1. Caractéristiques de l'arc plasma et de son générateur 1. Formation de l'arc plasma L'arc plasma est un arc comprimé à l'argon et à l'électrode de tungstène, avec une densité d'énergie, une température et une force d'arc élevées. L'arc plasma est obtenu par trois effets de compression : 1) Compression mécanique : L'expansion restreinte de la section transversale de la colonne d'arc, causée par la [...]
Un arc plasma est un arc comprimé à l'argon et à l'électrode de tungstène, avec une densité d'énergie, une température et une force d'arc élevées. L'arc plasma est obtenu grâce à trois effets de compression :
1) Compression mécanique : L'expansion restreinte de la section transversale de la colonne d'arc, causée par l'ouverture de la buse en cuivre refroidie à l'eau, est connue sous le nom de compression mécanique.
2) Compression thermique : L'eau de refroidissement dans la buse forme une couche de gaz froid près de la paroi interne de la buse, ce qui réduit la surface conductrice effective de la colonne d'arc. La densité d'énergie et la température de la colonne d'arc s'en trouvent encore accrues. Cet effet, obtenu par le refroidissement de l'eau pour augmenter encore la température et la densité énergétique de la colonne d'arc, est connu sous le nom de compression thermique.
3) Compression électromagnétique : En raison des effets de compression susmentionnés, la densité du courant d'arc augmente et la force de contraction électromagnétique générée par le champ magnétique propre au courant d'arc devient plus forte. Il en résulte une compression supplémentaire de l'arc, connue sous le nom de compression électromagnétique.
(1) Arc non transféré
L'arc non transféré brûle entre l'électrode de tungstène et la buse. Pendant le soudage, le pôle positif de la source d'énergie est connecté à la buse en cuivre refroidie à l'eau, tandis que le pôle négatif est connecté à l'électrode en tungstène. La pièce n'est pas connectée au circuit de soudage. L'arc est réalisé par l'éjection à grande vitesse du gaz plasmagène. Ce type d'arc convient au soudage ou au découpage de métaux et de non-métaux de faible épaisseur.
(2) Arc transféré
L'arc transféré brûle directement entre l'électrode de tungstène et la pièce à souder. Pendant le soudage, l'arc non transféré entre l'électrode de tungstène et la buse est d'abord allumé, puis l'arc est transféré à l'électrode de tungstène et à la pièce à souder. La buse n'est pas connectée au circuit de soudage pendant le fonctionnement. Ce type d'arc est utilisé pour le soudage de métaux plus épais.
(3) Arc combiné
Un arc combiné est un arc où coexistent l'arc transféré et l'arc non transféré. L'arc mixte peut rester stable à des courants très faibles, ce qui le rend particulièrement adapté au soudage de plaques minces et ultra-minces.
(1) La courbe caractéristique de l'arc statique de la arc plasma est sensiblement différente de celle de l'arc TIG :
(2) La température de l'arc est élevée, allant de 24000K à 50000K, avec une densité de puissance élevée et une densité d'énergie de 105-106W/cm2. En revanche, l'arc TIG a une température comprise entre 10000 et 24000K et une densité de puissance inférieure à 104W/cm2.
(3) La rigidité est élevée, avec un facteur de concentration d'arc important.
(4) La chaleur générée par la colonne d'arc a un effet significatif sur le chauffage de la pièce.
(I) Caractéristiques
En raison de sa densité énergétique, de sa température et de sa rigidité élevées, l'arc à plasma présente les avantages suivants par rapport aux techniques conventionnelles de production d'électricité. soudage à l'arc:
1) Forte capacité de pénétration, capable de souder des plaques d'acier inoxydable d'une épaisseur de 8 à 10 mm sans qu'il soit nécessaire de les biseauter ou d'utiliser un fil d'apport.
2) La qualité de la cordon de soudure n'est pas sensible aux variations de la longueur de l'arc. Cela s'explique par le fait que la forme de l'arc est proche de la forme cylindrique et qu'elle présente une bonne résistance à l'usure. rectitude. La variation de la longueur de l'arc a un impact minimal sur la zone du point de chauffe, ce qui permet d'obtenir facilement des formes de soudure uniformes.
