Установки плазмово-порошкового наплавлення. Плазмове наплавлення дротом (прутками) Плазмове наплавлення та різання деталей

Плазмова наплавка – інноваційний метод нанесення на поверхню зношених виробів спеціальних покриттів із високим показником зносостійкості. Вона виконується для відновлення деталей машин та механізмів, а також при їх виробництві.

1 Плазмова наплавка – загальна інформація про методику та її переваги

Ряд вузлів та механізмів різноманітних апаратів та машин у наші дні функціонують у складних умовах, що вимагають від виробів відповідати одразу кільком вимогам. Найчастіше вони мають витримувати вплив агресивних хімічних середовищ і підвищених температур, і навіть зберігати свої високі характеристики міцності.

Виготовити подібні вузли з якогось одного металу чи іншого матеріалу практично неможливо. Та й з фінансового погляду такий складний виробничий процес реалізовувати недоцільно.

Набагато розумніше і вигідніше випускати такі вироби з одного, максимально міцного матеріалу, а потім наносити на них ті чи інші захисні покриття - зносостійкі, жаростійкі, кислототривкі і так далі.

Як такий "захисту" можна використовувати неметалеві та металеві покриття, які за своїм складом відрізняються один від одного. Подібне напилення дозволяє надавати виробам необхідні їм діелектричні, теплові, фізичні та інші характеристики. Одним із найефективніших і при цьому універсальних сучасних способів покриття матеріалів захисним шаром визнається напилення та наплавлення плазмовою дугою.

Суть застосування плазми є досить простою. Для покриття використовується матеріал у вигляді дроту або дрібного гранульованого порошку, який подається в струмінь плазми, де він спочатку нагрівається, а потім розплавляється. Саме в розплавленому стані захисний матеріал і потрапляє на деталь, що піддається наплавленню. У той же час відбувається і її безперервне нагрівання.

Переваги такої технології такі:

• плазмовий потік дозволяє наносити різні за своїми параметрами матеріали, причому кілька шарів (за рахунок цього метал можна обробляти різними покриттями, кожен з яких має власні захисні особливості);
• енергетичні властивості плазмової дуги допускається регулювати в широких межах, оскільки вона вважається найгнучкішим джерелом тепла;
• потік плазми характеризується дуже високою температурою, завдяки чому він легко розплавляє навіть ті матеріали, які описуються підвищеною тугоплавкістю;
• геометричні параметри та форма деталі для наплавлення не обмежують технічні можливостіплазмового способу та не знижують його результативність.

Виходячи з цього, можна зробити висновок про те, що ні вакуумний, ні гальванічний, ні якийсь інший варіант напилення не може зрівнятися за своєю ефективністю з плазмовим. Найчастіше він використовується для:

• зміцнення виробів, що піддаються постійним високим навантаженням;
• запобігання зносу та іржавінню елементів запірно-регулюючої та запірної (напилення металу за допомогою плазми в рази збільшує їх стійкість);
• захисту від негативного впливу високих температур, що викликають передчасне зношування виробів, що використовуються скляними підприємствами.

2 Технологія описуваної наплавки та її тонкощі

Наплавлення металу плазмою виконується за двома технологіями:

• в струмінь вводять пруток, дріт чи стрічку (вони виконують функцію присадного матеріалу);
• в струмінь подають порошкову суміш, яка захоплюється і переноситься на поверхню виробу, що наплавляється газом.

Струмінь плазми може мати різне компонування. За цим показником її поділяють на три види:

• Закритий струмінь. З її допомогою найчастіше виконують напилення, металізацію та загартування металу. Дуга в даному випадку характеризується порівняно невеликою інтенсивністю полум'яного потоку, що зумовлюється високим рівнемвіддачі тепла у атмосферу. Анодом при описаному компонуванні виступає або канал пальника, або його сопло.
• Відкритий струмінь. При цьому компонуванні деталь нагрівається набагато більше, анодом є пруток або виріб, що безпосередньо обробляється. Відкритий струмінь рекомендований для нанесення захисних шарів або для різання матеріалу.
• Комбінований варіант. Компонування, створене спеціально для виконання плазмово-порошкового наплавлення. При такому варіанті одночасно запалюють дві дуги, а анод підключать до сопла пальника і до виробу, що наплавляється.

