Что такое плазменная сварка и какое оборудование применяется

Резак на основе трансформатора

Как и другие компоненты системы, источник питания собирают или дорабатывают своими руками. Подробная инструкция помогает легко справиться с этой задачей.

Схема устройства

В электрическую цепь аппарата входят такие узлы:

• сварочный трансформатор с выпрямителем;
• пусковое реле;
• осциллятор;
• резистор, понижающий напряжение вспомогательной дуги;
• кнопка запуска;
• контактор, деактивирующий изначальную дугу;
• компрессор с элементами управления.

На правильно составленной схеме должны отображаться все элементы вне зависимости от мест их расположения.

Какие детали будут необходимы

Помимо сварочного инвертора, для создания аппарата потребуются:

1. Держатель со сменным стержнем. При силе тока до 100 А и толщине обрабатываемой детали до 5 см элемент изготавливают из меди. Держатель более мощного агрегата снабжают каналами для жидкостного охлаждения. Для розжига дуги оставляют расстояние в 2 мм между соплом и электродом. Главный стержень делают подвижным.
2. Изолятор из фторопласта. По причине быстрого износа деталь является сменной.
3. Корпус с соплом.
4. Кабели: силовой и для розжига дежурной дуги.
5. Шланги. В аппаратах с жидкостным охлаждением неизолированный провод находится в трубке, подающей воду к горелке. Также потребуется отдельный шланг для вывода газа в сопло.

Сборка плазменного резака

Работу начинают с переделки сварочного трансформатора. Количество витков обмотки выбирают с учетом будущих характеристик оборудования и разрезаемых деталей.

При толщине листа до 1,2 см, силе тока 50 А и напряжении холостого хода 20 В устанавливают такие значения:

• сечение сердечника — 107 мм²;
• число витков первичной обмотки — 225, вторичной — 205.

После переделки трансформатора подсоединяют другие элементы:

1. Компрессор производительностью 140-190 л в минуту. Давление, создаваемое агрегатом, должно составлять более 4,5 бара.
2. Кабели и шланги для объединения компонентов. Сечение питающего провода зависит от мощности плазмореза. При силе тока 50 А оно составляет 6 мм². Сечение провода для дежурной дуги — 1,5 мм². Рекомендованный диаметр воздушного шланга — 1 см.
3. Осциллятор. При создании плазмореза из трансформатора в качестве этого блока можно использовать автомобильную систему электронного зажигания.

Воздушный шланг соединяют с отводом компрессора. Провод клавиши пуска подключают к управляющему блоку.

Особенности использования

При работе с резаком из трансформатора от сварочного полуавтомата тщательно соблюдают правила безопасности, что объясняется воздействием следующих вредных факторов:

1. Брызг расплава. Под влиянием плазмы металл нагревается до экстремальной температуры. Воздушный поток выдувает его из линии разреза. Попадание брызг на некоторые материалы приводит к их возгоранию. Контакт расплава с кожей человека приводит к глубоким ожогам. Поэтому плазменную струю направляют в противоположную от сварщика и легковоспламеняющихся материалов сторону.
2. Запыленности и загрязненности воздуха вредными газами. Металл при плазменной резке начинает гореть. Дым опасен для органов дыхания человека. Поэтому над рабочим столом устанавливают вытяжку. Мастер надевает респиратор.
3. Яркого света. Плазмотрон является мощным генератором ультрафиолетового излучения, вызывающего ожог сетчатки глаза. Поэтому резчик надевает защитную маску, оборудует рабочую зону передвижным щитом.
4. Температуры. Края полученных заготовок длительное время сохраняют тепло. Прикасаться к ним можно только в рукавицах после остывания деталей.

Что нужно для плазмореза?

Наиболее простым вариантом сделать плазморез, будет изготовление устройства своими руками из инвертора. Он отличается достаточно простой конструкцией, работоспособностью и доступностью основных деталей.

Схема устройства плазмотрона.

