RU2111098C1

RU2111098C1 - Method for electric-arc plasma welding of metals

Info

Publication number: RU2111098C1
Application number: RU95101458A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Апуневич; Евгений Иванович Титаренко
Original assignee: Александр Иванович Апуневич; Евгений Иванович Титаренко
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 1998-05-20
Also published as: RU95101458A

Abstract

FIELD: machine engineering. SUBSTANCE: plasma welding of metals is realized by means of normal-polarity electric arc. Steam is used as plasma generating medium. steam is generated directly in burner due to thermal energy of electric arc in nozzle-anode. Plasma jet is controlled by change of electric current of existing arc. EFFECT: high ecological parameters, lowered production cost due to use of steam as plasma generating gas. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электродуговым плазменным способам сварки металлов и может быть использовано в машиностроении, автомобилестроении, строительстве и многих других отраслях. The invention relates to electric arc plasma methods of welding metals and can be used in mechanical engineering, automotive, construction and many other industries.

В практике получил широкое применение способ электродуговой плазменной сварки металлов с использованием так называемой "сжатой дуги" [3]. Сущность его заключается в том, что дуговой разряд горит в струе инертного газа между катодом плазменной горелки плазмотрона и обрабатываемым изделием - анодом, а его диаметр ограничен каналом сопла горелки. Поскольку непосредственное возбуждение дуги между электродом и изделием через узкий канал сопла затруднено, вначале возбуждается дежурная дуга между электродом и соплом-анодом горелки и подводится инертный газ. In practice, the method of electric arc plasma welding of metals using the so-called "compressed arc" has been widely used [3]. Its essence lies in the fact that an arc discharge burns in an inert gas stream between the cathode of a plasma torch of a plasma torch and the workpiece — anode, and its diameter is limited by the channel of the torch nozzle. Since it is difficult to directly excite the arc between the electrode and the article through the narrow nozzle channel, a pilot arc is first excited between the electrode and the burner anode nozzle and an inert gas is supplied.

Под действием давления этот газ выходит через отверстие сопла-анода и за счет обжатия дежурной дуги образует плазменную струю. Как только плазменная струя достигает изделия, возбуждается основная дуга. При этом дежурная дуга может продолжать гореть, стабилизируя основную дугу на малых токах. Регулируя расход плазмообразующего газа, изменяют давление на жидкий металл ванны, это изменяет глубину проплавления изделия - анода. Under the action of pressure, this gas leaves through the hole of the anode nozzle and, due to compression of the arc on duty, forms a plasma jet. As soon as the plasma jet reaches the product, the main arc is excited. In this case, the duty arc can continue to burn, stabilizing the main arc at low currents. By adjusting the flow rate of the plasma-forming gas, the pressure on the liquid metal of the bath is changed, this changes the depth of penetration of the product - the anode.

Указанный известный способ позволяет получить качественные сварные соединения, однако наличие внешнего источника инертного газа создает эксплуатационные неудобства при применении этого способа, так при кипении металла в процессе сварки выделяются в окружающую среду газообразные и твердые в виде мельчайшей пыли фракции металла и его примесей (возникает так называемая "вторичная эмиссия металла"). Газ, образующий плазменную струю, поднимает их, образуя облако "грязи", ухудшая тем самым как условия работы персонала, так и в целом экологические параметры окружающей среды. The specified known method allows to obtain high-quality welded joints, however, the presence of an external source of inert gas creates operational inconvenience when using this method, so when the metal boils during welding, gaseous and solid fractions of the metal and its impurities are released into the environment (the so-called "secondary metal emission"). The gas forming the plasma jet picks them up, forming a cloud of "dirt", thereby worsening both the working conditions of the personnel and the overall environmental parameters.

Кроме того, высокая стоимость производства инертного газа и значительные расходы по заправке баллонов и их доставке существенно ограничивают возможности использования описанного способа плазменной сварки. In addition, the high cost of inert gas production and significant costs for refueling and delivery significantly limit the possibilities of using the described plasma welding method.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков известного способа. The invention is aimed at eliminating these disadvantages of the known method.

Сущность предлагаемого способа плазменной сварки металлов прямой электрической дугой заключается в использовании в качестве плазмообразующей среды водяного пара, при этом обязательной является прямая полярность основной электрической дуги. Пар может образовываться непосредственно в горелке за счет тепловой энергии, выделяемой дежурной дугой. Регулирование плазменной струи в зависимости от потребной глубины проплавления металла может осуществляться путем изменения тока дежурной дуги. The essence of the proposed method of plasma welding of metals with a direct electric arc is to use water vapor as the plasma-forming medium, and the direct polarity of the main electric arc is mandatory. Steam can be generated directly in the burner due to the heat energy generated by the duty arc. Regulation of the plasma jet depending on the required depth of penetration of the metal can be carried out by changing the current of the standby arc.

