Введение

Создание перспективных изделий авиационной и ракетно-космической техники не представляется возможным без успешного решения вопросов, связанных с разработкой материалов и технологий изготовления неразъемных соединений, основной из которых является сварка. Возросшие требования к сварным соединениям по остаточным деформациям, формированию шва и качеству его поверхности, механическим, антикоррозионным и другим свойствам обуславливают необходимость разработки процессов с использованием высококонцентрированных источников энергии, в частности сжатой дуги [1–6].

Особенностями сварки в авиационной промышленности являются малый объем производства, высокая себестоимость, исключительная надежность и тяжелые условия эксплуатации. Эти факторы зачастую требуют применения концентрированных источников тепла, таких как плазма, лазер и электронный луч, вместо дуги для сварки ответственных конструкций [7].

Преимущества плазменной сварки заключаются в стабильности горения дуги, высокой производительности и низких сварочных деформациях. При этом затраты на сварку невысокие, особенно в сравнении с лазерной и электронно-лучевой технологиями [8].

Экспериментальная оценка тепловой эффективности плазменных процессов проведена многими авторами по результатам калориметрирования [9–14]. Таким образом, при плазменной резке термический КПД процесса составляет 80–85 %, а при плазменном напылении 0,7–0,8 %. Результаты калориметрирования для воздушно-плазменной резки, представленные в работе [15], показали, что 76–81 % энергии идет на нагрев изделия.

Плазменная сварка хорошо зарекомендовала себя для соединения тонких и очень тонких (0,05–1,5 мм) изделий и узлов. Это стало возможным благодаря жесткому контролю тепловложения. Данная технология широко применяется и для сварки изделий средних толщин (3–20 мм) из низкоуглеродистых, низколегированных, высокопрочных и коррозионностойких сталей, никелевых, титановых и алюминиевых сплавов, а также из меди и ее сплавов. Наряду с обычными условиями плазменная сварка используется для соединения металлов под водой и в вакууме [16].

В последние годы достигнут значительный прогресс в повышении стабильности процесса плазменной дуговой сварки, увеличении ее глубины проплавления и качества, что способствует широкому внедрению этого метода вместо традиционных дуговых процессов [17].

Разработаны технологические рекомендации по сварке закрытой сжатой дугой ряда металлов. Создана серия горелок, получивших широкое применение при производстве тонкостенных конструкций, металлорукавов, труб капилляров, а также при сварке неповоротных стыков труб [18].

В данной статье отражены основные достижения исследователей из разных стран мира в области плазменной сварки различных металлов и показана история развития изучаемого технологического процесса для создания неразъемных соединений.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 10.8. «Технологии сварки плавлением новых конструкционных материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [19].

История развития плазменных технологий

Процесс плазменной дуговой сварки и резки изобретен Робертом М. Гейджем в 1953 г. и запатентован в 1957 г. [20]. Развитие плазменных технологий началось с изучения физических и энергетических характеристик сжатой дуги в инертном газе (аргоне) и определения ее технологических возможностей. В СССР исследования по вопросу плазменной сварки и резки стали проводиться в 1956 г., а интенсивные систематические исследования выполнены в Институте металлургии им. А.А. Байкова под руководством Н.Н. Рыкалина [21].

В 1960-х гг. достигнуты определенные успехи в этом направлении. Исследования малоамперной сжатой дуги в среде аргона, проведенные в Институте электросварки им. Е.О. Патона и Национальном институте авиационных технологий, показали ряд преимуществ применения плазменной сварки для тонколистовых материалов в сравнении с обычной аргоно-дуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом. Замечено, что качество сварных соединений повышается не только из-за увеличения концентрации энергии, но и главным образом благодаря большей стабильности процесса, связанной с исключением блуждания дуги и уменьшением колебаний ее длины. Режим процесса плазменной сварки регулируется за счет изменения величины и вида тока, а также расхода и состава плазмообразующего газа.

В работе [22] представлено сравнение процессов дуговой и плазменной сварки с точки зрения технологических возможностей, экономической эффективности и экологических особенностей. Сделан вывод о возможной перспективе – вытеснении аргоно-дуговой сварки (доля ее использования составляет 40–50 %) плазменными технологиями, которые, по прогнозам, будут широко распространены в нефтеперерабатывающей отрасли для сварки алюминиевых труб.

Сварка закрытой сжатой дугой. Данный способ сварки в непрерывном и импульсном режимах разработан в середине 1960-х гг. в Национальном институте авиационных технологий под руководством А.В. Петрова и внедрен на ряде предприятий СССР [23].

Рассматриваемая технология реализуется в микрокамере из медного сплава или стали, которая охлаждается водой [16].

