Comment la machine de soudage au plasma est agencée et fonctionne

Le plasma en physique est le quatrième état de la matière après les formes solides, liquides et gazeuses, lorsque l'ionisation partielle ou complète du milieu à partir de molécules et d'atomes précédemment neutres se produit, sous réserve de la condition de quasi-neutralité: la densité volumique de toutes les particules chargées est égale.

En technologie de soudage, les propriétés suivantes du plasma à basse température (moins d'un million de degrés Kelvin) sont utilisées:

• conductivité électrique très élevée;

• la forte influence des champs magnétiques externes sur l'écoulement des courants qui s'y trouvent, contribuant à la formation de jets et de couches;

• manifestation d'effets collectifs, exprimée par la prédominance des forces magnétiques et électriques sur la gravitation.

Principes de création et d'utilisation des torches à plasma

Dans cette méthode de soudage, la source de chauffage des métaux jusqu'au point de fusion est un arc plasma de gaz ionisé, qui est dirigé dans la bonne direction. Il est produit par un appareil spécial appelé plasmatron ou torche à plasma.

Classification par type d'arc

Par le principe de fonctionnement, le plasmatron peut être à action directe ou indirecte.

Dans le premier cas, la différence de potentiel du champ extérieur du générateur, créant les conditions de formation d'un arc, est appliquée directement sur la pièce et l'électrode du brûleur à gaz. De ce fait, l'efficacité de refroidissement de la structure est augmentée.

Dans la deuxième méthode, la tension électrique est appliquée uniquement entre les parties du brûleur pour créer un jet de plasma. Pour cette raison, il est nécessaire de compliquer le système de refroidissement de l'ensemble de buse.

Pour les plasmatrons à action directe, un arc est produit qui ressemble approximativement à une forme cylindrique, se dilatant légèrement à la surface du métal traité.

À l'intérieur de la buse électrique neutre, la compression et la stabilisation de l'arc se produisent. Dans ce cas, la combinaison de l'énergie thermique et cinétique du plasma lui confère une puissance accrue, ce qui permet au métal de fondre plus profondément.

Les brûleurs indirects créent un plasma sous la forme d'un jet conique entouré d'une torche dirigée vers le produit. Le jet est soufflé par le flux de plasma provenant du brûleur.

Classification des méthodes de refroidissement des brûleurs

En raison de la température élevée du plasma, diverses méthodes de refroidissement des détails de la torche à plasma sont utilisées:

• souffler de l'air;

• évacuation de la chaleur due à la circulation forcée de l'eau.

Le refroidissement par air est moins cher et le refroidissement par liquide est le plus efficace mais le plus complexe.

Classification des méthodes de stabilisation de l'arc

Le brûleur à gaz doit fournir une colonne de température de taille et de direction uniforme et stable avec une fixation stricte de celui-ci le long de l'axe de la buse et de l'électrode.

À cette fin, trois types de modèles de buses utilisant l'énergie ont été développés:

1. gaz;

2. eau;

3. champ magnétique.

Dans la première méthode un flux froid de gaz, soufflant une colonne de plasma, la refroidit et la comprime simultanément. Selon la direction du flux gazeux, une stabilisation est créée:

1. axial - avec soufflage parallèle de la colonne;

2. tourbillonnant lorsque le flux de gaz est créé dans la direction perpendiculaire.

La deuxième méthode comprime l'arc plus efficacement et est utilisée dans les plasmatrons utilisés pour le dépôt ou la coupe des métaux.

La stabilisation axiale est mieux adaptée au soudage et au surfaçage des métaux.

Le schéma de stabilisation double combine les caractéristiques de l'axe et du vortex. Lors de son utilisation, il est possible de faire passer du gaz de trois manières:

• uniquement par le canal central principal;

• à travers les deux;

• exclusivement par l'extérieur.

Chaque méthode crée différents schémas de compression de la colonne de plasma.

Stabilisation de l'eau utilise des écoulements de fluide tourbillonnants.La vapeur générée dans ce processus aide à créer du plasma avec une colonne chauffant jusqu'à 50 000 degrés sur l'échelle Kelvin.

Un inconvénient important de cette méthode est la combustion intense de la cathode. Pour de tels dispositifs, l'électrode est en graphite, développant des mécanismes pour son approche automatique de la pièce à traiter lorsque la longueur est consommée en continu.

