Технология обработки материалов концентрированными потоками энергии. В 2 ч. Ч. 2 : Технология и оборудование микроплазменной обработки

Московский государственный технический университет  
имени Н. Э. Баумана 
 
 
 

 
Б.М. Федоров, А.И. Мисюров, 
Н.А. Смирнова 
 
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 
КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ 
ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ 
 
В двух частях  

Часть 2 
 
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ  
МИКРОПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ 
 
Методические указания к лабораторным работам  
по курсу «Технология машиностроительного производства» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2011 

УДК 621.791.72(076.5) 
ББК 34.55 
         Ф33 
 
Рецензент В.П. Морозов 
     
Федоров Б.М. 
Технология обработки материалов концентрированными 
потоками энергии : метод. указания к лабораторным работам 
по курсу «Технология машиностроительного производства» : 
в 2 ч. – Ч. 2 : Технология и оборудование микроплазменной 
обработки / Б.М. Федоров, А.И. Мисюров, Н.А. Смирнова.  
– М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 22, [2] с. : ил. 
 
Рассмотрены оборудование и технологические особенности 
процессов микроплазменной сварки, наиболее широко применяю-
щихся в машиностроении. Представлены указания к выполнению 
лабораторных работ. Продолжительность каждой лабораторной ра-
боты 4 часа. 
Для студентов, изучающих курс «Технология машинострои-
тельного производства». 
        Рекомендовано Учебно-методической комиссией факультета МТ 
МГТУ им. Н.Э. Баумана.                                                                                            
         
УДК 621.791.72(076.5) 
ББК 34.55 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 

Ф33 

Работа № 4. УСТРОЙСТВО И РАБОТА  
МИКРОПЛАЗМЕННОЙ УСТАНОВКИ МПУ-4 

Цель работы – ознакомление с назначением, устройством и 

принципом работы установки для микроплазменной сварки МПУ-4, 
изучение взаимодействия ее отдельных узлов и механизмов; приоб-
ретение практических навыков по установлению параметров режима 
сварки, возбуждению дуги и выполнению сварных швов. 

Устройство и работа установки 

Плазменная обработка относится к процессам обработки дета-

лей высокотемпературным (5000…20 000 °С и выше) концентриро-
ванным потоком ионизированных частиц, полученным за счет 
сжатия дугового разряда направленным потоком газа (аргона, азо-
та, гелия и др.). Применяют несколько схем (рис. 4.1) дуговых 
плазменных горелок (плазмотронов). 

При использовании горелки дуги прямого действия (рис. 4.1, а) 

изделие включено в цепь источника питания и должно быть токо-
проводящим, при использовании горелки дуги косвенного дейст-
вия (рис. 4.1, б, в) электропроводность изделия не обязательна. В 
установке МПУ-4 используются оба случая: для основной дуги 
(см. рис. 4.1, а) и для дежурной (см. рис. 4.1, в). 

Пост для механизированной микроплазменной обработки 

(сварки) включает в себя установку МПУ-4, горелку, механизм для 
крепления и перемещения деталей (пластин) с блоком управления 
механизма перемещения и кронштейном для крепления горелки, 
баллон (ГОСТ 949–73) с вентилем и редуктором (ГОСТ 13861–89), 
защитный кожух с окнами для наблюдения за процессом и стол для 
размещения отдельных элементов поста. Для защиты от излучения 
в окна кожуха вставлены специальные стекла. 

Установка МПУ-4 предназначена для автоматической сварки 

черных, цветных, легких и тугоплавких металлов и сплавов тол-
щиной от 0,1 до 1,5 мм (в зависимости от их физико-химических 
свойств и типа шва) при температуре окружающего воздуха от – 50 
до + 50 °С.  

