Plassbuesveising - Plasma arc welding
Plasmabuesveising ( PAW ) er et buesveising fremgangsmåte lignende gass wolfram-buesveising (GTAW). Den elektriske lysbuen er dannet mellom en elektrode (som vanligvis, men ikke alltid er laget av sintret wolfram ) og arbeidsstykket . Hovedforskjellen fra GTAW er at i PAW er elektroden plassert i kroppen til fakkelen, slik at plasmabuen skilles fra beskyttelsesgasskonvolutten . Den plasma blir deretter tvunget gjennom en fin boring kobber dyse som innsnevrer lysbuen og plasmaet går ut av åpningen ved høye hastigheter (nærmer seg lydhastigheten) og en temperatur som nærmer seg 28.000 ° C (50.000 ° F) eller høyere.
Arc plasma er en midlertidig tilstand av en gass. Gassen blir ionisert av elektrisk strøm som går gjennom den, og den blir en leder av elektrisitet. I ionisert tilstand brytes atomer inn i elektroner (-) og kationer (+), og systemet inneholder en blanding av ioner, elektroner og høyt eksiterte atomer. Graden av ionisering kan være mellom 1% og større enn 100% (mulig med dobbel og trippel grad av ionisering). Slike tilstander eksisterer når flere elektroner trekkes fra banene sine.
Energien til plasmastrålen og dermed temperaturen avhenger av den elektriske kraften som brukes til å skape lysbueplasma. En typisk temperaturverdi oppnådd i en plasmastrålebrenner er i størrelsesorden 28000 ° C (50000 ° F), sammenlignet med ca. 5500 ° C (10000 ° F) i vanlig elektrisk sveisebue. Alle sveisebuer er (delvis ioniserte) plasmaer, men den i plasma buesveising er et innsnevret lysbueplasma.
Akkurat som oksy-brennere kan brukes til sveising eller skjæring, kan også plasma-fakler brukes .
Konsept
Plasmabuesveising er en buesveiseprosess der koalescens produseres av varmen oppnådd fra en innsnevret lysbueoppsett mellom en wolfram / legering wolframelektrode og den vannkjølte (innsnevrende) dysen (ikke-overført lysbue) eller mellom en wolfram / legering wolfram elektroden og jobben (overført lysbue). Prosessen benytter to inerte gasser, en danner lysbueplasma og den andre beskytter lysbueplasmaet. Fyllermetall kan tilsettes eller ikke.
Historie
Plasmasveis- og skjæringsprosessen ble oppfunnet av Robert M. Gage i 1953 og patentert i 1957. Prosessen var unik ved at den kunne oppnå presisjonskutting og sveising på både tynne og tykke metaller. Det var også i stand til å spraybelegge herdende metaller på andre metaller. Et eksempel var sprøytebelegget av turbinbladene til månebundet Saturn-rakett.
Prinsipp for drift
Plasmasveising er en avansert form for tigsveising. Når det gjelder tig, er det en åpen lysbue som er skjermet av argon eller helium, mens plasma brukte en spesiell brenner der dysen brukes til å begrense lysbuen, og beskyttelsesgass leveres separat av brenneren. Buen er innsnevret ved hjelp av en vannkjølt dyse med liten diameter som klemmer buen, øker trykket, temperaturen og varmen intenst og forbedrer dermed buestabiliteten, bueformen og varmeoverføringsegenskapene.
Plasmabuer dannes ved bruk av gass i to former, den ene er laminær (lavt trykk og lav strømning) og den andre er turbulent strømning (høyt trykk og høy strømning).
De brukte gassene er argon, helium, hydrogen eller en blanding av disse. I tilfelle plasmasveising brukes laminær strømning (lavt trykk og lav strømning av plasmagass) for å sikre at det smeltede metallet ikke blåses ut av sveisesonen.
