SU1623846A1 - Установка дл плазменной сварки - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к сварке, а именно к установкам дл  плазменной сварки с аксиальной подачей плав ще- гос  электрода, и может найти применение в различных отрасл х промыш- ленности дл  сварки металлов и наплавки слоев с особыми свойствами на поверхности различных изделий. Цель изобретени  - повышение качества сварного соединени  за счет расширени  ее технологических возможностей. Дл  этого в установку дл  плазменной сварки, содержащую плазмотрон, два управл емых выпр мител  с блоками их управлени , трансформатор, введены импульсный тиристор с блоком его управлени  и мультивибратор с тумблером , подключенным к его управл ющему входу. Такое построение установки позвол ет реализовать различные режимы ее работы - непрерывный, импульсный с совпадением по фазе импульсов обеих дуг или противофазными импульсами, с дополнительным положением коротких импульсов тока на дугу плав щегос  электрода в момент импульса или паузе этого тока, сочетание режима непрерывного горени  одной из дуг с импульсным режимом горени  другой. Это расшир ет технологические возможности установки Отсутствие неплап щьгос  электрода в плазмотроне существенно уменьшает габариты последнего, сокращает потери энергии в плазмотроне. 1 з.п. ф-лы, 2 нл IS сл с  to со

Description

Изобретение относитс  к технике сварки, в частности к установкам дл  плазменной сварки с аксиальной подачей плав щегос  электрода, и может быть использовано в различных отрас л х промышленности дл  сварки зтал- лов, а также дл  наплавки слоев с особыми свойствами на поверхности различных изделий.

Цель изобретени  - повышение ка чества сварного соединени  за счет расширени  ее технологических возможностей .

На фиг.) представлена блок-схема установки дл  плазменной наплавки; на фиг.2 - диаграммы работы установки дл  плазменной сварки в различных режимах: возможных режимах горени  плав щегос  электрода (а - г) и возможных режимах горени  плазменной дуги (д, е).

Установка дл  плазменной сварки состоит из мундштука I и соединенного с ним изол тора 2, сопло 3 дл  подачи защитного газа укреплено на корпусе 4, соединенном с изол тором 2,

С5

31623846

сопло 5 ввернуто в корпус 4, плав 

щийс  электрод 6 подаетс  через мундштук 1 к изделию 7, силовой трансформатор 8 имеет отводы от вторичной обмотки, управл емый выпр мительный блок 9 соединен входом с отводами вторичной обмотки, управ - л емый выпр мительный блок 10 входом подсоединен к отводам вторичной об- мотки силового трансформатора 8, импульсный тиристор 11 входом подключен к вторичной обмотке трансформатора 8 с возможностью подключени  к различным отводам, выход тиристора 11 соединен с выходом управл емого выпр мительного блока 9 таким образом, что пол рность выхода тиристора 11 совпадает с пол рностью вывода выпр мител  9, с которым он соединен, управл ющий электрод тиристора 11 соединен о выходом схемы 12 управлени , вход которой соединен с переключателем 13, управл ющий вход управл емого выпр мительного блока 9 соединен с выходом схемы 14 управлени , вход последней посредством электронных ключей 15 и 16 соединен с задатчиками 17 и 18, управл ющий вход управл емо- го выпр  л тельного блока 10 соединен с выходом схемы 19 управлени , вход схемы 19 управлени  соединен с помо- лью электронных ключей 20 и 21 с за- дгтчиками 22 и 23, одноименные полюса управл емых выпр мительных блоков

