Источники питания для плазменной сварки

Обновлено: 27.04.2024

Элементы электрической схемы источников питания плазмотрона рассмотрим в порядке их участия в процессе возбуждения дуги.

Осциллятор. Как и при обычной дуговой сварке неплавящимся электродом, при плазменной сварке могут использоваться параллельная (рис. 13, а, б) и последовательная (рис. 13, в) схемы включения осциллятора.

Преимуществом схемы с включением осциллятора между электродом и изделием (рис. 13, а) является возможность ее использования как для плазменной, так и для дуговой сварки. Однако эта схема требует применения защитного дросселя, рассчитанного на полный рабочий ток установки.

В схеме на рис. 13,6 через дроссель L протекает ток только дежурной дуги, поэтому дроссель может быть рассчитан на малые токи и малую величину ПВ.

При последовательном включении осциллятора также возможно его включение как в цепь электрода, так и в цепь сопла. Преимущества и недостатки обоих вариантов те же, что и при параллельном включении (дроссель в этом случае входит в схему осциллятора и на рис. 13,б не показан).

Рис. 13. Схемы возбуждения дуги: 1 — источник питания; 2—осциллятор; 3 — плазмотрон; 4 — изделие.

Емкость С во всех рассмотренных случаях служит для защиты источника питания от высокого напряжения осциллятора. При значительном удалении источника питания от плазмотрона рекомендуется устанавливать две защитные емкости — вблизи плазмотрона и непосредственно на зажимах источника питания.

Осциллятор рекомендуется размещать возможно ближе к плазмотрону для уменьшения уровня высокочастотных помех и предотвращения пробоя изоляции в цепях источника питания и схемы управления.

В установках плазменной обработки можно применять осцилляторы типа УПД, разработанные ОКБ Института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР (для плазменной сварки и резки), ВИР Степанаванского завода ВЧЭО (для плазменной резки) и ВИС ленинградского завода «Электрик» им. Н. М. Шверника (для плазменной сварки). Могут быть также использованы осцилляторы типов ОСИ-300 и ОСИ-500. Применение осцилляторов типа ОСПЗ дает неудовлетворительные результаты из-за недостаточной мощности разряда.

Цепь дежурной дуги. Для возбуждения тока по цепи электрод — сопло при зажигании дежурной дуги сопло через токоограничительное сопротивление R (см. рис. 13, а и в) подключается к заземленному полюсу источника питания. После возбуждения основной дуги ток в ней приближается к нулю. Для предотвращения образования двойной дуги цепь дежурной дуги необходимо разорвать с помощью контактора К. Однако при микроплазменной сварке режим работы с постоянно горящей дежурной дугой является обычным.

Возможно и применение изображенной на рис. 13,6 схемы возбуждения дежурной дуги. В этом случае после пробоя промежутка электрод — сопло возникает импульс тока, обусловленный зарядом емкости С1 через сопротивление R1. После заряда емкости ток дежурной дуги падает до нуля, и происходит разряд емкости через сопротивление R2. После разряда емкости производится вторичный пробой промежутка, и импульс тока повторяется. Амплитуду, длительность и частоту следования импульсов можно изменять с помощью С1, R1 и R2.

Использование подобной схемы позволяет увеличить амплитуду тока дежурной дуги без возрастания его среднего значения, т. е. увеличить надежность возбуждения основной дуги без роста термического воздействия на электрод и сопло плазмотрона.

Источник питания (ИП) для плазменной обработки должен иметь крутопадающие характеристики. Они могут быть обеспечены следующими типами источников питания: выпрямителями, управляемыми дросселями насыщения, тиристорными выпрямителями с обратной связью по току, источниками питания на базе индуктивно-емкостных преобразователей и транзисторными источниками питания. В отдельных случаях могут использоваться сварочные генераторы, трансформаторы с рассеянием, балластные реостаты.