а                                         б                                         в 
Рис. 4.1. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок для полу-
чения: 

а – плазменной дуги (совмещенное сопло и канал, плазменная струя совпадает со 
столбом дуги); б – плазменной струи (раздельные сопло и канал, плазменная струя 
выделена из столба дуги); в – плазменной струи (совмещенные сопло и канал); 1 – 
электрод; 2 – канал; 3 – охлаждающая вода; 4 – столб дуги; 5 – сопло; 6 – плаз- 
    менная струя; Е – источник тока; И – изделие; L – углубление электрода в канал 

 
Для осуществления процесса микроплазменной сварки в уста-

новку и горелку необходимо подать охлаждающую воду (расход 
не менее 0,5 л/мин), в горелку – плазмообразующий газ (расход 
0,2...0,5 л/мин), защитный газ (расход не менее 0,5 л/мин) и пита-
ние от источника МПУ-4. Система подачи газа служит для подачи 
в горелку плазмообразующего и защитного газов.  

Схема системы питания горелки газовой смесью (рис. 4.2) 

обеспечивает возможность применения одного баллона для газа, 
если этот газ выбран в качестве плазмообразующего и защитного. 
Давление не более 0,5 105 Па устанавливают с помощью газового 
редуктора 3 по показанию выходного манометра при полностью 
открытом вентиле 2 баллона 1. В качестве плазмообразующего 
газа используют аргон; в качестве защитного – аргон, гелий, их 
смеси и смеси этих газов с водородом и азотом. 

Соединения всех элементов газовой системы осуществляют рука-

вами резиновыми напорными 4. Штуцеры 5 и 6 служат для ввода 
плазмообразующего и защитного газов в горелку 13, ротаметры 7, 8 и 
вентили 9, 10 обеспечивают регулировку и измерение расхода  
газов. 

Баллон служит для хранения и перевозки газообразного аргона 

под давлением 1,5 107 Па и представляет собой цельнотянутый 
цилиндрический стальной сосуд 6 (рис. 4.3). На выпуклое днище 7 
баллона насажен опорный башмак 8. В горловину, имеющую ко-
ническое отверстие с резьбой, ввертывается вентиль 2. На горло-
вину надето кольцо 5 с резьбой, на которое надевается предохра-
нительный колпак 1. Баллон для аргона окрашивают в серый цвет, 
зеленым цветом делают надпись «Аргон чистый» и проводят зеле-
ную полосу. 

Наполнение баллонов и опорожнение их производят через за-

порный вентиль, имеющий боковой штуцер 3, к которому присоеди-
няют редуктор. Наиболее распространены баллоны емкостью 40 л, 
которые при давлении 1,5107 Па вмещают 6 м3 аргона. На верхней 
сферической неокрашенной части баллона должно быть нанесено: 
номер баллона и завод-изготовитель, дата изготовления, емкость 
баллона, масса баллона, рабочее и испытательное давление, клеймо 
технического инспектора, срок следующего испытания. 

На рабочем месте баллон следует закрепить или установить на 

специальных подставках. Расход газа из баллона прекращается при 
давлении в нем не менее (1...2) 105 Па. Такое давление необходи-

 
Рис. 4.2. Схема питания горелки газовой смесью:  
1 – баллон; 2 – вентиль баллона; 3 – газовый редуктор; 4 – рукава резиновые на-
порные; 5, 11 – штуцеры для ввода газа аргон; 6, 12 – штуцеры «Защ. газ»; 7 – ро-
таметр «Аргон»; 8 – ротаметр «Защ. газ»; 9 – вентиль регулировочный «Аргон»; 
    10 – вентиль регулировочный «Защ. газ»; 13 – горелка; 14 – корпус установки 
 

мо для повторной заправки. Ремонт вентиля 
нельзя проводить при наполненном баллоне. 
Вентиль 2 (см. рис. 4.2 и 4.3) обеспечивает 
надежную герметичность и подачу газа к ре-
дуктору. 