10

15

20

25

30

Установка дл  плазменной сварки работает следующим образом

Подаетс  питание на силовой транс форматор 8, на выходах тиристорных выпр мительных блоков 9 и 10 по вл етс  напр жение, между соплом 5 и плав щимс  электродом 6 возбуждаетс  с помощью высокочастотного разр да дуга. Так как внутренний канал com.л 5 имеет цилиндрическую шейку 27,то возбуждение дуги происходит в зазоре между плав щимс  электродом 6 и шей- кой 27 канала сопла 5, так как в этом месте зазор наименьший, возбудивша с  дуга выдуваетс  из шейки 27 струей плазмообразулцего газа в коническую часть 28 канала сопла, обра щенную основанием к изделию 7 Так как эта часть канала сопла коническа  и расшир етс  по мере удалени  от цилиндрической шейки 27, то дуга, перемеща сь в направлении от цилиндрической шейки 27 к срезу сопла 5, удлин етс , что ведет к увеличению напр жени  на ее столбе. Столб дуги омываетс  потоком плазмообра- зующего газа, за счет чего формируетс  плазменна  стру , котора  дл  издели  7  вл етс  косвенной. Такое горение дуги обеспечивает ее фиксацию относительно среза сопла 5 на поверхности конуса 28 канала. Пл-азмо образующий газ стремитс  выдуть дугу в то же врем  удлинение дуги выэы-

Э и 10 подключены к мундштуку 1, вто- 35 вает повышение мощности на ней и со0

5

0

5

0

Установка дл  плазменной сварки работает следующим образом

Подаетс  питание на силовой транс форматор 8, на выходах тиристорных выпр мительных блоков 9 и 10 по вл етс  напр жение, между соплом 5 и плав щимс  электродом 6 возбуждаетс  с помощью высокочастотного разр да дуга. Так как внутренний канал com.л 5 имеет цилиндрическую шейку 27,то возбуждение дуги происходит в зазоре между плав щимс  электродом 6 и шей- кой 27 канала сопла 5, так как в этом месте зазор наименьший, возбудивша с  дуга выдуваетс  из шейки 27 струей плазмообразулцего газа в коническую часть 28 канала сопла, обращенную основанием к изделию 7 Так как эта часть канала сопла коническа  и расшир етс  по мере удалени  от цилиндрической шейки 27, то дуга, перемеща сь в направлении от цилиндрической шейки 27 к срезу сопла 5, удлин етс , что ведет к увеличению напр жени  на ее столбе. Столб дуги омываетс  потоком плазмообра- зующего газа, за счет чего формируетс  плазменна  стру , котора  дл  издели  7  вл етс  косвенной. Такое горение дуги обеспечивает ее фиксацию относительно среза сопла 5 на поверхности конуса 28 канала. Пл-азмо образующий газ стремитс  выдуть дугу, в то же врем  удлинение дуги выэы-

5 вает повышение мощности на ней и со

рой полюс блока 9 подключен к изделию 7, -а второй полюс блока 10 - к корпусу 4, мультивибратор 24 имеет тумблер 25, позвол ющий выключать его таким образом, что при выключенном мультивибраторе 24 на одном его выходе посто нно имеетс  выходное напр жение, а на втором выходе напр женил нет, один выход мультивибрато- чае если дуга по какой-то причине

ра 24 подключен к управл ющим входам электронных ключей 16 и 20, а другой выход мультивибратора 24 к управл ющим входам электронных ключей 15 и 21, выходы мультивибратора 24 подключены также к переключателю 13 таким образом, что вход схемы 12 управлени  может быть подключен к любому из выходов мультивибратора 24 либо не подключен ни к одному из них, сопло 5 выполнено с внутренним каналом в виде двух конусов - внутреннего 26 и наружного 28 с цилиндрической шейкой 27 между ними.

50

55

загораетс  внутри плазмотрона, то она перемещаетс  по внутреннему нусу 26 к шейке как за счет потока плазмообразующего газа, так и согла но принципу минимума Штеенбека, Таким образом, предлагаема  конструкци  сопла 5 обеспечивает формирование плачменной струи и обеспечивает стабильное горение дуги в заданном месте После возбуждени  дуги между плав щимс  электродом 6 и соплом 5 электродное п тно дуги располагаетс на плав щемс  электроде 6 Вследств этого осуществл етс  интенсивный на

главно принципу минимума Штеенбека дуга стремитс  зан ть положение как можно ближе к шейке 27 канала сопла 5 Согласно принципу минимума Штеенбека из всех реализуемых в любой системе, режимов горени  дуги устойчивым  вл етс  такой, при котором напр жение на дуге минимально В слу-

