Плазмова наплавка дротом (прутками). Термічні способи наплавлення Технологія плазмово-дугового наплавлення

Одним з основних методів підвищення надійності та ресурсу склоформ, клапанів, запірної арматуриє плазмова наплавка (Plasma transfer Arc, PTA).

Використання методу плазмово-порошкового наплавлення дозволяє істотно підвищити якість деталей, що наплавляються, збільшити продуктивність і надати особливі властивості наплавлюваної поверхні.

Вибір у бік методу PTA найбільшими виробниками та споживачами запірної арматури, формокомплектів для виробництва скла, клапанів - підтверджує вигоди використання методу плазмово-порошкового наплавлення, оскільки одержуваний наплавлений шар з підвищеними властивостями дозволяє істотно підвищити терміни служби деталей і вузлів, продовжити міжремонтні і на капітальний та поточний ремонт.

Установки плазмового наплавлення KSK призначені для наплавлення деталей від кілець та клапанів до чистових скляних форм та деталей запірної арматури.

• Підвищення конкурентоспроможності: запропоновані нами методи застосовуються всіма провідними зарубіжними виробниками арматури, скла, клапанів, валків.
• Збільшення міжремонтних циклів: термін експлуатації деталей зростає від 3 до 10 разів.
• Скорочення простоїв: зменшення кількості зупинок, і, менше часу на налагодження устаткування виходу потрібний режим.

Професійне обладнання для наплавлення

Компанія ТОВ «Метсол» представляє до уваги потенційних замовників автоматичні установки плазмового наплавлення від чеського виробника KSK. Обладнання призначене для проведення наплавлення ущільнювальних та робочих поверхонь, включаючи склоформи, сідла запірно-регулюючої арматури, кільця клапана, наплавлення внутрішніх діаметрів. Конструкція плазмотронів підходить для виробів різної форми та способів наплавлення. Розробники пропонують 7 типів плазматронів, які гарантують навіть за максимального режиму роботи ефективне охолодження установки. У процесі роботи допускається коригування налаштувань зварювальних програм оператором через сенсорний екран панелі пульта. Це дозволяє зменшити у тестових зразках відсоток шлюбу.

Якісний підхід

Одним із напрямків діяльності компанії ТОВ «Метсол» є постачання, встановлення та налагодження замовникам встановлення плазмового наплавлення в Єкатеринбурзі. Досвідчені спеціалісти ефективно вирішують виробничі завдання на високому професійному рівні. Сервісна служба володіє сучасними знаннями в галузі зварювальних технологій та металообробки. Вирішивши купити автоматичне встановлення плазмового наплавлення ви отримаєте:

• Підвищення конкурентоспроможності лише на рівні провідних зарубіжних виробників арматури, скла, клапанів, валків.
• Збільшення міжремонтних інтервалів: термін експлуатації деталей зростає від 3 до 10 разів.
• Скорочення простоїв та кількості зупинок.

При плазмовому наплавленні на відміну від аргоіодугового наплавлення електрична дуга стискається стінками сопла, що охолоджується. Для плазмового наплавлення в повітряному середовищі розроблені порошкові сплави на залізній основі до складу яких входять сильні розкислювачі та нітридоутворюючі елементи. Плазмовий струмінь отримують за допомогою плазмотронів, які за різними класифікаційними ознаками утворюють наступні групи: за способом взаємодії дугового розряду з виробом прямої дії непрямого комбінованого; за способом стиснення дугового...

Поділіться роботою у соціальних мережах

Якщо ця робота Вам не підійшла внизу сторінки, є список схожих робіт. Також Ви можете скористатися кнопкою пошук

Лекція 12

Плазмова наплавка

Плазмова наплавка -це процес нанесення покриттів плазмовим струменем, коли деталь включена в ланцюг струму навантаження. У цьому випадку за допомогою плазмового струменя нагріваються поверхня відновлюваної деталі і матеріал, що наноситься. Матеріал переміщається плазмовим струменем. Температура її може перевищувати 20 ТОВ.

При плазмовому наплавленні на відміну від аргоіодугового наплавлення електрична дуга стискається стінками сопла, що охолоджується. Газ, що продувається крізь цю дугу, набуває властивостей плазми - стає іонізованим і електропровідним. Шар газу, що стикається зі стінками сопла, інтенсивно охолоджується, втрачає електропровідність і виконує функції електричної та теплової ізоляції, що призводить до зменшення діаметра плазмового струменя, що становить 0,7 діаметра сопла.

Як плазмоутворюючий газ частіше застосовується аргон (табл. 3.55). Наплавлення із заміною аргону повітрям (до 90%) значно знижує вартість відновлення деталей. Для плазмового наплавлення в повітряному середовищі розроблені порошкові сплави на залізній основі, до складу яких входять сильні розкислювачі та нітридоутворюючі елементи.

Плазмовий струмінь отримують за допомогою плазмотронів, які за різними класифікаційними ознаками утворюють такі групи:

• за способом взаємодії дугового розряду з виробом (прямої дії, непрямого, комбінованого);
• за способом стиснення дугового розряду (стінками каналу сопла, газови м потоком та комбінований);
• за кількістю дуг (одно- та багатодугові);
• за складом плазмообразуючих газів (працюючі на інертних газах, нейтральних і кисневмісних);
• за способом подачі плазмоутворюючого газу (з тангенціальною та аксіальною подачею);
• за видом зварювального струму (змінного та постійного прямого тазворотної полярності);
• за способом додаткового стиснення дуги (з системою каналів, що виходять на торець соплової частини; із системою каналів, що виходять всередину каналу сопла та комбінованою системою каналів);
• за способом подачі матеріалу, що наноситься (радіальною бічною подачею, осьовою подачею через вольфрамовий електрод);
• за величиною струму (для мікроплазмового наплавлення - струм 0,1... 15 А, для плазмового наплавлення - струм 10... 100 А і для наплавлення з глибоким проплавленням - струм > 100 А).

Найбільше застосування знайшли плазмотрони: прямої дії, з комбінованим способом стиснення дугового розряду, однодугові з тангенціальною подачею інертного газу, що працюють на постійному струмі прямої полярності та з радіальною подачею матеріалу. У плазмотрона розрізняють основну дугу між анодом і деталлю і допоміжну між анодом і соплом. Струми обох дуг регулюються баластними реостатами, включеними у відповідні ланцюги.

Найбільш теплонапружені деталі плазмотрону - це електрод та сопло. Матеріал електрода визначається складом плазмоутворюючого середовища. У плазмотронах, що працюють із застосуванням інертних та нейтральних газів (аргон, азот, гелій, суміші: аргон та азот, аргон і водень, азот та водень), використовують електроди з вольфраму. У плазмотронах, що працюють у кисневмісних середовищах, застосовують катоди з гафнію та цирконію. Водоохолоджуване сопло виконане з міді. Сопло, розраховане струм силою 260...310 А, має діаметр отвору для виходу плазми 3...4 мм. Діаметр насадки для подачі захисного газу 10...13 мм.

Переваги плазмового наплавлення в порівнянні з іншими способами нанесення покриттів зводяться до наступного. Гладка та рівна поверхня покриттів дозволяє залишати припуск на обробку 0,4...0,9 мм. Мала глибина проплавлення (0,3...3,5 мм) та невелика зона термічного впливу (3...6 мм) зумовлюють частку основного металу у покритті< 5 %.

Мале вкладення тепла в оброблювану деталь забезпечує невеликі деформації та термічні на структуру основи. При відновленні забезпечується висока зносостійкість наплавлених поверхонь. Спостерігається зниження міцності втоми деталей на 10... 15 %, що набагато менше, ніж при використанні деяких інших видів наплавлення.

Плазмова наплавка знайшла застосування при відновленні відповідальних деталей, до яких, наприклад, відносяться: колінчасті, кулачкові та розподільні вали, вали турбокомпресорів, осі, хрестовини карданних шарнірів, напрямні обладнання, щоки та сідла засувок, шнеки екструдерів та ін. Область застосування способутонкошарових покриттів на навантажені деталіз малим зносом. Плазмове наплавлення тонкошарових покриттів становить конкуренцію процесам нанесення гальванічних покриттів.

При плазмовому наплавленні одержують покриття товщиною 0,2...6,5 мм і шириною 1,2...45 мм. Якщо наноситься легкоплавкий матеріал, можливо нанесення покриття з проплавленням дуже тонких поверхневих шарів без оплавлення поверхні.

Термічний ККД наплавлення в 2...3 рази вище, ніж за електродугового процесу. Продуктивність процесу 0,4...5,5 кг/год.

Розрізняють наплавку по гвинтовій лінії з безперервною подачею плазмотрона і широкошарову наплавку з його гармонійними коливаннями щодо осі деталі, що обертається. Для нанесення покриттів завтовшки > 4 мм застосовують багатошарову наплавку.

Матеріали для плазмового наплавлення дуже різноманітні, включаючи залізовуглецеві високолеговані сплави, колмоною, стеллити, інструментальні та швидкорізальні сталі. Застосовують прутки, дріт, порошки та комбінації матеріалів.

При наплавленні сідел клапанів (у тому числі і при виготовленні двигунів) Росія, Великобританія, Німеччина, США і Японія застосовують хромокобальтові сплави - стеліти, які мають більш високу жаростійкість при температурі 600...650 °С, ніж хромонікелеві сплави, що самофлюсуються, леговані бором. та кремнієм.

Відбувся перехід з індукційної наплавки та наплавлення наморожуванням цього матеріалу на плазмову наплавку. Це пов'язано з тим,що залізо є шкідливою домішкою в наплавних сплавах Co - Cr - W - C . Розведення наплавленого металу залізом призводить до зниження жароміцності та корозійної стійкості покриттів. При цьому твердість сплавів за кімнатної температури залишається практично постійною, але при високих температурах вона різко знижується. Швидкість корозії у розчинах соляної та азотної кислот у стеллітів з добавкою заліза збільшується приблизно в 10 разів.

Міцні та в'язкі покриття виходять із сталей, легованих ванадієм. Ванадій має високу спорідненість до вуглецю; його карбіди зберігають стехіометричну будову та високу твердість у процесі наплавлення. Нерозплавлені частинки карбіду ванадію стимулюють утворення розплаву дрібнозернистої структури. Висока твердість карбідів ванадію (2900...2940) HV 0,2 ) забезпечує високу зносостійкість покриття.

Хороші результати при відновленні деталей плазмовим наплавленням дає застосування порошкових матеріалів. В цьому випадку:

можлива зміна в широких межах товщини покриття (0,1...7 мм), швидкості (0,5...25 м/хв) та продуктивності наплавлення (0,6... 15 кг/год), ширини шва ( 1...45 мм) і складу металу, що наплавляється за рахунок зміни застосовуваних матеріалів і режимів процесу;

забезпечується простота управління введенням тепла в матеріал деталі та глибиною його проплавлення незалежно від подачі матеріалу;

полегшується вибір присадочного матеріалу для отримання покриттів (у тому числі композиційних) різних складів та структур із заданими властивостями шляхом змішування різних порошків;

Оптимальний розмір частинок порошку 60...100 мкм. Краще подавати присадковий порошок уздовж осі плазмового струменя через отвір анотак, у цьому випадку повністю розплавляються частинки розміром 200 ...250 мкм, і створюються найкращі умовидля розплавлення та формування покриття.

Високе значення термічного ККД (до 0,44) плазмовий наплавкі та зменшення вкладення тепла у матеріал деталі досягаються при виконанні двох вимог. По-перше, частки мають розплавлятися у плазмовій дузі та потрапляти на поверхню деталі в рідкому стані. Якщо частки потрапляють на поверхню в твердому стані, то потрібен час для їх розплавлення безпосередньо в зварювальних ванні, що призводить до збільшення її розмірів та, відповідно, глибини проплавлення. По-друге, частинки повинні переміщатися близько до осі плазмового струменя. Рух частинок по периферії струменя і поза нею призводить не тільки до втрат порошку, але і до дефектів покриття. Цим пояснюється найбільша теплова ефективність плазмотронів з аксіаль.ним введенням порошку.

Температура поверхні, що наплавляється деталі змінюється під дією тепла попереднього підігріву, тепла від попередніх валиків Н тепла від валика, що наноситься в даний момент часу. Через деякий час відведення тепла зрівнюється з його підведенням, що призводить до досягнення матеріалом деталі.теплового насичення. Підвищення термічного ККД плазмового наплавлення та виключення перегріву деталі забезпечуються попереднім нагріванням деталі та обмеженням потужності плазмотрона приблизно на 40% безпосередньо в процесі наплавлення. Це стосується і плазмово-порошкової наплавки, теплова потужністьякої може регулюватися незалежно від витратитак порошку, що подається.

Електромагнітне наплавлення

Сутність електромагнітного наплавленняполягає в нанесенні покриття з порошку на поверхню заготівлі в магнітному полі при пропусканні постійного струму великої сили через зони контакту частинок порошку між собою та із заготівлею.

Магнітне поле створюють у зазорі між заготовкою та полюсним наконечником. Воно вибудовує містки частинок феромагнітного порошку між вказаними елементами. На магнітне поле, у свою чергу, накладають електричне полешляхом докладання напруги до заготівлі та полюсного наконечника. Відновне покриття виходить за рахунок нагрівання частинок порошку в зазорі, їх оплавлення та закріплення на поверхні, що відновлюється.

Процес розроблено та вдосконалюється в Білорусі. Наразі плідні дослідження веде наукова школа БАТУ (Мінськ) під керівництвом проф. Л.М. Кожуро.

Хорошу оброблюваність і зносостійкість мають покриття з високохромистого чавуну С-300 евтектичного складу та з швидкорізальних сталей Р6М5К5 та Р6М5ФЗ. Щільність потужності досягає значень 510 4...510 5 Вт/см 2 .

