RU2792246C1 - Method and system of consumable electrode plasma welding - Google Patents
Method and system of consumable electrode plasma welding Download PDFInfo
- Publication number
- RU2792246C1 RU2792246C1 RU2022106514A RU2022106514A RU2792246C1 RU 2792246 C1 RU2792246 C1 RU 2792246C1 RU 2022106514 A RU2022106514 A RU 2022106514A RU 2022106514 A RU2022106514 A RU 2022106514A RU 2792246 C1 RU2792246 C1 RU 2792246C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- arc
- axial
- axis
- consumable electrode
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к сварке металлов и может найти широкое применение в машиностроении и других отраслях промышленности при:The invention relates to welding of metals and can be widely used in mechanical engineering and other industries for:
- сварке металлов;- welding of metals;
- наплавке металлов с высокой производительностью при минимальном проплавлении и перемешивании с основным металлом, с большим регулированием толщины наплавленного слоя при использовании электродной проволоки большого диаметра, так и минимального;- surfacing of metals with high productivity with minimal penetration and mixing with the base metal, with a large control of the thickness of the deposited layer when using electrode wire of large diameter, and the minimum;
- ремонте изношенных деталей (реновации) с чистовой наплавкой без последующей механической обработки, либо с минимальной обработкой - шлифованием;- repair of worn parts (renovation) with finishing welding without subsequent machining, or with minimal processing - grinding;
- выращивании деталей (3D - печать) крупногабаритных - корпусов ракет или, при использовании микроплазмотронов, - малых деталей.- growing parts (3D - printing) of large-sized - rocket bodies or, when using microplasma torches, - small parts.
Известен способ плазменной сварки плавящимся электродом (ПСПЭ) - патент №7104337 Нидерланды от 01.04.1971 МКИ В23К 9/00, 9/16. При этом способе плавящийся электрод (проволока) проходит по оси горелки сверху вниз через соосные с осью горелки токоподводящий мундштук и плазмообразующее сопло плазмотрона, при этом через плазмообразующее сопло также проходит осевая плазменная дуга, которая поддерживается между расположенным сбоку вольфрамовым электродом и изделием. Внутрь плазмообразующего сопла подается плазмообразующий газ, а снаружи - защитный газ. Плазменная дуга поддерживается от источника питания плазмы. На расстоянии от токоподводящего мундштука (вылет проволоки) горит дуга плавящегося электрода (ПЭ), которая поддерживается от источника питания дуги ПЭ. Плазменная дуга окружает дугу ПЭ и часть вылета ПЭ - вылет ПЭ в плазме. Дуга ПЭ и плазменная дуга должны иметь одинаковую полярность: прямую - минус на электроде, плюс на изделии или обратную - плюс на электроде, минус на изделии.A known method of consumable electrode plasma welding (PSPE) - patent No. 7104337 Netherlands from 04/01/1971 MKI
Способ ПСПЭ по сравнению со способом сварки плавящимся электродом (СПЭ), при котором горит одна дуга ПЭ в защитном газе, имеет следующие преимущества:Compared to the consumable electrode welding (CWE) method, in which one PE arc burns in a protective gas, the SSPE method has the following advantages:
- обеспечивается регулировка тепловложения в свариваемое изделие и плавящуюся проволоку при высокой производительности наплавки;- regulation of heat input into the workpiece to be welded and consumable wire is ensured at a high deposition rate;
- дуга ПЭ возбуждается без касания изделия и разбрызгивания;- the PE arc is excited without touching the product and splashing;
- обеспечивается стабильный мелкокапельный перенос без разбрызгивания;- stable small-drop transfer without splashing is provided;
- при повышении тока дуги ПЭ и достижения критической величины проволока под давлением дуги, нагрева плазмой и проходящим по ней током становится пластичной, изгибается в поперечном направлении и под воздействием электромагнитной силы вращается вместе с дугой и веером капель по поверхности изделия, при этом критический ток вращения ПЭ меньше, чем при СПЭ, где плазма отсутствует, [Плазменная сварка плавящимся электродом. Перевод с японского языка №Ц-86808 статьи из журнала "Ёсэцу гидзюцу", 1975, т.23, №3, с. 85-90. Всесоюзный центр переводов НТЛД, Москва, 1976].- when the PE arc current increases and the critical value is reached, the wire under the pressure of the arc, heated by the plasma and the current passing through it becomes plastic, bends in the transverse direction and, under the influence of electromagnetic force, rotates together with the arc and a fan of drops over the surface of the product, while the critical current of rotation PE is less than with SPE, where there is no plasma, [Plasma consumable electrode welding. Translation from Japanese No. Ts-86808 of an article from the magazine "Yosetsu Gijutsu", 1975, v.23, No. 3, p. 85-90. All-Union Translation Center NTLD, Moscow, 1976].
Режим вращения позволяет уменьшить и обеспечить равномерность проплавления основного металла и увеличить ширину наплавки.The rotation mode makes it possible to reduce and ensure the uniformity of penetration of the base metal and increase the width of the deposit.
Несмотря на преимущества, способ ПСПЭ имеет существенные недостатки.Despite the advantages, the SSPE method has significant disadvantages.
Нестабильность горения плазменной дуги, которая происходит по нескольким причинам:The instability of the plasma arc, which occurs for several reasons:
- пробои плазмы на проволоку и плазмообразующее сопло, которое разрушается [А.В. Петров. Плазменная сварка. "ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Серия сварка. Т 12". Москва, 1980, с. 53-109], при этом вероятность пробоя на проволоку больше, поскольку вылет ПЭ в плазме больше длины плазмообразующего сопла;- plasma breakdowns on the wire and the plasma nozzle, which is destroyed [A.V. Petrov. Plasma welding. "VINITI. Results of science and technology. Welding series.
