Сварка в парах воды

Пятьдесят лет назад были опубликованы результаты успешных опытов по электродуговой сварке некоторых металлоконструкций в струе водяного пара. На страницах ведущих научных журналов, таких как “Автоматическая сварка”, “Сварочное производство”, на протяжении почти 10 лет шла творческая дискуссия специалистов сварочного производства в попытке дать объективную оценку способа дуговой сварки в среде водяного пара и обоснованно определить сферы его целесообразного применения .

Сначала интерес к дуговой сварке в среде водяного пара был обусловлен рядом преимуществ этого способа: 

- небольшая стоимость, не дефицитность и простота создания защитной среды из водяного пара;

- чистота атмосферы на рабочем участке – на выходе из сопла дуговой горелки пар конденсируется и не загрязняет атмосферу (по чистоте окружающей атмосферы дуговая сварка в среде водяного пара не имело себе равных). 

Для использования способа необходимо решить ряд технологических вопросов: 

- выбор присадочного материала, обеспечивает получение сварных соединений с высокими механическими свойствами; 

- выбор режима и технологии сварки; 

- установление оптимальных параметров пара; 

- применение не чистой воды, а воды с соответствующими добавками, уменьшающими окислительную активность водяного пара.

Уже с первых шагов нового способа дуговой сварки было отмечено, что неправильно было бы считать, что дуговая сварка в среде водяного пара призвана заменить другие виды сварки. Большое выгорания легирующих элементов (кремний, марганец, углерод, фосфор) определили назначения и оптимальные области применения дуговой сварки в среде водяного пара, а именно: 

- сварка соединений со сравнительно невысокими механическими свойствами, допускаются только на металлоконструкциях из обычных малоуглеродистых, среднеуглеродистых сталей; 

- ремонтные работы при условии, что производительность сварки не имеет решающего значения; 

- при индивидуальном и мелкосерийном производстве; 

- наплавки дефектных мест стальных отливок. 

Правильный выбор объекта применения сварки в среде водяного пара определяет успешное ее внедрения и сегодня. К концу 60-х годов интерес к сварке в среде водяного пара пропал, поскольку она не давала качества сварного шва, равного другим методам, уже успешно внедренным в практику сварочного производства, и о нем забыли почти на тридцать лет.

Толчком к заимствованию из прошлого послужили достижения в области генераторов низкотемпературной плазмы (плазмотронов) с пароводяной стабилизацией электрической дуги, создаваемых для различных технологических целей. Возможность пароводяной плазменной обработки материалов была обусловлена ​​разработкой термохимических катодов, устойчивых в окислительной среде. С появлением микроплазмотронив пароводяной плазмы сварки и родственные процессы в среде водяного пара стали общедоступны. Более чем 10-летняя эксплуатация пароводяных микроплазмотронив раскрыла также необходимость совершенствования их конструкции. Одной из последних разработок в этой области, что демонстрирует неисчерпаемые возможности совершенствования плазменных идей путем новых технических решений, является аппарат для плазменной обработки материалов “PLAZARIUM”.

Сегодня использование пароводяных плазмотронов означает для потребителя шаг в мир высоких технологий, использующих четвертое состояние вещества, плазму, для пользы человека. Пары воды, как плазмообразующий газ вместе с очевидными экономическими преимуществами (по сравнению с другими применяемыми плазмообразующими газами – аргоном, гелием, воздухом, азотом) имеет наиболее высокие теплофизические показатели. Высокая теплоемкость плазмы воды связана с поглощением значительного количества электрической мощности, подводимой к дуге, за счет диссоциации молекул воды и частичной ионизации атомов кислорода и водорода.

Рабочая жидкость для резки. Наличие кислорода в плазме воды при резке металлов дает дополнительный тепловой эффект за счет экзотермической реакции окисления металла. Применение водяного пара в качестве плазмообразующей среды для плазменной резки пригодно для резки практически всех промышленных металлов. Эффективно использовать дистиллированную воду или водный раствор пероксида водорода (перекиси водорода). Такая рабочая жидкость позволяет получить водородно-кислородный поток с большим содержанием кислорода.

Рабочая жидкость для сварки. Существуют технологические ограничения на применение водородно-кислородной смеси при сварке плавлением, связанные с тем, что водородно-кислородная смесь является окислительной по отношению к жидкому металлу. При повышении содержания кислорода свойства металла ухудшаются. Поэтому одним из важных процессов при сварке плавлением является раскисление металла, т.е. удаления из жидкого металла кислорода. Удалить кислород из металла можно с помощью раскислителей, специально вводимых в зону сварки. Раскислителями есть элементы, которые при температуре процесса и концентрации, соответствующей ей, имеют большое сродство к кислороду, чем элемент, составляющий основу сплава и его легирующие составляющие. Раскислителями, как известно, являются Si, Mn, и другие элементы. В пароводяных плазменных горелках избыток кислорода, полезен при резке металлов, переводят в другое состояние, что исключает интенсивное окисление металла сварочной ванны. Для получения восстановительного (неокислительного) характера атмосферы, создаваемой плазменной струей, сварка пароводяными плазменными горелками предусматривает работу с использованием специальных рабочих жидкостей. Известно, что если в водородно-кислородную плазму добавить некоторые углеродсодержащих вещества, то можно получить хорошие сварные соединения.

УСТРОЙСТВО ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ГОРЕЛКИ

Для работы пароводяных плазменных горелок не нужна ни стационарная магистраль сжатого воздуха, ни специальный компрессор. Все, что нужно, – это электропитание 220 В. Горелка имеет встроенный резервуар, который заправляется рабочей жидкостью. Рабочая жидкость в горелке нагревается и в парообразном состоянии служит средой для получения плазмы. В резервуаре горелки расположен нагревательный элемент, который нагревает и испаряет рабочую жидкость. К соплу горелки подходит уже пар, ионизируется и в виде плазменной струи используется для резки, пайки, сварки, термообработки.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАРОВОДЯНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ

По сравнению с горелкой, работающей на газе во-первых, небольшой встроенный резервуар позволяет аппарату работать автономно. Во-вторых, при переходе рабочей жидкости в парообразное состояние развивается необходимое давление и пропадает потребность в специальных средствах для создания давления. В-третьих, такой плазмотрон является экологически чистым инструментом – концентрация вредных газовых выбросов минимальная. В-четвертых, при весе всего комплекта менее 4 кг он является самым легким плазменным аппаратом в мире.

Плазменные идеи и инновации. Вышеописанное применение паро-плазменной струи не занимает собой еще всего значения плазмы воды в технологии обработки материалов. Масштаб возможностей прикладного использования пароводяной плазмы такой огромный, что неизбежна коммерциализация новых разработок. Могут быть созданы новые и получить новое развитие известные инновационные технологии.