Les dispositifs de torche à plasma stabilisés à l'eau sont notés:

• complexité de la conception;

• faible fiabilité du système d'alimentation des électrodes;

• la complexité des méthodes d'excitation de l'arc.

Stabilisation magnétique Il fonctionne en raison du champ magnétique directionnel situé à travers le mouvement de la colonne d'arc. Son efficacité est la plus faible et le solénoïde intégré à la buse complique considérablement le circuit de la torche à plasma.

Cependant, la stabilisation magnétique est utilisée pour conférer un mouvement de rotation à la tache d'anode à l'intérieur des parois de la buse. Cela permet de réduire l'érosion du matériau de la buse, ce qui affecte la pureté du jet de plasma.

Toutes les constructions de plasmatrons considérées ci-dessus sont des arcs. Mais il existe un autre type de dispositifs de génération de plasma similaires en raison de l'énergie du courant haute fréquence traversant la bobine d'inductance. Ces plasmatrons sont appelés induction (HF) et ils ne nécessitent pas d'électrodes pour créer une décharge d'arc.

Ils n'ont pas d'avantages particuliers à influencer les métaux traités par rapport aux dispositifs à arc et sont utilisés pour résoudre des processus technologiques individuels, par exemple, la production de métaux en poudre purs.

Caractéristiques de conception des brûleurs

Le fonctionnement de l'un des types de torches à plasma peut être expliqué par la figure ci-dessous.

L'arc plasma pendant le soudage est créé à l'intérieur de la coque atmosphérique protectrice formée en fournissant du gaz injecté à la zone de travail. Ils choisissent le plus souvent l'argon.

Le gaz plasmagène (source d'ionisation) peut fonctionner:

• argon

• azote

• l'hélium

• l'air

• l'hydrogène;

• mélanges des gaz répertoriés.

Gardez à l'esprit les caractéristiques de leur fonctionnement:

• l'hydrogène est explosif;

• les nitrures et l'ozone sont libérés de l'air;

• hélium cher;

• L'azote à des températures élevées affecte l'environnement.

Le tungstène est le plus souvent choisi comme matériau pour les électrodes en raison des propriétés mécaniques les plus appropriées et de la résistance aux températures élevées.

La buse à gaz est fixée dans le brûleur et soufflée avec un jet de protection. Le fluide froid est pompé le long des conduites hydrauliques et chauffé est évacué.

Les fils conducteurs de courant fournissent de l'énergie électrique en courant continu ou alternatif aux électrodes.

Pour alimenter l'arc de formation de plasma, une source de courant avec une tension d'environ 120 volts est connectée pour le soudage et environ 300 au ralenti - pour la coupe.

Dispositif générateur de plasma

Un courant alternatif ou continu peut être utilisé pour démarrer le plasmatron. Par exemple, considérons le fonctionnement d'un générateur à partir de réseau d'alimentation conventionnel 220 volts.

La résistance de ballast limite le courant d'alimentation. L'accélérateur contrôle la charge. Le pont de diodes convertit une tension alternative pour maintenir un arc de service.

Un compresseur d'air fournit du gaz de protection au brûleur et un système de refroidissement hydraulique fait circuler le fluide dans les conduites de plasma pour maintenir une évacuation efficace de la chaleur.

Technique de soudage et de coupage plasma

Pour l'allumage et l'entretien de l'arc de soudage, l'énergie du courant électrique est utilisée, et pour son excitation sans contact, un oscillateur (source d'oscillation).

L'utilisation d'un arc pilote entre l'électrode et la buse peut considérablement faciliter le processus de démarrage du plasma.

Une telle soudure permettra de joindre presque tous les métaux et alliages situés dans le plan inférieur ou vertical.

Sans prétraitement des chants, des chanfreins d'une épaisseur allant jusqu'à 15 mm peuvent être soudés sur des chanfreins.Dans ce cas, une pénétration caractéristique avec des formes spécifiques est formée en raison de la sortie du jet de plasma au-delà de l'arrière de la pièce soudée à travers les fentes traversantes.

En fait, le soudage plasma dans la plupart des cas est un double processus continu:

• couper à travers le matériau de la pièce;

• site de soudage coupé.

La technologie de coupe est basée sur:

• couche de métal fondu sur le site de traitement;

• souffler la fraction liquide dans le flux de plasma.

L'épaisseur du métal affecte la technologie de coupe. Pour les produits minces, l'arc indirect est utilisé et pour les plus épais, les torches à plasma à connexion directe fonctionnent mieux.

