Плазменная сварка металлов¶

Плазменная сварка — разновидность сварки плавлением, при которой источником нагрева служит сжатая электрическая дуга, формирующая плазменный поток с температурой до 15 000–30 000 °C. Относится к способам сварки с концентрированным вводом тепла и применяется для соединения металлов, сплавов и некоторых неметаллических материалов. В профессиональной среде и в поисковых запросах встречается искажённое написание «плазвэлд», восходящее к англоязычному обозначению plasma weld (плазменный сварной шов).

¶Физическая сущность процесса

Плазмой называют частично или полностью ионизированный газ, содержащий свободные электроны и ионы. В сварочной технике плазму получают, пропуская газ через электрическую дугу, сжатую узким каналом сопла. Сжатие повышает плотность тока и температуру столба дуги, а поток газа выносит нагретую плазму к изделию.

Ключевые элементы процесса:

• дуга — электрический разряд между электродом и изделием либо между электродом и соплом;
• плазмообразующий газ — аргон, гелий, их смеси, а также азот, водород, воздух;
• сопло — водоохлаждаемый канал, формирующий и сжимающий дугу;
• электрод — обычно вольфрамовый, реже гафниевый или циркониевый.

Различают два режима горения: дуговой, при котором плазма замыкается на изделие, и струйный (плазменная струя), когда дуга горит между электродом и соплом, а на изделие попадает только поток ионизированного газа.

¶История

Основы плазменных технологий заложены в середине XX века, когда потребовались способы обработки тугоплавких металлов для авиации и космической техники. В 1950-х годах в СССР и США независимо разработали плазмотроны — устройства для получения стабильной плазменной струи. В СССР значительный вклад внесли работы по дуговой и плазменной резке, выполненные в Институте электросварки имени Е. О. Патона в Киеве. К 1960-м годам плазменная сварка и резка вошли в промышленную практику, а в 1970–1980-х годах распространились в машиностроении, судостроении и энергетике.

¶Виды и способы

По характеру включения дуги выделяют:

По степени защиты и характеру среды различают сварку в аргоне, гелии, смесях, а также в камерах с контролируемой атмосферой. Отдельно выделяют плазменную сварку с присадочной проволокой и без неё, с током прямой и обратной полярности.

¶Технологические характеристики

Плазменная сварка обеспечивает высокую концентрацию тепла, узкую зону термического влияния и стабильное проплавление. Ток обычно составляет от единиц до нескольких сотен ампер, напряжение дуги — 20–40 В и выше. Расход плазмообразующего газа невелик, что снижает затраты на дорогостоящие аргон и гелий.

Преимущества:

• возможность сварки тугоплавких и химически активных металлов;
• малые деформации изделия;
• высокая скорость при соединении тонких листов;
• стабильность процесса при автоматизации.

Ограничения:

• сложность оборудования и его обслуживания;
• повышенные требования к квалификации сварщика;
• чувствительность к качеству подготовки кромок;
• шум и ультрафиолетовое излучение, требующие защиты.

¶Применение

Плазменную сварку применяют в авиастроении, ракетостроении, атомной энергетике, химическом аппаратостроении, при изготовлении трубопроводов, теплообменников и тонкостенных конструкций. В России технология используется на предприятиях машиностроения и металлургии, в том числе для соединения титановых, никелевых и алюминиевых сплавов, нержавеющих сталей. Родственные процессы — плазменная резка, плазменная наплавка и плазменное напыление — нередко выполняются на том же оборудовании.

¶Оборудование

Основу установки составляет плазмотрон, источник питания, система подачи газа и система охлаждения. Современные аппараты оснащаются инверторными источниками, обеспечивающими стабильные вольт-амперные характеристики, и системами автоматического регулирования длины дуги. Для ручной работы выпускаются компактные плазмотроны, для промышленности — роботизированные комплексы и установки для сварки в вакуумных камерах.

¶Значение и перспективы

Плазменные технологии остаются востребованными там, где требуется точное управление тепловложением и работа с трудносвариваемыми материалами. Развитие идёт в направлении гибридных методов, сочетающих плазму с лазером или дугой в защитных газах, а также в сторону цифрового контроля параметров режима. Термин «плазвэлд», встречающийся в запросах, не является нормативным в русскоязычной технической литературе и обычно обозначает именно плазменную сварку.

Источники: технические справочники по сварке, материалы по дуговой и плазменной обработке металлов, публикации по истории сварочных технологий.