В статье [24] представлены результаты применения закрытой сжатой дуги для механизированной сварки продольных и кольцевых швов. По сравнению с использованием открытой дуги, стабильность протекания данного процесса сварки и формирования шва выше. Кроме того, при сварке титанового сплава закрытой сжатой дугой отмечается отсутствие газовой пористости.

Плазменная сварка в вакууме полым неплавящимся катодом. В конце 1960-х и начале 1970-х гг. в нашей стране и за рубежом (Япония, США, Франция) исследуются плазмотроны с полым катодом. Процесс проводят в камере при определенном давлении и используют обычно для соединения тугоплавких и химически активных сплавов толщиной от 1 до 20 мм – например, для сварки титановых шаробаллонов.

В 1980-х гг. в Научно-исследовательском институте точного машиностроения разработан комплекс оборудования для сварки термоэмиссионным полым катодом в вакууме узлов из титановых сплавов, включающий головку для сварки, аппаратуру управления данным процессом, системы возбуждения дугового разряда и газоснабжения. Оборудование для сварки термоэмиссионным полым катодом в вакууме монтируется в серийных вакуумных камерах, применяемых на предприятиях для электронно-лучевой сварки (например, установки ЭЛУ-4 или ЭЛУ-5) или дуговой сварки в контролируемой атмосфере. Комплекс предназначен для сварки химически активных сплавов, в том числе титановых сплавов толщиной от 3 до 10 мм [25–29].

Микроплазменная сварка. В начале 1970-х гг. наиболее бурное развитие и широкое промышленное применение в СССР получает технология микроплазменной сварки, разработанная швейцарскими фирмами Secheron и Messer Griesheim в середине 1960-х гг. [30]. Микроплазменная дуга используется для соединения тонкостенных изделий (0,025–0,8 мм). Высокая степень сжатия плазменной струи позволяет уменьшить деформацию изделия и получить узкий сварной шов и малую зону термического влияния [31, 32].

Проводятся исследовательские работы, направленные на оценку эффективности применения технологии микроплазменной сварки для соединения материалов (аустенитные нержавеющие стали, титановые и жаропрочные никелевые сплавы), используемых в изделиях авиационной техники [33, 34].

В статье [35] представлены примеры использования микроплазменной дуги в процессах сварки, наплавки и переплава. Отмечено, что применение микроплазмы позволяет получать качественные соединения из разноименных материалов. Кроме того, сделан вывод о том, что рассматриваемая технология является альтернативой более трудоемким процессам лазерной и электронно-лучевой сварки.

В 2000-х гг. появились плазмотроны с пароводяной плазмой. В плазмотронах с водяной стабилизацией дуга находится внутри водяной трубки, которая, не давая дуговому разряду отклоняться, стабилизирует тем самым его положение в пространстве. При этом часть воды испаряется с внутренней поверхности трубки, превращаясь в пароводяную плазму.

Водяной пар является экологически чистым, взрывобезопасным безотходным соединением, благоприятно влияющим на санитарно-гигиенические условия труда [36]. Таким образом, пароводяные плазмотроны могут использоваться для плазменной резки, сварки и наплавки, а также в металлургии и плазмохимии [37, 38].

Следует отметить, что особое внимание в СССР и в мире уделялось сварке алюминиевых сплавов. Обширные исследования в этой области проводились в Институте электросварки им. Е.О. Патона. С конца 1960-х гг. и по настоящее время разработаны различные способы плазменно-дуговой сварки [39]:

– переменным синусоидальным током;

– постоянным током обратной полярности (данный способ впервые применен в корпорации Thermal Dynamics Corp.);

– с чередованием полярностей на электроде и плазмообразующем сопле;

– разнополярным асимметричным током с прямоугольной формой его волны (способ Variable Polarity Plasma Arc Welding (VPPA) зарегистрировала фирма Hobart Brothers Inc.).

В статьях [18] проведен анализ тенденций развития плазменной сварки алюминиевых сплавов. Для расширения технологических возможностей и повышения стабильности процесса осуществляется разработка комбинированных плазменных технологий с использованием нескольких источников питания, подсоединенных к плазмотрону.

Возможность устойчивой работы плазмотрона с двумя дугами прямого действия при сварке током обратной полярности показана в работе [40]. Данный способ позволил в широком диапазоне управлять геометрическими параметрами сварного шва: увеличиваются глубина проплавления металла и зона катодной очистки, отсутствуют дефекты, формирование сварного шва – хорошее.

В статье [41] отмечена эффективность использования способа плазменной сварки в импульсном режиме при обратной полярности с полым катодом для соединения современных высокопрочных алюминиевых сплавов. Сделан вывод, что для повышения качества сварных соединений сплавов системы Al–Cu–Li перспективным является применение программируемой импульсной подачи плазмообразующего газа.

