно при двойной и тройной ионизации). Такие состояния возникают, когда больше электронов вырывается с орбит.

Энергия плазменного струи и тем самым температура зависят от электроэнергии, создающей плазменную дугу. Типичная температура плазменного 버нера — порядка 28 000 °C (50 000 °F), тогда как в обычной электрической сварочной дуге — около 5 500 °C (10 000 °F). Все сварочные дуги — (частично ионизированные) плазмы, но в плазменно-дуговой сварке это сжатая плазменная дуга.

Диаметр сопла

Три режима работы получаются изменением диаметра сопла и расхода плазмообразующего газа:

1. Микроплазма: 0,1–15 А

Микроплазменная дуга стабильна даже при очень малых сварочных токах. Колоннообразная дуга устойчива даже при изменении длины дуги до 20 мм.

2. Средний ток: 15–200 А

При токах 15–200 А характеристики плазменной дуги похожи на TIG-дугу, но из-за сжатия плазмы дуга жестче. Хотя увеличение расхода плазмообразующего газа улучшает проплавление ванны, существует риск затягивания воздуха и защитного газа из-за чрезмерной турбулентности в газовой оболочке.

3. Ключевое отверстие (Keyhole): более 100 А

Увеличением сварочного тока и расхода плазмообразующего газа создается мощный плазменный пучок, способный на полное проплавление материала, как при лазерной или электронно-лучевой сварке.

Во время сварки отверстие постепенно прорезает металл, а расплавленная ванна шва течет сзади, образуя шов под действием сил поверхностного натяжения. Этот процесс позволяет сварку более толстого материала (до 10 мм нержавейки) за один проход.

Конструкция плазменно-дуговой сварочной установки

Установка состоит из следующих компонентов:

• Источник питания
• Плазменная сварочная горелка
• Водяной рециркулятор (система охлаждения)
• Вольфрамовый электрод
• Защитный газ
• Плазмообразующий газ
• Комплект аксессуаров горелки (сопла, керамика, коллеты, электроды, калибры настройки)
• Насадной материал

Краткий обзор каждого компонента:

1. Источник питания

Процесс требует мощный источник постоянного тока для генерации электрического разряда между вольфрамовым электродом и свариваемыми плитами. Сварка возможна от 2 А, максимальный ток — около 300 А. Необходимо около 80 В для нормальной работы. Источник состоит из трансформатора, выпрямителя и пульта управления.

2. Плазменная сварочная горелка

Самая важная часть процесса. Похожа на горелку для TIG-сварки. Горелки PAW водяноохлаждаемые, так как дуга внутри горелки создает высокое тепло, поэтому снаружи предусмотрена водяная рубашка.

3. Водяной рециркулятор

Механизм охлаждения горелки непрерывным потоком воды снаружи горелки.

4. Вольфрамовый электрод

Используется нерасходный вольфрамовый электрод. Вольфрам выдерживает экстремально высокие температуры.

5. Защитный газ

В процессе используются два инертных газа. Необходимо поддерживать низкое давление для избежания турбулентности при сварке; из-за низкого давления защитной оболочки образуется слабо, поэтому второй инертный газ подается через внешнюю часть горелки с высоким расходом для устойчивой защиты. Инертные газы: гелий, аргон, также водород по необходимости и в зависимости от температуры.

6. Плазмообразующий газ

Ионизированный горячий газ, состоящий из примерно равного числа электронов и ионов. Имеет достаточно энергии для вырывания электронов из молекул, атомов и синхронизации электронов. Это основной источник энергии сварки.

7. Комплект аксессуаров горелки

Расширяют возможности сварочной горелки.

8. Насадной материал

В плазменной сварке насадной материал не используется. Если применяется, он подается непосредственно в зону шва.

Как работает плазменная сварка?

Плазма — газ, нагретый до экстремально высокой температуры и ионизированный до электрической проводимости. Аналогично GTAW (TIG), процесс использует плазму для переноса электрической дуги на заготовку. Металл плавится от интенсивного тепла дуги и сплавляется.

В горелке вольфрамовый электрод расположен внутри медного сопла с малым отверстием на конце. Пилотная дуга инициируется между электродом горелки и кончиком сопла. Затем дуга переносится на металл для сварки.

