Оборудование (установки, машины) для плазменных процессов сварки, наплавки и резки состоит из плазменной аппаратуры и механизмов, обеспечивающих перемещение плазмотрона относительно обрабатываемого изделия. Оно может функционировать в составе автоматизированных линий (станов). Плазменные установки представляют собой комплекты из плазмотрона (плазменной горелки), источника его питания и системы управления электрическими и газовыми параметрами плазменной дуги. Установки для сварки и наплавки кроме плазменных установок обычно комплектуются механизмами подачи присадочной проволоки или (в случае наплавки) порошковыми дозаторами и механизмами колебания плазмотрона. Основные составляющие плазменной аппаратуры (плазмотрон, источник питания, система управления) при всем их многообразии имеют ряд общих схемных и конструктивных решений.
Плазмотроны для сварки, наплавки и резки металлов представляют собой сочлененные в едином корпусе изолированные друг от друга катодный и сопловой узлы. Электрический ток, охлаждающая вода, рабочий и защитный газы подводятся к плазмотрону по кабель-шланговому пакету, который стыкуется с плазмотроном либо внутри рукоятки ручной горелки, либо посредством штуцерных соединений, расположенных в верхней части механизированного плазмотрона.
В плазмотронах для сварки и наплавки в качестве рабочего и защитного газов используется в основном аргон (реже гелий), а в качестве катода — тугоплавкий, стойкий к инертной среде вольфрамовый стержень, закрепленный в цанговом зажиме или впаянный в медный водоохлаждаемый катододержатель. Плотность тока в канале сопла, условно определяемая, обычно невысока (7… 14 А/мм2 на токах 200…300 А), чем обусловлено формирование слабообжатой плазменной дуги, обеспечивающей спокойный (без выплесков) процесс сварки или наплавки.
В плазмотронах для резки в качестве рабочего газа используется в основном сжатый воздух, а в качестве материала катода — стойкий в кислородсодержащей среде циркониевый или гафниевый стержень, запрессованный в медный легкосменный катододержатель. Плотность тока в канале сопла, обусловливающая формирование жесткой интенсивно обжатой дуги с высокими режущими свойствами в плазмотронах для ручной резки составляет 25…30 А/мм2, а в плазмотронах для механизированной резки 50…60 А/мм2 на токах 200…300 А. К плазмотронам для резки предъявляют повышенные требования по точности сборки и соосности катодного и соплового узлов.
Высокие технологические показатели плазменных процессов сварки, наплавки и резки достигаются при определенной взаимосвязи между геометрией катодно-сопловой камеры плазмотрона, формирующей столб дуги, и параметрами режима работы плазмотрона (тока, расхода газа).
Источники электропитания плазмотронов для сварки и наплавки выполнены на базе сварочных выпрямителей с падающими внешними вольт-амперными характеристиками (ВАХ) с повышенным напряжением холостого хода (до 80 В). Источники питания для ручной воздушно-плазменной резки (ВПР) построены по принципу сварочных выпрямителей с падающими ВАХ, но с напряжением холостого хода до 300 В. Кремниевые вентили и трехфазные трансформаторы с повышенным рассеянием обусловливают простоту, надежность и невысокую стоимость установок, но сравнительно низкое качество резки.
В качестве примера специализированной установки для плазменной сварки можно привести трубосварочный стан, созданный для производства сварных прямошовных особо тонкостенных труб из коррозионно-стойкой стали. Техническая характеристика
стана приведена ниже. Основа стана — трубосварочный автомат, состоящий из формирующего устройства, сварочной камеры с размещенной в ней плазменной горелкой и тянущего устройства. В состав стана также входят бухторазматыватель ленты и бухтонаматыватель сваренной трубы. Установки для плазменной наплавки в зависимости от объема производства наплавляемых деталей, требований к уровню автоматизации технологического процесса и других факторов могут быть выполнены как универсальные (позволяющие наплавлять детали разной формы), так и как специализированные, предназначенные для наплавки деталей одного типа: клапанов двигателей внутреннего сгорания, дисков и седел трубопроводной арматуры, соединительных элементов бурильных труб и др. Для плазменной наплавки порошками наибольшее распространение получили универсальные установки УПН и УПНС. Они имеют производительность наплавки 5…6 кг/ч. Установка имеет поворотную колонну с направляющей балкой, подвесную самоходную головку и манипулятор изделия. Установка комплектуется сменными плазмотронами для наплавки постоянным током прямой или обратной полярности. Номинальная грузоподъемность манипулятора 500 кг, максимальный диаметр изделия, закрепляемого на планшайбе манипулятора 1500 мм.