При будь-якій компонуванні як гази, що використовуються для утворення полум'я, застосовують кисень, аргон, повітря, гелій, водень або азот.Фахівці стверджують, що максимально якісне напилення та наплавлення металу забезпечують гелій та аргон.

3 Комбінований плазмотрон для наплавлення

Плазмово-порошкова наплавка на більшості сучасних підприємствздійснюється саме у комбінованих агрегатах. Вони металевий присадковий порошок розплавляється між соплом пальника і електродом з вольфраму. А в той час, коли дуга горить між деталлю і електродом, починається нагрівання поверхні виробу, що наплавляється. За рахунок цього відбувається якісне та швидке сплавлення основного та присадного металу.

Комбінований плазмотрон забезпечує малий вміст у складі основного наплавленого матеріалу, а також найменшу глибину його проплавлення. Саме ці факти і визнаються головною технологічною гідністю наплавлення за допомогою плазмового струменя.

Від шкідливого впливу навколишнього повітря поверхня, що наплавляється, оберігається інертним газом. Він надходить у сопло (зовнішнє) установки та надійно захищає дугу, оточуючи її. Транспортуючим газом з інертними характеристиками здійснюється подача порошкової суміші для присадки. Вона надходить із спеціального живильника.

В цілому стандартний плазмотрон комбінованого типу дії, в якому проводиться напилення та наплавлення металу, складається з наступних частин:

• два джерела живлення (один живить "непряму" дугу, інший - "пряму");
• живильник для суміші;
• опори (баластні);
• отвір, куди подається газ;
• сопло;
• осцилятор;
• корпус пальника;
• труба для подачі несучого порошкової композиції газу.

4 Основні особливості наплавлення металу за плазмовою технологією

Максимальна продуктивність плазмотрона відзначається тоді, коли застосовується дротяна струмоведушна присадка. Дуга в даному випадку горить між цим дротом (вона є анодом) та катодом агрегату. Описаний метод трохи проплавляє основний матеріал. Але він не дає можливості виконати рівномірний та тонкий наплавний шар.

Якщо ж використовується порошок, напилення та наплавлення дозволяють отримувати вказаний тонкий шар з максимальними показниками зносостійкості та жароміцності. Зазвичай складовими порошкової суміші для наплавлення є кобальт та нікель. Після використання таких порошків поверхню деталі немає потреби обробляти додатково, оскільки її захисний шар не має жодних дефектів.

Плазмове напилення порівняно з наплавленням описується більшою швидкістю струменя плазми та більш щільним тепловим потоком. Зумовлений цей факт тим, що при напиленні найчастіше застосовуються метали та сполуки з високим рівнем тугоплавкості (бориди, силіциди, тантал, карбіди, вольфрам, оксиди цирконію, магнію та алюмінію).

Додамо, що розглянутий у статті метод наплавлення за своїм технічним характеристикам(інтервал робочих напруг і струмів, витрата інертного газу тощо) мало чим відрізняється від . А цей вид виконання зварювальних заходів фахівці освоїли у наші дні досконало.

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 зварюванняпроникаючою дугою формування ванни та шва відбувається за додаткового впливу 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 потужності зі збереженням ступеня стиснення (тобто з постійною густиною 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 досить високому ступені стиснення 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 отримати шов з будь-якою формою поперечного перерізубез зміни форми обробки.