- низкая устойчивость плазмы (гаснет) при большом диаметре плазмообразующего сопла, который требуется для предотвращения пробоев [W.G. Essers, G.A.M. Willems, J.J.С.Buelens and M.R.M. van Gompel. Plasma-MIG welding - a new torch and arc starting method. "Metal Construction", №1, 1981, s. 36-42];- low plasma stability (extinguishes) with a large diameter plasma nozzle, which is required to prevent breakdowns [W.G. Essers, G.A.M. Willems, J.J.C. Buelens and M.R.M. van Gompel. Plasma-MIG welding - a new torch and arc starting method. "Metal Construction", No. 1, 1981, s. 36-42];
- при возмущениях сварки: изгибах проволоки, отдельных брызгах и при малом токе дуги ПЭ, [Schevers А.А. Plasma-MIG welding of Aluminium. "Welding and Metall Fabrication", т.44, №1, 1976.].- with welding disturbances: wire bends, individual splashes and at low PE arc current, [Schevers A.A. Plasma-MIG welding of Aluminium. "Welding and Metall Fabrication", vol. 44, no. 1, 1976.].
Меньшая тепловая эффективность ПСПЭ по сравнению с СПЭ. При ПСПЭ размеры общего источника тепла больше, а его сосредоточенность меньше и, как следствие, меньше глубина проплавления. Плазменная дуга при ПСПЭ окружает дугу ПЭ (СПЭ), кроме того сама она значительно больше обычной плазменной дуги. Так диаметр плазмообразующего сопла при ПСПЭ составляет 8-10 мм, а при обычной плазменной сварке не более 5 мм.Lower thermal efficiency of SSPE in comparison with SPES. With PSPE, the dimensions of the common heat source are larger, and its concentration is smaller and, as a result, the penetration depth is smaller. The plasma arc during SSPE surrounds the PE arc (PES), in addition, it itself is much larger than a conventional plasma arc. So the diameter of the plasma-forming nozzle for PSPE is 8-10 mm, and for conventional plasma welding it is not more than 5 mm.
При ПСПЭ имеются ограничения по току дуги ПЭ. Большой вылет проволоки требует увеличение ее диаметра с целью повышения жесткости. При большем диаметре требуется больший ток дуги. Для обеспечения режима вращения дуги для стальной проволоки ∅1,2 мм с вылетом 40 мм необходим большой ток дуги - 300А, при этом режим вращения ограничен током, при котором вращающаяся струя сопровождается разбрызгиванием металла по бокам валика и в дуговом промежутке, [Плазменная сварка плавящимся электродом. Перевод с японского языка №Ц-86808 статьи из журнала "Ёсэцу гидзюцу", 1975, т.23, №3, с. 85-90. Всесоюзный центр переводов НТЛД, Москва, 1976].With PSPE, there are limitations on the current of the PE arc. A large wire overhang requires an increase in its diameter in order to increase rigidity. Larger diameters require more arc current. To ensure the rotation mode of the arc for steel wire ∅1.2 mm with a reach of 40 mm, a large arc current is required - 300A, while the rotation mode is limited by the current, in which the rotating jet is accompanied by spraying of metal on the sides of the roller and in the arc gap, [Plasma consumable welding electrode. Translation from Japanese No. Ts-86808 of an article from the magazine "Yosetsu Gijutsu", 1975, v.23, No. 3, p. 85-90. All-Union Translation Center NTLD, Moscow, 1976].
Устройства ПСПЭ с вольфрамовым электродом не пригодны для сварки на обратной полярности из-за ограниченной стойкости вольфрамового электрода. Так для прямой полярности, когда стойкость вольфрамового электрода в защитном газе аргоне высока (для электрода ∅ 3 мм ток 200-300А), но неудовлетворительна - для обратной (для электрода ∅ 3 мм ток 20-40А). Для обратной полярности, возможно применить вольфрамовый электрод ∅ 6 мм ток 80-130А, что тоже недостаточно (использованы данные по продукции АО "Спецэлектрод" г. Москва). Между тем, сварка алюминиевых и магниевых сплавов должна производиться на обратной полярности для того, чтобы окисная пленка на поверхности свариваемых кромок разбивалась за счет эффекта катодного распыления. Поэтому при ПСПЭ алюминия на обратной полярности применяют медные трубчатые (проволока проходит внутри трубки) водоохлаждаемые электроды, [Авторское свидетельство 997348 СССР от 27.05.1981], либо медные трубчатые с кольцевыми графитовыми вставками, [Авторское свидетельство 1123181 СССР от 28.10.1983]. Необходимо отметить, что ресурс медных электродов и электродов с графитовыми вставками мал.Tungsten electrode PVD devices are not suitable for reverse polarity welding due to the limited durability of the tungsten electrode. So for direct polarity, when the resistance of the tungsten electrode in the protective gas argon is high (for an electrode ∅ 3 mm, the current is 200-300A), but unsatisfactory - for the reverse (for an electrode ∅ 3 mm, the current is 20-40A). For reverse polarity, it is possible to use a tungsten electrode ∅ 6 mm current 80-130A, which is also not enough (data on the products of JSC "Spetselektrod", Moscow, were used). Meanwhile, the welding of aluminum and magnesium alloys must be carried out in reverse polarity so that the oxide film on the surface of the edges to be welded is broken due to the cathode sputtering effect. Therefore, in the case of aluminum PSPE at reverse polarity, copper tubular (the wire passes inside the tube) water-cooled electrodes are used, [USSR author's certificate 997348 of 05/27/1981], or copper tubular with ring graphite inserts, [USSR author's certificate 1123181 of 10/28/1983]. It should be noted that the resource of copper electrodes and electrodes with graphite inserts is small.
Таким образом, ПСПЭ имеет много недостатков, но все они связаны с тем, что электродная проволока проходит через плазмообразующее сопло, что вызывает: нестабильность плазмы, большие размеры плазмы и низкую плотность теплового источника, ограниченный диапазон режима и применения.Thus, SSPE has many disadvantages, but all of them are related to the fact that the electrode wire passes through the plasma nozzle, which causes: plasma instability, large plasma sizes and low heat source density, limited mode and application range.