La découpe au plasma est la plus économique pour tous les métaux, y compris l'acier au carbone.

Pour effectuer le soudage et le découpage au plasma, des lignes automatisées et des installations manuelles ont été développées.

Types de soudage plasma

La puissance du courant appliqué affecte la puissance de l'arc créé. Trois types de soudage sont déterminés par sa taille:

1. microplasma;

2. moyenne;

3. à des courants élevés.

Soudage au microplasma

Il fonctionne sur des courants limités à 0,1 ÷ 25 ampères. Cette technologie est utilisée en électronique, instrumentation, bijouterie, fabrication de soufflets, membranes, thermocouple, feuille, tuyaux et conteneurs à paroi mince, vous permettant de connecter fermement des pièces d'une épaisseur de 0,2 ÷ 5 mm.

Pour traiter différents matériaux, des combinaisons de gaz de formation de plasma et de gaz protecteurs, le degré de compression de l'arc et la proximité de l'anode sont sélectionnés. Lors du traitement de matériaux particulièrement fins, le mode d'impulsion est utilisé pour une alimentation en arc de faible ampère avec la fourniture d'impulsions de courant bipolaires.

Pendant le passage d'une impulsion d'une polarité, le métal est déposé ou soudé, et lorsqu'il est interrompu en raison d'un changement de direction, le métal se refroidit et cristallise, et un point de soudure est créé. Pour sa bonne éducation, le processus de fourniture de courant et de pause est optimisé. En combinaison avec le contrôle de l'amplitude et le retrait des électrodes, cela permet d'obtenir des composés de haute qualité de divers métaux et alliages.

Pour effectuer le soudage au microplasma, de nombreuses technologies ont été développées qui prennent en compte différents angles d'inclinaison des torches à plasma, créant des vibrations transversales pour détruire les couches d'oxyde, déplaçant la buse par rapport à la soudure en cours de traitement et d'autres méthodes.

Soudage au plasma à des courants moyens de 50 ÷ 150 ampères utilisé dans la production industrielle, la construction mécanique et la réparation.

Courants élevés à partir de 150 ampères sont utilisés pour les soudures au plasma, effectuant dans des conditions industrielles le traitement des aciers alliés et à faible teneur en carbone, des alliages de cuivre, de titane, d'aluminium. Il vous permet de réduire le coût des arêtes de coupe, d'augmenter la productivité du processus, d'optimiser la qualité des coutures par rapport aux méthodes d'arc électrique des joints.

Revêtement et projection de surface en métal plasma

Les pièces individuelles de la machine nécessitent la fourniture de surfaces à haute résistance ou résistantes aux températures élevées ou aux environnements agressifs. À cette fin, ils sont recouverts d'une couche protectrice de métal coûteux par des méthodes de traitement au plasma. Pour ce faire, le fil ou la poudre préparé en petits granules est introduit dans le flux de plasma et pulvérisé à l'état fondu sur la surface à traiter.

Avantages de cette méthode:

• la capacité du plasma à faire fondre tous les métaux;

• la possibilité d'obtenir des alliages de compositions différentes et de créer des revêtements multicouches;

• la disponibilité de formulaires de traitement de toute taille;

• commodité d'ajuster les caractéristiques énergétiques des processus.

Avantages du soudage plasma

La source d'arc créée par soudage plasma diffère de l'électrique ordinaire:

1. une zone de contact plus petite sur le métal traité;

2. plus grand effet thermique dû à l'approche d'une forme cylindrique;

3. augmentation de la pression mécanique du jet sur le métal (environ 6 ÷ 10 fois);

4. La capacité de maintenir la combustion de l'arc à faibles courants, jusqu'à 0,2 ampère.

Pour ces quatre raisons, le soudage plasma est considéré comme plus prometteur et polyvalent dans le traitement des métaux. Il permet une meilleure fusion dans un volume réduit.

L'arc plasma a la concentration de température la plus élevée et vous permet de couper et de souder des métaux d'épaisseur accrue, même avec certaines augmentations de la distance entre la buse du brûleur et la pièce.

De plus, les appareils de soudage plasma diffèrent:

• dimensions relativement petites;

• fiabilité au travail;

• simplicité de la régulation de puissance;

• démarrage facile;

• arrêt rapide du mode de fonctionnement.

Inconvénients

Le coût élevé de l'équipement limite l'introduction généralisée du soudage plasma dans toutes les industries et parmi les petites entreprises.