От положительных ионов – к отрицательным: сварка в четвёртом агрегатном состоянии, преимущества и область применения плазмы

Плазма – ионизирующийся газ, минимальная температура самопроизвольной ионизации – 5 500 ̊C, при плазменной сварке нагрев происходит до 50 000 ̊C. Анодом выступает электрод, катодом – сопло. Дуга возникает между электродом и соплом, выдувается газом, после чего образуется струя плазмы. Технология чаще применяется для резки металла, реже – для сварки.

Государственный стандарт, задающий уровень качества и параметры процесса

Процессы плазменной сварки регламентируются общим для всех видов ГОСТ 2601-84, введённым в действие в 1985 г. в СССР. Изменён в 1992, переиздан в 1996 году. Государственный стандарт определяет процесс с использованием плазмы, как «сварка плавлением, при которой нагрев производится сжатой дугой».

Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р ИСО 5817-2009 устанавливает уровни качества сварных соединений. Там указаны и допустимые отклонения в качестве сварки стали, никеля, титана и их сплавов.

Классификация

По ГОСТ 19521-74 «Сварка металлов. Классификация», принятому в СССР в 1975 году и позднее продлённом, плазменно-лучевая сварка отнесена к классу термических. По направлению движений плазменной струи подразделяется на четыре подвида:

Технология плазменной сварки и классификация дуги по видам действия

По источнику нагрева различают сварку плазменной дугой и струёй. В первом случае дуга зажигается между деталью и неплавящимся электродом, также её называют дугой прямого действия. Во втором – между наконечником плазмотрона и неплавящимся электродом, — это плазменная дуга косвенного действия.

Горелка (плазмотрон) состоит из сопла, где размещён вольфрамовый электрод. Туда подаются защитный газ, охлаждающая, горячая и холодная жидкости. В плазмотроне происходит сжатие дуги, после чего возрастает её мощность. Одновременно с этим подают газ, который ионизируется, нагревается и расширяется в объёме многократно. В передней части сварочной ванны материал расплавляется и перемещается под давлением плазмы вдоль стенок, образуя шов.

Дуговую плазменную струю используют для соединения и резки как электропроводящих материалов, так и диэлектриков – стекла и керамики. Выглядит струя как конус, верхушкой обращённый к расплавляемой поверхности. Тепловая эффективность зависит от силы тока, напряжения, расстояния от сопла до детали и скорости перемещения горелки.

Струёй сваривают как снизу в горизонтальном, так и фронтально в вертикальном положении изделия. Плазмообразующим газом выступают аргон или гелий, одновременно являющиеся защитой от кислорода.

Классификация по мощности тока

В зависимости от силы тока различают три вида:

Микроплазменная сварка, до 25 ампер. Получила распространение, благодаря свойству нагревать небольшие участки металла. При такой величине изделие не прожигается насквозь.
На среднем токе, до 150 ампер. Позволяет варить с высокой точностью. Происходит глубокое, но не широкое расплавление материала.
На большом токе, свыше 150 ампер. Такая мощность образует широкую дугу, которая проплавляет деталь насквозь. Фактически деталь разрезают, а после этого сваривают. Используют для соединения особо прочных металлов: титана, высоколегированных сталей, сплавов с большим содержанием алюминия.

Оборудование и приспособления

В комплект входят:

источник питания с вертикальной вольтамперной характеристикой;
плазмотрон (горелка);
система подачи газа и охлаждающей жидкости;
устройство для фиксации детали.

Для безопасной работы необходимо устройство приточно-вытяжной вентиляции. Диапазон мощности установок от 20 до 250 ампер, работают от постоянного тока.

Примерная цена инвенторов на Яндекс.маркет

Цена инверторов – от 15 до 500 тысяч рублей. В ценовом сегменте от 300 до 500 тысяч – мощные и многофункциональные установки, которыми режут, сваривают и паяют металл.

Процедура плазменной сварки

При организации работ обязательно соблюдение требований безопасности: проходы между сварочными аппаратами – не менее 1,5 метра, между установкой и стеной – не менее 1 метра. Обязательно выполнение требований правил пожарной безопасности и техники безопасности – защита органов зрения, работа в спецодежде.