В отличие от подачи электродной проволоки через сопло плазменной горелки исследовался процесс дугоплазменной сварки, при котором плазменная дуга направлялась на ПЭ и дугу на нем сбоку, [Барашков А.С., Ткачук К.К. Снижение разбрызгивания воздействием дуги на перенос металла при сварке плавящимся электродом. // Сварочное производство, №9, 1986, с. 13-14]. В этой работе было показано, что при подключении полярностей плазменной дуги и дуги ПЭ по схеме ПСПЭ, боковая плазменная дуга сдувает образующиеся капли на проволоке и нарушает перенос металла.In contrast to the supply of electrode wire through the nozzle of a plasma torch, the process of arc-plasma welding was studied, in which the plasma arc was directed to the PE and the arc on it from the side, [Barashkov A.S., Tkachuk K.K. Reduction of spatter by the effect of the arc on metal transfer in consumable electrode welding. // Welding production, No. 9, 1986, p. 13-14]. In this work, it was shown that when the polarities of the plasma arc and the PE arc are connected according to the SSPE scheme, the side plasma arc blows off the droplets formed on the wire and disrupts the metal transfer.
Известен двухструйный плазмотрон, в котором наклонные катодная и анодная струи, симметричные относительно оси системы, соединяются в осевую струю, в которую подается порошок для напыления, [Новиков О.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. Многодуговые системы. /Новосибирск: Наука СО РАН, 1988, с. 55-57], [Патент 3472995 США]. Эта схема не может использоваться для ПСПЭ, но схема показывает, что осевая плазменная дуга может быть создана соединением наклонных плазменных дуг, а плавящийся электрод возможно подать в осевую плазменную дугу, исключая подачу через плазмообразующее сопло.A two-jet plasma torch is known, in which the inclined cathode and anode jets, symmetrical about the axis of the system, are combined into an axial jet, into which powder is supplied for spraying, [Novikov O.Ya., Tamkivi P.I., Timoshevsky A.N. etc. Multi-arc systems. / Novosibirsk: Nauka SO RAN, 1988, p. 55-57], [US Patent 3472995]. This diagram cannot be used for SSPE, but the diagram shows that an axial plasma arc can be created by connecting inclined plasma arcs, and a consumable electrode can be fed into the axial plasma arc, excluding the supply through the plasma nozzle.
Известен многодуговой (МД) плазмотрон, который характеризуется наличием более двух наклонных плазменных дуг, равномерно расположенных относительно общей оси системы, причем плазменные дуги формируют общий поток, [Новиков О.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. Многодуговые системы. /Новосибирск: Наука СО РАН, 1988, с. 57-58], [Патент 959472 Великобритания]. Этот плазмотрон используется для распыления тугоплавких материалов и является прототипом.Known multi-arc (MD) plasma torch, which is characterized by the presence of more than two inclined plasma arcs, evenly spaced relative to the common axis of the system, and the plasma arcs form a common flow [Novikov O.Ya., Tamkivi P.I., Timoshevsky A.N. etc. Multi-arc systems. / Novosibirsk: Nauka SO RAN, 1988, p. 57-58], [UK Patent 959472]. This plasma torch is used for spraying refractory materials and is a prototype.
В МД плазмотроне наклонные плазменные дуги от анодных плазмотронов (обратная полярность) направлены в одну точку на оси системы с краю, но внутри сопла - катода. По оси МД плазмотрона в эту же точку подается пруток тугоплавкого материала. Из сопла - катода выдувается общий плазменный поток с распыленным материалом. Если наклонные плазменные дуги направить на точку оси системы с небольшим смещением, то возникает вихревое движение общего плазменного потока. Недостатком МД плазмотрона является то, что в нем отсутствует осевая плазменная дуга, поскольку наклонные плазменные дуги соединяются в точке внутри сопла - катода в одну дугу, которая сразу переходит на сопло - катод. Этот недостаток можно устранить, если сопло - катод заменить катодом - изделием. Точка соединения должна находиться перед изделием, тогда от точки соединения дуг до изделия будет гореть осевая плазменная дуга, в которую уже можно подать плавящийся электрод вместо прутка.In an MD plasma torch, inclined plasma arcs from anode plasma torches (reverse polarity) are directed to one point on the axis of the system from the edge, but inside the nozzle - the cathode. A bar of refractory material is fed to the same point along the axis of the MD plasma torch. From the nozzle-cathode, a common plasma stream with the sputtered material is blown out. If inclined plasma arcs are directed to a point of the axis of the system with a slight displacement, then a vortex motion of the total plasma flow occurs. The disadvantage of the MD plasma torch is that it does not have an axial plasma arc, since the inclined plasma arcs are connected at a point inside the nozzle - cathode into one arc, which immediately passes to the nozzle - cathode. This disadvantage can be eliminated if the nozzle - cathode is replaced by a cathode - product. The connection point must be in front of the product, then from the arc connection point to the product, an axial plasma arc will burn, into which a consumable electrode can already be fed instead of a rod.
Задачей, на решение которой направлено изобретение является исключение подачи электродной проволоки через плазмообразующее сопло при ПСПЭ и устранение недостатков, связанных с этой подачей, а именно:The problem to be solved by the invention is the exclusion of the supply of electrode wire through the plasma-forming nozzle during PSPE and the elimination of the disadvantages associated with this supply, namely:
- большой диаметр плазмообразующего сопла снижает сосредоточенность теплового источника, глубину проплавления, а также устойчивость плазменной дуги;- the large diameter of the plasma nozzle reduces the concentration of the heat source, the depth of penetration, as well as the stability of the plasma arc;
- большой вылет плавящегося электрода в плазме увеличивает вероятность пробоя плазмы;- a large reach of the consumable electrode in the plasma increases the probability of plasma breakdown;
- большой вылет плавящегося электрода затрудняет сварку с использованием малого диаметра проволоки;- a large reach of the consumable electrode makes it difficult to weld using a small wire diameter;
- имеется ограниченный диапазон режима и применения.- there is a limited range of mode and application.