Известны плазменные горелки, в которых плазмообразующей средой является водяной пар, вырабатываемый непосредственно в горелке за счет испарения воды или другой жидкости под действием высоких температур электродов [2]. Однако для сварки металлов прямой электрической дугой между катодом горелки и изделием эти горелки не применялись. Plasma burners are known in which the plasma-forming medium is water vapor generated directly in the burner due to the evaporation of water or other liquid under the action of high electrode temperatures [2]. However, for welding metals with a direct electric arc between the cathode of the torch and the product, these torches were not used.

Известно, что носителями тока в дуге являются, в основном, электроны (Эсибян Э.М. Плазменно-сварочная аппаратура, с. 6-9), а ионы кислорода, содержащиеся в парах воды, попадающие на свариваемый металл под действием кинетической энергии плазменного потока, вызывают окисление и разрушение его (так называемое "горение металла"). It is known that the current carriers in the arc are mainly electrons (Esibyan E.M. Plasma-welding equipment, p. 6-9), and oxygen ions contained in water vapor falling on the metal being welded under the influence of the kinetic energy of the plasma stream cause oxidation and its destruction (the so-called "metal burning").

Известно также, что использование прямой дуги при обработке металла обусловлено повышенным КПД этого способа, так как при этом к энергии плазменной струи добавляется энергия дуги, возникающей между электродом горелки и металлом. It is also known that the use of a direct arc in metal processing is due to the increased efficiency of this method, since in this case the arc energy arising between the burner electrode and the metal is added to the energy of the plasma jet.

В предлагаемом способе при горении основной дуги на прямой полярности, т.е. при положительном потенциале на обрабатываемом металле, возникает поле, отталкивающее положительно заряженные ионы. Именно этот эффект предотвращает окисление и разрушение металлы и делает возможной сварку. Для уменьшения кинетической энергии плазменного потока уменьшают давление в разрядной камере, в том числе за счет уменьшения тока косвенной дуги. In the proposed method, when burning the main arc at direct polarity, i.e. with a positive potential on the metal being processed, a field arises that repels positively charged ions. It is this effect that prevents the oxidation and destruction of metals and makes welding possible. To reduce the kinetic energy of the plasma flow, the pressure in the discharge chamber is reduced, including by reducing the indirect arc current.

Помимо вышеописанного эффекта, способ обеспечивает еще и уменьшение опасности выдувания "сварной ванночки", поскольку требует меньшей скорости энергетического потока при тех же внешних затратах энергии, так как энтальпия водяного пара выше энтальпии обычно используемых для сварки инертных газов. In addition to the above effect, the method also reduces the risk of blowing a "weld pool", since it requires a lower velocity of the energy flow at the same external energy costs, since the enthalpy of water vapor is higher than the enthalpy of inert gases commonly used for welding.

Кроме того, применение в качестве плазмообразующего газа водяного пара позволяет повысить экологическую чистоту работы таким способом, поскольку пар, конденсируясь на газообразных и твердых фракциях металла и его примесей, связывает их за счет сил поверхностного натяжения пленки воды и осаждает последние на поверхности в ограниченной зоне вблизи рабочего места сварщика. In addition, the use of water vapor as a plasma-forming gas makes it possible to increase the environmental cleanliness of the work in this way, since the vapor, condensing on the gaseous and solid fractions of the metal and its impurities, binds them due to the surface tension forces of the water film and deposits the latter on the surface in a limited area near welder workplace.

Пример. На чертеже схематично изображено устройство для осуществления способа сварки согласно изобретению. Это устройство состоит из плазменной горелки, включающей катод 1, сопло-анод 2 с каналами для плазмообразующей среды, резервуар 3, заполненный влаговпитывающим материалом, источника 4 питания дежурной дуги, источника 5 питания прямой дуги, регулятора 6 тока дежурной дуги. Горелка снабжена электроизоляционной герметизирующей крышкой 7. В качестве влаговпитывающего материала может быть использована каолиновая вата, углеткань или углевойлок. Example. The drawing schematically shows a device for implementing the welding method according to the invention. This device consists of a plasma torch, including a cathode 1, a nozzle-anode 2 with channels for a plasma-forming medium, a reservoir 3 filled with moisture-absorbing material, a power supply on a stand-by arc, a power supply 5 on a direct arc, and a regulator 6 on a stand-by current. The burner is equipped with an electrically insulating sealing cover 7. As a moisture-absorbing material, kaolin wool, carbon fabric or carbon felt can be used.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Открывают патрубок 10 резервуара 3 и заливают в него воду. Закрывают патрубок резервуара 3, от источника питания дежурной дуги 4 подают напряжение между катодом 1 и соплом-анодом 2. Open the pipe 10 of the tank 3 and fill it with water. The nozzle of the tank 3 is closed, and a voltage is supplied from the power supply of the standby arc 4 between the cathode 1 and the anode nozzle 2.