Алгоритм действий сварщика состоит:

из предварительных работ – подготовки оборудования, обезжиривания, зачистки и закрепления детали;
из выбора режима сварки – в зависимости от толщины металла определяют силу тока, напряжение дуги, скорость сварки, расход защитного и плазмообразующего газа;
из процесса сварки.

Зазор между соединяемыми плоскостями, если сваривают без присадочной проволоки, устанавливают 0,15 от толщины металла. Если с проволокой, то расстояние между кромками – половина толщины листов.

Диаметр сопла устанавливают в зависимости от силы тока. Перед возбуждением дуги в зону сварки 10-15 секунд подают защитный газ. Включают постоянный ток, зажигают дугу и приступают к плавлению. Рекомендуемое расстояние от сопла до изделия – не более 10 мм. Дуга по мере возможности прерываться не должна, горелка перемещаться стабильно и плавно, колебательными движениями амплитудой 2-3 мм. Не допускается перегрев детали.

Преимущества и недостатки

Список преимуществ этой технологии длинней перечня недостатков:

стабильность горения, обеспечивающая качество сварных швов;
сварка без разделки кромок и применения присадочных материалов металла толщиной до 10 мм и толщиной от 0,01 до 0,8 мм на низком токе от 0,1 до 25 ампер;
напыление любых по плавкости материалов введением в дугу присадочных добавок;
ограничение зоны перегрева, накаливания;
низкий расход защитных газов, меньшие термические деформации сравнительно с другими видами сварки;
резка любых материалов при увеличении силы тока и расхода газа;
сварка металлов и неметаллов.

воздействие на персонал электромагнитного излучения инфракрасного и ультрафиолетового диапазона;
высокие требования к квалификации работника;
некомфортный уровень шума в ходе работ;
выделение аэрозольных паров;
ионизация воздуха в зоне установки.

Интересное видео: аппарат для плазменной сварки и резки, сделанный своими руками

Основные виды аппаратов, применяемые для плазменной сварки. Технические характеристики и особенности

Плазменная сварка – один из наиболее современных видов сварки. Такая сварка осуществляется с помощью плазмы, возникающей в газовой среде при наличии там электрической дуги. Этот процесс включает ионизацию рабочего газа, который под давлением переходит в состояние плазмы.

Особенностью процесса является то, что сварка происходит при очень высокой температуре, достигающей 30 тысяч градусов. Благодаря этому, с помощью плазменной сварки можно сваривать детали большой толщины (до 9 мм) из особо прочных металлов.

Устройство и основные типы аппаратов

В общем случае в состав оборудования для плазменной сварки входят:

Горелка (плазматрон).
Источник электропитания (инвертор).
Баллон с плазмообразующим газом.
Баллон с защитным газом.
Система водяного охлаждения.
Кабель-пакет.

Горелка представляет собой сложное устройство, в котором устанавливается электрод, имеются трубопроводы для подачи газов и охлаждающей жидкости, а также проходит электрический кабель, по которому к электроду подается напряжение питания.

Схема плазменной сварки

Конструкция горелки зависит от мощности аппарата. В аппаратах малой мощности используются горелки с выдвижным катодом, который с помощью кнопки управления может замыкаться на анод-сопло и возбуждать дугу.

Для ручной плазменной сварки используются горелки, которые имеют вид пистолета. Такое устройство удобно держать в руках. Для плазменно-водяной сварки используется горелка в виде пистолета с разрядной камерой и парообразующим устройством.

Для более мощных аппаратов используются горелки с неподвижным катодом. Основные ее части:

Горелки для мощных аппаратов не имеют ручек, поскольку они крепятся непосредственно на манипуляторах или станках для сварки.

В аппаратах в качестве источника питания чаще всего используются инверторы, которые почти полностью вытеснили трансформаторные источники. Современные импульсные преобразователи на IGBT-транзисторах обеспечивают стабильный рабочий ток, который может регулироваться для различных рабочих режимов работы аппарата.

