В силу ряда причин большую часть плазменных технологий выполняют с применением плазмотронов, работающих на прямой полярности. Однако использование обратной полярности обеспечивает дополнительные преимущества ряда плазменных технологий. Так, явление катодного распыления позволяет производить очистку поверхностей металлических заготовок, решает проблему качественной сварки алюминиевых и магниевых сплавов [1]. Применение плазмотронов с кольцевым анодом делает возможным использование высокопроизводительной плазменной сварки и наплавки плавящимся электродом для соединения различных металлов. Ведение процессов на обратнойполярности позволяет в широких пределах регулировать тепловое и силовое воздействие на зону обработки.

Разработанные на кафедре СП и ТКМ плазмотроны для работы на обратной полярности работают в диапазоне токов 20–350 А при ПР=100%. Компоновка блока плазменной сварки с инверторным источником питания и блоком автономного охлаждения (рис. 1) позволяет выполнять работы как в цеховых условиях, так и на монтаже. Наличие данного оборудования позволило разработать и реализовать ряд процессов плазменной обработки металлов.

ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

Максимальный эффект плазменной сварки алюминиевых сплавов может быть получен при использовании форсированных технологий при автоматиче ской сварке [1, 2]. Плазменная сварка проникающей дугой позволяет получать бездефектные сварные швы за один проход, без разделки кромок и подкладных формирующих приспособлений.

Рис. 1. Установка для плазменной сварки.

Плазменная сварка плавящимся электродом является одним из наиболее перспективных технологических процессов, сочетающих высокую производительность и качество работ [3, 4]. Разновидностями этого процесса являются сварка обесточенной проволокой, сварка токоведущей проволокой с различными видами переноса электродного металла, сварка заглубленной дугой с плавящегося электрода. Скорость сварки может меняться от 15–20 м/ч при сварке обесточенной проволокой до 200–300 м/ч при сварке со струйным и пароструйным переносом электродного металла.

Необходимо отметить высокую эффективность применения ручной плазменной сварки при производстве и ремонте крупногабаритных конструкций из алюминиевых сплавов в цеховых и монтажных условиях [1, 5, 6]. Дополнительными трудностями при выполнении работ в монтажных условиях являются пониженное качество очистки поверхности металла под сварку, необходимость вы сокой мощности в зоне сварки для получения качественного шва при большой толщине металла и значительных габаритных размерах изделия, обеспечение качественной защиты шва при работе на открытых площадках.

Рис. 2. Ремонтные швы на кислородном регенераторе из сплава АМг6, выполненные ручной аргонодуговой сваркой неплавящемся электродом (толщина соединяемых деталей 16 мм + 12 мм) (а) и ручной плазменной сваркой (20 мм) (б).

При восстановлении и ремонте крупногабаритных изделий, имеющих защитные покрытия и значительные загрязнения поверхности, химическое травление является дорогостоящим, а часто и неэффективным способом очистки.

Механическую зачистку необходимо выполнять на определенную глубину, поэтому она также является трудоемкой и не всегда эффективной. В таких условиях применение аргонодуговой сварки не обеспечивает получение качественных швов (рис. 2, а; 3, а). Мощная катодная очистка поверхности металла в процессе плазменной сварки током обратной полярности и высокая мощность сжатой дуги обеспечивают получение качественных сварных швов при снижении требований к подготовке металла под сварку (рис. 2, б; 3, б).

Рис. 3. Ремонтные швы на раме цементовоза из сплава АМг5, выполненные ручной аргонодуговой сваркой неплавящемся электродом (шов лопнул сразу после ремонта) (а) и ручной плазменной сваркой (б) (толщина деталей 12 мм).

Рис. 4. Плазменная сварка бронзового литья при изготовлении монумента; а, б – исход ное состояние заготовки (нижняя часть стоящей фигуры); в – сварка блоков фигуры; г – состояние после сварки.

Плазменная сварка током обратной полярности обеспечивает преимущества не только при работе с алюминиевыми и магниевыми сплавами, но и сплавами на основе меди (латунью и бронзой). При этом обеспечивается хорошее растекание присадочного металла и смачивание основного металла, что определяет высокое качество и производит ельность работ. Не вызывает затруднений работа с трудно свариваемыми сплавами (содержащими, например, большое количество алюминия) и низкокачественным литьем. На рис. 4 приведен пример применения плазменной сварки при изготовлении монумента из бронзы. Видно, что качество отливок было крайне невысокое, а металл в зоне сварки насыщен формовочной смесью.

ПЛАЗМЕННАЯ НАПЛАВКА

Плазменная наплавка током обратной полярности обеспечивает высокое качество и производительность наплавочных работ не только при работе с алюминиевыми сплавами [1, 6], но и с высоколегированными сталями и сплавами специального назначения. На рис. 5 показана наплавка оправки из коррозионно-стойкой стали 08Х18Н10 длиной около 8 м, диаметром 320 мм, массой более 2 т. Наплавку выполняли по всей длине оправки. Ширина наплавленного валика за один проход может достигать 30 мм и более без поперечных колебаний плазмотрона. При этом глубина проплавления может составлять от 0,1 мм до нескольких миллиметров. Внутренние дефекты в наплавленном металле отсутствуют.

Рис. 5. Плазменная наплавка током обратной полярности оправки из стали 08Х18Н10.

ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Плазменная резка металлов имеет несколько разновидностей. Наибольший объем применения приходится на воздушно-плазменную резку (ВПР) с использованием пленочных (термохимических) катодов [7]. ВПР, являясь высокоэффективным тепловым процессом, обеспечивает высокую скорость резки углеродистых сталей, цветных металлов и сплавов при экономичности процесса. Однако данный процесс имеет и существенный недостаток: ресурс работы термохимического катода, определяемый числом включений, не превышает 60 – 150 включений. К другим факторам относятся чистота меди обоймы, плотность контакта вставки и обоймы, особенности конструктивного исполнения катода, ток дуги, чистота воздуха и его расход, температура и расход воды или воздуха, охлаждающих катод.

Плазменная резка током обратной полярности позволяет решить главную проблему воздушно-плазменной резки током прямой полярности – ограниченное число включений. Разработанный плазмотрон для резки выдерживает несколько тысяч включений без выхода из строя электрода, кроме того, позволяет резать металлы повышенной загрязненности, что особенно важно при утилизации металлоконструкций.

Рис. 6. Ручная плазменная резка алюминиевой железнодорожной цистерны: начало и окончание резки.

Чистота и влажность воздуха не оказывают влияния на его работоспособность. Устойчивость процесса резки, надежность работы плазмотрона не зависит от степени загрязненности разрезаемого металла.

Этот способ особенно эффективен для ручной резки. На рис. 6 показано применение плазменной резки током обратной полярности при утилизации железнодорожной цистерны из алюминия с толщиной стенки 20 мм. Применение автоматической плазменной резки током обратной полярности обеспечивает высокое качество реза при экономичности процесса (рис. 7).

Таким образом, применение плазменных технологий, осуществляемых током обратной полярности, позволяет выполнить широкий перечень работ при изготовлении, ремонте и утилизации изделий из различных цветных металлов ивысоколегированных сплавов.

Рис. 7. Автоматическая резка: вырезка фланца из стали 16Г2АФ толщиной 30 мм