Den ikke-overførte lysbuen (pilotbuen) brukes under plasmasveising for å starte sveiseprosessen. Buen dannes mellom elektroden (-) og den vannkjølte innsnevringsdysen (+). En ikke-overført lysbue initieres ved å bruke en høyfrekvensenhet i kretsen. Etter den første høyfrekvente starten dannes pilotbuen (lav strøm) mellom de utvalgte ved å benytte en lav strøm. Etter at hovedbuen er truffet, er dysen nøytral eller i tilfelle sveisemask ved bruk av mikroplasma, kan det være et alternativ å ha en kontinuerlig pilotbue. En overført lysbue har høy energitetthet og plasmastrålehastighet. Avhengig av strømmen som brukes og strømmen av gass, kan den brukes til å kutte og smelte metaller.
Microplasma bruker strøm mellom 0,1 og 10 ampere og brukes folier, belg og tynne ark. Dette er en autogen prosess og bruker vanligvis ikke fylltråd eller pulver.
Medium plasma bruker strøm mellom 10 og 100 ampere og brukes til platesveising av høyere tykkelse med påfyllingstråd eller autogen opptil 6 mm plater og metallavsetning (hardfacing) ved hjelp av spesialiserte fakler og pulvermatere (PTA) ved bruk av metallpulver.
Høystrømsplasma over 100 ampere brukes til fyllingstråder som sveiser med høye hastigheter.
Andre anvendelser av plasma er plasmaskjæring, oppvarming, avsetning av diamantfilmer (Kurihara et al. 1989), materialbehandling, metallurgi (produksjon av metaller og keramikk), plasmasprøyting og skjæring under vann.
Utstyr
Utstyret som trengs i plasmasvingning sammen med funksjonene er som følger:
Strøm- og gassforfallskontroll
Det er nødvendig å lukke nøkkelhullet ordentlig mens sveisen i strukturen avsluttes.
Armatur
Det er nødvendig å unngå atmosfærisk forurensning av det smeltede metallet under perlen.
Materialer
Stål
Aluminium
andre materialer
Høyfrekvent generator og strømbegrensende motstand
En høyfrekvent generator og strømbegrensende motstander brukes til lysbueantennelse. Buestartsystemet kan være separat eller innebygd i systemet.
Plasma fakkel
Det er enten overført lysbue eller ikke overført lysbue. Den er hånddrevet eller mekanisert. For tiden krever nesten alle applikasjoner automatisert system. Fakkelen er vannkjølt for å øke levetiden til dysen og elektroden. Størrelsen og typen dysespiss velges avhengig av metallet som skal sveises, sveiseformer og ønsket inntrengningsdybde.
Strømforsyning
En likestrømstrømkilde ( generator eller likeretter ) med hengende egenskaper og åpen kretsspenning på 70 volt eller høyere er egnet for plasmabuesveising. Likriktere foretrekkes generelt fremfor likestrømsgeneratorer. Arbeid med helium som inert gass trenger åpen kretsspenning over 70 volt. Denne høyere spenningen kan oppnås ved seriedrift av to strømkilder; eller lysbuen kan startes med argon ved normal åpen kretsspenning og deretter kan helium slås på.
Typiske sveiseparametere for plasmabuesveising er som følger:
Strøm 50 til 350 ampere, spenning 27 til 31 volt, gassstrømningshastigheter 2 til 40 liter / minutt (lavere område for åpningsgass og høyere område for ytre beskyttelsesgass), likestrømselektrodenegativ (DCEN) brukes vanligvis til plasmabuesveising bortsett fra sveising av aluminium, i hvilke tilfeller vannkjølt elektrode er å foretrekke for omvendt polaritetssveising, dvs. likestrømselektrodepositiv (DCEP).