За счет прохождения плазмообразующего газа и дуги через сжатое отверстие горелка доставляет высокую концентрацию тепла на малую площадь. С высокопроизводительным оборудованием плазменный процесс дает исключительно качественные швы.

Плазмообразующий газ — обычно аргон. Горелка также использует вторичный газ: аргон, аргон/водород или гелий, который помогает защищать расплавленную ванну шва, минимизируя окисление.

Преимущества плазменно-дуговой сварки

• Конструкция горелки обеспечивает лучший контроль дуги.
• Метод дает больше свободы для наблюдения и контроля шва.
• Высокая концентрация тепла и плазменный пучок позволяют более высокие скорости сварки.
• Высокая температура и концентрация тепла обеспечивают эффект ключевого отверстия.
• Полное проплавление с однопроходной сваркой многих стыков.
• Зона термического влияния меньше по сравнению с GTAW.
• Меньший входной ток по сравнению с другими процессами сварки.

Недостатки плазменно-дуговой сварки

• Формирует более широкие швы и зоны термического влияния по сравнению с лазерной (LBW) и электронно-лучевой (EBW) сваркой.
• Оборудование очень дорогое — высокие стартовые затраты.
• Требует обучения и специализации.
• Излучает ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.
• Высокий уровень шума — порядка 100 дБ.
• Горелка громоздкая, ручная сварка затруднена и требует обучения.

Применение плазменно-дуговой сварки

• Судостроение и аэрокосмическая промышленность.
• Сварка труб и трубопроводов из нержавеющей стали или титана.
• Электронная промышленность.
• Ремонт инструментов, штампов и матриц.
• Сварка или наплавка на лопастях турбин.

Это всё о плазменно-дуговой сварке. Надеюсь, статья была полезна. Я также писал о других сварочных процессах — изучите их тоже. И не забывайте делиться статьей в соцсетях.

Видео о плазменной сварке

Часто задаваемые вопросы

Что такое плазменная сварка?

Плазменно-дуговая сварка (PAW) — процесс дуговой сварки, похожий на газово-вольфрамовую дуговую сварку (GTAW). Электрическая дуга формируется между электродом (обычно из спрессованного вольфрама) и заготовкой. Ключевое отличие от GTAW: в PAW электрод расположен внутри корпуса горелки, поэтому плазменная дуга отделена от оболочки защитного газа. Плазма принудительно пропускается через тонкое медное сопло, сжимая дугу; плазма выходит из отверстия на высокой скорости (приближаясь к скорости звука) и температуре ~28 000 °C (50 000 °F) или выше.

Для чего используется плазменно-дуговая сварка?

Плазменная сварка применяется для получения швов как с ключевым отверстием (keyhole), так и без него. Не-ключевые швы: процесс может выполнять такие швы на заготовках толщиной до 2,4 мм.

Какой процесс плазменно-дуговой сварки?

Плазменно-дуговая сварка (PAW) — процесс дуговой сварки, очень похожий на TIG-сварку, так как дуга формируется между заостренным вольфрамовым электродом и заготовкой. Однако за счет расположения электрода внутри корпуса горелки плазменная дуга может быть отделена от оболочки защитного газа.

Каковы два типа плазменно-дуговой сварки?

Существует два типа систем плазменно-дуговой обработки (PAM): перенесенная дуга (Transferred Arc) и неперенесенная дуга (Non-Transferred Arc). В системе с перенесенной дугой плазменная дуга переносится между электродом и заготовкой.

Каково единственное отличие плазменно-дуговой сварки?

Конструкция горелки — единственное отличие плазменно-дуговой сварки от TIG-сварки. Обе используют вольфрамовые электроды.

Можно ли сварки плазменным резаком?

При правильной конструкции горелки азотно-водяная инъекция (дешевле других газов) хорошо работает при плазменной резке алюминия и нержавейки для последующей сварки. Процесс включает электрод, окруженный азотом, нагреваемый электрической дугой для формирования плазмы.

В чем разница между плазменной сваркой и TIG-сваркой?

В TIG дуга формируется электродом (вольфрамом) и удерживается в оболочке защитного газа. Для тонкой работы с тонкими материалами. В плазменной сварке электрод помещен в горелку, и дуга насыщается газом.

Каковы три типа плазменной сварки?

Три основных типа:

• Микроплазменная сварка: ток 0,02–15 А.
• Плазменная сварка «техникой плавления» (melt-in): как TIG-процесс. Ток 15–100 А.
• Плазменная сварка «ключевой отверстием» (keyhole technique).

Какие отрасли используют плазменно-дуговую сварку?

5 идеальных применений:

• Производство стальных труб. В автопроме трубы — главная часть выхлопных систем.
• Сварка мелких металлических компонентов.
• Идеально для стыков «встык» (butt joints).
• Сварка тонких электронных чипов.
• Производство медицинских устройств.

Какой электрод используется в плазменно-дуговой сварке?

Электрод для плазменного процесса — вольфрам с 2% тория (WT20), плазменное сопло — медное.

Кто изобрел плазменно-дуговую сварку?

PAW изобретена и запатентована в 1953 году Робертом М. Гейджем в лаборатории Linde/Union Carbide в Буффало (NY). Около 10 лет разработки и множественных последующих патентов предшествовали выходу на рынок в 1964 году.

Как плазма режет?

Плазменная резка — плавильный процесс, где струя ионизированного газа при температуре выше 20 000 °C плавляет и удаляет материал из разреза. В процессе электрическая дуга зажигается между электродом (катодом) и заготовкой (анодом).

Является ли MIG-сварка дуговой сваркой?

MIG-сварка (Metal Inert Gas) — процесс дуговой сварки с непрерывной твердой проволокой-электродом, нагреваемой и подаваемой в ванну шва из сварочного пистолета. Два базовых материала плавятся вместе, образуя соединение.

Каковы преимущества плазменно-дуговой сварки над TIG-сваркой?

Преимущества PAW:

• Конструкция горелки позволяет лучше контролировать дугу.
• Метод дает больше свободы для наблюдения и контроля шва.
• Высокая концентрация тепла и плазменный пучок позволяют более высокие скорости сварки.
• Высокая температура и концентрация тепла обеспечивают эффект ключевого отверстия.

Что такое скорость сварки?

Скорость перемещения — скорость, с которой горелка или пистолет движется по заготовке, измеряется в мм/мин. Наряду с напряжением и током, скорость перемещения — одна из трех переменных дуговой сварки, определяющих тепловой ввод.

Можно ли плазменно сварки алюминий?

Плазменная резка алюминия может создавать идеальные швы. С таким резаком поверхность металла вне зоны сварки остается умеренно прохладной. Также предотвращает деформацию или повреждение краски, типичную для газореза. Плазменные резаки точно и быстро соединяют алюминиевые заготовки.

Плазменный резак лучше газового резака?

Плазма не требует предварительного нагрева металла перед резкой, экономя время, и превосходит кислородно-топливные резаки при резке слоистых металлов. На тонких металлах плазма достигает более высоких скоростей с минимальной или нулевой деформацией.

Можно ли плазменно резать вольфрамовый карбид?

Это спрессованный вольфрамовый карбид, а не расплавленный или кованый. Листы доступны для определенных подшипников, но их нельзя резать плазмой. Обычно карбидные инструменты — цельный карбид или 납янные карбидные пластины/вставки в инструментах из высокопрочной стали.

Какой газ подходит для сварки нержавейки и никелевых сплавов плазменно-дуговой сваркой?

Аргон или аргон-водородные смеси для нержавейки и никелевых сплавов — для увеличения скорости сварки и уменьшения оксидных пленок. При «ключевой» плазменной сварке толщин 2,5–6,5 мм отверстие образуется в стыках «встык» с квадратными краями на переднем крае расплавленной ванны.

Какая функция флюса в подфлюсовой сварке?

Функции флюса: помощь в зажигании и стабилизации дуги; формирование шлака для защиты и формирования шва; создание газовой оболочки для защиты расплавленного насадного металла, проецируемого через зазор дуги.

Что такое плазменно-дуговая сварка с ключевым отверстием?

Уникальный процесс дуговой сварки для глубокого проплавления. Для качества швов критично наличие ключевого отверстия. Понимание ключевого отверстия поможет улучшить процесс и качество шва.

Что такое плазменно-дуговая вырезка (gouging)?

Вариант плазменно-дугового процесса. Дуга формируется между рефрактерным (обычно вольфрамовым) электродом и заготовкой. Интенсивная плазма достигается за счет сжатия дуги тонким медным соплом.