Примерная стоимость инверторов для плазменной сварки на Яндекс.маркет

Для образования плазмы используются воздух, кислород, аргон и азот.

Для защиты ванны сварки применяют инертные газы – азот, аргон, пары спирта или ацетона.

Кабель-пакет предназначен для соединения аппарата с горелкой. В кабель-пакете размещаются:

шланги для подачи рабочего и защитного газов;
шланги для подачи и отвода водяного охлаждения;
провода подачи основного тока;
провода запуска дуги;
цепи системы управления.

В бытовых аппаратах к горелке подключаются только цепи подачи тока. Поэтому в этом случае говорят просто о кабеле питания.

Аппараты прямого и косвенного действий

В зависимости от способа горения дуги различают аппараты:

В аппаратах первого вида электрическая дуга возбуждается между электродом и свариваемой деталью. При этом дуга вначале возбуждается при малых токах между соплом и деталью, а после касания плазмой детали образуется основная дуга. Питание дуги может осуществляться как постоянным, так и переменным током. Возбуждение дуги осуществляется, как правило, с помощью дополнительного осциллятора.

При сварке вторым способом источник питания подключается к электроду и соплу горелки. В результате между ними образуется электрическая дуга, а на выходе горелки – струя плазмы. Интенсивность струи регулируется давлением газа. Возникновение мощной плазменной струи объясняется тем, что газ, переходя из одного состояния в другое, расширяется почти в 50 раз. Этот способ менее распространен, хотя он и имеет свои достоинства, а именно:

обеспечивается устойчивая работа при малых токах;
уменьшается потребление газа;
при работе отсутствует разбрызгивание.

Разделение аппаратов по мощности

Аппараты плазменной сварки делятся на виды в зависимости от их мощности. При этом за меру мощности принимают ток сварки в плазменной дуге.

Различают аппараты, работающие:

на малом токе (до 25 А);
на среднем токе ( до 150 А);
на большом токе (свыше 150 А).

Аппараты первого вида (микроплазменные) работают при токах от 100 мА до 25 А. Это относительно простые аппараты, имеющие диаметр сопла от 1,3 до 3 мм, работают на постоянном токе. В качестве рабочего газа такие устройства используют водные растворы спирта или ацетона. Катод в таких аппаратах выполняется из меди с добавлением гафния.

Микроплазменные аппараты могут использоваться как для сварки ювелирных изделий, так и для резки металлов толщиной до 9 мм.

Аппараты среднего тока (50-150 А) в основном используются для резки металлов. В качестве рабочего газа в них применяют воздух. Такие устройства имеют более сложные источники питания с режимом малого тока для создания дежурной дуги, горелки с легированным вольфрамовым катодом. Для запуска дуги в таких аппаратах используются высоковольтные блоки.

Аппараты, имеющие дугу с током более 150 А, применяются в промышленности. В них используются вольфрамовые катоды, легированные редкоземельными элементами, способствующими уменьшению работы выхода электронов. Такие аппараты обычно являются частью роботизированных комплексов, выполняющих работы в судостроении или ядерной энергетике.

Описание аппаратов

На рынке имеется большое число различных компаний, которые продают свои изделия. Однако большая часть этих изделий предназначена для резки металлов. При этом часто они обозначаются как аппараты для плазменной сварки. Но в дальнейшем оказываются резаками (cut). С другой стороны, большинство сварочных аппаратов имеют функцию резки металлов. Например, аппараты Горыныч, Мультиплаз 4000 и Plazarium SP3, кроме сварки, могут производить и резку металла. При этом в качестве газообразующей жидкости используется вода.

Характеристики некоторых аппаратов плазменной сварки приведены в таблице.