3) L'électrode de tungstène est encastrée dans une buse en cuivre refroidie à l'eau, ce qui évite tout contact avec la pièce à souder et empêche l'inclusion de tungstène dans le métal soudé.
4) L'arc plasma a un degré d'ionisation élevé, ce qui le rend stable même à des courants faibles, permettant le soudage de pièces de précision miniatures.
Les inconvénients du soudage à l'arc plasma sont les suivants :
1) Limitée épaisseur de souduregénéralement inférieure à 25 mm.
2) Le pistolet de soudage et le circuit de commande sont complexes, et la buse a une faible durée de vie.
3) Il y a plusieurs paramètres de soudagequi exigent un haut niveau de compétence technique de la part de l'opérateur de soudage.
(2) Applications
Le soudage à l'arc plasma peut être utilisé pour souder divers métaux qui peuvent être soudés au gaz inerte de tungstène (TIG), tels que l'acier inoxydable, l'aluminium et l'acier inoxydable. alliages d'aluminiumCette méthode de soudage peut être utilisée dans l'aérospatiale, l'aviation, l'énergie nucléaire, l'électronique, la construction navale et d'autres secteurs industriels. Cette méthode de soudage peut être appliquée dans l'aérospatiale, l'aviation, l'énergie nucléaire, l'électronique, la construction navale et d'autres secteurs industriels.
1. Classification : Pistolet de soudage à l'arc plasma, pistolet de coupe, pistolet de pulvérisation.
2. Composants
Les principaux composants sont l'électrode, le porte-électrode, la buse comprimée, l'isolateur intermédiaire, le corps supérieur du pistolet, le corps inférieur du pistolet et le manchon de refroidissement. Les composants les plus critiques sont la buse et l'électrode.
1. Buse
Classification : En fonction du nombre de trous de la buse, il existe deux types : à trou unique et à trous multiples.
Dans les buses à trous multiples, outre le trou central principal, il y a plusieurs petits trous sur les côtés gauche et droit du trou principal. Le gaz plasmagène éjecté par ces petits trous a un effet de compression supplémentaire sur l'arc plasmagène, ce qui fait que la section transversale de l'arc plasmagène devient elliptique. Lorsque l'axe long de l'ellipse est parallèle à la direction de soudage, il peut augmenter de manière significative la durée de vie de l'arc plasma. vitesse de soudage et de réduire la largeur de la zone affectée par la chaleur.
Les paramètres les plus importants de la forme de la buse sont l'ouverture de compression et la longueur du canal de compression.
1) Ouverture de la buse (dn) :
Le dn détermine le diamètre et la densité d'énergie de l'arc de plasma. Un diamètre plus petit entraîne une plus grande compression de l'arc, mais s'il est trop petit, il peut entraîner une diminution de la stabilité de l'arc plasma, voire un double arc et une détérioration de la buse. Le choix du dn doit être basé sur le courant de soudage, le type de gaz plasmagène et le débit.
2) Longueur du canal de la buse (l0) :
Sous une certaine ouverture de compression, un l0 plus long permet une plus forte compression de l'arc de plasma. Cependant, si l0 est trop grand, l'arc de plasma devient instable. Il est généralement exigé que le rapport l0/dn soit compris dans une certaine fourchette. Pour l'arc de transfert, il est généralement de 1,0-1,2, et pour l'arc mixte, il est de 2-6.
3) Angle conique (α) :
L'angle conique a peu d'impact sur la compression de l'arc plasma et peut varier de 30° à 180°. Toutefois, il est préférable qu'il corresponde à la forme de la pointe de l'électrode pour assurer un ancrage stable du point anodique à la pointe de l'électrode. Lors du soudage, l'angle est généralement compris entre 60° et 90°.
Matériau de la buse :
La buse est généralement en cuivre et est directement refroidie à l'eau.
Électrode :
1) Matériau :
Le soudage à l'arc plasma utilise généralement des électrodes en tungstène thorié ou en tungstène cérié. Dans certains cas, des électrodes en tungstène zirconé ou en zirconium peuvent être utilisées. Les électrodes en tungstène doivent généralement être refroidies à l'eau. Pour les applications à faible courant, un refroidissement indirect par eau est utilisé et l'électrode de tungstène se présente sous la forme d'une tige. Pour les applications à courant élevé, on utilise un refroidissement direct de l'eau et l'électrode de tungstène a une structure encastrée.