Процес характеризується деякою нестабільністю через хаотичного формування багатоелектродної системи та дискретного розплавлення ланцюжків-електродів із зерен порошку в робочому зазорі. Усунути цей недолік можна подачею в робочий зазор присадочного матеріалу у вигляді безперервно надходить шару пасти і подальшим її розплавленням ізольованим електродом, що не плавиться. Основою паст служать леговані порошки на залізній основі. Fe-V, Fe-Ti, Fe-Cr , С-300, ПЖРВ2) зернистістю 150...300 мкм, які перемішуються зі сполучним (рідким склом) безпосередньо перед наплавленням в об'ємному співвідношенні 2:1. Це дозволяє підвищити продуктивність за рахунок збільшення густини струму до 3 А/мм. 2 . Можна отримати покриття

товщиною ~2 мм. Стабільність наплавлення ще більше підвищується, якщо

феромагнітний порошок подають у робочу зону в потоці робочої рідини.

Пристрої для реалізації електромагнітного наплавлення можуть бути виконані за одно- або двополюсною схемою. Двополюсна схема за інших рівних умов дає більш високу стабільність і продуктивність наплавлення, але однополюсна більш універсальна. Наплавлення в пульсуючому магнітному полі за рахунок вібрації полюсного наконечника виключає коротке замикання ланцюга розрядного струму, що дозволяє використовувати неімпульсні джерела струму і стабілізувати процес. Можна відновлювати як циліндричні, і плоскі поверхні.

Спосіб дозволяє поєднувати у часі процеси нанесення покриття та поверхневого пластичного деформування. Поєднання забезпечує отримання стискаючих залишкових напруг у наплавленому шарі (втомна міцність збільшується в 1,2...1,4 рази), підвищення його зносостійкості в 1,8...2,7 рази,Електромагнітну наплавку можна поєднувати зі шліфуванням абразивними частинками матеріалу, що наноситься.

Область застосування процесу - відновлення та зміцнення деталей зі зносом до 0,6 мм у дрібно- та середньосерійному виробництвах з одночасним їх поверхневим пластичним деформуванням.

Лазерна наплавка

Лазерна наплавкавикористовує як джерело тепла концентрований промінь лазера.

За допомогою лазерів виконують: наплавлення, оплавлення напилених поверхонь, поверхневе легування, поверхневе загартування та аморфізацію матеріалу. Лазерний вид нагріву дозволяє також усувати пошкодження у виглядітріщин у високонавантажених деталях з нерегулярним режимом навантаження,, з'єднувати деталі у важкодоступних місцях Після лазерної обробки деталей з тріщинами за режимом, що забезпечує їх часткове оплавлення, з подальшою нормалізацією деталі робота руйнування деталі на 30% вище порівняно зі зразками, що мають початкові тріщини.

Виняткова локальність впливу променя за рахунок високої щільності енергії визначає сферу застосування лазерної наплавки. Вона застосовується при відновленні відповідальних деталей (гладких млів та деталей зі складним профілем) із місцевим зносом. Спосіб найбільш ефективний при відновленні поверхонь площею 5...50 ммі величиною зношування 0,1...1,0 мм, при цьому витрата порошків невелика, глибина термічного впливу зазвичай не перевищує 0,5...0,6 мм, а деформації деталі відсутні. За допомогою лазерного наплавлення відновлюють, наприклад, кулачки розподільних валів, поверхні ротора турбокомпресора, осі фільтрів тонкого очищення олії, фаски клапанів.

Як обладнання частіше застосовують установки ЛГН-702, УЛГН-502 та ЛОК-ЗМ.

При лазерній наплавці реалізують такі переваги цього виду нагріву:

велику швидкість виконання операції;

широкі технологічні можливості;

висока якість поверхні після обробки;

можливість місцевої обробки;

легкість автоматизації;

обробку внутрішніх поверхонь великих та малих діаметрів за допомогоюВажливим параметром є напрямок подачі порошку щодо руху деталі при лазерній наплавці. Подача порошку в напрямку деталі, що рухається, забезпечує хороше формування наплавлених валиків. Процес формування за такої схеми стабільний: коливання висоти і ширини валика незначні (10... 15%). При подачі порошку назустріч поверхні деталі, що рухається, газопорошковий струмінь відтісняє рідкий метал від частини, що закристалізується, внаслідок чого він дещо розтікається по поверхні, збільшуючи площу ванни плавлення. При цьому зростає кількість частинок порошку, що потрапляють у розплав, і трохи збільшуються розміри валиків порівняно з випадком подачі порошку вслід рухомої деталі. Однак геометричні розміри відрізняються нестабільністю, розкид висоти та ширини валика досягають 50...60%.

Якість покриттів залежить також від товщини шару, що наплавляється, і перекриття валиків. Залежність висоти наплавлення від кута введення порошку має екстремальний характер.

Один із видів лазерного наплавлення - це оплавлення шлікерних покриттів. Наплавлення шлікерних обмазок доцільне при відновленні плоских поверхонь або локально зношених ділянок деталей у важкодоступних місцях. Матеріал готують у вигляді колоїдної суміші порошку в розчині целюлози. У цьому випадку наплавний матеріал повністю використовується. Для отримання якісних покриттів гарної якості лазером кіловатної потужності товщина обмазки не повинна перевищувати 1 мм, а для лазера потужністю 2,5 кВт.< 2 мм. Коэффициент перекрытия при этом должен составлять не менее половины диаметра рабочего пятна.

Твердість покриттів з порошків, що самофлюсуються, становить 35...60 HRC для підкладки зі сталі та 45...60 HRC для підкладки із чавуну. Товщина нанесеного шару досягає 40...50 мкм. Міцність поєднання покриття з матеріалом підкладки > 250 МПа.

Лазерне оплавлення напилених покриттів - один із способів покращення їх властивостей. Структура оплавлених лазером шарів характеризується надзвичайною дисперсністю, відсутністю оксидних включень та пір. Зміст елементів, що легують, в оплавлених ділянках мало відрізняється від вихідного. При лазерному оплавленні покриттів на оптимальному режимі, отриманих напиленням, можна досягти такого стану поверхні, при якому подальша механічна обробка є обробкою (наприклад, шліфування). Поверхневе легування - це введення в оплавлений шар будь-яких легуючих елементів і навіть карбідів. Тривалість процесу вимірюється секундами, тоді як за хіміко-термічної обробці (ХТО) - годинами. Регулюючи потужність лазерного променя, тривалість нагріву, швидкість обертання виробу та крок переміщення променя можна досягти різної ширини оплавлення: 0,05...5 мм.

Порошок на поверхню деталі наносять як пасту, примішану на рідкому склі, у вигляді наплавленого шару або фольги потрібного складу. Є спосіб легування вдуванням порошку в шар, що оплавляється. Вуглець вводять у вигляді графіту, а легуючі елементи - в елементному вигляді або як феросплави. Аналогічно вводять реліт, сплави типу ВК та ін. Твердість та глибина легованого шару залежать від потужності променя та числа імпульсів.

Особливість поверхневого загартування полягає в нагріванні та охолодженні поверхні зі швидкостями, що досягають 10 5 К/с, при цьому нагрівання проводиться за режимом, що не дає оплавлення поверхні. Внаслідок високої швидкості охолодження метал не перегрівається, має місце повна гомогенізація структури. При охолодженні утворюється безструктурний мартенсит, що сприяє підвищенню твердості та зносостійкості (> 1000) HV).

Засклення поверхні (аморфізація) виходить при нагріванні деталі з оплавленням. Твердість поверхні досягає 2000 HV , довговічність у своїй підвищується. Шари укладаються щільними рядами або з перекриттям. В обох випадках на межі шару буде м'яка зона або на ділянці теплового впливу або в зоні перекриття. На зносостійкість ці м'які ділянки не впливають, скоріше навіть мають позитивне значення, оскільки після невеликого зношування вони стануть місцем для затримання мастила і відведення продуктів зношування.нескладних оптичних пристроїв.

Порошкова лазерна наплавка полягає в отриманні покриттів шляхом примусової подачі порошку газовим потоком у зону лазерного випромінювання. Частинки порошку починають нагріватися в лазерному промені та розплавляються в поверхневому шарі. Цей вид наплавлення визначається такими параметрами (інтервали оптимальних значень наведені у дужках):

потужністю лазерного випромінювання (I...3 кВт);

швидкістю переміщення відновлюваної поверхні під опроміненням (16,7...33,3 мм/с);

діаметром плями нагріву, що визначається умовами фокусування випромінювання (10... 15 мм);

Масовою витратою порошку, що подається в зону обробки (2,1...3,2 кг/год);

Кутом введення порошку (30...35 °).

Збільшення потужності лазера призводить до збільшення кількості порошку, що розплавляється, внаслідок чого зростає ширина і висота наплавлених валиків.

Підвищення швидкості обробки призводить до суттєвого зменшення геометричних розмірів наплавлених валиків. Це пов'язано з тим, що зі збільшенням швидкості обробки при постійної потужностізменшується питома погонна енергія, і навіть масовий витрата порошку.

Вплив ступеня фокусування на геометричні параметри валиків, що наплавляються, неоднозначно. Зі зменшенням ступеня фокусування при постійній потужності знижується щільність потужності випромінювання, що призводить до зменшення кількості розплавленого порошку та висоти розплавленого валика.

Плазмове зварювання

Плазмове зварювання відноситься до дугового виду зварювання і характеризується штучним: стиском стовпа дуги в каналі сопла потоком газу або магнітним полем. Мікроплазмове зварювання визначено як «плазмове зварювання, при якому сила струму не перевищує двадцяти ампер». Однак на відміну від інших дугових способів у процесі плазмового зварювання проникаючою дугою формування ванни та шва відбувається при додатковому впливі плазмово-газового потоку.

Перша згадка про розробку плазмового зварювання відноситься до 1950-х років. |2]. Протягом 1960-х років. було запропоновано кілька принципів формування плазмово-газового потоку. У ті ж роки в ряді країн було розроблено та впроваджено обладнання та технологію мікроплазмового зварювання сполук товщиною 0,2...1 мм.

В ІЕС імені Є. О. Патона для виготовлення конструкцій з алюмінію вперше у світі було розроблено плазмово-дугове зварювання на змінному струмі синусоїдальної форми та мікроплазмове зварювання на постійному струмі зворотної полярності та на змінному струмі. У ряді галузевих НДІ та заводських лабораторіях СРСР так само, як і в зарубіжних фірмах, велися інтенсивні дослідження, в ході яких було розроблено обладнання та технологія плазмового зварювання дугою непрямої дії, на постійному струмі прямої та зворотної полярності, дугою прямої дії (рис. 1). , Трифазною дугою (рис. 2), з подвійними дугами неплавящимися і плавящимися електродами з окремими джерелами живлення (рис. 3) . . Схема з двома дугами була реалізована на початку 1970-х рр. в процесах, що отримали назву плазма-МІГ "зварювання" (-фірма «Філіпс»). У 1960 р. в ІЕС ім. дугою здвоєним плазмотроном або плазмотроном і дуговим пальником, розташованими по обидва боки від поверхні виробу, що зварюється (рис. 4) .

Мал. 1. Схема плазмової зварювання: дугою прямої дії (а); мікроплазмової на зворотній полярності (б); непрямої дії (в): 1 – електрод; 2 – сопло; 3,4 - джерело відповідно допоміжної та основної дуги; 5 – плазмова дуга; 6 – допоміжна дуга; 7 – виріб; 8 – дуга зворотної полярності; 9 - стовп дуги та смолоскип

При проектуванні зварювальних плазмотронів враховується низка вимог і насамперед необхідність підвищення проплавної здатності плазми та забезпечення хорошого формування та якості металу шва. Тому питання геометрії та компонування електродного та шлакового (захисного або плазмово-формуючого) вузлів вирішуються в комплекті. Стабілізація дуги та підвищення її проплавної здатності досягається кількома шляхами: 1) підвищенням електричної потужностііз збереженням ступеня стиснення (тобто із постійною щільністю струму в каналі плазмотрона); 2) підвищенням ступеня стиснення шляхом зменшення діаметра каналу, зміни геометрії електродно-соплового вузла з ним; 3) комбінацією підключення до джерел живлення електродів та сопла, взаємодії основної, чергової та допоміжної дуг, а також застосуванням імпульсних режимів живлення; 4) комбінацією процесів (неплавиться і плавиться електродами) в умовах обдування потоком газу і т. п.

Мал. 2. Схема плазмового зварювання трифазною дугою: 1 – електроди; 2 - дуги прямої та непрямої дії; 3 – джерело живлення; 4 - виріб

Розроблено принципові схеми побудови електродно-соплового вузла. Сопло з довгим прямим циліндричним каналом, діаметр якого можна порівняти з діаметром вольфрамового електрода, знайшло застосування при зварюванні на змінному струмі і постійному струмі зворотної полярності. Зварні з'єднання, виконані плазмово дугою, характеризуються глибоким проваром і незначною шириною шва, причому ці параметри шва забезпечуються на швидкостях, які при однаковій мопшості дуги перевищують швидкості, інших дугових способів. У зв'язку з цим термічна ефективність процесу вигідно відрізняється від показників відомих дугових способів. Додаткового стиснення на виході з каналу вдається досягти за допомогою потоку газу, що «фокусує».