Наименование	Компания	Ток, А	Рпот, кВт	Газ/Защитн.	ВЧ-поджиг	Вес, кг	Цена, тыс. руб.
Горыныч, ГП-37-10	АСпромт, Россия	10	2,5	Вода + спирт	_	5,4	29
Plazarium SP3	Плазариум, Россия	4-12	2,6	Вода + бензин	_	6	68,9
Мультиплаз 4000	Мультиплаз, Россия	10-180	4	Вода + спирт	_	28	105
SBI PMI 50 TL Basic	SBI, Австрия	0,5-50	5	Ar/Ar + He	+	47	Договор
Microplasma 20	EDM, Германия	0,1-20	50	Газ	+	50	598
SBI PMI 500 TL	SBI, Австрия	5-500	20	Ar/Ar + He	+	115	Договор

Первые три аппараты производятся в России. В качестве плазмообразующей среды в них используются пары водно-спиртового (Горыныч и Мультиплаз 4000) или водно-бензинового (Plazarium SP3) растворов. Первые два устройства можно отнести к микроплазменному типу (ток плазмы менее 25 А), а третий аппарат можно считать аппаратом средней мощности. Необходимо отметить, что каждая из компаний производит целую линейку аппаратов, имеющих различную мощность. Например, в семействе аппаратов Мультиплаз имеются более мощные устройства 7500 и 15000, которые соответственно потребляют большую мощность и имеют больший вес.

Далее в таблице приведены характеристики профессиональных аппаратов австрийской и немецкой компаний. Аппараты серии PMI предназначены для микроплазменной точечной и шовной сварки. Программное обеспечение аппарата сохраняет до 50 режимов работы агрегата. С помощью контроллера осуществляется большое количество автоматических регулировок рабочего цикла сварки, в том числе продувка газа перед работой и после сварки, регулировка режима установки рабочего тока. Основные параметры сварки отображаются на сенсорном дисплее. Там же отображаются сигналы об ошибках или предупреждения. Возможно подключение к компьютеру и управление процессом дистанционно. В таких аппаратах присутствуют устройства ВЧ-поджига дуги.

Примерная стоимость аппаратов для сварки серии PMI на Яндекс.маркет

В таблице приведены характеристики аппарата SBI PMI 50 TL Basic и более мощного SBI PMI 500 TL с максимальным током плазмы в 500 А. Такие мощные аппараты чаще всего используются в роботизированных производственных установках.

Еще более продвинутыми являются аппараты для плазменной сварки типа Microplasma немецкой компании EDM . В продаже имеется несколько моделей с токами до 20, 50 и 120 А. В таблице приведены данные для аппарата типа Microplasma 20. Агрегат такого типа предназначен для микроплазменной сварки постоянным током. С его помощью можно производить наплавку и соединение листов, фольги, сетки из Fe, Ni, Cu, Ag, Ti и их сплавов. Аппарат Microplasma 20 может быть использован при производстве и ремонте в авиационной, аэрокосмической отраслях, а также в электротехнической, химической и медицинской промышленностях.

В аппаратах такого типа используется настройка сварочного тока с помощью потенциометра, регулировка параметров сварки (стартовый и сварочный токи, ток завершения сварки, время продувки газом), защита сварочной горелки с помощью реле, индикация параметров сварки на дисплее.

Горелка подсоединяется к аппарату Microplasma шлангами для подачи защитного газа и плазменного газа, а также подачи и отвода охлаждающей жидкости. Для охлаждения используется специальная деионизированная жидкость. Кабель управления сварочной горелкой подключается к аппарату с помощью 5-контактной розетки.

Промышленные образцы источников питания для плазменной обработки

Основными изготовителями серийного оборудования для плазменной обработки являются ленинградский завод «Электрик» (установки для плазменной сварки УПС-301, УПС-501, УПС-804) и Степанаванский завод ВЧЭО (установки для плазменной резки УПР-201, АПР-401, АПР-402, АПР-403). Основные параметры этих установок приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики установок для плазменной сварки и резки