2) Forme :
La pointe d'une électrode en forme de tige est généralement rectifiée en forme de cône pointu ou de plate-forme conique. Pour les applications à courant élevé, elle peut également être rectifiée en forme de sphère afin de réduire les pertes par brûlure.
3) Longueur de contraction intérieure et concentricité :
Contrairement à Soudage TIGDans le soudage plasma, l'électrode de tungstène est généralement contractée à l'intérieur de la buse comprimée. La distance entre la surface extérieure de la buse et la pointe de l'électrode de tungstène est appelée longueur de contraction intérieure (lg).
Pour assurer la stabilité de l'arc et éviter les arcs doubles, l'électrode de tungstène doit être concentrique avec la buse, et la longueur de contraction intérieure (lg) de l'électrode de tungstène doit être appropriée (lg = l0 ± 0,2 mm).
3. Méthodes de livraison du gaz :
a) Tangentielle : Cette méthode permet une forte compression, avec une faible pression au centre et une forte pression à la périphérie. Elle permet de stabiliser l'arc au centre.
b) Radial : Cette méthode permet une compression plus faible que la méthode tangentielle.
1. Arc double
Dans des conditions normales, un arc transféré se forme entre l'électrode de tungstène et la pièce à usiner.
Cependant, dans certaines situations anormales, un arc parallèle peut se produire, appelé arc double, qui brûle entre l'électrode de tungstène et la buse, ainsi qu'entre la buse et la pièce à usiner.
2. Mécanisme de génération d'arc double
Théorie de la décomposition d'un film de gaz froid
3. Causes et mesures de prévention de la génération d'arcs doubles
1. Dans certaines conditions actuelles, l'ouverture de compression de la buse est trop petite ou la longueur du canal de compression est trop grande, ce qui entraîne une longueur de contraction interne excessive.
2. Flux insuffisant de gaz plasmatique.
3. Écart excessif entre l'axe de l'électrode de tungstène et l'axe de la buse.
4. Blocage de la buse dû à des projections de métal.
5. Caractéristiques externes incorrectes de l'alimentation.
6. Distance incorrecte entre la buse et la pièce à usiner.
Il existe trois méthodes : le soudage par perforation, le soudage par fusion et le soudage à l'arc plasma par microfaisceau.
(1) Soudage à l'arc plasma de type perforation
En utilisant un courant de soudage et un flux de plasma plus importants, l'arc plasma a une densité d'énergie et une force de flux de plasma plus élevées. La pièce est complètement fondue et forme un petit trou qui pénètre dans la pièce sous l'action de la force du flux de plasma, tandis que le métal fondu est expulsé autour du petit trou.
Lorsque l'arc plasma se déplace dans la direction du soudage, le métal en fusion se déplace le long des parois de l'arc et se cristallise en un cordon de soudure derrière le bain de soudure, tandis que le petit trou se déplace vers l'avant avec l'arc plasma.
Il convient au soudage sur une seule face et au formage sur deux faces, et ne peut être utilisé que pour le soudage sur une seule face et le formage sur deux faces.
Lors du soudage de pièces minces, il peut être réalisé sans biseautage, sans plaques de rembourrage ou sans remplissage de métal, ce qui permet d'obtenir un formage double face en une seule passe.
La génération de petits trous dépend de la densité d'énergie de l'arc plasma. Plus la plaque est épaisse, plus la densité d'énergie requise est élevée. Pour les tôles plus épaisses, le soudage à l'arc plasma de type perforation ne peut être utilisé que pour le premier cordon de soudure.
Tableau 6-1 : Épaisseur applicable au soudage à l'arc plasma de type perforation
| Matériau | Acier inoxydable | Titane et alliages de titane | Nickel et alliages de nickel | Faible acier allié | Acier à faible teneur en carbone |
| Limite de l'épaisseur de soudure /mm | 8 | 12 | 6 | 7 | 8 |
(2) Soudage à l'arc plasma de type fusion
En utilisant un débit de gaz plasmagène plus faible, la force d'écoulement du plasma est plus petite et la capacité de pénétration de l'arc est faible.