Мал. 3. Схема плазмово-дугового зварювання з бічним поданням електродного дроту: 1 - електрод плазмотрону; 2-плазмотрон; 3 - електрод, що плавиться; 4 – джерело живлення плазмотрону; 5 - джерело живлення електрода, що плавиться; 6 – плазмова дуга; 7 - дуга електрода, що плавиться; 8 - виріб

Мал. 4. Схема плазмово-дугової біполярної: 1 – електрод плазмотрону; 2-плазмотрон; 3 – електрод; 2, 4-сопло; 5 – виріб; 6 - джерело живлення

Завдання якісного формування металу шва має вирішуватися одночасно із забезпеченням достатньої глибини проплавлення та високої продуктивності процесу. Однак підвищення щільності плазмово-газового струменя та його тиску викликає дефекти формування, найбільш характерними є підрізи та напливи. Прагнення зменшити динамічний напір плазмово-газового потоку при достатньо високого ступенястиснення стовпа дуги призвело до ідеї засмоктувати газ, що стискає, в канал сопла в напрямку від поверхні виробу (рис. 3). З цією ж метою був розроблений плазмотрон із системою подачі газу, що стискає, в радіальному напрямку через стінку каналу з пористого газопроникного матеріалу (рис. 6) .

Застосування роздільного та незалежного регулювання тепловмісту основного та рідкого металу, що наплавляється відкриває нові технологічні можливості, зокрема, сприяє зниженню перегріву зварювальної ванни та отриманню мінімального перемішування присадкового металу з основним. Так, процес зварювання плазма-МИГ дозволяє роздільно регулювати тепловкладання в основний та присадковий метал. Наприклад, при зварюванні зразків товщиною 16 мм на корозійностійкій сталі заповнення оброблення здійснювали за один прохід. При мінімальному перемішуванні основного металу з рідким присадним металом з'являється можливість одержати шов з будь-якою формою поперечного перерізу без зміни форми оброблення.

Мал. 5. Схема плазмотрону зі зворотним потоком плазмоутворюючого газу

Спочатку плазмовий процес було здійснено з використанням серійних джерел живлення, що застосовуються для звичайних способів дугового зварювання з модернізованою силовою схемою та схемою управління (для підвищення напруги додавалися обмотки: допоміжна дуга харчувалася від спеціальної приставки). Принципово нові джерела живлення апаратів з тиристорним управлінням були розроблені для мікроплазмового імпульсного зварювання та інших способів . Одним з перших джерел живлення дуги для зварювання на змінному струмі, вторинна обмотка трансформатора якого секціонована і в галузі, що пропускає струм прямої полярності, випрямляч виконаний керованим . 1967 р. в ІЕС ім. Е. О. Патона розроблений спосіб контролю провару кореня шва в процесі плазмового зварювання шляхом зміни електропровідності іонізованого смолоскипа дуги, що проходить через зварювальну ванну. Надалі цей спосіб був використаний з метою автоматизації технології.

Мал. 6. Схема плазмотрону з пористим соплом і радіальною подачею газу, що "стискає": 1 - вольфрамовий електрод; 2 – сопло; 3 - вставка з пористого вольфрамо-мідного сплаву

Слід зазначити, що перші способи плазмового зварювання знайшли застосування під час виробництва відповідальних конструкцій. У 1960-1970 pp. дослідження в галузі плазмових технологій як у СРСР, так і за кордоном були спрямовані на вирішення проблем авіа та ракетобудування, електроніки, ядерної енергетики, кріогенної техніки. Основна увага приділялася покращенню якості зварювання виробів з алюмінієвих, корозійностійких та жароміцних сплавів та титану у великому діапазоні товщин різних типів сполук. Як плазмоутворювальні гази використовували аргон або гелій (у ряді випадків з добавкою водню). Плазмове зварювання на змінному струмі застосовували при виготовленні апаратних затискачів (контактних наконечників) для ліній високовольтних передач, що складаються з алюмінієвої пластини, що обмежується, товщиною 6 мм і алюмінієвої штампованої деталі Т-подібної форми товщиною 12 мм . Завдання виготовлення кріогенних трубопроводів довжиною до 12000 мм діаметром від 150 до 600 мм і товщиною стінки від 2,0 до 8,0 мм із сталі 12Х18Н10Т у НВО «Кріогенмаш» (РФ) було вирішено за допомогою плазмового зварювання на вазі. Через десять років після впровадження зварювання проникаючою плазмовою дугою змінного струму у виробництво паливних баків ракет в СРСР, аналогічна технологія почала впроваджуватися в США замість аргонодугового зварювання зовнішніх алюмінієвих баків на багаторазовому космічному кораблі «Шаттл». Цій технології відводять велику роль космічних станцій. У 1989 р. НАСА (NASA) обрала технологію плазмового зварювання виготовлення твердопаливних двигунів космічної ракети для доставки конструкцій міжнародної космічної станції «Фрідом». У 1979 р. в ІЗС ім. Е. О. Патона експериментально була встановлена ​​можливість» плазмового зварювання у вуглекислому ки з цирконієвим і гафнієвим катодами і були зварені повітроводи і каністри з маловуглецевих низьколегованих сталей.

Мікроплазмове зварювання протягом десятиліть є незамінним при виготовленні та ремонті виробів електронної, ювелірної, годинної промисловості, у виробництві приладів, тонкостінних трубок, сильфонів, зубопротезуванні з багатьох типів сталей, золота, титану, вольфраму, ванадію, міді, молібдену, ніобію, цирконію та ряд інших металів.

Завдяки плазма-МІГ зварюванню вдалося вирішити низку проблем технології виготовлення конструкцій жаростійких та жароміцних високолегованих сталей. Зокрема невисока якість стикових з'єднань сплаву Е11-202 товщиною 8...12 мм було отримано при однопрохідному плазма-МІГ зварюванні. Великий досвід ефективного застосування плазма-МІГ зварювання алюмінієвих цистерн накопичений фірмою "Швельмер айзенверк Мюллер унд компані" (ФРН). Застосувавши обладнання фірми «Філіпс», вдалося повністю виключити пори, підрізи та інші дефекти в металі шва при одночасному збільшенні швидкості зварювання в порівнянні з раніше використовуваним дуговим зварюванням електродом, що плавиться. Однак оnмечена розробка в Пермському ГТУ плазмового зварювання електродом, що плавиться, забезпечує бездефектні зварні шви із заданими розмірами при великих швидкостях зварювання (>100 м/год) і товщині металу, що зварюється (алюмінієвих і титанових сплавів, складнолегованих сталей) за один прохід без розділення мм, з обробкою кромок понад 20 мм. В ІЕЗ ім. Е. О. Патона розроблено спосіб плазмово-порошкового зварювання, при якому порошок подається в плазму та заповнює обробку. Процес перевірений при механізованому та ручному зварюванні металу товщиною 1...30 мм у всіх просторових положеннях. При варіюванні складами присадних порошків відкриваються нові можливості отримання нероз'ємних сполук металевих, композиційних та керамічних матеріалів.

Перспективним є спосіб зварювання, заснований на одночасному нагріванні зварювальної ванни плазмовою дугою та променем лазера. Перші дослідження такого «гібридного» способу зварювання показали, що він має цілу низку особливостей, які не можна пояснити простою суперпозицією властивостей джерел, що використовуються, джерел нагріву взятих окремо. Так, за рахунок поглинання лазерного випромінювання в плазмі реалізується особливий вид газового розряду – комбінований лазерно-дуговий розряд.

Мал. 7. Схема комбінованого лазерно-плазмового процесу обробки виробу: 1 – промінь лазера; 2 – плазмотрон; 3 – плазмова дуга; 4 – зварювальна ванна; 5 - виріб

Близько трьох десятиліть розвивається плазмова хірургія. Випробування апаратури та хірургічні операції на тваринах показали велику перспективність застосування плазмової технології в медицині.

Дугове зварювання ряду виробів складної форми вимагає регулювання потужності теплового потоку відповідно до умов тепловідведення, що змінюється по довжині шва. При серійному та масовому виробництві таких виробів лише автоматичне керування режимом зварювання забезпечує високу продуктивність при хорошій продуктивності результатів зварювання та стабільності геометрії шва. Порівняно з дуговими способами зварювання, плазмово-дугова має максимальну кількість параметрів, які можна діагностувати та змінювати у процесі зварювання.

У зв'язку з тим, що плазмове зварювання з наскрізним проплавленням має унікальну можливість контролю за станом ванни по іонізованому факелу, одним із напрямків досліджень є вивчення цього процесу і в результаті візуалізація на екрані та комп'ютерне програмування режимів зварювання. У короткому огляді новин зварювальної техніки за 1999 р. основним напрямом досліджень із плазмового зварювання вказується вивчення механізму наскрізного проплавлення, впливу параметрів режиму на технологічні властивості з метою програмування та комп'ютеризації. Фірма «Арк кінетикс» (Великобританія) розробила та випускає установки для плазмового зварювання, керовані комп'ютером, зокрема, комп'ютеризувала точкове плазмове зварювання, що застосовувалося під час виготовлення автомобіля «ягуар» (замість контактного зварювання).

Металознавство та металургія входять у XXI ст. з новими металевими матеріалами, більшість з яких набуває необхідних експлуатаційних властивостей при термообробці. Для їх зварювання застосовуються процеси, що дозволяють управляти тепловкладенням не на шкоду якісним показникам (відсутність дефектів, мінімальні деформації та ін.). З огляду на це розвиваються електронно-променева, лазерна та інші технології. Однак застосування плазмового зварювання, особливо комбінованих способів, може бути простіше в апаратурному забезпеченні та техніці виконання. Плазмове зварювання має перспективи для подальшого розвитку також завдяки високій продуктивності меншої енергоємності.

У промислових масштабах плазмову наплавку почали застосовувати в СРСР та США у 60-х роках. минулого століття. За минулі десятиліття розроблені численні способи плазмової наплавки, при яких наплавлюваний виріб включається в електричний ланцюг (наплавлення плазмовою дугою) або є нейтральним (наплавлення плазмовим струменем), а як присадочні матеріали використовуються порошки, дроти, пасти, литі прутки, пластини. .

За видом застосовуваного присадного матеріалу відомі способи плазмового наплавлення можна розділити на три основні групи:

наплавлення дротом чи прутками;

наплавлення по нерухомій;

Присадки, укладеної або якимось чином закріпленої на поверхні, що наплавляється;

Плазмова наплавка дротом (прутками)

Наплавлення плазмовим струменем з струмопровідним присадним дротом (рис. 1, а) виконують постійним струмом прямої полярності. Дуга горить між вольфрамовим катодом і дротом, що подається збоку під прямим кутом косі плазмотрона. Між катодом і соплом плазмотрону постійно горить також слаботочна (15-25 А) чергова дуга (на схемі не показана), яка забезпечує надійне збудження та стійке горіння робочої дуги.

Основний метал нагрівається за рахунок теплового впливу струменя плазми і теплоти, що переноситься краплями присадного металу. Ефективна теплова потужність такого джерела нагрівання залежить від струму дуги та відстані h між дротом та основним металом (рис. 2). Зберігаючи струм і, отже, швидкість плавлення присадного дроту незмінними, варіюючи h, можна досить широких межах змінювати потужність, витрачається на нагрівання основного металу. Завдяки цьому при наплавленні плазмовим струменем можна регулювати теплові та дифузійні процеси на межі сплавлення, що визначають глибину проплавлення основного металу та його вміст у наплавленому шарі, протяжність, склад та сплавлення.

Мал. 8. Схеми плазмового наплавлення з присадкою одного дроту: а - плазмовим струменем з струмопровідним присадним дротом; б - плазмовою дугою з нейтральним присадним дротом; в - комбінованою (подвійною) дугою; 1-захисне сопло; 2 - формуюче сопло; 3 – захисний газ; 4 - плазмоутворюючий газ; 5 - електрод; 6,7 - джерела живлення непрямої дуги та дуги прямої дії відповідно; 8 - дріт; 9 - виріб

За продуктивністю (4 - 10 кг/год) наплавлення плазмовим струменем з струмопровідним дротом можна порівняти з наплавленням під флюсом дротяним електродом. Коефіцієнт наплавлення становить 25-30 г/(А год).

Наплавлення плазмовим струменем застосовують у судновому машинобудуванні для нанесення корозійно-стійких та антифрикційних сплавів. Наплавлення різних валів, штоків арматури та інших деталей виконують мідними сплавами із застосуванням присадкових дротів суцільного перерізу або порошкових Бр КМц 3-1, Бр АМц 9-2, Бр АЖНМц 8,5-4-5-1,5, МНЖКТ 5-1 -0,2-0,2, Бр ОН8-3 та ін. Плазмоутворюючий та захисний газ - аргон. Перед наплавленням алюмінієвих бронз на поверхню виробу наносять тонкий шар флюсу 34-А. Деталі запірної арматури суднових трубопроводів наплавляють дротом Св-02Х19Н9, CB-06X19H10T та ін.

Використовуючи замість дроту зварно-литі прутки або трубчасті електроди, цим способом можна наплавляти також зносостійкі сплави - стелліт, сор-майт, реліт та ін. Однак це менш надійно та зручно, ніж наплавлення з присадкою дроту.

Наплавлення плазмовою дугою з нейтральним присадним дротом (див. рис. 1 б) вперше була описана в роботі . Наплавлення із застосуванням нейтральної присадки можна виконувати механізованим способом і вручну. Те, що присадочний дріт електрично нейтральний, знижує інтенсивність його плавлення, але в ряді випадків дає певні технологічні і металургійні вигоди: менше розбризкування при наплавленні порошковим дротом, менше чад легковипаровуються легуючих елементів, попереджається надмірне розчинення карбідних композицій і зерен.