При этом в работе [42] отмечены следующие вехи в развитии плазменных технологий:

– 1973–1975 гг.: изучение параметров и условий стабильного формирования «кинжального» проплавления и его первое практическое применение;

– 1981–1986 гг.: исследование условий существования расплавленной ванны и промышленное применение в производстве сосудов высокого давления, разработка Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) технологии VPPA для сварки алюминиевых сплавов;

– 1998–1999 гг.: дальнейшее изучение формирования «кинжального» проплавления и создание промышленного оборудования для сварки алюминиевых сплавов;

– 2002–2007 гг.: моделирование плазмы и развитие плазменных технологий для расширения области их применения.

Гибридные технологии

В настоящее время перспективным направлением развития технологии плазменной сварки является комбинированное и гибридное использование двух и более источников нагрева при формировании сварного соединения.

Лазерно-плазменная сварка. В статье [43] показаны перспективы применения технологии лазерно-плазменной сварки для тонколистовых материалов (например, из нержавеющей стали). Производительность гибридного способа сварки превышает производительность лазерной в 2–3 раза, а плазменной – до 4 раз.

В работе [44] рассмотрены особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов. Гибридная лазерно-микроплазменная сварка (в сравнении с микроплазменной) позволяет в 1,5–2 раза уменьшить ширину сварного соединения, для нее характерны стабильность процесса на высоких скоростях сварки и отсутствие разбрызгивания.

Синергетические эффекты при гибридной лазерно-дуговой сварке могут привести к повышению эффективности процесса. Однако особенности взаимодействия источников энергии по-прежнему полностью не изучены. В работе [45], где рассматривается этот вопрос, показано, что рост эффективности процесса можно объяснить резким увеличением проплавляющей способности, тогда как эффективность энергетического взаимодействия увеличивается незначительно. Таким образом, синергетический эффект в основном вызван вторичными механизмами, которые меняют количество энергии внутри заготовки.

В статье [46] выделены преимущества лазерно-плазменной сварки: экономические ‒ заключаются в частичной замене дорогой лазерной мощности на более дешевую плазменную и в возможности отказа от присадочного материала; технологические ‒ связаны с уменьшением сварочных деформаций, снижением требований к подготовке свариваемых кромок, повышением производительности по сравнению с плазменной и лазерной сваркой.

Гибридная плазменно-дуговая сварка плавящимся электродом. Для формирования сварочной ванны одновременно используются сжатая дуга неплавящегося электрода и дуга плавящегося электрода. Этот процесс, позволяющий выполнять сварку толстостенных конструкций, за рубежом получил название Plasma-MIG.

В работах [47–50] приведены результаты исследования процесса гибридной плазменно-дуговой сварки плавящимся электродом алюминиевых сплавов системы Al–Mg. Такой способ позволяет снизить массу используемой сварочной проволоки на 13 %, погонную энергию ‒ на 20–40 %, остаточные деформации ‒ на 25–40 % (по сравнению с импульсной дуговой сваркой плавящимся электродом). При этом прочностные характеристики повышаются. Кроме того, использование гибридного способа способствует повышению скорости сварки и, следовательно, ее производительности.

Оборудование для плазменной сварки

Плазменные установки состоят из плазмотрона (плазменной горелки), источника питания, механизма подачи присадочной проволоки, механизма перемещения плазмотрона, блока управления процессом, газового оборудования и системы охлаждения [51].

Плазмотрон включает два основных узла – электродный и сопловой. По типу рабочего процесса все многочисленные схемы плазмотронов можно разделить на три группы:

– плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги;

– плазмотроны с магнитной стабилизацией дуги;

– плазмотроны со стабилизацией дуги стенками канала [52].

Для сварки используют плазмотроны с двумя основными схемами действия:

– плазмотроны прямого действия, в которых одним из электродов является обрабатываемый материал. Такой источник нагрева получил название сжатой дуги;

– плазмотроны косвенного действия, в которых активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхностях сопла. Значение внутреннего КПД таких горелок (при больших расходах газа) достигает 50–70 %. В плазмотронах с дугой косвенного действия источник нагрева получил название плазменной струи [53]. Он применяется для обработки неэлектропроводных материалов (при металлизации).

Источник питания должен иметь падающую (крутопадающую, вертикальную) внешнюю вольт-амперную характеристику и повышенное напряжение холостого хода (60–80 В).

Заключение

Анализ передового отечественного и зарубежного опыта в области плазменной сварки показал, что исследования в данном направлении активно ведутся во многих странах мира с момента изобретения данной технологии. Существует огромное разнообразие технологических вариантов использования плазменного источника нагрева, позволяющего соединять практически все металлические материалы в широком диапазоне толщин во многих отраслях промышленности. В настоящее время наиболее перспективным направлением развития технологии плазменной сварки является комбинированное и гибридное использование двух и более источников нагрева.