Caractéristiques :
(3) Soudage à l'arc plasma par microfaisceau
Une fusion à faible courant (typiquement moins de 30A) processus de soudage.
Caractéristiques de l'équipement :
Caractéristiques du processus :
(4) Soudage à l'arc plasma pulsé
Utilise un courant pulsé inférieur à 15 Hz au lieu d'un courant continu stable. L'arc est plus stable, ce qui permet de réduire la zone affectée par la chaleur (HAZ) et la distorsion.
(5) Soudage plasma à courant alternatif
L'alimentation à ondes carrées est généralement utilisée pour le soudage des alliages d'aluminium.
(6) Arc de plasma transféré
En fait, il s'agit d'une combinaison d'arc transféré et d'arc plasma, et il existe deux formes :
(1) Forme de joint et de biseau
La forme du joint est choisie en fonction de l'épaisseur de la plaque :
(2) Courant de soudage et ouverture de la buse
Le courant de soudage est toujours choisi en fonction de l'épaisseur de la plaque ou des exigences de pénétration. Si le courant est trop faible, la soudure risque de ne pas pénétrer et aucun petit trou ne sera formé. Si le courant de soudage est trop élevé, le métal en fusion risque de s'affaisser en raison du diamètre élevé du trou.
L'ouverture de la buse est sélectionnée en fonction du courant de soudage et doit être adaptée. Elle est également liée au débit du gaz plasmagène.
(3) Gaz plasmatique
Le gaz plasmatique et gaz de protection sont généralement choisis en fonction du métal à souder et de l'intensité du courant. Lors de l'utilisation de courants de soudage élevés dans le soudage plasma à l'arc, il est généralement conseillé d'utiliser le même gaz pour le gaz plasmagène et le gaz de protection, car l'utilisation de gaz différents peut entraîner une mauvaise stabilité de l'arc.
Le tableau 6-5 énumère les gaz typiques utilisés pour le soudage à l'arc plasma à courant élevé de divers métaux. Pour le soudage à l'arc plasma à faible courant, on utilise généralement de l'argon pur comme gaz plasmagène. En effet, le gaz argon a une tension d'ionisation plus faible, ce qui facilite l'allumage de l'arc.
| Métal | Épaisseur/mm | Technique de soudage | |
| Méthode de perforation | Méthode de fusion | ||
| Acier au carbone (acier traité à l'aluminium) | ＜3.2 | Ar | Ar |
| ＞3.2 | Ar | 25%Ar+75%He | |
| Acier faiblement allié | ＜3.2 | Ar | Ar |
| ＞3.2 | Ar | 25%Ar+75%He | |
| Acier inoxydable | ＜3.2 | Ar ou 92,5% Ar + 7,5% H2 | Ar |
| ＞3.2 | Ar ou 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
| ＞3.2 | Ar ou 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
| Métaux réactifs | <6.4 | Ar | Ar |
| >6.4 | Ar+（50%-70%）He | 25%Ar+75%He | |
Le débit du gaz plasmagène détermine directement la force d'écoulement du plasma et la capacité de pénétration. Plus le débit du gaz plasmagène est élevé, plus la capacité de pénétration est importante. Toutefois, si le débit du gaz plasmagène est trop élevé, le diamètre du petit trou peut devenir trop important, ce qui peut affecter la formation de la soudure.
Il est donc nécessaire de sélectionner un débit approprié de gaz plasmagène en fonction du diamètre de la buse, du type de gaz plasmagène, du courant de soudage et de la vitesse de soudage.
Lors de l'utilisation de la méthode de fusion, il est nécessaire de réduire le débit du gaz plasmagène de manière appropriée afin de minimiser la force d'écoulement du plasma.
(4) Vitesse de soudage
La vitesse de soudage doit être choisie en fonction du débit du gaz plasmatique et du courant de soudage, en veillant à ce que les trois paramètres soient correctement adaptés. Lorsque les autres conditions sont constantes, l'augmentation de la vitesse de soudage réduit l'apport de chaleur et diminue le diamètre du petit trou jusqu'à ce qu'il disparaisse.
Cependant, une augmentation excessive de la vitesse de soudage peut entraîner des contre-dépouilles ou des porosités.