0

5

загораетс  внутри плазмотрона, то она перемещаетс  по внутреннему нусу 26 к шейке как за счет потока плазмообразующего газа, так и соглас но принципу минимума Штеенбека, Таким образом, предлагаема  конструкци  сопла 5 обеспечивает формирование плачменной струи и обеспечивает стабильное горение дуги в заданном месте После возбуждени  дуги между плав щимс  электродом 6 и соплом 5 электродное п тно дуги располагаетс  на плав щемс  электроде 6 Вследствие этого осуществл етс  интенсивный на-

грев электрода 6, кроме того, этот электрод нагреваетс  и плазменной струей, выдуваемой из сопла 5 плаэмо- образукжцим газом. Таким образом, в предлагаемой установке дл  плазмен- ной сварки нагрев плав щегос  электро- да более эффективен, чем в известной установке, так как плазменна  дуга дл  плав щегос  электрода 6  вл етс  пр мой, а не косвенной, в то же врем  уменьшаетс  тепловложение в изде- лие 7, так как плазменна  дуга дл  издели  в предлагаемой установке косвенна , что позвол ет вести сварку тонколистового металла, наплавку и сварку с малой глубиной проплавленн  основного металла, интенсивный нагрев плав щегос  электрода 6 позвол ет снизить ток плазменной дуги, что приводит 20 достигаетс  за счет установки задатк снижению тепловых нагрузок на сопло , повышает его долговечность, упрощает систему охлаждени  ц позвол ет уменьшить габариты плазмотрона.Умень-

шению габаритов ппазмотрона способст- 25 жиме.

вует и отсутствие специального наплль- Импульсный тиристор II может быть

л ющегос  электрода в нем.подключен к любому из отводов втоСиловой трансформатор 8 понижает ричной обмотки трансформатора 8, это напр жение, сети до величины, неоОходн- позвол ет и широких продолах измен ть мой дл  сварки. Попиленное напр женно 30 параметры импульсов токл плав щегос 

снимаетс  с вторичных обмоток трансформатора 8, имеющих отводы. Наличие отводов позвол ет регулировать напр жение на входе управл емых выпр мительных -блоков 9 и 10, что улучшает режим их работы - становитс  возможной работа с малыми углами отсечки, это позвол ет избежать колебаний выходного напр жени , стабилизирует дугу Силовой управл емый выпр мительный блок 9 подает напр жение на гчде- лие 7 и мундштук I, через которые оно подводитс  к плав щему электроду 6. Таким образом, этот блок осуществл ет

питание дуги плав щегос  электрода 6. 45 ключена к любому из выходов мультиСхема 14 управлени  формирует импульсы управлени  на тиристоры Сдока 9. Угол отпирани  каждого из тиристоров блока 9 зависит от напр жени  управлени , подаваемого на схему 14 управлени  через электронные ключи 15 и 16 от эадатчиков 17 и 18. Электронные ключи 15 и 16 управл ютс  мультивибратором 24. Таким образом, мультньибравибратора 24 или быть полностью отключенной . Это позвол ет подавать импульсы ц момент импульса базового тока либо в момент паузы, или не по- 50 давать их совсем Такн:1 образом су- шествеппо расшир ютс  тех элегические возможности установки плазменной сварки. Силовой управл емый выпр ми

тельный блок 10 питаетс  от отводов тор включает поочередно ключи 15 и 16, вторичной обмотки силового трансфер- следовательно, к схеме управлени  по- маторл 8, что также позвол ет выбрать очередно подключаютс  задатчики 17 и оптимальным режим его работы в зави- 18. Это позвол ет производить сварку симости от параметров режима сварки и,наплавку в импульсном режиме горени  ,, примен емых сварочных материалов

дуги плав щегос  электрода. При длительность импульсов и пауз устанавливаетс  мультивибратором 24, а ток импульса и ток паузы - задатки- ками 17 и 18. При работе в непрерывном режиме задатчнки 17 и 18 устанавливаютс  в одинаковое положение, кроме TOio, непрерывный режим рабо-