Самодельное оборудование резки с помощью плазмы не оснащается ЧПУ. Данный факт можно отнести скорее к преимуществам, чем к недостаткам. Конечно, сделать два абсолютно одинаковых изделия будет практически невозможно. С другой стороны нет необходимости приобретать одну из самых дорогих деталей.

Кроме того не каждый квалифицированный специалист способен самостоятельно сделать подобный узел. Покупать же готовые детали – практически тоже самое, что и купить новый инструмент.

Чтобы собрать плазменный аппарат, понадобятся следующие элементы:

• компрессор для подачи газа под давлением;
• плазменный резак;
• инвертор;
• защищенный электрический кабель;
• шланги.

Эксплуатировать компрессоры необходимо с соблюдением ряда правил:

• работа в отрицательных температурах требует предварительного прогрева масла;
• следует регулярно менять воздушный фильтр;
• необходимо контролировать уровень масла;
• раз в полгода следует проводить полную очистку от посторонних примесей;
• по завершению работы делается сброс давления в системе.

Чтобы собрать плазменный сварочный инструмент своими руками, возможно использование простого компрессора сжатого воздуха. По тонким шлангам с соответствующими разъемами осуществляется воздухообмен. На входе устанавливают электрический клапан, регулирующий подачу воздуха.

Провод от устройства к горелке аппарата следует разместить в канале. Тут лучше размещать большой шланг, чтобы в нем мог поместиться кабель. Проходящий поток воздуха помимо своего прямого назначения будет также обеспечивать охлаждение провода.

Важным фактором является и низкий коэффициент полезного действия трансформатора, в связи с чем будет высокий расход электроэнергии при резке.

Плазменная сварка и резка.Использование инвертора

Плазмотрон – второй по важности элемент данного приспособления. Этот узел отличается крайне сложным устройством

В связи с этим изготовить его самостоятельно практически невозможно, хотя чертежи подобной детали можно без труда найти в интернете.

Стоит отметить, что плазмотрон работает под высоким давлением и температурой. Если сделать что-либо неправильно, то он становится опасным. Собрать подобную деталь можно из уже готовых элементов, продающихся в специализированных магазинах.

Не стоит забывать и про рабочий газ. Изготавливая устройство резки плазмой, следует определиться с условиями его эксплуатации. В обработке черных металлов достаточным будет использование одного компрессора. Медь, титан и сплавы на основе меди потребуют азота, а алюминий – азота с водородом.

Из чего состоит?

В комплекцию плазмотрона входят такие элементы: источник питания, специальная горелка для сварки, катод, а также кабель-пакеты.

Далее рассмотрим каждую составляющую более подробно.

Источник питания

Для первых сварочных плазменных аппаратов источником питания служил простой трансформатор. Он значительно утяжелял вес устройства, его габариты, поскольку был тяжелым и больших размеров.

В результате, плазменные аппараты для сварки прошлого поколения были очень массивными и тяжелыми, что существенно усложняло рабочий процесс.

Такой прорыв помог создать легкие и небольшие установки. Кроме того, они стали функциональнее в сравнении с первыми аналогами плазменных сварочных аппаратов.

Сейчас источники питания работают на транзисторах IGBT, производят горение дуги высокой стабильности и при помощи одной рукоятки позволяют быстро и четко настраивать сварочный ток.

Плазменные аппараты для профессионалов снабжают также такими функциями, как режим дежурной дуги при работе на малом токе или бесконтактное поджигание.

Сварочная горелка

Необходимым элементом для плазменной резки и сварки является сварочная горелка. Через нее подается защитный газ, формируется плазменная дуга, там же закрепляется катод.

Есть разные типы горелок, различаются они за своими функциональными возможностями и конструкциями. Обычно горелку выбирают в зависимости от мощности имеющегося плазменного сварочного аппарата.

Для ручного использования подойдут горелки малой и средней мощности. А на специальный роботизированный манипулятор закрепляют горелки для аппаратов с сильным током.

Катод

Этот элемент предназначен для передачи тока, при его изготовлении применяют различные материалы. Катоды из вольфрама или меди, легированные гафнием, применяют в устройствах, рассчитанных на домашнее или полупрофессиональное пользование.