Редукторы газовые (рис. 4.4) применяют 

для понижения давления газа, отбираемого из 
баллона, и установления его рабочего значе-
ния. При открытом вентиле баллона газ под 
высоким давлением через входной штуцер 1 
проходит в камеру высокого давления редук-
тора и его значение регистрируется маномет-
ром высокого давления 2. Если регулирую-
щий рабочий винт 8 находится в открытом 
рабочем положении, то через зазор между 
редуцирующим клапаном 11 и седлом клапа-
на газ поступает в рабочую камеру 10 и дав-
ление его понижается. Давление в камере ре-
гистрируется манометром низкого давления 
3. При постоянном расходе газа через откры-
тый вентиль 6 усилие от сжатия пружины 7 
уравновешивается усилием от сжатия обрат-
ной пружины 4 и давлением газа на мембрану 
9. Если расход газа увеличивается, то давле-
ние в камере 10 понижается, клапан 11 под-

нимается, поступление газа через клапан возрастает и рабочее дав-
ление восстанавливается. Предохранительный клапан 5 срабаты-
вает при чрезмерном случайном увеличении давления газа в каме-
ре низкого давления. 

С помощью газового редуктора можно поддержать требуемое 

рабочее давление Рвых газа на выходе из редуктора при изменении 
давления в баллоне от значения Рmах до Рmin. Характерный вид зави-
симости рабочего давления от давления в баллоне для всех типов 
газовых редукторов показан на рис. 4.5.  

Ротаметр – это расходомер постоянного перепада давления, 

принцип действия которого основан на восприятии динамического 
давления потока среды поплавком, перемещающимся вдоль кониче-
ской трубки (рис. 4.6). Ротаметры со стеклянной ротаметрической 
трубкой и местными показаниями обозначают РМ. 

 
Рис. 4.3. Продоль-
ный разрез баллона  
          газового:  
1 – колпак; 2 – вен-
тиль; 3 – штуцер; 4 – 
заглушка; 5 – кольцо; 
6 – баллон; 7 – дни 
      ще;  8 – башмак 

а     
 
 
 
 
         б 

Рис. 4.4. Схема устройства и работы редуктора: 
а – нерабочее положение элементов редуктора (газ не проходит через редуктор);  
б – положение, когда открыт доступ газа в рабочую камеру; 1 – штуцер; 2 – мано-
метр высокого давления; 3 – манометр низкого давления; 4 – обратная пружина; 5 – 
предохранительный клапан; 6 – вентиль; 7 – пружина; 8 – рабочий винт; 9 – мембра- 
                             на; 10 – рабочая камера; 11 – редуцирующий клапан 

Механизм для крепления и перемещения деталей с блоком 

управления обеспечивает надежное 
закрепление 
образцов 
(пластин) 

прижимами и их автоматическое пе-
ремещение в процессе обработки с 
заданной скоростью Vобр. Зона обра-
ботки закрывается специальным за-
щитным экраном (на рис. не пока-
зан), предохраняющим от светового 
и ультрафиолетового излучения. На 
передней панели блока управления 
находятся элементы, обеспечиваю-
щие включение и выключение сети, 
реверсирование, регулирование и 
измерения скорости движения сто-
лика. 

 
Рис. 4.5. Характеристика редук- 
                        тора:  
Р1, Р2 – наибольшее и наименьшее 
рабочие давления на выходе из 
редуктора при его изменении на 
             входе от Рmах  до Pmin 

Рис. 4.6. Схема ротаметра с вентилем:  
1 – штуцер отвода газа; 2 – стеклянная трубка; 3 – корпус; 4 – поплавок; 5 – шту- 
                  цер подвода газа; 6 – вентиль подачи газа  

 
Применяемая микроплазменная горелка предназначена для руч-

ной сварки на постоянном и переменном токе Iсв, она обеспечивает 
надежную работу при мощности до 2 кВт. В такой горелке исполь-
зуется вольфрамовый электрод диаметром 0,8...1,6 мм. 

Все элементы установки МПУ-4 заключены в корпусе. Спере-

ди, на панели, размещены органы управления и контроля, а сзади – 
органы подключения установки (рис. 4.7). Горелка включена в 
систему водяного охлаждения, работающую при давлении воды 
(1...3) 105 Па. 
 