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 струмуУ 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 і при будівництві 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 оглядіновин 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 сягає 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 умовплазмову 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 шаром гранульованої присадки (крупки) (рис. 7) присадковий матеріал у вигляді гранул неправильної формирозміром 0,5-3,0 мм в поперечнику заздалегідь насипають рівномірним шаром на поверхню, що наплавляється виробу 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 товщиною від 0,5 до 4 мм з гарною якістю поверхні 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 достатньо великої швидкостіобертання виключається роздування присадного 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 застосуваннявнаслідок труднощів виготовлення електродів з отвором і складнощами, 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 присадкового 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, як правило, отримують шляхом розпилення рідкого металуінертним газом чи 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 характеристикипрокату 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 особливістюзварювання 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 з'єднань жароміцних сталей пред'являється вимога збереження протягом тривалого часу високих. механічних властивостейза підвищених температур. 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 стійкістю 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

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 зварної сполуки ГОСТ 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 нагріву 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 схемипристрої 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. Плазмово-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

Широке застосування нині знаходять плазмові методи наплавлення. При плазмовій наплавці (ПН) як джерело нагрівання використовується плазма, яка є речовиною в сильно іонізованому стані. В 1 см 3 плазми міститься 109 - 1010 і більше заряджених частинок. Практично у будь-якому дуговому розряді утворюється плазма. Основним методом отримання плазми для технологічних цілей є пропускання газового струменя через електричну дугу, розташовану у вузькому мідному каналі. При цьому у зв'язку з відсутністю можливості розширення стовпа дуги зростає кількість пружних і непружних зіткнень заряджених частинок, тобто збільшується ступінь іонізації, зростає щільність і напруга дуги, що викликає підвищення температури до 10000 - 15000 про С.

Наявність у плазмових пальників стабілізуючого водоохолоджуваного каналу сопла є основною відмінністю від звичайних пальників, що застосовуються при зварюванні в середовищі захисних газів електродом, що не плавиться.

При зміцненні та відновленні деталей залежно від їх форми, умов роботи застосовують кілька різновидів плазмового наплавлення, що відрізняються типом присадного металу, способом його подачі на зміцнювану поверхню та електричними схемами підключення плазмотрона.

При плазмовій наплавці по відношенню до деталі, що наплавляється застосовують два види стиснутої дуги: прямої і непрямої дії. В обох випадках запалення дуги плазмотрону та здійснення процесу наплавлення виконують комбінованим способом: спочатку між анодом та катодом плазмотрону за допомогою осцилятора збуджують дугу непрямої дії.

Дуга прямої діїутворюється при дотику малоамперної (40 - 60 А) непрямої дуги з струмоведучою деталлю. У зону дуги можуть подаватися матеріали: нейтральний або струмопровідний дріт, два дроти (рис. 8.8), порошок, порошок одночасно з дротом.

Метод непрямої дугиполягає в тому, що між черговою дугою і струмопровідним дротом утворюється пряма дуга, продовження якої є непрямою незалежною дугою по відношенню до електрично нейтральної деталі.

Високу продуктивність (до 30 кг/год) забезпечує плазмова наплавка з подачею у ванну двох електродів, що плавляться 1 (рис.8.8), підключених послідовно до джерела живлення і нагріваються майже до температури плавлення. Захисний газ подається через сопло 2.

Універсальний спосіб плазмового наплавлення – наплавлення з вдуванням порошку в дугу(Рис.8.9). Пальник має три сопла: 3 – для формування плазмового струменя, 4 – для подачі присадного порошку, 5 – для подачі захисного газу. Один джерело струму служить для запалювання дуги осцилятором 2 між електродом і соплом, а інший джерело струму формує плазмову дугу прямої дії, яка оплавляє поверхню виробу і плавить порошок, що подається з бункера потоком 6 газу. Змінюючи струм обох дуг пристроями 1, можна регулювати кількість теплоти, що йде на плавлення основного металу і порошку присади і, отже, частку металу в наплавленому шарі.

Мал. 8.9. Плазмова порошкова наплавка

Збільшення продуктивності процесу плазмового наплавлення багато в чому залежить від ефективності нагрівання порошку в дузі. Температура, яку набувають частинки порошку в дузі, визначається інтенсивністю та тривалістю нагріву, що залежать від параметрів плазми, умови введення порошку в дугу, технічних параметрів процесу наплавлення. Найбільший вплив на нагрівання порошку мають струм дуги, розмір частинок та відстань між плазмотроном та анодом.