Тип установки	Наименование процесса	Напряжение холостого хода, В	Рабочее напряжение на дуге, В	Пределы рабочего тока, А	Плазмообразующий газ
УПС-301	Ручная плазменная сварка	80	18—40	4—315	Аргон
УПС-501	Механизированная плазменная сварка	80	23—45	70—500	Аргон, гелий
УПС-804	То же	180	50—90	300—800	Аргон, гелий, углекислый газ
АПР-401 АПР-402 АПР-403	Механизированная плазменная резка	300	200 250 200	100—450 100—500 100—459	Воздух
УПР-201	Ручная плазменная резка	180	150	150—250	Воздух

Установка УПС-301 предназначена для ручной плазменной сварки на токе прямой и обратной полярностей цветных металлов, нержавеющих и легированных сталей. Установка состоит из источника питания, выносного блока возбуждения дуги и набора плазмотронов.

Источник питания представляет собой тиристорный выпрямитель, выполненный по шестифазной схеме с уравнительным реактором. В нем применен упрощенный вариант схемы, показанной на рис. 14, в (без вольто-добавочных обмоток), что позволило расширить диапазон рабочих токов установки. Использование выносного блока, в котором размещены осциллятор, элементы цепи дежурной дуги и газовая схема, увеличивает радиус действия установки. Схема управления обеспечивает импульсный режим работы и заварку кратера.

Установка УПС-501 служит для механизированной плазменной сварки на токах прямой и обратной полярностей меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, нержавеющих сталей. В установке применен универсальный тиристорный источник питания типа ВДУ-504. Плазмотрон размещается на сварочной головке, которая перемещается по направляющей рейке. Схема управления установкой обеспечивает работу в ручном и полуавтоматическом режимах. Она снабжена механизмами перемещения сварочной головки и подачи присадочной проволоки.

Установка УПС-804 используется для механизированной плазменной сварки на токах прямой и обратной полярностей цветных металлов, нержавеющих и малоуглеродистых сталей. Конструкция ее аналогична конструкции установки УПС-501. Отличие состоит в применении более мощного источника питания с повышенным напряжением холостого хода. Для увеличения надежности возбуждения дуги в среде углекислого газа в ИП имеется вспомогательный источник, включенный по схеме, приведенной на рис. 14,6.

Установка АПР-401 предназначена для механизированной скоростной воздушно-плазменной резки черных и цветных металлов толщиной до 80 мм. Она комплектуется выпрямителем типа ВПР-402М для плазменной резки. Выпрямитель состоит из трехфазного трансформатора, управляемого трехфазного дросселя насыщения, выпрямительного блока и пускорегулирующей аппаратуры.

Дроссель насыщения служит для получения крутопадающих внешних характеристик. Его обмотки переменного тока (рабочие) включены встречно-последовательно в линейную цепь трансформатора. Управляющая обмотка (подмагничивания) охватывает все шесть сердечников трех фаз дросселя и питается выпрямленным током.

Установка АПР-402У4 используется для скоростной механизированной воздушно-плазменной резки черных металлов толщиной до 130 мм, алюминия и его сплавов— до 130 мм, а также меди и ее сплавов — до 100мм. Она может применяться и для резки заготовок из стальных и алюминиевых листов толщиной до 160 мм.

В качестве источника питания сжатой электрической дуги служит полупроводниковый управляющий выпрямитель с крутопадающими внешними характеристиками. Схема управления автоматически обеспечивает: возбуждение режущей дуги, плавное нарастание рабочего тока при изменении расстояния между плазмотроном и изделием, снятие напряжения с плазмотрона при нарушениях работы его системы охлаждения, выключение установки при выходе из строя вентиляции.

Установка УПР-201У3 предназначена для ручной воздушно-плазменной резки. Источник питания выполнен по трехфазной мостовой схеме на тиристорах Т-166. В основу схемы ИП положена разработанная во ВНИИЭСО и внедренная в серийное производство унифицированная система фазового управления тиристорными выпрямителями.

Установка АПР-403У4 по своим электрическим характеристикам и принципу построения электрической схемы аналогична установке АПР-401У4. Основное конструктивное отличие — размещение элементов схемы управления установкой в корпусе источника питания.

Читайте также: