Новые процессы сварки плавлением

12.07.2018
Возможность повышения производительности при сварке плавлением всегда волновала Бориса Евгеньевича. Причем это касалось как обычных дуговых процессов, так и специальных, таких, как сварка сжатой дугой (макро и микроплазма), сварка по слою активирующего флюса, способы сварки, использующие в качестве источников нагрева шлаковую ванну, лазерный или электронный луч, гибридные методы. Это потребовало глубоких физических исследований самих источников нагрева и их взаимодействия с жидкой металлической ванной, изучения условий концентрации и распределения тепла, процессов кристаллизации и формирования швов.

В 1960-х гг. начаты работы, связанные с использованием сжатой дуги для сварки металлов малой толщины. Этот способ получил название микроплазменной сварки. Были исследованы особенности и разработана теория контрагирования малоамперной сварочной дуги в различных средах, в том числе в вакууме. Изучены катодные процессы в сварочной дуге и определены условия стабильного горения малоамперной дуги с холодным катодом. Результаты теоретических и экспериментальных работ позволили предложить новые способы микроплазменной сварки металлов при нормальном и низком давлении. Способ микроплазменной сварки алюминия запатентован в Англии, Италии, Франции, Германии, Швейцарии, Швеции, Японии. Произведено и поставлено на промышленные предприятия соответствующее сварочное оборудование.

В конце 80-х гг. прошлого века в Институте электросварки им. Е.О. Патона по инициативе Б.Е. Патона начались исследования гибридных (лазерно-дуговых и лазерно-плазменных) процессов сварки и обработки материалов. В ходе этих исследований было определено, что при взаимодействии лазерного пучка с электрической дугой возможно возникновение особого типа плазмы — комбинированного лазерно-дугового разряда, свойства которого отличаются как от свойств обычной электрической дуги, так и от свойств оптического разряда, поддерживаемого сфокусированным лазерным излучением. Установлено, что комбинированный разряд, отличающийся принципиально новыми возможностями управления концентрацией тепловой и электромагнитной энергии, может быть положен в основу создания нового класса плазменных устройств, а именно интегрированных лазерно-дуговых плазмотронов, и на их основе — гибридных лазерно-плазменных технологий. Исследовались возможные схемы построения и конструкции лазерно-дуговых плазмотронов прямого и косвенного действия. Создан ряд интегрированных плазмотронов различного технологического назначения. Разработаны новые процессы гибридной лазерно-плазменной сварки и наплавки, в том числе процесс гибридной лазерно-микроплазменной сварки металлов малых толщин. Достигнуты успехи в области гибридного лазерноплазменного напыления порошковых материалов, а также нанесения алмазных и алмазоподобных покрытий с использованием лазерно-дугового плазмотрона косвенного действия.

Способ дуговой сварки вольфрамовым электродом в аргоне по слою флюса (получивший впоследствии название сварка А-ТИГ) был предложен в Институте электросварки им. Е.О. Патона в середине 60-х годов прошлого века сначала для титановых сплавов, затем для сталей и сплавов на основе меди. Презентация указанного процесса и тестирование в Британском институте сварки в 1993-1995 гг. привлекли к нему внимание специалистов ряда стран Европы, Азии, Америки и послужили толчком для дальнейшего всестороннего изучения и практического использования сварки А-ТИГ различных металлов и сплавов. Это связано с тем, что применение активаторов при сварке вольфрамовым электродом в атмосфере инертных газов оказывает существенное влияние на дуговой разряд и на формирование ванны.

В ходе этих исследований были установлены новые закономерности протекания анодных процессов в сварочных дугах, обусловленные существованием системы «активированная дуга-металлическая ванна». Определены пути управления тепловым и динамическим воздействием электрической дуги на поверхность анода (сварочной ванны или капли электродного металла). Предложенная иерархия физических процессов, протекающих в прианодном слое дуговой плазмы (контрагирование анодной области дуги), на поверхности и в объеме сварочной ванны (термо- и концентрационно-капиллярная конвекция, испарение металла, формирование квазипарогазового канала, действие сил Лоренца), позволяет объяснить наблюдаемые особенности проплавления металла при сварке А-ТИГ.