ты может быть достигнут отключением мультивибратора 24 с помощью тумблера 25. Такое двойное достижение непрерывного режима позвол ет существенно расширить технологические воз5 можности установки. Так, если непрерывный режим достигаетс  отключением мультивибратора 24 тумблером 2, то и плазменна  дуга горит в непрерывном режиме, если непрерывный режим

чиков 17 и 18 в одинаковое положение, то мультивибратор 24 продолжает работать и горение плазменной дуги может осуществл тьс  в импульсном ре5

электрода,. В отличие от импульсов тока, формируемых мультивибратором 24, импульсы тока, протекающего через тиристор 1I, значительно более короткие и предназначены дл  управлени  переносом расплавившегос  металла с конца плав щегос  электрода 6. Импульсным тиристором 11 управл ет схема 12 управлени , котора  обеопе- 0 чнвает регулировку параметров импульсов тока, протекающих через тиристор II, - длительность и частоту их следовани . Схема 12 управлени  с помощью переключател  13 может быть подвибратора 24 или быть полностью отключенной . Это позвол ет подавать импульсы ц момент импульса базового тока либо в момент паузы, или не по- давать их совсем Такн:1 образом су- шествеппо расшир ютс  тех элегические возможности установки плазменной сварки. Силовой управл емый выпр ми

10

таким образом, чтобы угол стечки тиристоров был минимальным - это ста билизирует горение плазменной дуги, так как в этом случае пульсации выход- ного напр жени  на выходе блока 10 минимальны Блоком 10 управл ет схема 19 управлени , на входе которой че- рез электронные ключи 20 и 21 подклю- чены задатчики 22 и 23 Как и дл  блока 9, дл  блока 10 возможны два способа получени  непрерывного режи- ма: установка задатчиков 22 и 23 в одинаковое положение, при этом возможно питание дуги плав щегос  элект- 15 рода импульсным током, и выключение мультивибратора 24 тумблером 25, при этом токи плазменной дуги и базовый ток дуги плав щегос  электрода непре- рывные, однако наложение на базовый ток Луги плав щегос  электрода 6 коротких импульсов через тиристор 11 возможно и в этом случае, так как возможно переключение переключателем 13 схемы 12 управлени  к открытому выходу мультивибратора 24 В остальном работа схемы 19, электронных ключей 20 и 21 и эадатчиков 22 и 23 аналогична работе схемы 14 управлени , электронных ключей 15 и 16 и задат- чиков 17 и 18.

К мундштуку 1 подключены одноименные полюса тиристорных выпр мительных блоков 9 и 10, следовательно, к соплу 5 подключен полюс выпр мительного блока 10 (через корпус 4), одноименный с полюсом блока 9 подключенного к изделию 7 Такое включение силовых управл емых выпр мительных блоков 9 и 10 преп тствует возникновению дугового разр да между соплом 5 и изделием 7, так как к ним подключены одноименные полюса Это облегчает ,

При сварке тонкого металла или чаплавке ток плав щегос  электрода уменьшаетс  и дл  управл емого переноса металла используютс  короткие 5 импульсы (фиг.2$), создаваемые импульсным тиристором

В случа х, когда необходима периодическа  кристаллизаци  сварочной ванны, ток плав щегос  электрода может быть импульсным (фиг.2г). При этом могут накладыватьс  на него и короткие имлульсы, например когда во врем  пауз есть зеро тность перехода к нежелательному крупнокапельному пе реносу электродного металла, на сварочный ток накладываютс  короткие импульсы (фиг.2&). Короткие импульсы также могут накладыватьс  и во врем  импульса тока плав щегос  электрода.