Поджигают дежурную дугу, например путем возвратно-поступательного перемещения катода 1, до соприкосновения с соплом-анодом 2. Тепловая энергия, выделяемая дежурной дугой на сопле-аноде 2, испаряет воду, находящуюся в резервуаре 3. Образовавшиеся пары воды поступают в разрядную камеру через каналы сопла-анода 2 и выходят через его центральное отверстие, вытягивая при этом электродуговой столб. Водяной пар за счет обжатия в отверстии сопла-анода 2 электродугового столба нагревается до высоких температур и переходит в плазменное состояние, образуя на выходе сопла-анода 2 плазменную струю. A pilot arc is ignited, for example by reciprocating the cathode 1 until it contacts the nozzle anode 2. The heat energy released by the pilot arc on the nozzle anode 2 evaporates the water in the reservoir 3. The resulting water vapor enters the discharge chamber through channels nozzle-anode 2 and exit through its Central hole, while pulling the electric arc column. Water vapor due to compression in the hole of the anode nozzle 2 of the electric arc column is heated to high temperatures and passes into the plasma state, forming a plasma jet at the exit of the anode 2 nozzle.

После выхода горелки на установившийся температурный режим подают напряжение от источника питания прямой дуги 5 между катодом 1 и свариваемым металлом 8. Направляют плазменную струю дежурной дуги на место сварки и уменьшают расстояние между соплом-анодом и свариваемым металлом до возникновения прямой дуги между катодом 1 и свариваемым металлом 8. After the burner exits to a steady temperature, voltage is supplied from the direct arc 5 power source between the cathode 1 and the metal being welded 8. The plasma jet of the arc on duty is directed to the welding site and the distance between the anode nozzle and the metal being welded is reduced until a direct arc arises between the cathode 1 and the metal being welded metal 8.

Возникающая прямая дуга, стабилизированная в пространстве плазменной струей дежурной дуги, осуществляет сварку металла путем его плавления. Глубину плавления металла и степень стабилизации прямой дуги изменяют с помощью регулятора тока дежурной дуги 6. Положение регулятора выбирают таким образом, чтобы, с одной стороны, предотвратить выдувание жидкого металла из сварочной ванны, а, с другой стороны, обеспечить устойчивую стабилизацию положения прямой дуги. The resulting direct arc, stabilized in space by the plasma jet of the pilot arc, carries out welding of the metal by melting it. The melting depth of the metal and the degree of stabilization of the direct arc are changed using the current regulator of the pilot arc 6. The position of the regulator is chosen in such a way as to prevent blowing out of the molten metal from the weld pool, and, on the other hand, to provide stable stabilization of the position of the direct arc.

В случае использования присадочного материала 9 его электрически соединяют со свариваемым металлом и вводят по мере необходимости в плазменный поток, где он расплавляется под действием прямой дуги и заполняет образовавшуюся на поверхность металла сварочную ванну. In the case of using filler material 9, it is electrically connected to the metal being welded and introduced, as necessary, into the plasma stream, where it melts under the action of a direct arc and fills the weld pool formed on the metal surface.

Образец устройства, выполненный по схеме, изображенной на чертеже, при проведении перечисленных выше операций в оговоренной последовательности при токе дежурной дуги 3-4 А и при токе прямой дуги 7-10 А обеспечивал сварку стальных конструкций с толщиной листа 4-5 мм, при этом глубина проплавления составляет 3-4 мм. A sample of the device, made according to the diagram shown in the drawing, when performing the above operations in the specified sequence at a current of a stand-up arc of 3-4 A and at a current of a direct arc of 7-10 A provided welding of steel structures with a sheet thickness of 4-5 mm, while penetration depth is 3-4 mm.

Claims

1. A method of plasma arc welding of metals, which includes igniting a standby electric arc between the electrode and the anode nozzle of a plasma torch, supplying a plasma forming medium to the combustion zone of the specified standby arc, and compressing the standby arc with the specified plasma forming medium in the torch anode nozzle and thereby producing a plasma jet, creation of the main electric arc between the plasma torch electrode and the metal being welded, stabilization of the main electric arc by the specified plasma jet, metal melting th main arc-stabilized, characterized in that as the plasma-forming medium is water vapor, and are weld metal in a straight polarity main arcing.

2. The method according to claim 1, characterized in that as the plasma-forming medium, water vapor is used that is generated directly in the plasma torch due to the thermal energy generated by the standby arc.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the plasma jet is controlled by changing the magnitude of the current of the arc on duty.