Поставленная задача решается способом плазменной сварки плавящимся электродом, при котором плавящийся электрод подают по оси системы сверху вниз к изделию, при этом между плавящемся электродом и изделием горит дуга в окружении осевой плазменной дуги, горящей также на изделие. Согласно изобретению осевая плазменная дуга образована соединением двух и более наклонных и равномерно расположенных относительно оси системы плазменных дуг, при этом плазменные дуги направлены и соединяются в точке на оси системы выше изделия.The problem is solved by the consumable electrode plasma welding method, in which the consumable electrode is fed along the axis of the system from top to bottom to the product, while an arc burns between the consumable electrode and the product, surrounded by an axial plasma arc that also burns on the product. According to the invention, an axial plasma arc is formed by connecting two or more inclined and evenly spaced plasma arcs relative to the axis of the system, while the plasma arcs are directed and connected at a point on the axis of the system above the product.
Возможна реализация способа, в котором наклонные плазменные дуги направлены в точку на оси системы со смещением и вращают осевую плазменную дугу, что обеспечивает равномерность распределения по окружности осевой плазменной дуги, при этом увеличится нагрев ПЭ и ускорится переход к режиму вращения ПЭ.It is possible to implement a method in which inclined plasma arcs are directed to a point on the axis of the system with a displacement and rotate the axial plasma arc, which ensures uniform distribution of the axial plasma arc around the circumference, while heating the PE will increase and the transition to the PE rotation mode will accelerate.
А также возможен способ, в котором плавящийся электрод одновременно с подачей вращают относительно оси системы, что обеспечивает равномерность проплавления изделия.A method is also possible in which the consumable electrode is simultaneously rotated relative to the axis of the system while being fed, which ensures uniform penetration of the product.
Кроме того, способ реализуется с помощью горелки плазменной сварки плавящимся электродом, которая, согласно изобретению, имеет корпус с отверстиями, при этом осевое отверстие предназначено для установки горелки плавящегося электрода, а также два и более боковые наклонные отверстия, равномерно расположенные относительно оси корпуса, предназначены для установки плазмотронов, при этом оси боковых отверстий направлены в точку на оси корпуса.In addition, the method is implemented using a consumable electrode plasma welding torch, which, according to the invention, has a body with holes, while the axial hole is designed to install a consumable electrode torch, and two or more lateral inclined holes, evenly spaced relative to the body axis, are designed for the installation of plasma torches, while the axes of the side holes are directed to a point on the body axis.
Сравнение заявляемого технического решения - многодуговой плазменной сварки плавящимся электродом с уровнем техники по научно-технической литературе и патентным источникам показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна. Следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «новизна».Comparison of the proposed technical solution - multi-arc consumable electrode plasma welding with the state of the art in scientific and technical literature and patent sources shows that the totality of the essential features of the claimed solution was not known. Therefore, it meets the condition of patentability - "novelty".
Заявляемое решение может быть промышленно применимо, так как может быть изготовлено промышленным способом, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «промышленная применимость».The claimed solution can be industrially applicable, as it can be manufactured industrially, feasible and reproducible, therefore, it meets the condition of patentability - "industrial applicability".
Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:Distinctive features of the proposed technical solution are:
- осевая плазменная дуга образована соединением двух и более наклонных и равномерно расположенных относительно оси системы плазменных дуг;- axial plasma arc is formed by the connection of two or more inclined and evenly spaced relative to the axis of the plasma arc system;
- плазменные дуги направлены и соединяются в осевую дугу в точке на оси системы выше изделия.- plasma arcs are directed and connected into an axial arc at a point on the axis of the system above the product.
Влияние отличительных признаков на решение задачи:The influence of distinctive features on the solution of the problem:
- стабильность плазменных дуг не зависит от плавящегося электрода и определяется высокой стабильностью обычных плазмотронов;- the stability of plasma arcs does not depend on the consumable electrode and is determined by the high stability of conventional plasma torches;
- регулировка высоты осевой плазменной дуги позволяет контролировать вылет проволоки в плазме, при котором происходит пробой плазмы на проволоку;- adjustment of the height of the axial plasma arc makes it possible to control the outreach of the wire in the plasma, at which the breakdown of the plasma onto the wire occurs;
- поскольку каждая плазменная дуга сжата, то сжатой остается и осевая плазменная дуга, поэтому сосредоточенность теплового источника близка к сосредоточенности теплового источника при СПЭ;- since each plasma arc is compressed, the axial plasma arc also remains compressed, so the concentration of the heat source is close to the concentration of the heat source in the SPE;
- вылет проволоки является обычным вылетом при СПЭ и процесс обеспечивается в широком диапазоне режима;- wire stick-out is a common stick-out at CPE and the process is provided in a wide range of regimes;
- увеличение высоты сжатой осевой плазменной дуги обеспечивает ускоренный нагрев и режим вращения плавящегося электрода;- an increase in the height of the compressed axial plasma arc provides accelerated heating and rotation of the consumable electrode;
- многодуговая плазменная система обеспечивает сварку на обратной полярности, поскольку снижает тепловую нагрузку на отдельный вольфрамовый электрод.- multi-arc plasma system provides reverse polarity welding, as it reduces the thermal load on a separate tungsten electrode.
Предлагаемая горелка для плазменной сварки обеспечивает реализацию патентуемого способа.The proposed torch for plasma welding provides the implementation of the patented method.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами на фигурах: на фиг. 1 показана схема способа и горелки многодуговой плазменной сварки плавящимся электродом (МДПСПЭ), на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2, на фиг. 4 -способ и горелка 2ДПСПЭ с конкретной проработкой, на фиг. 5 - сечение В-В фиг. 4, на фиг. 6 - корпус горелки 2ДПСПЭ, на фиг. 7 - сечение Г-Г фиг. 6, на фиг. 8 - сечение Д-Д фиг. 7, на фиг. 9 - конструкция малогабаритного плазмотрона МДПСПЭ, на фиг. 10 - сечение Е-Е фиг. 9, на фиг. 11 - сечение Ж-Ж фиг. 9, на фиг. 12 - сечение 3-3 фиг. 11, на фиг. 13 - внешний вид сборки вольфрамового электрода с завихрителем.The proposed technical solution is illustrated by drawings in the figures: in Fig. 1 shows a diagram of the method and torch of multi-arc plasma welding with a consumable electrode (MPWMA), in Fig. 2 - section A-A of Fig. 1 in FIG. 3 - section B-B of Fig. 2 in FIG. 4 - method and burner 2DPSPE with a specific study, in Fig. 5 is a section B-B of FIG. 4 in FIG. 6 - burner body 2DPSPE, in Fig. 7 - section Г-Г of FIG. 6, in FIG. 8 - section D-D of FIG. 7 in FIG. 9 - design of a small-sized plasma torch MDPSPE, in Fig. 10 is a section E-E of FIG. 9, in FIG. 11 - section F-G of FIG. 9, in FIG. 12 is a section 3-3 of FIG. 11, in FIG. 13 - external view of the assembly of a tungsten electrode with a swirler.