Технические данные установки 

1. Электрическая потребляемая мощность – не более 1,5 кВт. 
2. Расход газа, подаваемого под давлением – не более 50 кПа: 

плазмообразующего газа – 0,003...0,008 л/с; 
защитного газа – не менее 0,007 л/с. 

Рис. 4.7. Панель управления установки МПУ-4: 
1 – шкала барабана; 2 – тумблер «Дежурная дуга»; 3 – прибор для измерения на-
пряжения «Напряжение сварки»; 4 – прибор для измерения тока «Ток прямой»;  
5 – переключатель «Основная дуга»; 6 – прибор для измерения тока «Ток обрат-
ный»; 7 – тумблер «Ток дуги 10 А – 30 А»; 8 – ротаметр – расходометр плазмооб-
разующего газа; 9 – ротаметр-расходометр защитного газа; 10 – тумблер дистан-
ционного управления «ДУ – ВКЛ»; 11 – ручка установки расхода защитного газа 
(аргона); 12 – ручка установки расхода плазмообразующего газа (аргона); 13 – 
кнопка тока дуги «Больше»; 14 – кнопка тока дуги «Меньше»; 15; 16 – переклю-
чатели режима блока «Основная дуга»; 17 – кнопка «Измерение»; 18 – кнопка 
«Поджиг»; 19 – кнопка «Сеть откл»; 20 – кнопка «Сеть вкл»; 21 – блок «Сеть»;  
                                      22 – лампа–индикатор сети «Нет фазы» 

 
3. Расход воды – не менее 0,008 л/с. 
4. Режимы работы установки: 

А – сварка на постоянном токе Icв дугой прямой полярности; 
В – сварка на импульсном токе дугой прямой полярности  
с дискретным (0,02; 0,03; 0,06; 0,08; 0,1; 0,2;0,3; 0,4 и 0,5 с) 
регулированием длительности импульсов и пауз с точностью 
до 10 %; 
С – сварка на переменном и импульсном токах дугой обрат-
ной полярности с дискретным (0,02; 0,03; 0,04; 0,06; 0,08; 
0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 с) регулированием длительности им-
пульсов и пауз с точностью до 10 %; 
D – сварка на постоянном токе дугой обратной полярности. 

5. Напряжение холостого хода источника питания дежурной  

дуги – 70...80 В. 

6. Ток дежурной дуги: 

в режиме А – 3 ± 0,5 А; 
в режиме D – 6 ± 0,5 А. 

7. Напряжение холостого хода источника питания основной  

дуги: 

при прямой полярности – 55...80 В; 
при обратной полярности – 70...80 В. 

8. Параметры импульса поджига: 
    амплитуда – 220…260 В; 

длительность – 2 мс. 

9. Ток основной дуги в непрерывном режиме работы: 
    при прямой полярности и длине дуги 3…6 мм: 

I  ступень  – 2,5...10А ± 7,5 %; 
II ступень  – 8...30 А ±7,5 %;  
при обратной полярности и длине дуги – 2...3 мм – 4...12 А ± 
±7,5 %. 

10. Длина основной дуги прямой полярности при токе 2,5 А –  

не менее 3 мм. 

11. Длина основной дуги обратной полярности при токе 6 А – 

не менее 2 мм. 

Техника безопасности при проведении лабораторной работы 

1. Ознакомиться с общими правилами по технике безопасности 

в лаборатории сварки. 

2. В процессе эксплуатации установки после каждого часа не-

прерывной работы горелки установку необходимо выключать на  
15…20 минут для охлаждения составных частей установки. 

3. Категорически запрещается проводить работу на установке 

без защитного экрана и при выключенной вытяжной вентиляции. 
Оборудование: 
установка 
для 
микроплазменной 
сварки  
МПУ-4. 
Включение установки и работа на ней проводятся под на-
блюдением учебного мастера или преподавателя! 

Порядок выполнения работы 

1. Ознакомиться с описанием, принципом работы и устройст-

вом оборудования, используемого при микроплазменной сварке.