Они считаются одними из более безвредных для здоровья сварщика.

Поэтому, для снижения негативного воздействия, советуем создать на рабочем месте мощные вентиляционные условия.

Кабель-пакет

Горелку следует прикрепить к плазменному сварочному аппарату. Кабель-пакет служит специально для этих целей. В его комплекцию входят два шланга, для подачи рабочего и защитного газа.

Также есть два шланга для подачи воды, кабели для пусковой искры, подачи тока и для цепи управления.

Называется кабель-пакет так из-за того, что все его составляющие расположены в большом шланге по типу «пакет».

Невзирая на такое изобилие содержимого этот кабель-пакет можно применять в работе не боясь сломать все компоненты, так как он очень хорошо гнется.

Технология сварки

Специфика метода плазменно-дуговой технологии сварки состоит в том, что в область соединения подается плазма из специальной горелки – плазмотрона. В некоторых случаях, если необходимо, может быть использован аргон или гелий для создания инертной среды в области стыка деталей.

Чертеж сварочного аппарата.

Вся энергия концентрируется в плазменной струе. За счет этого нагрев не распространяется по всей области изделия, а фокусируется только возле соединения. При этом температура на таком участке может составлять 10000-15000°С. Однако за счет быстрого отвода тепла металлом, она снижается до температуры плавления в зоне стыка.

Если во время данной процедуры соединение защитить инертным газом, то можно получить высококачественный шов, который не потребует дополнительной ручной обработки.

Корпус горелки выполняется из стали, анод – из меди. Последний охлаждается водой. Дуга питается газом, подающимся под большим давлением в полость между анодом и катодом.

В то же время важно иметь в виду, что аргон не ионизируется. Он быстро улетучивается, смешиваясь с воздухом

Чтобы он надежно выполнял свои защитные функции, необходимо придерживаться определенного расстояния между горелкой и деталью.

Поскольку метод обеспечивает высокий нагрев только в области стыка, это может привести и к нежелательным последствиям. Иногда приходится изделие предварительно прогревать или использовать несколько горелок, чтобы избежать резкого перепада температур по поверхности материала.

При использовании микроплазменной сварки удается получать качественные швы на тонких материалах. Реализация данной технологии возможна даже без использования присадочной проволоки.

1 Плазменная сварка – почему так эффективна?

Такой вид сварки похож по ряду показателей на аргонную сварку. Выполняется она с использованием потока (направленного) плазменной дуги.

Под плазмой понимают полностью либо частично ионизированный газ, который состоит из заряженных электронов и ионов, а также нейтральных с электрической точки зрения молекул и атомов.

В принципе, плазмой можно назвать и стандартную дугу, но всегда нужно помнить, что она не имеет того потенциала энергии и повышенной температуры, которым обладает плазменная дуга.

Увеличения мощности и температуры обычной дуги можно добиться двумя способами: вдуванием в нее в принудительном порядке плазмообразующего газа либо ее сжатием. Сжатие производится в плазмотроне – устройстве, стенки которого постоянно и весьма активно остужают водой. Результатом такого процесса становится достижение температуры до 30 тысяч градусов Цельсия. Для сравнения – данный показатель для обычной дуги не превышает 7 тысяч градусов (да и то, если она горит в атмосфере паров железа и аргона).

При вдувании плазмообразующего газа в зону плазменной дуги (параллельно со сжатием) отмечается его увеличение в 50–100 раз (за счет явления теплового расширения), что приводит к высокоскоростному истечению газа из плазмотрона. В результате тепловая энергия дополняется кинетической, вызванной ионизированными движущимися частицами, и мы получаем более мощную дугу.

Кроме повышенной мощности и температуры плазменная дуга имеет несколько других важных отличий от обычной:

• ее давление на обрабатываемый металл выше в 6–8, а иногда и в 10 раз;
• диаметр дуги по своим размерам получается меньшим;
• плазменную дугу можно без проблем держать на объективно небольших токах (от 0,2 Ампер до 30);
• форма плазменной дуги является не конической, а цилиндрической.

