Плазменная сварка прямого и косвенного действия

С ростом точности деталей, изготавливаемых в промышленности и на частных предприятиях, появляется потребность в новых технологиях сварки и резки металлов. Одним из таких нововведений является плазменная сварка. Несмотря на то, что метод появился относительно недавно, он уже успел получить и занять свою нишу в промышленности и в руках частных лиц. Давайте рассмотрим, что такое технология плазменно дуговой сварки?

Принцип работы плазменной сварки

Во многом, плазменные сварочные аппараты напоминают принцип действия аргонно-дуговых и имеют схожую конструкцию горелки, которая в нашем случае называется – плазмотроном. Процесс образования плазмы происходит именно в горелке (об этом далее).

Плазма – это одно из состояний газа, которое образуется, если пропустить его через дугу. В этот момент происходят сложные химические и физические процессы, газ приобретает особые свойства. Нам, в данном случае интересен тот факт, что температура вырывающейся из сопла плазмы может доходить до 30 тысяч градусов, а это в 6 раз больше самой горячей дуги.

Таким образом, сущностью плазменной сварки является ионизация газа, проходящего под давлением.

В таких условиях происходит резка металла, который расплавляется мгновенно, а часть его просто испаряется. Для сваривания используют более щадящие режимы, а также технологию контроля дуги. Плазменные резаки считаются одними из наиболее точных и эффективных методов резки различных металлов.

Схема плазменной сварки открытой и закрытой плазменной струей

Чтобы понять принцип работы плазменной сварки, нужно перейти непосредственно к аппарату. Сама плазменная сварка представляет собой небольшую, весом 5 – 9 кг установку, внутри которой расположился понижающий трансформатор, выпрямитель и набор схем управления. К ней подключается воздушный компрессор (если в сопло подается сжатый воздух) или специальные баллоны с плазмообразующим газом и инертным газом. В качестве газа для создания плазмы используют азот, кислород, аргон, воздух. На выходе устройства имеем горелку с набором газов (для сварки) или один вид газа для резки, а также плюсовую клемму (для прямого вида сварки). Так, как температура работы этого компонента очень высока, внутри горелки имеется жидкостное охлаждение.

Обратите внимание! От эффективности охлаждения горелки будет зависеть не только качество шва, но и долговечность электрода и других компонентов. Сварщик должен внимательно следить не только за ходом сварки, но и за поступлением воды.

Дальнейшее описание технологии приводит нас к двум ее разновидностям:

Плазменная сварка прямого действия

Первый и наиболее распространенный метод плазменной сварки имеет прямое действие дуги на деталь. Сваривание происходит прямой дугой, образующейся между деталью и электродом, однако сам процесс розжига плазмы имеет двухступенчатую схему.

Плазменная сварка прямого действия

На первом этапе внутренний стержень плазмотрона (изображение ниже) имеет отрицательную полярность, в то время, как ближняя стенка сопла получает положительный заряд из-за замкнутого переключателя (0). Внутри сопла образуются дуги (отмечено красным), которые ионизируют проходящий газ (2) и превращают его в плазму.

Следующий этап – непосредственно сварка, для этого на деталь цепляют плюсовую клемму и подносят работающий плазмотрон. В этот момент изделие имеет лучшую проводимость, поэтому дуги концентрируются на конце вольфрамового электрода, переключатель размыкает внутреннюю цепь плазмотрона и под действием давления, а также естественного расширения газа при превращении в плазму, происходит направленный выплеск энергии. При этом плазменная дуга имеет высокую стабильность, а минимальное разбрызгивание и изоляцию сварного участка обеспечивает инертный газ, проходящий по каналу (1). Газ не только защищает плазменную дугу, но и изолирует сварную ванну.

Плазменная сварка косвенного действия

Механизм плазмообразования в данном случае схож с предыдущим методом. Главное отличие в том, что направленность плазменного потока контролируется не направленностью электрического потока, а давлением газа, созданным системой и внутренним давлением сопла. Здесь помогает тот факт, что при переходе в состояние плазмы газ начинает увеличиваться в объеме до 50 раз, поэтому при возросшем давлении естественным образом стремится вырваться из сопла.

Плазма косвенного действия

Оба описанных способа имеют место в современном мире, однако прямой метод имеет больше плюсов. Так он гарантирует более стабильную работу на малых силах тока, позволяет меньше расходовать дорогостоящий газ и имеет заметно меньшую степень разбрызгивания.Аналогичным образом происходит резка металла, только без использования инертного газа (1).

Оборудование для плазменной сварки

Современные сварочные плазменные аппараты – это компактные устройства, сравнимые по размерам с аргонно-дуговыми, инверторными или трансформаторными аппаратами. Простейшие модели имеют компактный размер и минимум настроек для удобства пользования. С их помощью можно производить сварку и резку металла.

Схема сборки оборудования при ручной плазменной резке

С ростом цены увеличивается функциональность аппаратов, так в продаже можно найти оборудование, с функцией пайки. Устройства профессионального уровня позволяют проводить операции воронения, термического оксидирования, порошкового напыления и закалки.

Ценовую политику оборудования можно разделить на несколько категорий. К стартовым, относятся устройства мощностью 8 – 12 А. Их стоимость находится в пределах 25 – 40 тысяч рублей, это самые дешевые аппараты, которые можно приобрести и они уже в разы дороже инверторов, полуавтоматов. Некоторые аппараты поддерживают функцию микроплазменной резки, другими словами работы при малых токах от 0.1А.

В средней ценовой категории расположились сварки мощностью 25 – 150А. Они имеют расширенные настройки, позволяют подключать несколько видов газов и нередко имеют расширенный функционал. Стоимость таких аппаратов от 40 до 150 тысяч рублей.

Самые дорогие из неавтоматизированных – сварки мощностью выше 150 А. В их конструкцию заложен практически весь возможный функционал плазменной технологии, но все работы производятся сварщиком. Цена начинается со 100 тысяч и может превышать отметку 1 миллион рублей.

Область применения

Благодаря работе при температурах, доходящих до 30 000 градусов, технология позволяет работать со многими видами металлов: нержавеющая сталь, углеродистая сталь, чугун, медь, латунь, бронза, титан, алюминий и другие. Вместе с высокой точностью работ, это обуславливает такие области использования технологии:

1. пищевая промышленность;
2. энергетическая сферы;
3. химическое производство;
4. ювелирное дело;
5. машиностроение;
6. приборостроение;
7. медицинское оборудование;
8. изготовление деталей высокой точности.

Преимущества и недостатки метода

Как видно, использование плазмы имеет свои преимущества, но не обошлось и без недостатков. Ниже, мы выделили основные положительные и негативные моменты.

Плюсы

1. Высокое качество и скорость работ.
2. Контроль глубины провара.
3. Доступность технологии частным лицам.
4. Безопасность работ.
5. В процессе работы не остается отходов.
6. Высокая точность резки позволяет дополнительно не обрабатывать кромки.

Основной положительный момент технологии – ее незаменимость. Большая часть работ может быть выполнены и другими методами, но когда речь идет о лучшей скорости, качестве и удобстве сварки, мы неизбежно приходим к плазменному методу.

Недостатки

1. Дорогие аппараты и высокая стоимость работ.
2. Высокие требования к квалификации сварщика.
3. Необходимость качественного охлаждения из-за высоких температурных потерь.

Главный минус технологии – ее сложность. Чтобы обучить хорошего специалиста требуется время и деньги, в противном случае метод не сможет принести должных результатов. Это связанно с тем, что в процессе работ важно не только контролировать процесс сварки, но и внимательно следить за охлаждением, поступлением газов и многими другими параметрами.

Заключение

Теперь вы знаете, как работает плазменная сварка. Если стоимость оборудования вас не пугает, то технологию вполне успешно можно использовать для выполнения высокоточных работ в условиях дома или небольшого предприятия. Для создания герметичных швов и изготовления соединений высокой точности, подобные аппараты будут незаменимы, тем более, если мы говорим о промышленных масштабах. Здесь в дело вступают автоматизированные плазменные комплексы, сводящие к минимуму человеческий фактор и погрешность работ.