Установка 06-2 предназначена для наплавки наружных цилиндрических поверхностей диаметром менее 400 мм и длиной до 800 мм, торцовых поверхностей дисков диаметром менее 350 мм и толщиной 300 мм, плоских поверхностей деталей максимальных размеров 800 х 500 х 400 мм. Установка может быть использована для наплавки конических и фасонных деталей. В состав установки входят механизм перемещения плазмотрона и манипулятор обрабатываемого изделия. Установка предназначена для ручной плазменной наплавки и сварки постоянным током прямой и обратной полярности. В ряде случаев может быть использована для аргоно-дуговой сварки. Она имеет стрелу с балансиром, облегчающую работу сварщика и расширяющую радиус действия установки, водяное охлаждение плазмотрона.
Специализированные установки УД-4 и УД предназначены для плазменной наплавки с присадкой порошковой проволоки диаметром 2,0…3,5 мм или порошковой ленты сечением 2,5 х 5,0 или 4×8 мм. Первая из них используется для наплавки деталей типа “вал”, вторая — для наплавки соединительных элементов бурильных труб. Установки для плазменной резки серийно выпускаются только воздушно-плазменные (ВПР) механизированной резки “Киев-бМ” и АПР, источники питания которых построены по схеме, показанной на рис, б и ручной резки УПР и “Киев-4М”, источники питания которых построены по схемам.
В установках для ручной резки металлов малых толщин, рассчитанных на силу рабочего тока 20…80 А, плазмотроны конструктивно выполнены с воздушным охлаждением тепло-нагруженных элементов и подвижным сопловым узлом, обеспечивающим контактный под-жиг дуги; источники питания их выполняются по схеме, показанной на рис. 2.1, а. Установка подобного типа “Киев-Г рассчитана на резку металлов толщиной до 5 мм.
Технические характеристики установок для плазменной резки. Расход воздуха в установках ВПР составляет бычно 1…3 м3/ч , а воды — 0,3…0,5 м3/ч .
Плазменные установки непрерывно совершенствуются: повышается ресурс работы сменных узлов плазмотронов (катодов и сопл); снижается удельное энергопотребление, улучшаются массогабаритные, эргономические характеристики и расширяются их технологические возможности.
В качестве средств механизации при плазменной резке применяют следующие машины: портальные с ЧПУ для фигурного раскроя листового проката, шарнирно-консольные с магнитным копиром для фигурной разделки листа малых размеров (до 1,5 х 1,5), переносные типа самоходных тележек, перемещаемых по направляющим, для прямолинейных протяженных резов. Кроме того, применяются разнообразные виды специализированных машин узкого назначения для резки профильного проката и различных изделий.
Плазменные машины портального типа по конструкции механической части и системы управления унифицированы с машинами для кислородной резки. Однако отличаются от последних более высокими скоростными показателями. Характеристики портальных машин с ЧПУ для плазменной резки.
Аппарат И-167 предназначен для сварки черных и цветных металлов (кроме алюминия, магния и их сплавов) толщиной 0,5…3 мм в непрерывном и импульсном режимах тока прямой полярности. Принцип работы аппарата основан на формировании крутопадающей (близкой к “штыковой”) внешней вольт-амперной характеристики сварочного трансформатора в результате подмагничивания постоянным током магнитного шунта, расположенного между первичными и вторичными обмотками трехфазного сварочного трансформатора. Аппарат характеризуется пониженными пульсациями сварочного тока и высокими нагрузочными параметрами, что позволяет его применять в составе автоматических линий и механизированных участков при высоких скоростях сварки. В аппарате обеспечивается снятие напряжения с плазмотрона при преднамеренном или случайном обрыве дежурной дуги, а также плавное гашение дуги (заварка “кратера”) в конце процесса сварки.
Установка предназначена для сварки черных и цветных металлов (кроме алюминия, магния и их сплавов) толщиной 0,1… 1,5 мм в непрерывном и импульсном режимах горения дуги. Принцип безынерционного плавного регулирования сварочного тока в установке основан на изменении индуктивного сопротивления одного из двух трехфазных дросселей переменного тока, включенных последовательно со вторичными обмотками трехфазного сварочного трансформатора, имеющего жесткую вольт-амперную характеристику. В установке предусмотрено обеспечение плавного гашения сварочной дуги (заварка “кратера”) в конце процесса сварки, а также снятие напряжения с плазмотрона при преднамеренном или случайном обрыве дежурной дуги. Установка снабжена выносным пультом дистанционного управления.