Все указанные отличия обеспечивают плазменной дуге большую универсальность. Благодаря этому сварка плазмой гарантирует проплавление металла на большую глубину и при этом снижает объем расплавления свариваемого материала.

Процесс сварки может идти по двум схемам:

• плазменной струей (дуга, выдуваемая газовым потоком, горит между соплом плазмотрона и неплавящимся электродом);
• дугой, горящей между изделием и электродом.

Более популярной является второй вариант. Для него используются электроды из активированного лантана, иттрия, тория, вольфрама, меди и гафния. Защитным газом выступает аргон, а плазмообразующим – все тот же аргон, в который зачастую добавляют водород либо гелий.

Сравнение: сварка аргоном или плазмой

Сварка аргоном – Gas Tungsten Arc Welding (на русский переводится немного длиннее: дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа) и плазменная сварка часто путаются между собой неспециалистами из-за внешней схожести оборудования и даже части расходных материалов. Между тем, это совсем разные процессы.

Отличие аргонной сварки от плазменной сварки

Аргонная сварка производится в атмосфере аргона при обычном давлении, плотность энергии в дуге не превышает таковую для простой сварки. Просто сварочная ванна защищается от действия кислорода, а вольфрамовый электрод практически не расходуется.

Плазменная сварка выполняется плазмотроном – генератором плазменной дуги в атмосфере повышенного давления. При этом достигается очень высокая температура в узком столбе плазмы. В отличие от дуги атмосферного давления, факел у плазменной дуги почти цилиндрической формы, давление на металл в 5-8 раз больше.

Аргон или плазма: что лучше

Каждый вид процесса хорош для своих целей. Аргоновая сварка имеет очень широкую область применения: можно варить практически все, что вообще способно образовывать сплавы с приемлемыми механическими свойствами. Очень широко используется аргоновая сварка в аэрокосмической промышленности, особенно в ракетной технике, где к тонким металлическим деталям и швам предъявлены очень высокие прочностные требования.

Плазменная сварка также имеет свои преимущества. Хотя наиболее широко плазмотроны используются для резки металла (т.к. очень быстро и ровно режут), для сварочных работ они тоже применяются. Например, там, где требуется минимальное коробление металла, выгодно уменьшать зону термического воздействия. Для этого как раз и хороша плазменная сварка.

Скорость выполнения плазменной сварки гораздо выше. Плазменная дуга горит значительно стабильнее обычной. К тому же, использование защитного газа “поверх” рабочего прибавляет плазменной сварке большую часть преимуществ аргонной сварки.

***

Плазменная сварка, без всяких сомнений, представляет большой интерес как мощный источник нагрева с малой областью воздействия. Тот факт, что запатентована она была еще в начале 60-х прошлого века, а в открытых источниках о ней до сих пор можно найти не так уж много информации, говорит о том, что эта технология попала в гражданскую промышленность от военных, которые тщательно скрывают все и всегда, просто по природе своего ведомства. А действительно ценные вещи они берегут пуще глаз до последнего. Таким образом, и для гражданских инженеров в промышленности, и для домашних умельцев тут открывается большое поле для самостоятельных исследований.

Технология плазменной сварки

Плазменную сварку металла можно проводить двумя технологическими схемами.

1. Дуга располагается между заготовкой и неплавящимся электродом.
2. Дуга находится внутри плазмотрона в сопле и выдувается оттуда струей плазмы.

Чаще всего для сварки металлов используется схема под номером один. Что касается газа, то обычно для этого используется аргон. В качестве электрода – стержень из вольфрама, реже меди.

Существует несколько параметров, которые делят плазменную сварку на группы. К примеру, по мощности.

• Низкая – 0,2-25 ампер.
• Средняя – 50-150 ампер.
• Высокая – больше 150 ампер.

Первая группа – самая распространенная. Это энергоемкая технология, в которой можно использовать электроды диаметром 1-2 мм. При этом сварочная дуга будет гореть даже при очень незначительных показателях силы тока – 0,2 ампера.

Как работает аппарат плазменной сварки при таких режимах?