При струмі 300-500 А продуктивність наплавлення досягає 6-9 кг/год. На практиці продуктивність наплавлення за цією схемою значно нижча, оскільки зі зростанням струму неприпустимо збільшується проплавлення основного металу. Наприклад, наплавлення стелліту дугою прямої полярності з присадкою порошкового дроту діаметром 2,4 та 3,2 мм рекомендується вести на струмі 80-150 та 120-170 А відповідно. При цьому продуктивність наплавлення становить 1,4-2,5 кг/год частка основного металу в першому шарі у 0 =15 %. Продуктивність наплавлення стелліту плазмовою дугою зворотної полярності приблизно така ж - близько 1,8 кг/год при струмі 200-220 А, але проплавлення основного металу значно менше (0< 5 %).

Наплавлення плазмовою дугою з нейтральним присадним дротом знайшла значне та різноманітне застосування в промисловості. Цим способом наплавляють мідь та її сплави, інструментальні сталі, жароміцні та корозійностійкі сплави на основі нікелю, кобальту та титану, композиційні та інші матеріали.

Як присадковий матеріал використовують дріт суцільного перерізу, порошковий дріт або литі прутки. Для прецизійної наплавки застосовують присадний дріт діаметром 0,4-0,6 мм. Плазмоутворюючим газом служить аргон або аргоногелієва суміш, захисним - аргон, азот, суміш аргону, що містить 5-8% водню, та інші гази та суміші в залежності від металу, що наплавляється. При наплавленні на зворотній полярності рекомендується додавати в захисний газ невелику кількість кисню (0,1-0,2 %) або С0 2 що зменшує діаметр плями нагріву плазмової дуги, підвищує її стабільність і покращує формування наплавлених валиків.

Характерні деталі, що наплавляються - клапани і сідла клапанів двигунів внутрішнього згоряння, деталі трубопровідної арматури для води, пари і газу, ножі для різання металу, прокатні валки, штампи, шнеки, замки і муфти бурильних труб, лабіринтні ущільнення авіаційних турбін та ін.

У ВНДІЕСО розроблені універсальні установки УПН-601 і УПН-602, що дозволяють вести наплавку плазмовою дугою прямої та зворотної полярності з струмопровідним або нейтральним присадним дротом. В ІЕЗ ім. Е. О. Патона розроблена спеціалізована установка 06-1795 для плазмового наплавлення замків та муфт бурильних труб з присадкою "стрічкового реліту".

75 100 125 150 Iпр, А

75 100 125 150 Iпр, А

Мал. 9. Залежність ефективної теплової потужності q плазмового струменя (а) і плазмового струменя з розплавленим присадним металом (б) відтоку 1 пр (присадний дріт 0X18НЕТ діаметром 1,6 мм): 1-5- відстань від дроту до виробу відповідно 5, 10, 15, 20 та 30 мм.

Для ремонту дрібних прецизійних вирубних штампів, що широко застосовуються в приладобудуванні, радіо- та електротехнічній промисловості, ефективною виявилася ручна мікроплазмова наплавка. Для наплавлення використовують серійні установки для мікроплазмового зварювання УПУ-4; присадковий матеріал - порошковий дріт ПП-АН148 діаметром 1,6-2,0 мм. Завдяки малому термічному впливу мікроплазмової дуги на основний метал відновлені штампи із загартованої сталі Х12 зберігають твердість, не потребують подальшої термічної обробки та не вимагають великих витрат на механічну обробку.

Іншим прикладом прецизійного наплавлення, що виконується за допомогою мікроплазмової дуги, але не вручну, а механізованим способом, є відновлення лабіринтних ущільнень авіаційних турбін. Наплавлення виконують в імпульсному режимі: мінімальні значення струму 2-5 А, максимальні - 7-15 А, частота імпульсів 10-50 Гц. Основний метал - сплав TiAI6V4, присадковий матеріал - дріт діаметром 0,4-0,6 мм такого ж складу або зі сплавів НХ20К1ЗМ4ТЗЮР та Н50Х20Б5МЗ.

Наплавлення подвійною плазмовою дугою з струмопровідним присадним дротом (див. рис. 1, в) виконують двома дугами прямої або зворотної полярності, що живляться як правило, від автономних джерел . Одна з них горить між електродом плазмотрону та виробом, інша - між електродом та присадним дротом. Плавання присадкового матеріалу відбувається за рахунок теплоти, одержуваної ним шляхом теплообміну з плазмою стовпа дуги електрод-виріб, і теплоти, що виділяється в активній плямі дуги електрод-дроту.

За продуктивністю (10 кг/год) цей спосіб значно перевершує наплавлення плазмовою дугою з нейтральною присадкою, забезпечуючи при цьому в багатьох випадках менше проплавлення основного металу. Порівняно з наплавленням плазмовим струменем з струмопровідним присадним дротом він більш універсальний і надійний.

Практичне застосування знаходить наплавлення подвійною плазмовою дугою зворотної полярності в аргоні. Застосовувані для наплавлення матеріали - сплави на основі міді, хромонікелеві корозійно-стійкі сталі та ін. Успішно застосовують також наплавлення деталей діаметром 300-350 мм із сталі 35 дротом Св-04Х19Н11МЗ. Є досвід наплавлення сталевого валу діаметром 200 мм з довжиною ділянки, що наплавляється близько 3 м бронзою Бр ОН8-3 з підшаром з бронзи Бр КМцЗ-1 .

Товщину наплавленого шару можна регулювати в межах 3-8 мм, незалежно від продуктивності наплавлення. Наплавлення ведеться з поперечними коливаннями наплавної головки (розмах коливань до 70 мм). Зона наплавлення захищається від повітря за допомогою насадки розміром 230х120 мм. Захисний газ – аргон або суміш аргону з воднем; плазмоутворюючий газ - аргон або аргоногелієва суміш.

Практичне застосування плазмова наплавка комбінованою дугою з двома присадковими дротами знайшла в атомному та хімічному машинобудуванні. Наприклад, трубні дошки теплообмінників діаметром 1000-2000 мм і товщиною 120-380 мм наплавляли дротом діаметром 1,6 мм з хромонікелевих сталей Х21Н11 і Х20Н10 або нікелевих сплавів з продуктивністю 16 кг/год. При наплавленні сталлю типу Х20Н10 напрямних регулювальних стрижнів ВВР, незважаючи на малий діаметр деталей (100-200 мм), продуктивність становила 12 кг/год.

Плазмову наплавку "гарячими" дротами виконують при підігріві за рахунок джоулевої теплоти присадочних дротів, підключених до автономного джерела струму (рис. 4). Два присадочні дроти діаметром 1,6 або 2,4 мм подаються з постійною швидкістю у зварювальну ванну, що створюється потужною плазмовою дугою прямої дії. Дроти розташовані V-подібно під кутом 30° один до одного і включені послідовно через зварювальну ванну в ланцюг джерела змінного струму з жорсткою зовнішньою ВАХ. Струм, швидкість подачі дротів і відстань від струмопідвідних мундштуків до поверхні зварювальної ванни вибирають такими, щоб дроти нагрівалися струмом, що проходить майже до температури плавлення, в результаті чого різко підвищується продуктивність наплавлення.

Мал. 10. Схема плазмового наплавлення з присадкою двох дротів: 1 - джерело живлення для дуги електрод-дрот; 2 - джерело живлення дуги електрод-виріб

Наплавлення виконують, як правило, з поперечними коливаннями плазмотрону. При цьому ширина наплавленого валика сягає 60-65 мм. При наплавленні без вагань валик має ширину 18-20 мм. Висота наплавлених валиків 3-6 мм.

Продуктивність плазмового наплавлення гарячими дроти досягає 27 кг/год. Частка основного металу у 0 у наплавленому шарі може бути дуже малою, але на практиці вона зазвичай становить 5-15%.

Розглядається можна наплавляти практично всі метали і сплави (за винятком алюмінієвих), які поставляються у вигляді дротів. Крім дротів суцільного перерізу можна використовувати також порошкові дроти, але без флюсоутворювальних компонентів у сердечнику. У промисловості застосовують наплавлення цим способом хромонікелевих та хромистих сталей, нікелю з вмістом 1-4 % Ti, монелю, інконелю, хастелою В, міді, алюмінієвих та олов'яних бронз та інших сплавів. Деталі, що наплавляються - фланці великих судин високого тиску, трубні дошки теплообмінників, деталі хімічних апаратів, елементи корпусів реакторів і обладнання першого контуру атомних електростанцій.

Плазмова наплавка електродом, що плавиться (рис. 5) являє комбінацію плазмового і дугового зварювання (наплавлення) електродом, що плавиться. Від звичайного дугового наплавлення відрізняється тим, що кінець дротяного електрода і дуга, що горить між дротом і виробом, оточені аксіальним потоком плазми, створюваним плазмовою дугою прямої або непрямої дії. Завдяки цьому значно зростає швидкість плавлення дроту, підвищується стабільність дуги, покращуються перенесення електродного металу та формування наплавлених валиків.

Наплавлення за схемою на рис. 5 а можна вести дугою як прямої, так і зворотної полярності. При зворотній полярності різко зростає теплове навантаження на електрод, що не плавиться, що обмежує струм плазмової дуги. Наприклад, для вольфрамового електрода діаметром 6 мм він повинен перевищувати 200 А.

Щоб підвищити допустимий струм плазмової дуги, застосовують мідний водоохолоджуваний електрод або, що більш ефективно, використовують як електрод, що не плавиться, сопло (рис. 5, б). У другому випадку спрощується конструкція пальника, зменшуються його габаритні розміри.

Продуктивність наплавлення визначається струмом дуги електрода, що плавиться I пе і при I пе = 500 А і вильоті 65 мм становить близько 34 кг/год. При цьому коефіцієнт розплавлення дорівнює 67,8 г/(А год), якщо враховувати тільки струм дуги електрода, що плавиться, або 56,4 г/(А год), якщо враховувати сумарний струм обох дуг.

В якості плазмоутворюючого газу при наплавленні електродом, що плавиться, в більшості випадків використовують аргон. Для захисту зварювальної ванни застосовують залежно від складу електродного дроту та основного металу аргон та його суміші з киснем, вуглекислим газом, гелієм, азотом або воднем, а також вуглекислий газ.

Мал. 11. Схема плазмового наплавлення гарячими дротиками: 1 - джерело постійного струму для живлення плазмової дуги; 2 – джерело змінного струму для підігріву дротів; 3 - дроти присадки

Мал. 12. Схема плазмового наплавлення електродом, що плавиться: а - з неплавким електродом плазмової дуги; б - з мідним соплом як електрод плазмової дуги (з струмопідвідним соплом); 1 – джерело живлення плазмової дуги; 2 - вольфрамовий або водоохолоджуваний мідний електрод; 3 – мундштук; 4 - електродний дріт; 5 - джерело живлення дуги з електродом, що плавиться; 6 – плазмова дуга; 7 - дуга електрода, що плавиться

У промислових умовах плазмову наплавку електродом, що плавиться, застосовують для нанесення зносостійких і антикорозійних сплавів. Хороші результати отримані при відновленні порожнистих роликів установок безперервного розливання сталі. Ефективною виявилася наплавка сплавом інконель 625 шарнірних з'єднань трубопроводів для зливу нафти з танкерів. З технологічних і конструктивних міркувань на практиці застосовують наплавлення дротом діаметром 1,6 мм в два і п'ять шарів продуктивністю від 10 до 20 кг/год залежно від ширини валиків, що наплавляються (30-60 мм).

Наплавлення по нерухомій присадці

Характерна особливість цієї групи способів плазмового наплавлення полягає в тому, що в процесі наплавлення присадка нерухома щодо виробу. Присадковий матеріал укладається, насипається, наклеюється або іншим способом наноситься заздалегідь на поверхню виробу, що підлягає наплавленню, або ж подається на неї в процесі наплавлення, перед дугою. Як присадку використовують кільця або пластини, форма та розміри яких відповідають обробці під наплавлення, пасти, порошки та інші матеріали.

Наплавлення із застосуванням компактної присадки (кілець і пластин) вимагає виготовлення відповідної присадки для кожного типорозміру деталей, що наплавляються, що є технічно і економічно виправданим тільки в умовах серійного виробництва.

Прикладом може бути спосіб плазмового наплавлення випускних клапанів автомобільних двигунів. Присадковим матеріалом для наплавлення клапанів є кільця, що виготовляються з суміші порошків нікелю, xpома, графіту та інших компонентів методами порошкової металургії. Крім легуючих елементів до їх складу введено також невеликі добавки CaF 2 (до 0,1%) та лігатури AI-Се, що покращують зварювально-технологічні властивості кілець.

Схема наплавлення клапанів наведено на рис. 6. Клапан з укладеним у обробку присадним кільцем встановлюють у патроні верстата наплавочного вертикально. Присадкове кільце розплавляється плазмотроном, розташованим під кутом 45" до осі клапана; при цьому на робочій фасці клапана утворюється шар жароміцного корозійно-стійкого сплаву. Щоб запобігти пропалю кромки, знизу до тарілки клапана підтискається мідна водоохолоджується. програмі, завдяки чому виключається утворення дефектів в місці збудження дуги і забезпечується бездоганне замикання кільцевого валика. наплавки по шару пасти, як і пасти ЦИС218 і ЦИС770В, розроблений в Центральному інституті зварювальної техніки (Галле, Німеччина). Основою паст служить суміш порошків металів, феросплавів, карбідів та ін. Fe-Cr-V-Ni-С-сплав. Пасту наносять на зношену поверхню деталі і після висихання оплавляють плазмотроном. З використанням пасти ЦИС218 проводили наплавлення пластин розміром 500х200х6мм, якими облицьовували поверхні, що швидко зношуються роторних екскаваторів. При наплавленні по шару гранульованої присадки (крупки) (рис. 7) присадковий матеріал у вигляді гранул неправильної форми розміром 0,5-3,0 мм у поперечнику заздалегідь насипають рівномірним шаром на поверхню виробу, що наплавляється, або ж подають на неї спеціальним живильником в процесі наплавлення . Розплавляється він плазмотроном, що переміщається слідом за наконечником живильника і робить поперечні коливання, розмах яких дорівнює ширині насипаного шару крупки.

Мал. 14. Схема наплавлення по шару крупки: 1 – джерело живлення; 2 - обмежувальний опір; 3 – електрод; 4,5 - введення захисного та плазмоутворюючого газів відповідно; 6-сопло плазмотрону; 7- живильник для подачі крупки; 8 - крупка; 9 - наплавлений метал

Придатну для наплавлення цим способом крупку можна виготовляти практично з будь-якого крихкого сплаву механічним подрібненням. Виготовлена ​​за такою технологією крупка зі сплавів Со-Сг-W-С, Ni-Cr-Si-В, Fe-Сг-С, Fe-Сг-С-В та ін. має гарні зварювально-технологічні властивості. Осколкова форма дозволяє їм добре утримуватися на поверхні, що наплавляється.

При струмі 250-300 А продуктивність наплавлення становить 6-8 кг/год і може бути значно підвищена при використанні потужніших плазмотронів.

Відцентрове плазмове наплавлення є різновидом способу плазмового наплавлення по шару порошкової або гранульованої присадки стосовно наплавлення внутрішніх поверхонь втулок, гільз та інших деталей циліндричної форми (рис. 8). У циліндричну втулку, що обертається з великою швидкістю, за допомогою завантажувального пристрою засипають необхідну для отримання наплавленого шару заданої товщини кількість порошку (крупки). Під дією відцентрових сил порошок рівномірно розподіляється на внутрішній поверхні втулки. Потім у ній на довгій жорсткій штанзі, всередині якої прокладені комунікації для струму, води та газу, вводиться плазмотрон і збуджується дуга прямої дії. Після утворення кільцевої ванни розплавленого присадного металу включається поздовжнє переміщення плазмотрону.

Наплавлення виконують без флюсу, в аргоні або іншому захисному газі. Як присадковий матеріал добре зарекомендували себе розпилені порошки сплавів Ni-Сr-Si-В, Cr-W-С, Fe-Сr-С-В та ін з розміром частинок 100-250 мкм.

Відцентровим способом можна наплавляти шари завтовшки від 0,5 до 4 мм з гарною якістюповерхні та мінімальними припусками на обробку. При струмі дуги 400-450 А продуктивність наплавлення досягає 12 кг/год.

Основними параметрами режиму відцентрового плазмового наплавлення є число оборотів деталі, струм дуги, швидкість наплавлення (швидкість поздовжнього переміщення плазмотрона) і товщина шару, що наплавляється. Зі збільшенням числа оборотів деталі поверхня наплавленого металу стає більш рівною та чистою. При досить велику швидкість обертання виключається роздування присадочного порошку дугою, різко зменшується вплив тиску дуги на проплавлення основного металу, забезпечується відмінне формування наплавленого металу.

На розроблених в ІЕС ім. Е. О. Патона установках типу УД251 можна наплавляти цим способом деталі типу втулок з внутрішнім діаметром від 60 до 300 мм і завдовжки до 1300 мм. Установки комплектуються трьома плазмотронами з максимальним робочим струмом 300 А (один плазмотрон для втулок діаметром 60-90 мм) та 500 А (для втулок діаметром 90-160 мм застосовують один плазмотрон, для втулок діаметром 160-300 мм – два).

Плазмову наплавку порошком виконують плазмовою дугою прямої дії або двома плазмовими дугами прямої та непрямої дії із загальним електродом. При цьому використовують різні схеми введення порошку в дугу, які можна розділити на великі групи, що відрізняються тим, що в одному випадку порошок вводиться в дугу всередині плазмотрона (мал. 9), а в іншому - поза ним (рис. 10). У плазмотронах із внутрішнім введенням порошку в дугу створюються, як правило, більш сприятливі умови для його нагрівання плазмою. При зовнішній подачі порошку його нагрівання менш ефективне, зате надійність роботи плазмотрона дещо вища. Плазмотрони з подачею порошку через осьовий отвір у катоді поки не знайшли практичного застосування внаслідок труднощів виготовлення електродів з отвором та складностями, пов'язаними з подачею порошку через отвір відносно малого діаметра.

Мал. 15. Схема відцентрового плазмового наплавлення: 1 - джерело живлення плазмової дуги; 2 – плазмотрон; 3 - кільцева зварювальна ванна; 4 – присадковий порошок; 5 – деталь; 6 - патрон

Радіальне введення порошку через боковий отвір у каналі сопла (див. рис. 9, в) типовий для напилення, але для наплавлення використовується рідко. При такій схемі введення порошку стабільна робота плазмотрона можлива лише при порівняно великих витратах плазмоутворюючого газу та малих транспортуючого. Ця умова легко виконується при напиленні, але при наплавленні велика витрата плазмоутворюючого газу небажана, оскільки веде до збільшення глибини проплавлення основного металу.

Для наплавлення ефективною є схема введення порошку в дугу під кутом 25-80° через лійкоподібну щілину, що утворюється конічними поверхнями, що сполучаються, внутрішнього і зовнішнього сопл плазмотрона (див. рис. 9, г). У цьому випадку потік газу і порошку, що транспортує, концентричний дузі і тому не тільки не знижує, але підвищує її стабільність. Дуга непрямої дії горить між електродом і внутрішнім соплом і служить переважно забезпечення стійкої роботи плазмотрона. Більш потужна дуга прямої дії забезпечує необхідне нагрівання поверхні виробу, плавлення присадного металу та утворення зварювальної ванни.

Схеми плазмового наплавлення із зовнішньою подачею присадочного порошку наведено на рис. 16. Порошок подається в зону наплавлення через отвори в торці сопла плазмотрона або трубкою, розташованою збоку сопла.

Мал. 16. Схема плазмового наплавлення з введенням присадкового порошку в дугу всередині плазмотрона: а -разом з плазмоутворювальним газом; б-через електродну камеру; в - через бічне отвір у каналі сопла; г - через лійкоподібну щілину між соплами; 1 - електрод: мідний водоохолоджуваний (а), водоохолоджуваний з вольфрамовою вставкою (б) або вольфрамовий (в, г); 2-сопло; 3-введення присадного порошку з транспортуючим газом; 4, 5 - введення плазмоутворювального та захисного газів відповідно; 6, 7-джерела живлення дуги прямої та непрямої дії відповідно

Мал. 17. Схема плазмового наплавлення із зовнішньою подачею присадного порошку: а - подача порошку через отвір у торці сопла "кутом назад"; б-то ж, "кутом уперед"; в - подача порошку каналами в соплі плазмотрону; 1-джерело живлення дуги прямої дії; 2,4 - введення плазмоутворювального та захисного газів відповідно; 3 - введення присадкового порошку газом, що транспортує; 5-електрод; 6 - введення додаткового порошку присадки; 7-плазмова дуга; 8 - джерело живлення непрямої дуги

При наплавленні сплавів на основі нікелю, кобальту або заліза кут нахилу цих отворів, їх переріз, витрата газу, що транспортує, та інші параметри режиму вибирають такими, щоб порошок вводився в дугу на невеликій відстані від поверхні виробу і потрапляв у зварювальну ванну під дугою. При цьому порошок може подаватися в дугу спереду (див. рис. 10, а), ззаду (див. рис. 10 б) і збоку одночасно з декількох сторін (див. рис. 10, в). Напрямок подачі порошку у разі немає вирішального значення: практично використовують усі ці варіанти.

При наплавленні композиційних сплавів канал для подачі карбідів найчастіше розташований ззаду дуги і має такий кут нахилу, щоб зерна карбіду потрапляли у ванну, минаючи дугу. Це дозволяє усунути або хоча б зменшити їх розчинення у розплаві. Зварювальна ванна утворюється за рахунок розплавлення основного металу, захисного покриття, нанесеного на зерна карбіду вольфраму, або порошку сплаву-зв'язки, який подається разом з карбідом або окремо від нього по бічним каналам.

Подані на рис. 17 схеми подачі порошку є дуже поширеними при плазмовому наплавленні. Схема на рис. 10 б (як і на рис. 9 г) реалізована в перших апаратах моделей А1105 і А1299 ІЕС ім. Е. О. Патона для плазмового наплавлення порошками. Вона застосовується також у спеціалізованій установці 061795 конструкції ОКТБ ІЕЗ ім. Е. О. Патона для наплавлення композиційними сплавами замків та муфт бурильних труб.

За даними роботи, в якій досліджували енергетичний баланс процесу плазмового наплавлення, на нагрівання порошку витрачається при внутрішній його подачі від 9 до 20% потужності дуги, при зовнішній подачі - близько 12%.

Залежно від конструкції плазмотрона для наплавлення застосовують присадні порошки з розміром частинок від 45 до 250 мкм, рідше - до 500 мкм, які отримують, як правило, шляхом розпилення рідкого металу інертним газом або водою.

Для наплавлення композиційних шарів використовують механічні суміші порошків сплаву-зв'язки та карбідів вольфраму, ніобію або ванадію. Вміст карбідів у суміші може досягати 75-80%. Розміри зерна від 20 до 200 мкм. Такі суміші служать переважно для наплавлення плазмотронами із внутрішньою подачею порошку. В інших випадках застосовують роздільну подачу порошків карбіду та сплаву-зв'язки.

Для плазмового наплавлення використовують також порошки литих карбідів вольфраму та спечених твердих сплавів, кожна частка яких покрита порівняно легкоплавким нікелевим або кобальтовим сплавом-зв'язуванням. Покриття може становити від 5% до 50% маси порошку. Воно надійно оберігає частинки карбідів від розчинення у зварювальній ванні та утворює матрицю композиційного сплаву.

В якості плазмоутворюючого і транспортуючого газів для наплавлення порошком застосовують аргон, як захисний газ - аргон, суміш аргону і 5-8% водню, азот. Аргоноводнева суміш може служити також і для подачі порошку.

Максимальна продуктивність плазмового наплавлення порошком становить 4-10 кг наплавленого металу в 1 год. Реальна продуктивність наплавлення залежить від розмірів і форми виробу, товщини шару, що наплавляється, типу присадкового порошку та інших факторів і знаходиться в межах 0,8-6 кг/год. Мінімальна товщина наплавленого шару при внутрішній подачі порошку дорівнює 0,25 мм, за зовнішньої - 0,5 мм. Найбільша висота одношарового валика в обох випадках становить 5-6 мм.

При наплавленні без коливань плазмотрону наплавлені валики мають ширину 3-10 мм, при наплавленні з коливаннями вона може досягати 40-50 мм.

Як правило, плазмову наплавку порошком застосовують при виготовленні нових деталей. Цей спосіб наплавлення забезпечує значне (від 30% до 3-5, у деяких випадках до 12 разів) підвищення продуктивності праці, зниження витрати наплавних матеріалів та покращення якості наплавленого металу.

Найбільше застосування отримала наплавлення цим способом кобальтових та нікелевих сплавів. У менших обсягах використовують для плазмового наплавлення порошки сплавів на основі заліза та міді.

Плазмове наплавлення порошком особливо ефективне в умовах серійного виробництва. Її широко застосовують при виготовленні клапанів двигунів внутрішнього згоряння (починаючи з клапанів двигунів легкових автомобілів з діаметром тарілки 30-35 мм та закінчуючи клапанами потужних суднових дизелів з діаметром тарілки близько 200 мм); деталей трубопровідної арматури для атомних електростанцій, хімічних підприємств, нафти і газопроводів, у тому числі великих засувок Ду = 800-300 мм; черв'яків екструдерів та шнеків; опор кулькових долот, замків та муфт бурильних труб, центраторів та інших деталей бурового обладнання; ножів для різання металу, прокатних валків, штампів, прошивок; деталей парових турбін; елементів обладнання атомних електростанцій та хімічних підприємств та ін.

Зварна конструкція

Як приклад використання плазмотрона, наведемо зварювання вагона-цистерни з нержавіючої сталі марки 08Х18Н10Т із товщиною стінки - 5мм. Ця цистерна призначена для транспортування технічних рідин.

Цистерна має два люки: люк-лаз діаметром 585 мм з відкидною кришкою, яка кріпиться до фланця люка болтами, та технологічний люк діаметром 462 мм, на кришці якого знаходиться запобіжний клапан надлишкового тиску, фланець сливоналивної труби та повітряний штуцер. На цистерні також встановлюються дві сходи.

Матеріал звареної конструкції

плазмове дугове зварювання наплавлення

Існуючі аустенітні високолеговані сталі та сплави розрізняють за змістом основних легуючих елементів - хрому та нікелю та за складом основи сплаву. Високолегованими аустенітними сталями вважають сплави на основі заліза, леговані різними елементами в кількості до 55%, в яких вміст основних легуючих елементів - хрому та нікелю зазвичай, де вище 15 та 7% відповідно. До аустенітних сплавів відносять залізонікелеві сплави з вмістом заліза та нікелю більше 65% при відношенні нікелю до заліза 1: 1,5 та нікелеві сплави з вмістом нікелю не менше 55%

Сталь 08Х18Н10Т відноситься до аустенітних сталей. Застосовується як корозійно-стійкий матеріал, оскільки дана сталь має низький процентний вміст вуглецю, а так само як жароміцний матеріал з високими механічними властивостями. Так само сталь 08Х18Н10Т є жароміцною стійкістю проти хімічного руйнування поверхні в газових середовищах при температурах 1100-1150. За системою легування матеріал відноситься до хромонікелевих сталей. З цієї сталі, виготовляють товстолистовий прокат за ГОСТ 7350-77. За завданням потрібні листи завтовшки 5 мм. Розглянемо механічні властивості цього прокату (таблиця 1).

Таблиця 1. Механічні характеристики прокату із сталі 08Х18Н10Т

Хімічний склад сталі за ГОСТ 5632-69 вказано у таблиці 2

Таблиця 2. Масова частка елементів сталі 08Х18Н10Т%

Оцінка технологічної зварюваності

Головною та загальною особливістю зварювання є схильність до утворення у шві та навколошовній зоні гарячих тріщин у вигляді дрібних мікронадривів, так і видимих ​​тріщин, що мають міжкристалітний характер. Гарячі тріщини можуть виникнути при термічній обробці або роботі конструкції при підвищених температурах. Утворення гарячих тріщин пов'язане з формуванням при зварюванні крупнозернистої макроструктури, особливо вираженої в багатошарових швах, коли кристали наступного шару продовжують кристали попереднього шару, і наявністю напруги усадки.

Крім складності отримання на високолегованих аустенітних сталях і сплавах швів без гарячих тріщин, є й інші особливості зварювання, обумовлені особливостями їх використання. До зварних сполук жароміцних сталей пред'являється вимога збереження протягом тривалого часу високих механічних властивостей при підвищених температурах. Великі швидкості охолодження при зварюванні призводять до фіксації нерівноважних структур у металі шва. У процесі експлуатації при температурах вище 350° З в результаті дифузійних процесів сталі з'являються нові структурні складові, що призводять до зниження пластичних властивостей металу шва. Термічне старіння при 350-500 ° С викликає появу "475-градусної крихкості", а при 500-650 ° С призводить до випадання карбідів і одночасно до утворення σ-фази. Витримка при 700-850° З інтенсифікує утворення σ-фази з відповідним сильним крихтуванням металу за більш низьких температур і зниженням міцності при високих температурах. При цьому зростає роль інтерметалідного зміцнення. У процесах теплового старіння аустенітних сталей провідне місце займають процеси карбідного та інтерметалідного зміцнення, тому для зменшення схильності зварних сполук жаростійких і жароміцних сталей до крихкості в результаті випадання карбідів ефективно знижувати вміст вуглецю в основному металі та металі шва.

Високолеговані аустенітні сталі, і сплави найчастіше використовують як корозійностійкі. Вимоги, які пред'являються до зварних сполук, є стійкість до різним видамкорозії. Міжкристалітна корозія може розвиватися як у металі шва, так і в основному металі у ліній сплаву (ножова корозія) або на деякому віддаленні від шва. Механізм розвитку цих видів корозії однаковий, проте причини виникнення є різними. Стійкість шва проти міжкристалітної корозії зменшується внаслідок тривалого впливу нагріву при несприятливому термічному циклі зварювання або експлуатації виробу.

Зміна сталі змісту легуючих елементів впливає положення фазових областей. Хром, титан, ніобій, молібден, вольфрам, кремній, ванадій, будучи феритизаторами, сприяють появі у структурі сталі феритної складової. Нікель, вуглець, марганець та азот зберігають аустенітну структуру. Однак основними легуючими елементами в сталях є хром і нікель.

В аустенітних хромонікелевих сталях, легованих титаном і ніобієм, утворюються як карбіди хрому, а й карбіди титану і ніобію. При вмісті титану Ti > [(%С - 0,02) ∙ 5] весь вільний вуглець (вище за межу його розчинності в аустеніті) може виділитися у вигляді карбідів титану або ніобію, а аустенітна сталь стає не схильною до міжкристалітної корозії. Випадання карбідів підвищує міцність і знижує пластичні властивості сталей. Цю властивість карбідів використовують для карбідного зміцнення жароміцних сталей.

До основних труднощів, що виникають при зварюванні аустенітних сталей, відноситься також необхідність підвищення стійкості металу шва і навколошовної зони проти утворення тріщин. Гарячі тріщини є міжкристалітним руйнуванням і поділяються на кристалізаційні та підсолідусні; останні виникають при температурі нижче лінії солідусу, тобто після закінчення процесу кристалізації. Імовірність появи кристалізаційних тріщин визначається характером зміни пластичності сплавів при деформуванні металу у твердо-рідкому стані.

Як критерій опору металу навколошовної зони тендітного міжкристалічного руйнування приймають температуру відновлення пластичності та міцності металу при охолодженні. Зі збільшенням вмісту нікелю, вуглецю, алюмінію та титану в аустенітних сталях температура відновлення пластичності знижується, а подрібнення зерна сприяє підвищенню температури відновлення пластичності. З подрібненням кристалітів у шві при однаковому обсязі (товщині) рідких прошарків пластичність двофазних середовищ також зростає. При цьому важливі не тільки розмір і форма кристалітів, а й характер розподілу напруг зсуву щодо напряму їхнього переважного зростання. У зв'язку з цим пропонують такі шляхи підвищення опірності утворенню кристалізаційних тріщин: 1) придушення стовпчастої кристалізації та подрібнення кристалічної структури шляхом легування елементами-модифікаторами, а також елементами, що сприяють утворенню другої високотемпературних фаз при кристалізації; 2) підвищення чистоти сплавів за домішками, що сприяють освіті при кристалізації легкоплавких фаз у тій області складів, в якій збільшення кількості цих фаз знижує технологічну міцність, і, навпаки, збільшення кількості легуючих елементів, що утворюють евтектики, в складах сплавів, близьких до евтектичних. Ці шляхи звужують температурний інтервал крихкості та підвищують запас пластичності.

Технологічні заходи боротьби з тріщинами спрямовані на пошук раціональних способів та режимів зварювання плавленням та конструктивних форм зварних сполук, що знижують темп наростання внутрішніх деформацій у процесі затвердіння. Для підвищення опірності металів та їх однофазних сплавів утворенню підсолідусних гарячих тріщин при зварюванні рекомендують: 1) легування сплавів елементами, що знижують дифузійну рухливість атомів у решітці або сприяють створенню фрагментарної литої структури (викривлення меж кристалів і утворення кристалів охолодженні); 2) підвищення чистоти основного металу за домішками впровадження; 3) скорочення часу знаходження металу при температурі високої дифузійної рухливості (збільшення швидкості охолодження металу зварних швів) та зниження темпу наростання пружно-пластичних деформацій при охолодженні (обмеження деформацій за рахунок вибору раціональної конструкції з'єднань).

Встановлено такі найважливіші металургійні фактори, що сприяють підвищенню опірності металу шва та утворенню гарячих тріщин при зварюванні аустенітних сталей: 1) утворення двофазної структури у високотемпературній області при кристалізації металу за рахунок виділення первинного фериту, дисперсних частинок тугоплавкої фази або борідної фази; 2) обмеження вмісту домішок, що утворюють легкоплавкі фази з метою звуження ефективного інтервалу кристалізації.

Для подрібнення структури використовують легування наплавленого металу елементами, що сприяють виділенню при кристалізації високотемпературного металу б-фериту. Наявність б-фериту подрібнює структуру металу та зменшує концентрацію Si, P, S та деяких інших домішок у міжкристалітних областях за рахунок більшої розчинності цих домішок у б-фериті, що зменшує небезпеку утворення легкоплавких евтектиків. Для цих сталей не потрібно розраховувати еквівалент вуглецю тільки визначаємо процентний вміст феритної фази по діаграмі Шеффлера. Кількість феритної фази в наплавленому металі після його охолодження залежить від складу цього металу та швидкості охолодження в області високих та середніх температур. Наближене уявлення про концентрацію фериту в аустенітно-феритному металі дає діаграма Шеффлера, складена за дослідними даними стосовно швидкості охолодження, характерної для звичайних режимів дугового зварювання ручного (рисунок 18).

Для жаростійких і жаростійких сталей з малим запасом аустенітності та вмістом нікелю до 15% попередження гарячих тріщин досягається одержанням аустенітно-феритної структури з 3-5% фериту. Велика кількість фериту може призвести до значного високотемпературного крихтіння швів через їхню сигматизацію в інтервалі температур 450-850° С.

За діаграмою для сталі 08Х18Н10Т вміст фериту становить до 5%.

Зварювальний матеріал

Як електродний дріт вибираємо марку Св-06Х19Н9Т і діаметр електрода 1,2мм.

Таблиця 3. Хімічний склад аргону вищого гатунку за ГОСТ 10157-79

Таблиця 4. Хімічний склад зварювального дроту Св-06Х19Н9Т

Марка дроту
	0,4-1,01,0-2,018,0-20,08,0-10,00,5-1,00,0150,030

Розрахунок режимів плазмово-дугового зварювання

Режимом зварювання - сукупність основних та додаткових характеристик зварювального процесу, що забезпечують отримання зварних швів заданих розмірів, форми та якості. При зварюванні параметрами є діаметр електрода, сила зварювального струму, напруга дуги, число проходів, рід та полярність струму.

Таблиця 5. Конструктивні розміри зварного з'єднанняГОСТ 16037-80

Для випадку однопрохідного зварювання пластин встик, зв'язок між параметрами режиму зварювання і основними розмірами шва в першому наближенні можна встановити, скориставшись рівнянням для визначення максимальних температур в процесі поширення теплоти від потужного лінійного джерела теплоти, що швидко рухається, в пластині

(1)

де q – ефективна теплова потужність дуги, Вт; v – швидкість зварювання, см/с; δ - товщина пластини, що дорівнює 5 мм; cρ - об'ємна теплоємність, що дорівнює 4,7 Дж/(см 3 град); b - коефіцієнт температуровіддачі b = 2α/cρδ; y - координата, см; a - коефіцієнт температуропровідності, що дорівнює 0,06 см 2 /c.

Поклавши, що тепловіддача із поверхні пластини відсутня, тобто b=0

(2)

Оскільки розміри ванни (шва) обмежуються ізотермою плавлення, то підставивши в рівняння (2) температуру плавлення Т пл замість Т max і ширину шва B замість 2y отримаємо:

(3)

З виразу (3) визначимо погонну енергію q п, що забезпечує задану глибину провару, що дорівнює товщині пластини δ

(4)

Виразимо ширину шва B і необхідну глибину провару H=δ через коефіцієнт форми проплавлення пр =B/δ. Для цього у виразі (4) помножимо та розділимо праву частину на δ. Тоді

(5)

Вважаючи

отримаємо

(7)

тобто погонна енергія при однопрохідному зварюванні пластин встик пропорційна коефіцієнту форми провару і квадрату товщини пластини. Досвід показує, що значення коефіцієнта пропорційності p 1 не відповідають розрахунковим значенням величин, що входять у формулу (6), і залежать від способу зварювання і деякою мірою від режиму зварювання, що пояснюється недосконалістю розрахункових схем стосовно зоні плавлення. Для випадку плазмово-дугового зварювання електродом, що плавиться, стали 08Х18Н10Т коефіцієнт p 1 дорівнює 13600 Дж/см 3 . Тоді вираз (7) набуде вигляду

Аналіз експериментальних даних показав, що коефіцієнт форми провару залежить головним чином основних параметрів режиму зварювання,

(9)

Де k - коефіцієнт, величина якого залежить від роду струму та полярності; I е - сила струму електрода, що плавиться, А; I п – сила струму плазмової дуги, А; d е - діаметр електрода, що плавиться, см; U д - напруга дуги електрода, що плавиться, В.

При зварюванні постійним струмом зворотної полярності коефіцієнт k можна прийняти рівним 0,97 -1 см -1 .

При заданій швидкості зварювання v сумарну силу зварювального струму плазмової дуги і електрода, що плавиться I=(I п +I е) можна визначити за наступною емпіричною формулою:

де p 2 = 380A · с/см 2 .

Приймаємо швидкість зварювання рівну - 100м/год або 2,78см/с. = 380 · 2,78 · 0,5 = 528А.

У цьому сила струму плазмової дуги: п =I/4=132А.

Відповідно сила струму електрода, що плавиться: е =I-I п =528-132=396А.

Діаметр електрода приймаємо 1,2 мм.

Для прийнятого діаметра електрода і сили струму електрода, що плавиться, можна визначити напругу дуги:

(11)

Напруга плазмової дуги U п приблизно може бути також визначено за наступною емпіричною формулою:

(12)

де d a і d с - відповідно діаметри кільцевого сопла-анода та стабілізуючого сопла, див.

Знаючи необхідну глибину провару, рівну товщині пластини δ, і коефіцієнт форми провару пр, можна визначити ширину шва:

B = пр пр δ. (13)

Значення ширини шва дозволяє визначити величину посилення шва A. Для цього спочатку розраховують площу поперечного перерізу наплавленого металу за формулою:

(14) н = 8мм 2 .

де α н - коефіцієнт наплавлення, г/А·год; ρ - щільність наплавленого металу, г/см 3; ν - швидкість зварювання, см/c.

Зважаючи на незначні втрати електродного металу при плазмово-дуговому зварюванні плавящимся електродом з достатнім для практичних розрахунків ступенем точності можна прийняти, що коефіцієнт наплавлення α н дорівнює коефіцієнту розплавлення α р.

Величина коефіцієнта розплавлення при плазмово-дуговому зварюванні електродом, що плавиться, складається з двох доданків:

α р = α рд + Δα рв, (15)

де α рд - складова коефіцієнта розплавлення, обумовлена ​​тепловкладанням дугового розряду електрода, що плавиться, г/А·ч; Δα рв - складова коефіцієнта розплавлення від попереднього нагрівання ділянки вильоту електрода плазмою і струмом, що протікає, г/А·ч.

Складова рд практично не залежить від струму і з достатнім для обчислень наближенням можна прийняти рівною 8,02 г/А·год. Обробка різних експериментальних даних дозволила визначити складову

Δα рв від нагрівання джоулевою теплотою та плазмою, г/А·год:

Δα рв = 61 · 10 -4 (16)

Δα рв = 61 · 10 -4

де l - частина вильоту електрода, занурена у плазмову дугу, мм.

Отже, сумарний коефіцієнт розплавлення:

α р =8,02+61·10 -4 (17)

α р =10,43г/А·год.

Знаючи коефіцієнт розплавлення, можна визначити швидкість подачі електродного дроту:

(18)

де F е - площа поперечного перерізу електрода, см 2; ρ - густина електродного металу.

Тепер за формулою (14) визначають площу поперечного перерізу наплавленого металу F н.

При однопрохідному зварюванні стикових з'єднань без скосу кромок з нульовим зазором наплавлений метал розташовується у вигляді валика над поверхнею листів. Висота посилення такого шва:

(19)

де B – ширина шва, см; μ - коефіцієнт повноти валика, що представляє собою відношення F н /A·B. В умовах плазмово-дугового зварювання електродом, що плавиться, також як при зварюванні під флюсом, коефіцієнт μ в практично має стійке значення, що дорівнює 0,73 і формула (19) набуває вигляду

(20)

Площу проплавлення F пр можна визначити, якщо прийняти, що фактична форма провару при однопрохідному зварюванні листів встик являє собою напівеліпс, одна з піввісь якого дорівнює B/2, а інша H=δ. Тоді

(21)

Розрахунок хімічного складу металу шва

Загалом вплив взаємодіючих мас металу на концентрацію елемента в металі шва може бути знайдено з рівняння матеріального балансу елемента Е до і після зварювання:

ем [Е] ем + m ом [Е] ом = m шв [Е] шв, (22)

де m ем, m ом, m шв - маса електродного металу, основного металу та металу шва відповідно; [Е] ем, [Е] ом, [Е] шв - концентрація елемента в електродному металі, в основному металі та в металі шва відповідно.

Розділимо праву і ліву частину виразу (22) на m шв [Е] шв і враховуючи, що m ем / m шв = γ, а m ом / m шв = 1-γ, остаточно отримаємо:

[Е] шв = γ [Е] ем + (1-γ) [Е] ом. (23)

Таким чином, для розрахункового визначення хімічного складу металу шва необхідно знати концентрацію елемента у вихідних матеріалах та частки участі основного (1-γ) та електродного (γ) металів у формуванні шва.

Базування деталі

Базування здійснюється відповідно до ГОСТ 21495-76 «Базування та бази у машинобудуванні. Терміни та визначення".

Схема базування – схема розташування опорних точок на базах. ГОСТ визначає п'ять видів баз:

) настановна - базування по площині. Визначає три координати заготовки - лінійну та дві кутових;

) напрямна (Н). Має дві координати - лінійна та кутова;

) подвійна напрямна (Д). Визначає чотири координати - дві лінійні та дві кутові (базування за довгим циліндром);

) подвійна опорна (Ц), яка визначає базування по колу або короткому циліндру (дві лінійні координати);

) опорна (О) або кутова (поворотна П), що позбавляє деталь одного ступеня свободи.

У нашому випадку базування здійснюється за подвійною напрямною. Базування здійснюється за довгим циліндром, т.к. деталь – тіло обертання. Деталь позбавлена ​​4 ступенів, при фіксації з торців позбавляється 5 ступенів.

Базування деталей цистерни представлено у додатку У.

Принципова схема

Для розробки принципової схеми пристрою необхідно враховувати обрану схему базування.

При складанні під зварювання необхідно послідовно орієнтувати деталі, що збираються у виріб, враховувати їх суміщення відповідно до розмірів складального креслення і тимчасові закріплення деталей перед зварюванням за допомогою затискних пристроїв. У свою чергу, настановні деталі пристосування будуть визначатися поверхнями виробу, що збирається.

Тип та розміри настановних елементів, їх кількість та взаємне розташування будуть визначатися виходячи з обраної схеми базування .

Принципова схема представлена ​​у додатку Р.

Зварювальний пристрій

В якості зварювального пристосування буде використовуватися зсувний роликовий самовстановлюючий обертач з одним електродвигуном.

Зварювальні обертачі складаються з двох секцій: приводний та непривідний.

Привідна секція оснащується одним або двома електродвигунами із синхронізованим керуванням.

При одному двигуні крутний момент передається на другу роликоопору за допомогою валу та редукторів.

Обертачі мають безступінчасте регулювання швидкості обертання. Управління електродвигунами здійснюється програмованим частотним приводом. Для забезпечення автоматичних процесів передбачена можливість поєднання зі зварювальною апаратурою.

Всі обертачі комплектуються пультом дистанційного керування, на якому відображається швидкість обертання

Мал. 20 Зварювальний роликовий обертач

Розрахунок міжосьової відстані роликів:

Мал. 21 Схема вибору роликових опор

Діаметр роликів D p приймаємо – 300 мм. Виходячи і номенклатури, яку пропонує виробник зварювальних обертачів.

Технологія виготовлення

Технологія складання та зварювання цистерни включає наступні етапи:

зачищення кромок, що зварюються від масла, фарби та інших забруднень;

базування заготовок на ролики відповідно до схеми базування;

закріплення заготовок;

зварювання корпусу цистерни;

зварювання днищ;

зварювання технологічних люків, клапанів, сходів тощо.

Висновок

Аналіз наведених способів плазмового зварювання та наплавлення показує, що основними їх перевагами є:

Мала глибина проплавлення основного металу, що важливо в тих випадках, коли в наплавленому шарі допускається лише мала домішка заліза, коли розведення наплавленого металу основним не можна компенсувати за рахунок підвищеного вмісту легуючих елементів в електродному (присадному) матеріалі або багатошарового наплавлення або коли воно призводить до суттєвого погіршення властивостей металу в зоні сплавлення, наприклад, внаслідок утворення крихких кристалізаційних прошарків;

Менше порівняно з дуговою наплавкою тепловкладення в основний метал, що цікавить при наплавленні деталей з термічно зміцнених або чутливих до перегріву сталей;

Відсутність при наплавленні труднощів металургійного характеру, пов'язаних з поганою відокремленістю шлакової кірки, наявністю шлакових включень тощо (важливо для обмеженого кола високолегованих матеріалів);

При плазмово-порошковій наплавці застосування як присадного матеріалу порошку, який може бути отриманий практично з будь-якого сплаву незалежно від його твердості, міцності, ступеня легування та інших властивостей, значно розширює номенклатуру сплавів, що наплавляються механізованими способами.

Недоліком обладнання для плазмового наплавлення є його складність, висока вартість та необхідність більш кваліфікованого обслуговування, ніж обладнання для дугового наплавлення.

Крім того, були розраховані режими зварювання вагона-цистерни з нержавіючої сталі марки 08Х18Н10Т з товщиною стінки 5мм та запропоновано технологію зварювання даної конструкції.

Список літератури

1. Каленський В.К., Гпадкій П.В., Фрумін І.І. Дослідження та розробка способу автоматичного наплавлення випускних клапанів автомобілів // Автоматичне зварювання. 1963. № 1. С. 15-23.

2. Zuchowski R.S„ Culbertson R.P. Plasma arc weld surfacing // Welding Journal. 1962. Vol. 41. N 6. P. 548-555.

3. WittingE. Grundlagtn und Anwendungen der Plasma-Verfahren II Schweissen und Schneiden. 1962. Bd. 14. N 5. S. 193-200.

4. Палітурників E.Ф. Способи плазмового наплавлення, що застосовуються в країнах СНД// Зварювальник. 2004. №3. С. 9-14.

5. Красулін Ю.П., Кулагін І.Д. Регулювання температури зварювальної ванни при наплавленні плазмовою дугою // Автоматичне зварювання. 1966. № 9. С. 11-15.

6. Плазмова технологія: Досвід розробки та впровадження. Л.: Леніздат, 1980. 152 q.

7. Плазмова наплавка металів/А.Є. Вайнерман, М.Х. Шоршоров, В.Д. Веселков, В.С. Новосадів. Л.: Машинобудування, 1969. 192 с.

8. Вайнерман А.Є., Веселков В.Д., Сютьєв А.М. Досвід промислового застосування наплавлення плазмовим струменем з струмопровідним присадним дротом мідних сплавів. Л.: ЛДНТП, 1973. 20 с.

9. Сютьєв А.М., Вайнерман А.Є. Плазмове наплавлення на вироби циліндричної форми. Л.: ЛДНТП, 1970. 19 с.

10. Лужанський І.Б., Медріш І.М. Плазмова наплавка стелліту на ущільнювальні поверхні енергетичної арматури // Зварювальне виробництво. 1971. № 10. С. 24-25.

11. ДудкоД.А., Лакіза С.П. Про нові можливості зварювання високотемпературною дугою, стиснутою газовим потоком // Автоматичне зварювання. 1960. № 11. З. 38-^16.

12. Антонов В.А., Кондратьєв І.А. Відновлювальне наплавлення дрібних прецизійних вирубних штампів II Теоретичні та технологічні основи наплавлення. Сучасні способи наплавлення та їх застосування. Київ: ІЕЗ ім. О.О. Патона, 1982. С. 55-57.

13. TIG-плазма система hardfacing volve seats//Welding and Metal Fabrication. 1981. Vol. 49. N 5. P. 264, 266.

14. Білий А.І., Кузьмін Г.Г. Плазмова наплавка різьбових замків та муфт геологорозвідувальних бурильних труб // Автоматичне зварювання. 1978. № 9. С. 44-46.

15. Wirth A. AuftragschweiSen von Dichtsegen bei der Instandsetzung von Flugtrie-bwerken // Oerlikon SchweiGmitt. 1981. Bd. 39. N 96-97. S. 29-33.

16. Данилов А.І. Плазмове наплавлення постійним струмом зворотної полярності. Л.: ЛДНТП, 1981.20 с.

17. Тавер Є.І., Шоршоров М.X. Зварювання стали подвійною плазмовою дугою // Зварювальне виробництво. 1971. № 10. С. 26-28.

18. Плазмова наплавка мідних сплавів/Е.С. Комарчева, Т.Г. Гіндіна, Л.А. Шпанцев, Ю.А. Журавльов // Плазмові методи обробки металів. Л.: ЛДНТП, 1977. С. 35-40.

19. Наплавлення стиснутою дугою на зворотній полярності хромонікелевої сталі на конструкційні сталі / А.Є. Вайнерман, В.Ф. Захаров, В.М. Прилуков, О.М. Сютьєв // Плазмові методи обробки металів. Л.: ЛДНТП, 1977. С. 27-34.

20. Smars Е., Backstrom. Gas-metal- plasma arc welding, як новий метод для weld cladding II Exploiting welding in production technology. Abington, 1975. Vol. I. P. 179-187.

21. Sandberg U.E. Plasma arc overlay welding in nuclear manufacture of heavy nuclear components // Welding and Metal Fabrication Nuclear Industrie Process. London, P. 197-202.

22. Garrabrant E.S., Zuchowski R.S. Plasma-arc hot-wire surfacing - a нове high deposition process//Weldung journal. 1969. Vol. 48. N 5. P. 85-395.

23. Trarbach К.О. Gladding nuclear steels - application of plasma-arc hot wire surfacing // Metal Construction. 1981. Vol. 13. N 9. P. 508-510.

24. Ruckdeschel W. Anwendung des Lich-tbogenschweiBens mit HeiBdrahtzusatz//Sch-weiGtechnik. 1973. Bd. 63. N 8. S. 229-241.

25. Eklung В., Skoglund H. Major Improvements в hard surfacing steel rolls для continuous casting, використовуючи Philips pi? ma-MIG with new metal cored wire /" oteel Times. 1981. Vol. 209. N 9. P. 472-473.

27. Кречмар Е., Хорн Ф. Розробка сплавів ЦІС 770 та технологія плазмового наплавлення його під флюсом II Теоретичні та технологічні основи наплавлення. Наплавні матеріали. Київ: ІЕЗ ім. Е. О. Патона, 1978. С. 54-61.

28. Irmer W. Energieverhaltnisse des PlasmaauftragesschweiBprozesses II Sch-weilMechnik. 1972. Bd. 22. N 4. S. 164-167.

29. Студія на нових hardfacing процесах, використовуючи надзвичайно hard material / M. Nakajima, A. Notomi, T. Knsano, M. Ueda // Mut- subishi Heavy Ind.Techn. 1982. Vol. 19. N 1. P. 23-30.

30. Наплавлення тонких шарів зносостійкості композитних сплавів / Ю.А. Юзвенко, М.А. Пащенко, А. І. Білий та ін. // Автоматичне зварювання. 1974. № 7. С. 71-72.

31. Палітурників Є.Ф. Плазменно-порошкове наплавлення клапанів двигунів внутрішнього згоряння II Автоматичне зварювання. 2002. № 1. С. 45-46.

32. Аманов С.Р. Технологія плазмово-порошкового наплавлення клапанів двигунів автомобіля "ВАЗ" // Зварювальне виробництво. 2005. № 2. С. 33-40, 62, 63.

Додаток А

Плазмотрон для зварювання (наплавлення) електродом, що плавиться: 1, 5 - накидна гайка; 2 – мундштук; 3 – контргайка; 4 - ізолююча втулка; 6 - штуцер подачі плазмоутворюючого газу; 7 - сорочка охолодження кільцевого анода; 8 - штуцер подачі стабілізуючого газу; 9 - розсікач стабілізуючого газу; 10 - сорочка охолодження стабілізуючого сопла; 11 - розсікач захисного газу; 12 – штуцер подачі захисного газу; 13 - струмопідвідний наконечник; 14-кільцевий мідний анод; 15 - стабілізуюче сопло; 16 – захисне сопло; 17 - ізолююча трубка

Ефективність та проблеми плазмового наплавлення стоять перед інженерами-матеріалознавцями надзвичайно гостро. Завдяки цій технології можна не тільки значно збільшити термін експлуатації та надійність високонавантажених деталей та вузлів, але відновити, здавалося б, на сто відсотків зношені та зруйновані вироби.

Впровадження плазмового наплавлення у технологічний процес значно підвищує конкурентоспроможність машинобудівної продукції. Процес не є принципово новим і використовується вже досить давно. Але він постійно вдосконалюється та розширює технологічні можливості.

загальні положення

Плазмою називається іонізований газ. Достовірно відомо, що плазму можна отримати різними методами внаслідок електричного, температурного чи механічного на молекули газу. Для її утворення необхідно відірвати негативно заряджені електрони від позитивних атомів.

У деяких джерелах можна зустріти інформацію про те, що плазма є четвертим агрегатним станом речовини поряд з твердим, рідким та газоподібним. має ряд корисних властивостей і застосовується в багатьох галузях науки техніки: плазмова і сплавів з метою відновлення та зміцнення високонавантажених виробів, що зазнають циклічних навантажень, іонно-плазмове азотування в тліючому розряді для дифузійного насичення та зміцнення поверхонь деталей, для здійснення процесів хімічного травлення (використовується технології виробництва електроніки).

Підготовка до роботи

Перш ніж приступити до наплавлення, потрібно налаштувати обладнання. Відповідно до довідкових даних, необхідно підібрати та встановити правильний кут нахилу сопла пальника до поверхні виробу, вивірити відстань від торця пальника до деталі (вона має становити від 5 до 8 міліметрів) та вставити дріт (якщо здійснюється наплавлення дротяного матеріалу).

Якщо наплавка здійснюватиметься шляхом коливань сопла в поперечних напрямках, необхідно виставити головку таким чином, щоб зварний шов знаходився рівно посередині між крайніми точками амплітуд коливання головки. Також необхідно відрегулювати механізм, який задає частоту та величину коливальних рухів головки.

Технологія плазмово-дугового наплавлення

Процес наплавлення досить простий і може успішно виконуватися будь-яким досвідченим зварювальником. Однак він вимагає від виконавця максимальної концентрації та уваги. В іншому випадку можна запросто зіпсувати заготівлю.

Для іонізації робочого газу використається потужний дуговий розряд. Відрив від'ємних електронів від позитивно заряджених атомів здійснюється за рахунок теплового впливу електричної дуги на струмінь робочої газової суміші. Проте за дотримання низки умов можливе протікання як під впливом теплової іонізації, а й з допомогою впливу потужного електричного поля.

Газ подається під тиском 20-25 атмосфер. Для його іонізації потрібна напруга 120-160 вольт із силою струму близько 500 ампер. Позитивно заряджені іони захоплюються магнітним полем і прямують до катода. Швидкість та кінетична енергія елементарних частинок настільки велика, що при зіткненні з металом вони здатні повідомляти йому величезну температуру - від +10...+18 000 градусів за Цельсієм. При цьому іони рухаються зі швидкістю до 15 кілометрів на секунду (!). Установка плазмового наплавлення обладнана спеціальним пристроєм під назвою «плазмотрон». Саме цей вузол відповідає за іонізацію газу та отримання спрямованого потоку елементарних частинок.

Потужність дуги має бути такою, щоб унеможливити оплавлення основного матеріалу. В той же час температура виробу повинна бути максимально високою, щоб активізувати процеси дифузії. Таким чином, температура повинна наближатися до лінії ліквідусу на діаграмі залізо-цементит.

Дрібнодисперсний порошок спеціального складу або електродний дріт подається в струмінь високотемпературної плазми, в якій матеріал розплавляється. У рідкому стані наплавлення потрапляє на поверхню, що зміцнюється.

Плазмове напилення

Для того щоб реалізувати плазмове напилення необхідно істотно збільшити швидкість потоку плазми. Цього можна досягти регулюванням напруги та сили струму. Параметри підбираються досвідченим шляхом.

Матеріалами при плазмовому напиленні служать тугоплавкі метали та хімічні сполуки: вольфрам, тантал, титан, бориди, силіциди, оксид магнію та оксид алюмінію.

Безперечною перевагою напилення в порівнянні з наплавленням є можливість отримання найтонших шарів, близько декількох мікрометрів.

Ця технологія застосовується при зміцненні різальних токарних і фрезерних змінних, а також мітчиків, свердлів, зенкерів, розгорток та іншого інструменту.

Отримання відкритого плазмового струменя

І тут ролі анода виступає безпосередньо сама заготівля, яку здійснюється плазмова наплавка матеріалу. Очевидний недолік даного методу обробки - нагрівання поверхні та всього обсягу деталі, що може призвести до структурних перетворень та небажаних наслідків: розміцнення, підвищення крихкості тощо.

Закритий плазмовий струмінь

В цьому випадку в ролі анода виступає безпосередньо газовий пальник, точніше - його сопло. Даний спосіб використовується для плазмово-порошкового наплавлення з метою відновлення та підвищення експлуатаційних характеристик деталей та вузлів машин. Особливу популярність ця технологія завоювала у сфері сільськогосподарського машинобудування.

Переваги плазмової технології наплавлення

Однією з основних переваг є концентрація теплової енергії у невеликій зоні, що дозволяє зменшити вплив температури на вихідну структуру матеріалу.

Процес добре піддається управлінню. При бажанні та відповідних налаштуваннях апаратури шар наплавлення може змінюватись від кількох десятих часток міліметра до двох міліметрів. Можливість отримання контрольованого шару особливо актуальна на даний момент, оскільки дозволяє значно збільшити економічну ефективність обробки та отримати оптимальні властивості (твердість, корозійна стійкість, зносостійкість та багато інших) поверхонь сталевих виробів.

Ще одна не менш важлива перевага - можливість здійснювати і наплавлення самих різних матеріалів: мідь, латунь, бронза, дорогоцінні метали та неметали. Традиційні методизварювання далеко не завжди можуть дозволити це зробити.

Устаткування для наплавлення

Установка для плазмово-порошкового наплавлення включає дросель, осцилятор, плазмотрон і джерела живлення. Також вона повинна бути оснащена пристроєм автоматичного подавання гранул металевого порошку в робочу зону та системою охолодження з постійною циркуляцією води.

Джерела струму для плазмового наплавлення повинні задовольняти суворим вимогам сталості та надійності. З цією роллю якнайкраще справляються зварювальні трансформатори.

При наплавленні порошкових матеріалів металеву поверхню використовується так звана комбінована дуга. Одночасно використовуються відкритий та закритий плазмовий струмінь. Регулюючи потужність цих дуг можна змінювати глибину проплавлення заготовки. При оптимальних режимах короблення виробів не виявлятиметься. Це важливо при виготовленні деталей та вузлів точного машинобудування.

Пристрій для подачі матеріалу

Металевий порошок дозується спеціальним пристроєм та подається до зони оплавлення. Механізм, або принцип дії живильника, полягає в наступному: лопатки ротора виштовхують порошок у газовий потік, частки розігріваються і прилипають до поверхні, що обробляється. Подача порошку здійснюється через окреме сопло. Усього в газовому пальнику встановлено три сопла: для подачі плазми, для подачі робочого порошку та для захисного газу.

Якщо ви використовуєте дріт, доцільно використати стандартний механізм подачі зварювального автомата для зварювання під флюсом.

Підготовка поверхонь

Плазмове наплавлення та напилення матеріалів має передувати ретельне очищення поверхні від жирових плям та інших забруднень. Якщо при звичайному зварюванні можна проводити тільки грубе, поверхневе очищення стиків від іржі і окалини, то при роботі з плазмою газу поверхня виробу, що обробляється, повинна бути ідеально (наскільки це можливо) чистою, без сторонніх включень. Найтонша плівка оксидів здатна значно послабити адгезійну взаємодію наплавлення та основного металу.

З метою підготовки поверхні під наплавлення рекомендується зняти незначний поверхневий шар металу за допомогою механічної обробки різанням з наступним знежиренням. Якщо габарити деталі дозволяють, то рекомендується провести промивання та очищення поверхонь в ультразвуковій ванній.

Важливі особливості наплавлення металів

Існує кілька варіантів та способів здійснення плазмового наплавлення. Застосування дроту як матеріал для наплавлення значно підвищує продуктивність процесу порівняно з порошками. Це пояснюється тим, що електрод (дрот) виступає в ролі анода, що сприяє значно більш швидкому нагріванню матеріалу, що наплавляється, а значить дозволяє скоригувати режими обробки в бік збільшення.

Однак якість покриття та адгезійні властивості явно на стороні порошкових присадок. Використання дрібних частинок металу дозволяє отримувати рівномірний шар поверхні будь-якої товщини.

Порошок наплавлення

Використання порошкової наплавки є кращим з погляду якості одержуваних поверхонь і зносостійкості, тому на виробництві все частіше використовують саме порошкові суміші. Традиційний склад порошкової суміші - кобальтові та нікелеві частинки. Сплав даних металів має гарні механічні властивості. Після обробки таким складом поверхня деталі залишається ідеально гладкою і не виникає потреби в її механічному доведенні та усуненні нерівностей. Фракція частинок порошку – лише кілька мікрометрів.

Є найпрогресивнішим способом відновлення зношених деталей машин та нанесення зносостійких покриттів (сплавів, порошків, полімерів,…) на робочу поверхню при виготовленні деталей.

Плазмою називається високотемпературний сильно іонізований газ, що складається з молекул, атомів, іонів, електронів, світлових квантів та ін.

При дуговій іонізації газ пропускають через канал і створюють дуговий розряд, тепловий вплив якого іонізує газ, а електричне поле створює спрямований плазмовий струмінь. Газ може іонізуватися також під впливом електричного поля високої частоти. Газ подається при 23 атмосферах, збуджується електрична дуга силою 400-500 А і напругою 120-160 В Іонізований газ досягає температури 10-18 тис. про З, а швидкість потоку - до 15000 м/сек. Плазмовий струмінь утворюється у спеціальних пальниках – плазмотронах. Катодом є неплавний вольфрамовий електрод.

Залежно від схеми підключення анода розрізняють (рис.1):

1. Відкритий плазмовий струмінь (анодом є деталь або пруток). У цьому випадку відбувається підвищений нагрів деталі. Використовується ця схема при різанні металу та для нанесення покриттів.

2. Закритий плазмовий струмінь (анодом є сопло або канал пальника). Хоча температура стиснутої дуги на 20 …30% у разі вище, але інтенсивність потоку нижче, т.к. збільшується тепловіддача у довкілля. Схема використовується для загартування, металізації та напилювання порошків.

3. Комбінована схема (анод підключається до деталі та до сопла пальника). У цьому випадку горять дві дуги, Схема використовується при наплавленні порошком.

Рис.1. Схема плазмового зварювання відкритим та закритим плазмовим струменем.

Наплавлення металу можна реалізувати двома способами:

1-струм газу захоплює і подає порошок на поверхню деталі;

2-вводиться в плазмовий струмінь присадковий матеріал у вигляді дроту, прутка, стрічки.

Як плазмоутворювальні гази можна використовувати аргон, гелій, азот, кисень, водень і повітря. Найкращі результати зварювання виходять із аргоном.

Достоїнствами плазмового наплавлення є:

1. Висока концентрація теплової потужності та можливість мінімальної ширини зони термічного впливу.

2. Можливість отримання товщини шару, що наплавляється від 0,1 мм до декількох міліметрів.

3. Можливість наплавлення різних зносостійких матеріалів (мідь, пластмаса) на сталеву деталь.

4. Можливість виконання плазмового загартування поверхні деталі.

5. Відносно високий К. П. Д. Дуги (0.2-0.45).

Дуже ефективно використовувати плазмовий струмінь для різання металу, т.к. газ через високу швидкість дуже добре видаляє розплавлений метал, а через велику температуру він плавиться дуже швидко.

Установка (рис. 2) складається з джерел живлення, дроселя, осцилятора, плазмової головки, пристроїв подачі порошку або дроту, системи циркуляції води і т.д.

Для джерел живлення важливою є витримка постійним твір J U, т.к. потужність визначає сталість плазмового потоку. Як джерела живлення застосовують зварювальні перетворювачі типу ПСО - 500. Потужність визначається довжиною стовпа та об'ємом плазмового струменя. Можна продати потужності понад 1000 кВт.

Подача порошку здійснюється за допомогою спеціального живильника, в якому вертикально розташований ротор лопатками подає порошок в струмінь газу. У разі використання зварювального дроту подача його виконується аналогічно як і при наплавленні під шаром флюсу.

Шляхом коливання пальника в поздовжній площині із частотою 40-100 хв -1 за один прохід одержують шар наплавленого металу шириною до 50 мм. У пальника є три сопла: внутрішнє для подачі плазми, середнє для подачі порошку та зовнішнє для подачі захисного газу.

Рис.2. Схема плазмового наплавлення порошку.

При наплавленні порошків реалізується комбінована дуга, тобто одночасно горітимуть відкрита та закрита дуги. Регулюванням баластових опорів можна регулювати потоки потужності на нагрівання порошку та на нагрівання та оплавлення металу деталі. Можна досягти мінімального проплавлення основного матеріалу, отже буде невелика теплова деформація деталі.

Поверхня деталі необхідно готувати до наплавлення більш ретельно ніж при звичайному електродуговому або газовому зварюванні, т.к. при цьому з'єднання відбувається без металургійного процесу, тому сторонні включення зменшують міцність шару наплавленого. Для цього проводиться механічна обробка поверхні (проточка, шліфування, піскоструминна обробка,...) та знежирення. Величину потужності електричної дуги підбирають такою, щоб сильно не нагрівалася деталь і щоб основний метал був на межі розплавлення.