Ток плазменной дуги может быть непрерывным () или импульсным (фиг.2е). Импульсный режим горени  плазменной дуги позвол ет повысить температуру плазменной струи и улучшить эффективность нагрева плав щего с  электрода Во врем  паузы ток дуги невелик, дуга обдуваетс  потоком плазмообразующего газа и градиент падени  напр жени  на ее столбе возрастает , так как сужаетс  диаметр столба . Это ведет к уходу дуги в более узкую часть выходного корпуса канала сопла, ближе к цилиндрической шейке, что энергетически более выгодно - меньше падение напр жени  на дуге При подаче импульса тока в малом пространстве происходит интенсивное обжатие дуги, вследствие чего температура плазменной струи повышаетс , увеличиваетс  степень ионизации плазмы в ней Перемещение дуги при импул се тока к расшир ющейс  части конуса носит инерционный характер из-за ине

20

25

30

35

40

эксплуатацию установки, снижает тепло- вложение в сопло бив изделие 7. Изо- ционности перемещени  активных п тен л тор 2 преп тствует замыканию мунд- плазменной дуги (особенно катодного

п тна). При работе плазменной установки возможны различные сочетани  законов изменени  токов дуг. Так, например , сочетание законов изменени  токов дуг на 2, б при синхронной подаче импульсов тока (импульсы тока г шпадают по фазе) позвол ет снизить температуру перегрева капли металла на конце электрода, что особенно благопри тно при наплавке композиционных сплавов. Во врем  импульса тока плазменной дуги растет степень ионизации плазмы и плав щий-

штука 1 на корпус 4, разв зыва  таким образом выходы выпр мительных блоков 9 и 10. Подача защитного газа в зону сварки осуществл етс  через сопло. Питание плазмотрона защитным и плаз- мообразующим газами, подача и слив охлаждающей воды осуществл ютс  через штуцеры на корпусе 4 плазмотрона.

Ток плав щегос  электрода может быть непрерывным (фиг.2а) в случа х, когда его величина достаточна дл  обеспечени  мелкокапельного или струйного переноса металла через дугу.

10

- а 15 - ю 6238468

При сварке тонкого металла или чаплавке ток плав щегос  электрода уменьшаетс  и дл  управл емого переноса металла используютс  короткие 5 импульсы (фиг.2$), создаваемые импульсным тиристором

В случа х, когда необходима периодическа  кристаллизаци  сварочной ванны, ток плав щегос  электрода может быть импульсным (фиг.2г). При этом могут накладыватьс  на него и короткие имлульсы, например когда во врем  пауз есть зеро тность перехода к нежелательному крупнокапельному переносу электродного металла, на сварочный ток накладываютс  короткие импульсы (фиг.2&). Короткие импульсы также могут накладыватьс  и во врем  импульса тока плав щегос  электрода.

Ток плазменной дуги может быть непрерывным () или импульсным (фиг.2е). Импульсный режим горени  плазменной дуги позвол ет повысить температуру плазменной струи и улучшить эффективность нагрева плав щегос  электрода Во врем  паузы ток дуги невелик, дуга обдуваетс  потоком плазмообразующего газа и градиент падени  напр жени  на ее столбе возрастает , так как сужаетс  диаметр столба . Это ведет к уходу дуги в более узкую часть выходного корпуса канала сопла, ближе к цилиндрической шейке, что энергетически более выгодно - меньше падение напр жени  на дуге При подаче импульса тока в малом пространстве происходит интенсивное обжатие дуги, вследствие чего температура плазменной струи повышаетс , увеличиваетс  степень ионизации плазмы в ней Перемещение дуги при импульсе тока к расшир ющейс  части конуса носит инерционный характер из-за инер-

20

25

30

35

40

о- о- ционности перемещени  активных п тен плазменной дуги (особенно катодного

ционности перемещени  активных п тен плазменной дуги (особенно катодного

п тна). При работе плазменной установки возможны различные сочетани  законов изменени  токов дуг. Так, например , сочетание законов изменени  токов дуг на 2, б при синхронной подаче импульсов тока (импульсы тока г шпадают по фазе) позвол ет снизить температуру перегрева капли металла на конце электрода, что особенно благопри тно при наплавке композиционных сплавов. Во врем  импульса тока плазменной дуги растет степень ионизации плазмы и плав щий-

с  электрод оказываетс  погруженным в струю плазмы с избыточным количест вом носителей зар да, за счет этого снижаетс  градиент падени  на пр же- ни  в приэлектродных област х, а са- ми активные п тна увеличиваютс  в размерах (фактически дуга плав щего с  электрода горит в услови х вынужденной ионизации), что снижает кон- центрацию ввода тепла, уменьшает плотность теплового потока, в резуль тате плавитс  большее количество электродного металла, однако его температура при этом снижаетс .