• С помощью источника питания (малоамперного) зажигается дежурная дуга, которая горит между неплавящимся электродом и соплом плазмотрона, сопло изготавливается из меди. При этом данная деталь охлаждается водой, чтобы не расплавиться.
• Как только плазмотрон подносится к металлической заготовке, зажигается основная сварочная дуга.
• В сопло плазмотрона подается газ, из которого будет образована плазма.
• Внутри плазмотрона есть два сопла: медный – он же внутренний, керамический – он же внешний. Между ними есть пространство, по которому движется защитный газ. С его помощью закрывается зона сварки от негативного воздействия кислорода и влажности.

Необходимо отметить, что напрямую электрод от источника электрической энергии не зажигается. Между ними устанавливается специальный прибор, который называется осциллятором. Он стабилизирует сварочную дугу и при этом дает возможность зажечь ее без соприкосновения электрода с металлом.

Плазменная сварка металлических заготовок со средней величиной тока очень похожа на процесс соединения по технологии аргонодуговой. Но высокая мощность, плюс небольшая площадь нагрева делает ее более эффективной. Если говорить о том, в каком диапазоне находится этот вид плазменной сварки, то можно поставить ее между обычной электродуговой и лазерной.

Что касается эффективности, то необходимо отметить:

• глубокий провар при небольшой ширине сварочного шва;
• большое давление на сварочную ванну, что обеспечивает уменьшение слоя расплавленного металла под дугой, а это увеличивает теплоотдачу вглубь заготовки;
• процесс сваривания может проводиться без присадочной проволоки или с таковой.

Плазменная сварка при больших значениях тока – это огромное воздействие на сам металл. К примеру, данный режим сварки при плазме производится с использованием тока величиною 150 А, точно такие же показатели даст обычная электродуговая сварка при потреблении тока не меньше 300 А. При этом плазма насквозь прожигает соединяемые металлические заготовки, после чего производится проплавление и сваривание на всю глубину. То есть, сначала происходит разрезание, далее заварка.

При таком прожоге нижний слой металла не выпадает из шва. Он удерживается в зоне силами поверхностного натяжения

Вот почему очень важно правильно соблюдать режим сваривания. Потому что, увеличивая ток, можно прожечь заготовки, не удержав нижний расплавленный слой металла.

Обычно высокими токами варят низкоуглеродистые или легированные стальные сплавы, титан, алюминий и медь

Важно правильно выставить режим сварки, и, конечно, обеспечить режим охлаждения сопла. Небольшое нарушение может привести к значительному снижению качества конечного результата.

Особенности технологии резки металла при помощи плазмы

Резка с использованием плазмы представляет собой процесс обработки металла, который происходит в связи с плавлением. Основной режущего инструмента является струя плазмы, которая относится к низкотемпературной.

Преимущества технологии плазменной сварки

Особенность процесса в том, что происходит создание электрической дуги между заготовкой и соплом. Средняя температура плазмы, создаваемая электрической дугой, считается значение 5000 °С.

Особенностью процесса является то, что в само сопло подается газ, это приводит к повышению показателей температуры дуги к 20000°С, как результат – это ионизация газа и преобразование его в плазму. Во время резки, в зависимости от применяемого тока, температура плазмы может подняться к 30–40 тыс., бывает и выше.

Во время работы плазменный поток будет ярко светиться, он обладает высокими показателями электропроводности. Скорость выхода его из сопла равна 500–1500 м/с, при попадании его на металлические заготовки – происходит плавление и «выдувание» молекул.

Для того чтобы получилась плазма используются такие газы:

• водяной пар;
• аргон;
• азот;
• кислород;
• воздух;
• водород.

В зависимости от конструктивных особенностей, сопло может охлаждаться как воздухом, так и жидкостью. Что касается толщины разрезаемых заготовок, то она бывает разной, в зависимости от мощности. Среднее значение – это 20 см.

При помощи плазменного аппарата можно с высоким качеством разрезать любые металлы. А также преимуществом плазмореза является то, что им можно разрезать и другие материалы, такие, как камень или пластик.

Приёмы плазменной сварки

Существует достаточно много сплавов и их пар, которые ведут себя совершенно по-разному в расплаве. У них может быть разная вязкость по температуре, газообразование, смешиваемость в расплаве и скорость застывания. Кроме того, очень большую роль играют силы тяжести – масса ванны может оказаться достаточно большой, а поверхностное натяжение расплава достаточно малым. При этих условиях ванна просто протечет, если только она как-то не уплотнена, что возможно далеко не во всех случаях.

Техника и особенности процесса во всех пространственных положениях

В технике мы имеем дело с самыми разнообразными расположениями сварных швов. При сварке отдельных деталей работа немного облегчается тем, что расположение можно свести к горизонтальному, с горелкой, расположенной сверху.

Это наиболее выгодное расположение при сварке, но не всегда технологически возможное. Например, при варке шва на корпусе судна приходится располагать горелку как угодно – судно не повернешь в доке как игрушку. Поэтому для защиты ванны от растекания за допустимые пределы приходится подбирать выгодные положения горелки.

Например, при варке вертикального шва горелка находится немного ниже шва и плазменная струя направлена вверх. С помощью подбора угла наклона и расстояния до ванны удается “сдувать” стекающий металл наверх. Это делается динамически, по мере прохождения шва и требует хороших навыков при ручном выполнении.

Варить вертикальные швы следует снизу вверх.

Сварка плазморезом цветных металлов

Сразу нужно сказать, что плазма является лишь мощным источником местного нагрева. Если так можно выразиться, она лучше “сфокусирована”, по аналогии с фотографией. И в этом отношении, по “резкости” она уступает только лазерной сварке. Плазменная струя дает хорошее проплавление шва в узкой области. Все остальное поведение металлов зависит только от их химической природы.

Если по какой-то причине сплавы не переносят “легирования” вольфрамом, гафнием, или другими добавками в структуру шва, то в плазмотроне просто используют угольный катод. Иногда наоборот, приходится вводить в расплав промежуточный металл, чтобы шов не трескался в горячем или холодном состоянии.

Цветные металлы имеют меньшую, по сравнению с черными металлами, температуру плавления и довольно легко свариваются. Тем не менее, за счет большой теплопроводности этих металлов (напр. Cu Al Mn) требуется такой же, или даже больший по мощности источник нагрева.

Главная помеха сварке – образование оксидов. Пленки окислов не дают металлам сплавляться. У большинства цветных сплавов, а это сплавы на основе меди, окислы довольно легко восстанавливаются, поэтому варить их удается и при слабых восстановителях. Достаточно даже присутствия органических радикалов в плазме (сварка водно-спиртовыми и водно-ацетоновыми смесями).

Исключением является алюминий, чрезвычайно легко окисляющийся и образующий прочную связь с атомами кислорода. К тому же, окись алюминия очень тугоплавкое вещество. Здесь необходимо применение специальных флюсов и их постоянное присутствие в ванне.

Видео

Посмотрите ролик, где наглядно и подробно показана сварка алюминия:

Для защиты от кислорода также применяют аргон, как наиболее распространенный и дешевый из инертных газов. Но он вполне эффективен только тогда, когда ванна обдувается со всех сторон. По этой причине очень сложно варить алюминий в присутствии ветра вне помещений. Сварка титановых сплавов также требует использования аргона. Причем аргон должен быть высшего качества.

Сварка тонколистового металла плазмотроном

При сварке тонких листов плазменную горелку не следует располагать слишком близко к металлу, так как при этом можно слишком легко выдуть его. Давление плазменной дуги на металл значительно (в 5-7 раз) выше, чем обычной. Сварочный ток необходимо ограничить величиной 12-14 и менее ампер. Иногда хватает и 1-2 А.

СОВЕТ: Тонкие листы металла обычно удобнее всего сваривать газовой сваркой. Сварка плазмой требует меньше оборудования (баллонов с газом, редукторов, шлангов), но зато требует больше специальных навыков от сварщика. Некоторые мастера, в основном, ювелиры и специалисты по лабораторному и научному оборудованию, могут сваривать микроплазмой на маленьком токе даже фольгу.