Станки, машины и самолеты станут прочнее

Ученые ПНИПУ повысили эффективность плазменной сварки

Плазменная сварка применяется во многих сферах промышленности. С ее помощью соединяют металлические детали для медицинской аппаратуры, приборов, автомобилей, самолетов и ракет. Однако достичь постоянного качества сварного шва удается не всегда, а его дефекты уменьшают надежность и срок службы изделий. Ученые Пермского Политеха предложили модернизированный метод плазменной сварки – он обеспечит стабильность формирования сварочных валиков и высокое качество соединения деталей.

На исследование выдан патент № 2806358.

Разработка проводилась в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Плазменная сварка – это способ неразрывного соединения металлов при помощи плазменного потока. В чем принцип его работы? В устройство, называемое плазмотроном, загоняется специальный плазмообразующий газ (азот, аргон и др.). При подаче тока на конце электрода возникает электрическая дуга. Попадая на нее, газ нагревается и в результате теплового расширения начинает на высокой скорости истекать из сопла устройства. Получившийся поток плазмы нагревает и плавит металл, температура в нем может достигать 30000 градусов Цельсия. Метод подходит для сварки практически любого металла: стали, меди, алюминия, чугуна и других, в том числе и тугоплавких – вольфрама, рения и молибдена.

Ученые ПНИПУ проанализировали разработанный ранее метод плазменной сварки плавящимся электродом. В нем предлагалось варить металл при помощи плазмотрона, который формирует две электрических дуги – от кольцевого неплавящегося и от плавящегося электродов к изделию. Как поясняют исследователи, первый электрод подводит ток к месту сварки, а второй – плавится от нагрева и помогает тем самым формировать шов.

Политехники выявили недостаток данного метода: некоторые материалы, например, титановые сплавы, не удается сваривать достаточно качественно (наплавляемые валики формируются нестабильно, шов содержит дефекты). Это приводит к появлению «непроваров» и трещин, негативно влияет на надежность соединения деталей, снижает прочность и долговечность итоговой конструкции.

Ученые ПНИПУ модернизировали метод. Для формирования дуги они предложили использовать два независимых импульсных источника питания и перемещать плавящийся электрод возвратно-поступательными движениями. Первый источник питания возбуждает дугу между изделием и коснувшимся его плавящимся электродом, а второй – сжатую дугу между изделием и кольцевым неплавящимся электродом. Затем в процессе сварки плавящийся электрод перемещают вперед-назад и подают на него импульсный ток, одновременно с этим воздействуя на обе дуги постоянным осевым магнитным полем.

– Под действием импульсного тока на конце плавящегося электрода образуются капли расплава. За счет перемещения электрода их можно принудительно отделять: частота переноса расплава растет, а размер капель, наоборот, уменьшается, что повышает качество наплавляемого валика. Кроме того, применение импульсного тока уменьшает разбрызгивание металла в процессе сварки, благодаря чему сварные швы получаются аккуратнее, ровнее, прочнее, – объясняет кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ Игорь Безукладников (на фотографии).

Запатентованный учеными ПНИПУ метод позволяет добиться высокого качества соединения деталей, повышает прочностные характеристики получаемых конструкций. Он будет востребован в приборо-, автомобиле-, машино- и авиастроении, космической промышленности и других отраслях. Выход в коммерческую эксплуатацию готовится в 2024 году.