Установка опробована при сварке стали I2X18H9T толщиной 1,2 мм на медной подкладке. Сварку осуществ- л ют проволокой Св I2X18H9T диамет- ром 1,2 мм при пр мой пол рности обеих дуг в следующем режиме: Ток дуги плав щегос  электрода, А60

Ток коротких импульсов , А430 Частота коротких импульсов, Гц50 Длительность коротких импульсов, с 0,008 Напр жение базового тока дуги плав щегос  электрода, В 19 Напр жение плазменной дуги, В

в импульсе21

в паузе28

Ток плазменной дуги , А

в импульсе110

в паузе30

Длительность импульса , с0,4 Длительность паузы , с0,8 Расход аргона, л/мин плазмообразующего 3,6 защитного 6 Скорость сварки, м/ч 56 Сварку ведут в режиме, соответствующем фиг.25,б.Непрерывный неболь шой базовый ток плав щегос  электрода обусловлен малой толщиной свариваемого металла Короткие импульсы позвол ют осуществл ть мелкокапель- ный перенос электродного металла Им пульсный режим горени  плазменной дуги обеспечивает прерывистую кристаллизацию металла в виде отдельных точек,, что сокращает врем  его пребывани  в жидком состо нии и позвол ет уменьшить расход защитного аргона

Наплавку ходовых колес десантной бронемашины осуществл ют прессова} - ной проволокой, состо щей из, %: Магний7

Карбид бора18,4

Литий фтористый 6 АлюминийОстальное

Наплавку ведут по режиму (фиг.2б,2) со следующими параметрами:

Диаметр электрода, мм 2,8 Ток дуги плав щегос  электрода, А

в импульсе400

в паузе180

Напр жение дуги плав щегос  электрода, В

в импульсе.32

в паузе21

Ток дуги неплав щегос  электрода,А

в импульсе220

в паузе60

Напр жение дуги непла- в щегос  электрода, В

в импульсе30

в паузе22

Подача импульсов В фазе Расход аргона, л/мин:

плазмообразующего 3,9 защитного11

Скорость наплавки, м/ч 28 Наплавленный слой - износостойкий композиционный металл, имеющий матрицу из алюминиево-магниевого сплава и включени  твердого вещества - карбида бора.

Claims (1)

1. Установка дл  плазменной сварки , содержаща  плазматроц, включающий мундштук дл  подачи плав щего электрода, сопло дл  подачи защитного газа, сопло и корпус, при этом мундштук дл  подачи плав щего электрода соединен с отрицательными выводами первого и второго управл емых выпр мителей с блоками их управлени  входы управл емых выпр мителей соединены с вторичной обмоткой трансформатора , выполненной с дополнительными отводами, положительные выводы первого и второго управл емых выпр мителей подключены соответственно к выходам установки и с корпусом плазма-

трона, отличающа с  тем, что, с целью повышени  качества сварного соединени  и расширени  техно логических возможностей, в нее вве- дены импульсный тиристор с блоком его управлени , переключатель, нуль тивибратор и тумблер, подключенный к управл ющему входу мультивибратора, первый выход которого соединен с пер- выми входами блоков управлени  выпр мителей и с первым контактом переключател , второй контакт которого соединен с вторыми входами блоков управлени  выпр мителей и вторым вы- ходом мультивибратора, третий кон такт переключател  соединен с входом блока управлени  импульсного тиристора , катод импульсного тиристора соединен с мундштуком дл  подачи плав  щего электрода, а анод импульсного тиристора соединен с вторичной обмоткой трансформатора

2 Установка по п.1, отличающа с  тем, что в корпусе плазмотрона установлено сопло, выполненное с каналом в виде двух обращенных друг к другу вершинами конусов , между которыми имеетс  цилиндрическа  шейка, в корпусе также установлены сопло дл  подачи защитного газа и изол тор, в который вставлен мундштук дл  подачи плав щего электрода.

Фиг. 1

JUUUUUUUL

д

Фаг. 2