Skjermende gasser
To inerte gasser eller gassblandinger anvendes. Dysegassen ved lavere trykk og strømningshastighet danner plasmabuen. Trykket av åpningen gass med hensikt holdes lav for å unngå sveisemetallet turbulens , men dette lave trykk er ikke i stand til å gi riktig skjerming av sveisebadet. For å ha passende beskyttelsesbeskyttelse blir samme eller annen inert gass sendt gjennom den ytre skjermingsringen på fakkelen ved relativt høyere strømningshastigheter. De fleste av materialene kan sveises med argon, helium, argon + hydrogen og argon + helium, som inerte gasser eller gassblandinger. Argon brukes ofte. Helium er foretrukket der det ønskes et bredt varmetilførselsmønster og flatere dekselpassasje uten nøkkelhullsmodus. En blanding av argon og hydrogen tilfører varmeenergi høyere enn når bare argon brukes, og tillater dermed sveise i nøkkelhullsmodus i nikkel-base legeringer, kobber-base legeringer og rustfritt stål.
For skjæringsformål kan en blanding av argon og hydrogen (10-30%) eller den av nitrogen brukes. Hydrogen, på grunn av dets dissosiasjon i atomform og deretter rekombinasjon, genererer temperaturer over de som oppnås ved å bruke argon eller helium alene. I tillegg gir hydrogen en reduserende atmosfære, som hjelper til med å forhindre oksidasjon av sveisen og dens nærhet. (Det må utvises forsiktighet, ettersom hydrogen som diffunderer inn i metallet kan føre til sprøhet i noen metaller og stål.)
Spenningskontroll
Spenningskontroll er nødvendig i kontursveising. Ved normal nøkkelhullsveising påvirker ikke en variasjon i buelengde opp til 1,5 mm sveisestrengens penetrasjon eller vulstform i nevneverdig grad, og en spenningskontroll anses derfor ikke som nødvendig.
Prosess beskrivelse
Teknikken for rengjøring av arbeidsstykker og tilsetning av fyllstoff er den samme som ved TIG-sveising . Fyllermetall tilsettes ved forkanten av sveisebassenget. Fyllemetall er ikke nødvendig for å lage rotgjennomsveising.
Leddtype : For sveising av arbeidsstykker opp til 25 mm tykke, brukes skjøter som firkantet stump, J eller V. Plasmasveising brukes til å lage både nøkkelhull og ikke-nøkkelhulltyper av sveiser.
Å lage en sveise uten nøkkelhull : Prosessen kan lage sveiser uten nøkkelhull på arbeidsstykker med tykkelse 2,4 mm og under.
Å lage en nøkkelhullssveising : En enestående egenskap ved plasmabuesveising, på grunn av eksepsjonell gjennomtrengende kraft av plasmastråle, er dens evne til å produsere nøkkelhullsveiser i arbeidsemne med tykkelse fra 2,5 mm til 25 mm. En nøkkelhullseffekt oppnås ved riktig valg av strøm, dyse-åpningens diameter og kjørehastighet, noe som skaper en kraftig plasmastråle som trenger helt gjennom arbeidsstykket. Plasmastråle skal under ingen omstendigheter drive det smeltede metallet ut av skjøten. De viktigste fordelene med nøkkelhullsteknikken er evnen til å trenge raskt inn gjennom relativt tykke rotseksjoner og å produsere en uniform under vulst uten mekanisk støtte. Forholdet mellom penetrasjonsdybden og bredden på sveisen er også mye høyere, noe som resulterer i smalere sveise og varmepåvirket sone. Når sveisen utvikler seg, smelter uedle metaller foran nøkkelhullet, strømmer rundt det samme og danner sveisestrengen. Nøkkelhulling hjelper dyp penetrasjon ved raskere hastigheter og gir høy kvalitet perler. Mens sveising av tykkere stykker, ved legging av andre enn rotkjøring, og bruk av fyllstoff, reduseres plasmastrålekraften ved å kontrollere mengden åpningsgass.