На фиг. 1-2 показана схема МДПСПЭ с четырьмя плазменными дугами. Термин «Многодуговой плазмотрон» предполагает использование более двух дуг, то есть три и более, [Новиков О.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. Многодуговые системы. /Новосибирск: Наука СО РАН, 1988, с. 57]. Однако, в нашем случае, возможно, использовать две плазменные дуги, что уменьшит размеры МД горелки в поперечном направлении и обеспечит наплавку в стесненных условиях, например, при наплавке изношенных гребней бандажей железнодорожных колес, которую возможно совместить с упрочнением, [Барашков А.С.Плазменное упрочнение гребней бандажей колесных пар. Опыт локомотивного депо Таганай (Златоуст) //Локомотив, 2019, №8, с. 31-34]. Фактически при двух плазменных дугах будет гореть третья дуга ПЭ, поэтому способ и устройство МДПСПЭ подразумевает использование двух и более плазменных дуг. При описании конкретного способа МДПСПЭ с известным количеством плазменным дуг нужно вместо буквы М ставить количество плазменных дуг. Например, способы 2ДПСПЭ и 4ДПСПЭ означают двухдуговую и четырехдуговую ПСПЭ.In FIG. 1-2 shows a diagram of an MDSPE with four plasma arcs. The term "Multi-arc plasma torch" involves the use of more than two arcs, that is, three or more, [Novikov O.Ya., Tamkivi P.I., Timoshevsky A.N. etc. Multi-arc systems. / Novosibirsk: Nauka SO RAN, 1988, p. 57]. However, in our case, it is possible to use two plasma arcs, which will reduce the dimensions of the MD burner in the transverse direction and provide surfacing in cramped conditions, for example, when surfacing worn ridges of railroad wheels, which can be combined with hardening, [Barashkov A.S. Plasma hardening of ridges of tires of wheel pairs. The experience of the Taganay locomotive depot (Zlatoust) // Lokomotiv, 2019, No. 8, p. 31-34]. In fact, with two plasma arcs, the third PE arc will burn, therefore, the method and device of MDPSPE involves the use of two or more plasma arcs. When describing a specific method of MDPSPE with a known number of plasma arcs, instead of the letter M, the number of plasma arcs should be put. For example, the methods 2DFSPE and 4DFSPE mean two-arc and four-arc ESPE.
Наклонные под углом β плазменные дуги 1 от плазмотронов 2 равномерно расположены относительно оси системы. Угол наклона β должен быть минимальным, чтобы увеличить эффективность нагрева изделия, уменьшить длину дуг и мощность плазмотронов, а также уменьшить размеры горелки. Наклонные плазменные дуги соединяются в точке выше изделия на оси системы в осевую плазменную дугу 3, горящую на изделие 4. Сверху по оси системы через горелку 5 (горелка СПЭ) с токоподводящим мундштуком 6 подается плавящийся электрод - проволока 7 в осевую плазменную дугу. Между ПЭ и изделием горит дуга 8, внутри которой имеется струя капель 9 от ПЭ на изделие. Все плазменные дуги и дуга ПЭ должны иметь одинаковую полярность: прямую или обратную. Поскольку дуги одной полярности притягиваются, то осевая плазменная дуга всегда располагается вокруг ПЭ и смещается вслед за смещением ПЭ. Каждая плазменная дуга горит от отдельного плазменного источника питания 10. Дуга ПЭ горит от источника питания 11. Через защитное сопло 12 горелки СПЭ подается защитный газ 13. В плазмотроны подается плазмообразующий газ 14.Inclined at an angle β plasma arcs 1 from the plasma torches 2 are evenly spaced relative to the axis of the system. The angle of inclination β should be minimal in order to increase the heating efficiency of the product, reduce the length of the arcs and the power of the plasma torches, and also reduce the size of the burner. Inclined plasma arcs are connected at a point above the product on the axis of the system into an
Основу конструкции горелки МДПСПЭ (МД горелки) составляет корпус 15 с отверстиями. К осевому отверстию 16 закрепляется защитное сопло горелки СПЭ, а в боковые, наклонные и равномерно расположенные к оси корпуса отверстия 17 устанавливаются плазмообразующие сопла 18 плазмотронов, как это делается в работе [Новиков О.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. Многодуговые системы. /Новосибирск: Наука СО РАН, 1988, с. 54-55], где для параллельных плазменных дуг плазмообразующие отверстия изготовлены в одном корпусе. Оси боковых отверстий 17 направлены в точку на оси корпуса. В местах установки плазмообразующих сопел в корпусе имеются резьбовые отверстия для крепления плазмотронов. В корпусе МД горелки также имеются отверстия для установки трубок 19 лазерных дальномеров контроля толщины наплавленного слоя металла, пирометра контроля температуры нагрева изделия и для подачи порошка с целью придания наплавленному металлу повышенной твердости, износостойкости, ударопрочности и других физико-технических свойств. Внизу корпуса имеется контур охлаждения водой 20.The basis of the design of the burner MDPSPE (MD burner) is the
Схема многодуговой сварки эффективна при обратной полярности, когда стойкость вольфрамовых электродов 21 в плазмотронах ограничена. Для двух плазменных дуг обратной полярности с диаметром вольфрамового электрода 6 мм общий ток составит 160-260А, что вполне достаточно, а для 4-х дуг - 320-520А, что очень много и ток на каждой дуге нужно убавить.The scheme of multi-arc welding is effective with reverse polarity, when the resistance of the
Если наклонные плазменные дуги направить на точку оси системы с небольшим (в пределах диаметра осевой дуги) смещением е, то возникнет вращение осевой плазменной дуги, фиг.3, которое обеспечит равномерность распределения осевой плазменной дуги по окружности. При этом увеличится нагрев ПЭ и ускорится переход к режиму вращения ПЭ.If inclined plasma arcs are directed to a point of the axis of the system with a small (within the diameter of the axial arc) displacement e, then the rotation of the axial plasma arc will occur, Fig.3, which will ensure uniform distribution of the axial plasma arc around the circumference. In this case, the PE heating will increase and the transition to the PE rotation mode will accelerate.
По схеме наклонные плазменные дуги соединяются в осевую плазменную дугу в точке на оси МД горелки на расстоянии В от нижней поверхности горелки. Высота осевой плазменной дуги НП=Δ-В, где: Δ - воздушный промежуток между МД горелкой и изделием; В - выход наклонных плазменных дуг из МД горелки. Таким образом, высоту осевой плазменной дуги НП возможно регулировать изменением воздушного промежутка Δ. Для обеспечения стабильного мелкокапельного переноса высота осевой плазменной дуги должна быть не меньше длины дуги СПЭ НП ≥ LД. При этом вылет проволоки в плазме LП, не должен превышать критической величины, когда произойдет пробой плазмы на проволоку, LП=НП-LД ≤ UПП/EП, где: ЕП - напряженность электрического поля в плазме, В/мм; UПП - падение напряжения в месте пробоя плазмы на проволоку, В (достаточно одной точки пробоя, поскольку дуга на проволоку уже горит).According to the scheme, inclined plasma arcs are connected into an axial plasma arc at a point on the axis of the MD burner at a distance B from the lower surface of the burner. The height of the axial plasma arc H P =Δ-B, where: Δ is the air gap between the MD burner and the product; B - output of inclined plasma arcs from the MD burner. Thus, the height of the axial plasma arc of the NP can be controlled by changing the air gap Δ. To ensure stable small-droplet transfer, the height of the axial plasma arc must be no less than the length of the SPE arc N P ≥ L D . In this case, the wire projection in the plasma L P should not exceed the critical value when the plasma breakdown occurs on the wire, L P =N P -L D ≤ U PP / E P , where: E P - electric field strength in the plasma, V / mm; U PP - voltage drop at the point of plasma breakdown on the wire, V (one breakdown point is enough, since the arc on the wire is already on).
Необходимо отметить, что при МДПСПЭ по сравнению с ПСПЭ осевая плазменная дуга является сжатой с высокой напряженностью ЕП, поскольку образована сжатыми наклонными плазменными дугами. При сжатой дуге увеличивается эффективность нагрева изделия и проволоки, но пробоя плазмы на проволоку не происходит, поскольку вылет проволоки в плазме LП мал и может регулируется от нулевого значения, когда НП=LД.It should be noted that in the case of MDPSPE, compared to SSPE, the axial plasma arc is compressed with a high strength E P , since it is formed by compressed inclined plasma arcs. With a compressed arc, the efficiency of heating the product and the wire increases, but the breakdown of the plasma on the wire does not occur, since the stick-out of the wire in the plasma L P is small and can be adjusted from zero when N P \u003d L D .
На фиг. 1 проволока в своем вылете LB показана искривленной со смещением от оси МД горелки R. Это оставшаяся естественная кривизна после намотки проволоки на катушку. Кривизна проволоки обеспечивает постоянный контакт в токоподводящем мундштуке. Если проволоку полностью выправить изгибающими роликами, то возможно пропадание контакта, возбуждение дуги и приплавление проволоки к мундштуку. Известен способ сварки плавящимся электродом [Патент 1807922 СССР от 5.05.1991], при котором по начальному радиусу изгиба проволоки, зазору проволоки в мундштуке и вылету рассчитывается смещение конца проволоки R. При этом способе производят как продольную подачу проволоки, так и вращение ее вокруг оси. Этот способ используется для заварки глубоких отверстий, [Патент 1834764 СССР от 5.05.1991]. Эти способы полезны в МДПСПЭ. Искусственное вращение дуги ПЭ с веером капель обеспечивает благоприятное проплавление, не дожидаясь естественного вращения при большом токе дуги.In FIG. 1, the wire in its overhang LB is shown to be curved with an offset from the axis of the MD burner R. This is the remaining natural curvature after winding the wire on a spool. The curvature of the wire ensures constant contact in the current-carrying mouthpiece. If the wire is completely straightened by the bending rollers, then the contact may be lost, the arc excited and the wire will fuse to the mouthpiece. A known method of consumable electrode welding [USSR Patent 1807922 dated May 5, 1991], in which the displacement of the end of the wire R is calculated from the initial radius of the bending of the wire, the gap of the wire in the mouthpiece and the extension. With this method, both longitudinal wire feed and rotation around the axis . This method is used for welding deep holes, [USSR Patent 1834764 dated May 5, 1991]. These methods are useful in MDPPE. Artificial rotation of the PE arc with a fan of drops provides favorable penetration without waiting for natural rotation at high arc current.
Процесс МДПСПЭ можно проводить точечно с перерывами на кристаллизацию тонкого слоя наплавленного металла, поскольку при наплавке толстого слоя в нем возможно образование усадочных трещин. При наплавке протяженных изделий процесс МДПСПЭ проводится непрерывно с заданной скоростью. При этом толщина наплавленного слоя контролируется дальномерами (перед наплавленным слоем и после). Ширина наплавленного валика определяется радиусом вращения R и угловой скоростью вращения ω плавящегося электрода, при этом центростремительное ускорение а н, от которого зависит сила смещения капель от оси электрода, равно а н=ω2R. Из этой формулы видно, что даже при малом R, но при большой ω отклонение капель значительно увеличится и увеличится ширина валика.The MDPSPE process can be carried out pointwise with breaks for the crystallization of a thin layer of deposited metal, since shrinkage cracks may form in it during surfacing of a thick layer. When surfacing extended products, the MDPSPE process is carried out continuously at a given speed. In this case, the thickness of the deposited layer is controlled by rangefinders (before and after the deposited layer). The width of the deposited bead is determined by the radius of rotation R and the angular velocity of rotation ω of the consumable electrode, while the centripetal acceleration а n , on which the drop displacement force from the electrode axis depends, is equal to а н =ω 2 R. From this formula it can be seen that even with a small R , but at large ω the deviation of the drops will increase significantly and the width of the bead will increase.