En revanche, si la vitesse de soudage est trop faible, le métal de base risque de surchauffer et le métal en fusion de s'affaisser. Par conséquent, la vitesse de soudage, le débit du gaz plasmagène et le courant de soudage doivent être bien adaptés.
(5) Distance entre la buse et la pièce
Si la distance est trop grande, la capacité de pénétration diminue. Une distance trop faible peut entraîner un blocage de la buse. En général, la distance est réglée entre 3 et 8 mm. Par rapport au soudage au gaz inerte de tungstène (TIG), la variation de la distance entre les buses a moins d'impact sur la capacité de pénétration. qualité du soudage.
(6) Débit de gaz de protection
Le débit du gaz de protection doit être choisi en fonction du courant de soudage et du débit du gaz plasmagène. Sous un certain débit de gaz plasmagène, un débit excessif de gaz de protection peut perturber le flux de gaz, ce qui affecte la stabilité de l'arc et l'efficacité de la protection.
En revanche, un débit trop faible du gaz de protection peut entraîner une protection inadéquate. Par conséquent, le débit du gaz de protection doit être proportionnel au débit du gaz plasmagène.
Pour le soudage par perforation, le débit du gaz de protection est généralement compris entre 15 et 30 L/min.
(7) Amorçage et extinction de l'arc
Lors de l'utilisation de la méthode de perforation pour souder des plaques épaisses, des défauts tels que des porosités et des contre-dépouilles sont susceptibles de se produire aux points d'amorçage et de terminaison de l'arc.
Pour les assemblages bout à bout, on utilise des plaques d'amorçage et de terminaison de l'arc. L'arc est d'abord amorcé sur la plaque d'amorçage, puis transféré vers la pièce et enfin terminé sur la plaque de terminaison, fermant ainsi le petit trou.
Cependant, pour les joints circonférentiels, il n'est pas possible d'utiliser des plaques d'amorçage et d'arrêt de l'arc. Au lieu de cela, une méthode consistant à augmenter progressivement le courant de soudage et le débit de gaz plasmagène est utilisée pour amorcer l'arc sur la pièce, et l'arc est fermé en réduisant progressivement le courant et le débit de gaz plasmagène pour fermer le petit trou.
1. Principe de coupe
Principe de fusion et de soufflage : l'arc plasma fait fondre complètement la pièce à usiner, et la force de rinçage mécanique à grande vitesse du flux de plasma souffle le métal ou le non-métal fondu, formant ainsi une coupe étroite.
Coupe au gaz: Utilise la combustion et le soufflage.
Avantages :
Inconvénients :
2. Techniques de coupe
1. Gaz plasmagène
1) Types
2) Débit
Le débit du gaz plasma est beaucoup plus élevé que celui utilisé pour le soudage, car l'arc plasma nécessite un arc plus dur.
2. Paramètres du processus
1) Tension à vide :
Elle n'affecte pas seulement les performances d'allumage de l'arc, mais aussi sa rigidité. Une tension à vide plus élevée se traduit par un arc plus fort et une force de rinçage plus importante, ce qui permet d'augmenter la vitesse et l'épaisseur de coupe.
2) Courant et tension d'arc :
L'augmentation du courant et de la tension de l'arc peut accroître l'épaisseur et la vitesse de coupe, la tension ayant un effet plus important. Cependant, l'augmentation du courant peut conduire à la formation d'un double arc et à une augmentation de l'épaisseur de coupe. kerf.
3) Vitesse de coupe :
Il est recommandé de maximiser la vitesse tout en assurant une pénétration complète. L'augmentation de la vitesse de coupe améliore la productivité et réduit les déformations et la zone affectée thermiquement. Coupe lente Les vitesses élevées entraînent une baisse de la productivité, un risque accru de formation d'écume et une zone affectée par la chaleur plus étendue.
4) Distance entre la buse et la pièce :
En général, une distance de 8 à 10 mm est préférable. L'augmentation de la distance accroît la puissance de l'arc, mais entraîne également une plus grande dissipation de la chaleur, une efficacité moindre de l'arc, une réduction de la force de rinçage et un risque accru de formation d'écume. Les arcs doubles sont également plus fréquents. Inversement, une distance trop faible peut entraîner un blocage de la buse.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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