Plasmabuesveising er et fremskritt over GTAW-prosessen. Denne prosessen bruker en ikke-forbrukbar wolframelektrode og en lysbue innsnevret gjennom en kobberdyse med fint hull. PAW kan brukes til å forbinde alle metaller som er sveisbare med GTAW (dvs. de fleste kommersielle metaller og legeringer). Vanskelig å sveise i metaller av PAW inkluderer bronse, støpejern, bly og magnesium. Flere grunnleggende PAW-prosessvariasjoner er mulige ved å variere strømmen, plasmagass-strømningshastigheten og åpningens diameter, inkludert:
- Mikroplasma (<15 ampere)
- Smeltemodus (15–100 ampere)
- Nøkkelhullmodus (> 100 ampere)
- Plasmabuesveising har større energikonsentrasjon sammenlignet med GTAW.
- En dyp, smal penetrasjon er oppnåelig, med en maksimal dybde på 12 til 18 mm (0,47 til 0,71 tommer) avhengig av materialet.
- Større buestabilitet tillater en mye lengre buelengde (avstand), og mye større toleranse for endringer i buelengden.
- PAW krever relativt kostbart og komplekst utstyr sammenlignet med GTAW; riktig fakkelvedlikehold er avgjørende.
- Sveiseprosedyrer har en tendens til å være mer komplekse og mindre tolerante for variasjoner i tilpasning, etc.
- Operatørens ferdigheter som kreves er litt større enn for GTAW.
- Åpningsbytte er nødvendig.
Prosessvariabler
Gasser
Minst to separate (og muligens tre) strømmer av gass brukes i PAW:
- Plasmagass - strømmer gjennom åpningen og blir ionisert.
- Beskyttelsesgass - strømmer gjennom den ytre dysen og beskytter den smeltede sveisen fra atmosfæren.
- Ryggrensing og etterfølgende gass - nødvendig for visse materialer og applikasjoner.
Disse gassene kan alle være like, eller ha ulik sammensetning.
Viktige prosessvariabler
- Nåværende type og polaritet
- DCEN fra en CC-kilde er standard
- AC firkantbølge er vanlig på aluminium og magnesium
- Sveisestrøm og pulserende - Strømmen kan variere fra 0,5 A til 1200 A; strømmen kan være konstant eller pulserende ved frekvenser opp til 20 kHz
- Gassstrømningshastighet (Denne kritiske variabelen må kontrolleres nøye basert på strømmen, åpningens diameter og form, gassblanding og grunnmateriale og tykkelse.)
Andre plasmabue prosesser
Avhengig av utformingen av brenneren (f.eks. Åpningsdiameter), elektrodedesign, gasstype og hastigheter, og strømnivåene, er flere variasjoner av plasmaprosessen oppnåelig, inkludert:
Plasma bueskjæring
Når den brukes til skjæring, økes plasmagassstrømmen slik at den dypt gjennomtrengende plasmastrålen skjærer gjennom materialet og smeltet materiale blir fjernet som skjærende slagg. PAC skiller seg fra kutting av oksy-drivstoff ved at plasmaprosessen fungerer ved å bruke lysbuen til å smelte metallet, mens oksygen-oksygen oksyderer metallet i oksy-drivstoffprosessen og varmen fra den eksoterme reaksjonen smelter metallet. I motsetning til kutting av oksy-drivstoff, kan PAC-prosessen brukes på skjæring av metaller som danner ildfaste oksider som rustfritt stål, støpejern, aluminium og andre ikke-jernholdige legeringer. Siden PAC ble introdusert av Praxair Inc. på American Welding Society- messen i 1954, har mange prosessforbedringer, gassutviklinger og forbedringer av utstyr skjedd.
Referanser
Bibliografi
- Oberg, Erik; Jones, Franklin D .; Horton, Holbrook L .; Ryffel, Henry H. (2000), Machinery's Handbook (26. utg.), New York: Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-2635-3.
Videre lesning
- American Welding Society, Welding Handbook, Volume 2 (8. utg.)