При МДПСПЭ, чтобы не допустить глубокого расплавления, важно контролировать наибольшую температуру изделия пирометром, которая для подвижного источника тепла смещается от центра источника, [Барашков А.С. Расчет параметров подвижного поверхностного нормально распределенного источника по смещению температурного поля нагреваемого плоского тела от центра источника //Сварка и контроль - 2004. Сборник докладов конференции, посвященной 150-летию Н.Г. Славянова. Том 2. Теория сварки. Пермь 2004, с. 267-272].When MDPSPE, in order to prevent deep melting, it is important to control the highest temperature of the product with a pyrometer, which for a moving heat source is displaced from the center of the source, [Barashkov A.S. Calculation of the parameters of a moving surface normally distributed source based on the displacement of the temperature field of a heated flat body from the center of the source // Welding and control - 2004. Collection of reports of the conference dedicated to the 150th anniversary of N.G. Slavyanov.
При МДПСПЭ различных металлов и сплавов в качестве плазмообразующего газа используется аргон, а в качестве защитного газа: - углекислый газ для сталей; - азот для меди; - аргон или гелий для алюминиевых и магниевых сплавов.When MDPSPE of various metals and alloys, argon is used as a plasma gas, and as a shielding gas: - carbon dioxide for steels; - nitrogen for copper; - argon or helium for aluminum and magnesium alloys.
Процесс МДПСПЭ осуществляется следующим образом. Включаются все источники питания и охлаждение водой МД горелки. Подается защитный газ в горелку СПЭ и плазмообразующий газ - в плазмотроны. При сварке протяженных изделий включается перемещение МД горелки. С помощью осцилляторов в источниках питания плазмотронов загораются вспомогательные дуги между вольфрамовыми электродами и плазмообразующими соплами. При выдувании вспомогательных дуг из сопел возбуждаются основные плазменные дуги, а вспомогательные дуги выключаются. После нагрева изделия до заданной температуры включаются подача и вращение проволоки, при этом возбуждается дуга ПЭ. Необходимо отметить, что при увеличении тока дуги ПЭ и увеличении вылета проволоки в плазме LП=НП-LД начинается естественное вращение плавящегося электрода, поэтому в этом случае искусственное вращение проволоки можно не производить. Выключение МДПСПЭ осуществляется в обратной последовательности.The process of MDPSPE is carried out as follows. All power sources and water cooling of the MD burner are switched on. Shielding gas is supplied to the SPE torch and plasma-forming gas is supplied to the plasma torches. When welding extended products, the movement of the MD burner is switched on. With the help of oscillators in the power sources of plasma torches, auxiliary arcs between the tungsten electrodes and plasma nozzles light up. When the pilot arcs are blown out of the nozzles, the main plasma arcs are ignited, and the pilot arcs are switched off. After heating the product to a predetermined temperature, the wire feed and rotation are switched on, and the PE arc is excited. It should be noted that with an increase in the PE arc current and an increase in the wire extension in the plasma L P =N P -L D , the consumable electrode begins to rotate naturally, so in this case, artificial rotation of the wire can be omitted. Turning off the MDPSPE is carried out in the reverse order.
Горелка для 2ДПСПЭ на фиг. 4-5 использует в своей конструкции корпус 15, к которому крепятся горелка СПЭ 5 и два плазмотрона 2. Две наклонные плазменные дуги от плазмотронов равномерно расположены относительно общей оси МД горелки. Наклонные плазменные дуги соединяются в точке выше изделия на оси МД горелки в осевую плазменную дугу, горящую на изделие. Сверху с помощью механизма вращения и подачи проволоки 22 по общей оси через горелку СПЭ с токоподводящим мундштуком подается плавящийся электрод - проволока в осевую плазменную дугу. Между ПЭ и изделием горит дуга, внутри которой имеется струя капель от ПЭ на изделие. С помощью кронштейна крепления горелки и токоподвода к плазмообразующим соплам 23 обеспечивается возбуждение плазменных дуг. Плазменные дуги горят от плазменных источников питания. Дуга ПЭ горит от источника питания с подключением к горелке СПЭ с помощью токоподвода 24. Через защитное сопло горелки СПЭ подается защитный газ. В плазмотроны подается плазмообразующий газ. Горелка СПЭ и плазмотроны имеют отдельные системы охлаждения.The burner for 2DPSPE in Fig. 4-5 uses in its design a
Основу конструкции горелки 2ДПСПЭ составляет корпус 15, фиг. 6-8. Корпус состоит из защитного сопла 12 горелки СПЭ на оси корпуса и двух наклонных прямоугольных оснований плазмотронов 25. Защитное сопло имеет осевое отверстие 16 для установки горелки СПЭ с токоподводящим мундштуком, а основания плазмотронов имеют отверстия 17 для установки плазмообразующих сопел и к основаниям крепятся плазмотроны. Оси отверстий оснований плазмотронов соединяются в точке на оси корпуса. Для обеспечения сопряжения защитного сопла с прямоугольными основаниями плазмотронов нижняя часть отверстия защитного сопла выполнена квадратной. Для создания объемной конструкции подачи защитного газа корпус имеет две боковые стенки 26. К боковым стенкам приварены трубки дальномера, пирометра, подачи порошка и кронштейн крепления горелки и подвода тока к плазмообразующим соплам. Охлаждение оснований и плазмообразующих сопел осуществляется водой через припаянные трубки с ниппелями 27.The basis of the design of the 2DPSPE burner is the
Корпус малогабаритного плазмотрона собран на прямоугольном основании 25, фиг. 9-12. Плазмотрон не имеет регулировки вольфрамового электрода относительно плазмообразующего сопла. Точность установки обеспечивается точностью механической обработки деталей. Плазмотрон собирается с помощью 4-х винтов 28, стягивающих детали: термостойкий изолятор 29 и электродержатель 30 между крышкой 31 и основанием. Вольфрамовый электрод 21 в сборе с завихрителем 32 закрепляется в водоохлаждаемом электродержателе с помощью гайки 33. К трубкам электродержателя припаян токоподвод 34 к вольфрамовому электроду. При установке этого плазмотрона для МДПСПЭ (фиг. 1) он крепится винтами вместо основания к корпусу МД горелки.The body of the small plasma torch is assembled on a
Вольфрамовый электрод 21 должен быть запрессован в медный завихритель 32 с термонатягом, фиг. 13. Поскольку коэффициент линейного расширения меди в 4 раза больше, чем у вольфрама возможна запрессовка с пайкой, так и термораспрессовка. На фиг. 5 показан вольфрамовый электрод для сварки на обратной полярности. Шестизаходные канавки завихрителя изготовлены по конической спирали. Завихрение плазмообразующего газа стабилизирует плазменную дугу строго по оси сопла.The
Преимуществами способа МДПСПЭ по сравнению ПСПЭ являются:The advantages of the MDPSPE method compared to the SSPE are:
- стабильное без пробоев на ПЭ и угасаний горение многодуговой плазменной системы;- stable combustion of a multi-arc plasma system without breakdowns on the PE and extinction;
- вращение осевой плазменной дуги при МДПСПЭ обеспечит равномерность распределения осевой плазменной дуги по окружности, при этом увеличится нагрев ПЭ и ускорится переход к режиму вращения ПЭ;- rotation of the axial plasma arc in the case of MDPSPE will ensure the uniform distribution of the axial plasma arc around the circumference, while heating the PE will increase and the transition to the PE rotation mode will accelerate;
- мощная, сосредоточенная, осевая плазменная дуга обеспечивает высокую скорость нагрева изделия, глубокое противление при сварке, а при наплавке с вращением ПЭ обеспечивается равномерное и неглубокое проплавление с минимальным нагревом основного металла, что позволяет использовать процесс многократно;- a powerful, concentrated, axial plasma arc provides a high heating rate of the product, deep resistance during welding, and when surfacing with PE rotation, uniform and shallow penetration is provided with minimal heating of the base metal, which allows the process to be used repeatedly;
- процесс МДПСПЭ осуществим в широком диапазоне автоматического режима и применения.- the MDPSPE process is feasible in a wide range of automatic mode and applications.
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2792246C1 true RU2792246C1 (en) | 2023-03-21 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB959472A (en) * | 1961-05-26 | 1964-06-03 | Her Majesty S Principal Sec De | Improvements in or relating to plasma jet torches |
US3472995A (en) * | 1966-08-08 | 1969-10-14 | Thermal Dynamics Corp | Electric arc torches |
RU862463C (en) * | 1979-11-29 | 1994-09-15 | Клубникин Валерий Степанович | Device for multi-arc plasma tretment of materials |
SU997348A1 (en) * | 1981-05-27 | 2005-11-20 | А.С. Барашков | METHOD AND DEVICE FOR PLASMA WELDING BY FLOATING ELECTRODE |
RU202987U1 (en) * | 2020-11-06 | 2021-03-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | AC THREE-PHASE PLASMA TORCH |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB959472A (en) * | 1961-05-26 | 1964-06-03 | Her Majesty S Principal Sec De | Improvements in or relating to plasma jet torches |
US3472995A (en) * | 1966-08-08 | 1969-10-14 | Thermal Dynamics Corp | Electric arc torches |
RU862463C (en) * | 1979-11-29 | 1994-09-15 | Клубникин Валерий Степанович | Device for multi-arc plasma tretment of materials |
SU997348A1 (en) * | 1981-05-27 | 2005-11-20 | А.С. Барашков | METHOD AND DEVICE FOR PLASMA WELDING BY FLOATING ELECTRODE |
RU202987U1 (en) * | 2020-11-06 | 2021-03-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | AC THREE-PHASE PLASMA TORCH |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6610959B2 (en) | Single-wire arc spray apparatus and methods of using same | |
AU2006297859B2 (en) | Plasma torch with corrosive protected collimator | |
EP2384097B1 (en) | Plasma arc torch providing angular shield flow injection | |
US5043548A (en) | Axial flow laser plasma spraying | |
US10787733B2 (en) | Device for forming coatings on surfaces of a component, band-shaped material, or tool | |
EP0234848B1 (en) | A method for applying a weld bead to a thin section of a substrate | |
Wang et al. | Wire based plasma arc and laser hybrid additive manufacture of Ti-6Al-4V | |
US3304402A (en) | Plasma flame powder spray gun | |
US20220226921A1 (en) | Contact tip contact arrangement for metal welding | |
US2847555A (en) | High pressure arc process and apparatus | |
US7842898B2 (en) | Variable orifice torch | |
Boulos et al. | Plasma Torches for Cutting, Welding, and PTA Coating | |
RU2792246C1 (en) | Method and system of consumable electrode plasma welding | |
US5544195A (en) | High-bandwidth continuous-flow arc furnace | |
EP3390680B1 (en) | Method for thermal spray deposition of a coating on a surface and apparatus | |
US20020139778A1 (en) | Method and apparatus for forming a workpiece | |
RU2742408C1 (en) | Method of arc surfacing using filler wire | |
NO142165B (en) | PROCEDURE FOR MANAGING THE PROCESSING OF EXTENSIVE MATERIALS | |
RU2815524C1 (en) | Method of plasma welding and surfacing | |
JP7102045B1 (en) | Plasma torch, plasma sprayer, and plasma torch control method | |
Anshakov et al. | Material processing using arc plasmatrons with thermochemical cathodes | |
US20160288238A1 (en) | Method of electric arc surfacing with gas protection consisting of an argon/helium gas mixture | |
Dwivedi et al. | Arc Welding Processes: Gas Tungsten Arc Welding: Pulse Current, Hot Wire and Activated Flux-Assisted GTAW: Plasma Arc Welding: Principle, System, Application | |
Brunov et al. | Transfer of electrode metal in welding with the pulsed feed of welding wire | |
JPH04246160A (en) | Thermal-spraying torch |