Основні переваги методу ПН:висока якість наплавленого металу; мала глибина проплавлення основного металу за високої міцності зчеплення; можливість наплавлення тонких шарів; Висока культура виробництва.

Основні недоліки ПН:щодо невисока продуктивність; необхідність у складному обладнанні.

У компанії ТОВ « Гідротехтрейд» проводиться плазмова наплавка та напилення для відновлення та ремонту зношених деталей машин, зміцнення поверхонь деталей, що працюють при високих навантаженнях. Даний спосіб дозволяє отримати тонкий рівномірний шар покриття з безпористою поверхнею, що не потребує додаткової обробки.

Плазмова наплавка металу дозволяє надавати робочим поверхням виробів зносостійкість, жароміцність, кислототривкість, теплопровідність та ряд інших додаткових властивостей. За допомогою наплавлення фахівці нашого технічного центру одержують різноманітні вироби та деталі: вали, зуби ковшів екскаваторів, поршні, штоки, підшипники тощо.

Види плазмових наплавок

Залежно від компонування розрізняють такі види плазмового наплавлення:

• відкритий плазмовий струмінь (для різання металу та нанесення покриттів);
• закритий плазмовий струмінь (для загартування, металізації та напилення порошків.);
• комбінований струмінь (при наплавленні порошком).

Фахівці « Гідротехтрейд» здійснюють плазмову наплавку різними способами, з використанням сучасної технікита обладнання. Одним з найбільш поширених методів є плазмово-порошкова наплавка, що дозволяє наносити порошкові покриття товщиною від 0,5 до 4,0 міліметрів. При використанні даного методудіє основна дуга, що горить між виробом та електродом і непряма дуга, що горить між електродом і плазмоутворюючим соплом.

При необхідності може проводитися плазмово-дугове наплавлення. Її переваги в тому, що вона дозволяє здійснювати наплавлення композиційних матеріалів, при цьому нанесення покриттів здійснюється покроково.

Плазмова наплавка – це нанесення за допомогою стисненої дуги шару металу на поверхню виробу. Плазмова наплавка застосовується при відновленні зношених деталей, коли необхідно відновити розміри деталей і забезпечити властивості наплавленого шару, близькі до властивостей основного металу. Вона також застосовується при виготовленні нових деталей з метою надання робочим поверхням спеціальних властивостей, наприклад, жароміцності, зносостійкості, корозійної стійкості тощо. буд. однорідного (без наплавлення) виробу. При плазмовому наплавленні прагнуть до мінімального перемішування основного металу з наплавленим, що забезпечує високі властивості наплавленого шару.

Сутність плазмового наплавлення полягає в тому, що присадковий і основний метал розплавляються за допомогою висококонцентрованого електродугового розряду (плазмового потоку), який формується між електродом плазмотрону і виробом (плазма прямої дії) або між електродом і соплом водоохолоджується плазмотрона (непрямої дії). При цьому присадковий матеріал також може бути електрично нейтральним по відношенню до струменя плазми або електрично пов'язаним з нею (рис. 1). Як присадковий матеріал використовуються дроти, прутки, сипучі порошкові матеріали або спеціально приготовлені шнури з порошків.

Мал. 1. : а – плазмовим струменем з струмопровідним присадним дротом; б – плазмовою дугою з нейтральним присадним дротом; 1 – захисне сопло; 2 – сопло плазмотрону; 3 – захисний газ; 4 – плазмоутворюючий газ; 5 – електрод; 6 – присадний дріт; 7 – виріб; 8 – джерело живлення непрямої дуги; 9 – джерело живлення дуги прямої дії

Переваги плазмового наплавлення в порівнянні з іншими способами нанесення шарів на поверхню зводяться до наступного.

• Гладка та рівна наплавлена ​​поверхня, що дозволяє залишати припуск на механічну обробку в межах 0,4…0,9 мм.
• Мала глибина проплавлення основного металу (0,3…2,5 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 плазмовому наплавленні одержують шар 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 практично без оплавлення поверхні.
• Термічний ККД наплавлення в 2-3 рази вище, ніж при електродуговому процесі. Продуктивність процесу 0,4…5,5 кг/год. Продуктивність плазмово-порошкового наплавлення аустенітних нержавіючих сталей не поступається продуктивності електродугового наплавлення.

Плазмово-порошкова наплавка (ППН) (рис. 2) – механізований процес, при якому джерелом теплоти служить стиснута дуга (плазма), а присадковим матеріалом – гранульовані металеві порошки, які подаються в плазмотрон транспортуючим газом за допомогою спеціального живильника.

Мал. 2. : 1 – виріб; 2 – джерело живлення плазмової дуги; 3 – вольфрамовий електрод; 4 – стабілізуюче сопло плазмотрону; 5 - введення транспортуючого газу з порошком; 6 – фокусуюче сопло; 7 – введення захисного газу; 8 – захисне сопло; 9 – пристрій підпалювання дуги

Процес плазмово-порошкового наплавлення відрізняється унікальними технологічними можливостями. Мала глибина проплавлення основного металу, прецизійна точність, висока культура виробництва та можливість наплавлення найрізноманітніших сплавів – все це робить його незамінним при наплавленні клапанів ДВС, запірної арматури, шнеків екструдерів та термопластавтоматів, інструменту та багатьох інших деталей. Для плазмово-порошкового наплавлення використовується спеціалізоване обладнання, що складається з джерела живлення плазми, плазмотрону, пристрої для подачі порошку, пульта управління, блоку охолодження та газобалонної арматури. Наприклад, апарат типу ПМ-300 та його модифікації призначені для плазмово-порошкового наплавлення плоских, циліндричних та інших поверхонь різних деталей (рис. 3). Для обертання або переміщення деталі щодо плазмотрона може використовуватися токарно-гвинторізний верстат, маніпулятор або інший механізм. Наплавлення здійснюється високотемпературною стиснутою дугою, одержуваної в плазмотроні з електродом, що не плавиться. Присадковим матеріалом служить дрібнозернистий порошок зносостійких, корозійностійких та інших сплавів на основі Fe, Ni, Co та Cu.

Мал. 3. : 1 – джерело живлення; 2 – плазмотрон; 3 – маніпулятор-обертач; 4 – механізм регулювання плазмотрону та подачі порошку; 5 – пульт управління; 6 – балон з аргоном

Завдяки можливості регулювання в широкому діапазоні співвідношення між тепловою потужністю дуги та подачею присадного порошку ППН забезпечує досить високу продуктивність при мінімальному проплавленні основного металу, що дозволяє забезпечувати необхідну твердість та заданий хімічний склад наплавленого металу вже на відстані 0,3…0,5 мм від поверхні сплавлення. Це дає можливість обмежитися одношаровим наплавленням там, де електродуговим способом необхідно наплавити 3…4 шари.

Важливою особливістю ППН є відмінне формування наплавлених валиків, стабільність та хороша відтворюваність їх розмірів. Встановлено, що у 95% наплавлених деталей відхилення товщини наплавленого шару від номінального розміру не перевищує 0,5 мм. Це дозволяє суттєво скоротити витрати наплавальних матеріалів, час наплавлення, а також витрати на механічну обробку наплавлених деталей.

ППН забезпечує високу працездатність деталей за рахунок відмінної якості наплавленого металу, його однорідності, а також сприятливої ​​структури, яка визначається специфічними умовами кристалізації зварювальної ванни.

Основні переваги ППН:

1. висока продуктивність (до 10 кг/год);
2. висока якість наплавленого металу;
3. мала глибина проплавлення основного металу (до 5%);
4. мінімальні втрати присадного матеріалу;
5. можливість наплавлення щодо тонких шарів (0,5...5,0 мм).

У наплавочних плазмотронах можна використовувати три схеми введення порошку в дугу:

1. розподілений через кільцеву щілину між соплами (рис 2);
2. локальний бічний через канал у торці сопла;
3. аксіальний через порожнистий електрод.

Наплавлення комбінованим способом полягає в тому, що в зону наплавлення одночасно подаються порошок з живильника транспортуючим газом і дріт механізмом, що подає (рис. 4).

Мал. 4. : 1 – корпус плазмотрону (анод); 2 – вольфрамовий електрод; 3 – електродний дріт; 4 – механізм подачі дроту; 5 – джерело живлення; 6 - деталь, що наплавляється; 7 – порошковий живильник

Відомий спосіб наплавлення плазмовим струменем з струмопровідним дротом дозволяє наплавляти шари з мінімальною глибиною проплавлення. Однак цей спосіб обмежується використанням дротів з температурою плавлення нижче за температуру плавлення основного металу (дроти з міді, мідних сплавів, аустенітних сталей).

Застосування для наплавлення на сталеві вироби зварювальних низьковуглецевих дротів (Св-08А, Св-082ГС), а також легованих зносостійких наплавочних дротів (Нп-ЗОХГСА, Нп-65Г та ін) як струмоведучі не забезпечує якісного формування шарів через недостатнє підведення теплоти до основного металу та поганої змочуваності його підкладки. Шари, наплавлені порошками твердих сплавів, характеризуються високою зносостійкістю, але низькою пластичністю. Шари, наплавлені дротом, мають, як правило, високу пластичність, але значно поступаються порошкам за зносостійкістю та ступенем перемішування з основним металом. Об'єднання дроту та порошку в єдину схему дозволило підвищити ефективність стиснутої дуги і досягти утворення шарів без пір, тріщин за один прохід.

Важлива перевага комбінованого способу наплавлення – можливість розширення діапазону регулювання складу наплавленого металу та отримання шарів з необхідними властивостями.

Плазмова наплавка твердими металами . Для відновлення швидкозношувані деталі тракторів, автомобілів, сільськогосподарських машин і т. д. широко застосовується зносостійка наплавка. Така наплавка здійснюється різними твердими сплавами: литими (стеліт, сормайт), трубчастими (реліт), порошковими (сталініт, сормайт, боридохромові суміші). Плазмова наплавка твердих сплавів, що розглядаються, може бути здійснена як за схемою наплавлення з струмопровідним присадним дротом (у разі застосування литих або трубчастих сплавів), так і за схемою наплавлення порошками. Так як дріт з литих і трубчастих сплавів не виготовляється, то замість дроту, що присаджується, застосовуються присадочні струмопровідні прутки. Присадковий пруток подається до плазмового струменя між двома напрямними роликами по напрямній мідній трубці. Як плазмоутворювальний і захисний газ використовується аргон.

Плазмова наплавка із застосуванням як присадковий матеріал металевого порошку . У ряді випадків з наплавного сплаву важко виготовити дріт, стрічку або навіть прутки. Тоді для плазмового наплавлення як присадковий матеріал можуть застосовуватися металеві порошки. Способи наплавлення з використанням порошків зручно застосовувати і тоді, коли необхідно отримати тонкий (менше 1 мм) шар металу наплавлення.

При наплавленні шаром порошку присадкою служить крупнозернистий порошок необхідного складу. Такий порошок або заздалегідь насипається на поверхню, що наплавляється, або подається в зварювальну ванну з живильника безпосередньо в процесі наплавлення через плазмотрон. Розроблено цілу гаму плазмотронів для плазмово-порошкового наплавлення. різних поверхоньта розрахованих на різні потужності плазми. Наприклад, універсальний плазмотрон ПП-6-03 призначений для плазмово-порошкового наплавлення різних деталей сплавами на основі Fe, Ni і Co з метою захисту їх від зносу, корозії і т.д. горизонтальне розташування комунікацій, що є невід'ємною його частиною. Плазмотрон приєднується до тримача за допомогою чотирьох трубок живлення і фіксується чотирма порожнистими гвинтами, що дозволяє дуже швидко приєднувати або від'єднувати його при монтажі та обслуговуванні (рис. 5).

Мал. 5. : а – схема плазмотрону; б – зовнішній вигляд

Найчастіше для плазмового наплавлення застосовуються порошки на основі нікелю, кобальту або заліза. Присадки бору і кремнію знижують температуру плавлення сплаву, що дозволяє отримати тонкий шар металу наплавлення при малій (менше 10%) ступені проплавлення основного металу. У той же час домішки бору та кремнію підвищують твердість та зносостійкість металу наплавлення. Такі сплави жаростійкі до температури 950 °С, зберігають високу твердість при нагріванні до 750 °С і мають хорошу корозійну стійкість в розчинах NH4Cl, KCl, NaOH, 10% сірчаної кислоти та інших середовищах. Тому хромонікелеві сплави з бором та кремнієм знайшли широке застосування для наплавлення клапанів двигунів внутрішнього згоряння, поршнів кислотних насосів тощо.

Плазмова наплавка за способом вдування порошку в струмінь може застосовуватися як наплавлення на основний метал легкоплавких, так і тугоплавких сплавів. Мінімальна глибина проплавлення основного металу, що досягається, становить близько 0,25 мм. Мінімальна товщина шару наплавлення 0,5 мм; максимальна товщина при наплавленні одного проходу становить 5…6 мм. Для наплавлення за способом вдування порошку в плазмовий струмінь використовуються ті ж порошки, що і при наплавленні шаром порошку. Якість наплавлення при цьому залишається гарною.

Плазмова наплавка із застосуванням присадних матеріалів як порошкових сплавів забезпечує високу якість наплавленого металу. Так, наплавлений порошком ЛП8 метал по хімічного складувідповідає кобальтовому стелиту. Порошки ПГ-У30Х28Н4С4 та ЛП3 призначені для наплавлення деталей, що працюють в умовах абразивного зношування. При наплавленні сплавів на основі кобальту з добавками хрому (21...32%), вольфраму (4...17%), вуглецю, кремнію, марганцю, заліза, нікелю забезпечується твердість наплавленого шару HRC 32...52, на основі нікелю HRC 34...54, з урахуванням заліза – HRC 55…63.

Мікроплазмове напилення з використанням дротяних матеріалів . Одним із видів плазмово-дугового напилення (наплавлення) є метод отримання покриттів з використанням дротів як присадковий матеріал. До цього часу таке напилення здійснювалося плазмотронами досить великої потужності. Наприклад, в установці УПУ-8М плазмотрон потужністю 40 кВт проводить напилення із дротяних матеріалів діаметром 0,8...1,2 мм. При цьому на деталях з товщиною стінок  1 мм виникає небезпека місцевого перегріву та короблення виробу. Необхідність плазмового напилення на вузькі ребра або доріжки веде до великих втрат матеріалу, що напилюється (діаметр плями напилення зазвичай становить 15...30 мм). Аналізуючи існуючі установки та теоретичну оцінку можливості розпилення дроту мікроплазмовим струменем, вчені ІЕС ім. О.О. Патона розробили приставку до плазмотрона для мікроплазмового напилення, що дозволяє проводити процес із застосуванням дротяних матеріалів. Приставка була використана в комплекті з існуючою установкою МПН-004, призначеною для напилення покриттів із порошкових матеріалів. Вона включає джерело живлення з панеллю управління, плазмотрон та спеціальний пристрій для подачі порошку. Конструкція та параметри роботи плазмотрону забезпечують формування ламінарного плазмового струменя, що обумовлює ряд особливостей процесу:

• можливість зменшення розміру плями напилення до 1...5 мм;
• можливість нанесення покриттів на вироби малих розмірів із тонкими стінками без зайвого локального перегріву та короблення;
• низький рівень звуку ламінарного плазмового струменя (всього 30...50 дБ).

Відмінною особливістю цієї установки є наявність компактного механізму подачі дроту в міжелектродну ділянку плазмового струменя. Дріт подається приводом постійного струму за допомогою фрикційних роликів. Механізм, що подає, має ступінчасте (за рахунок змінних роликів) і плавне (за рахунок зміни числа оборотів на валу електродвигуна) регулювання швидкості подачі дроту.