Рисунок 10.8. Схема плазменного наплавления порошка

 

Подача порошка осуществляется с помощью специального питателя, в котором, вертикально расположенный, ротор лопатками подает порошок в струю газа. В случае использования сварочной проволоки подача ее выполняется аналогично, как и при наплавке под слоем флюса.

Путем колебания горелки в продольной плоскости с частотой 40–100 мин ^-1 за один проход получают слой наплавленного металла шириной до 50 мм. У горелки имеется три сопла: внутреннее для подачи плазмы, среднее для подачи порошки и наружное для подачи защитного газа.

Плазменную струю получают с помощью плазмотронов, которые по различным классификационным признакам образуют следующие группы:

- по способу взаимодействия дугового разряда с изделием (прямого, косвенного и комбинированного действия);

- по способу сжатия дугового разряда (стенками канала сопла, газовым потоком и комбинированный);

- по числу дуг (одно- и многодуговые);

- по составу плазмообразующих газов (работающие на инертных газах, нейтральных и кислородосодержащих);

- по способу подачи плазмообразующего газа (с тангенциальной и аксиальной подачей);

- по виду сварочного тока (переменного и постоянного прямой и обратной полярности);

- по способу подачи наносимого материала (радиальной боковой подачей, осевой подачей через вольфрамовый электрод);

- по величине тока (для микроплазменной наплавки – ток 0,1–15 А, для плазменной наплавки – ток 10–100 А и для наплавки с глубоким проплавлением – ток >100 А.

Наибольшее применение нашли плазмотроны: прямого действия, с комбинированным способом сжатия дугового разряда, однодуговые с тангенциальной подачей инертного газа, работающие на постоянном токе прямой полярности и с радиальной подачей материала. У плазмотрона различают основную дугу – между анодом и деталью и вспомогательную – между анодом и соплом. Токи обеих дуг регулируются балластными реостатами, включенными в соответствующие цепи.

Самые теплонапряженные детали плазмотрона – это электрод и сопло. Материал электрода определяется составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих с применением инертных и нейтральных газов (аргон, азот, гелий, смеси: аргон и азот, аргон и водород, азот водород) используют электроды из вольфрама. В плазмотронах, работающих в кислородсодержащих средах, применяют катоды из гафния и циркония. Водоохлаждаемое сопло выполнено из меди. Сопло, рассчитанное на ток 260–310 А, имеет диаметр отверстия для выхода плазмы 3–4 мм. Диаметр насадки для подачи защитного газа 10–13 мм.

Материалы для плазменной наплавки. Материалы для плазменной наплавки весьма разнообразны, включая железоуглеродистые и легированные сплавы, колмонои, стеллиты, инструментальные и быстрорежущие стали. Применяют прутки, проволоку, порошки и комбинации материалов.

Хорошие результаты при восстановлении деталей плазменной наплавкой дает применение порошковых материалов. В этом случае:

- возможно изменение в широких пределах толщины покрытия (0,1–7,0 мм), скорости (0,5–25 м/мин) и производительности наплавки (0,6–15 кг/ч), ширины шва (1–50 мм) и состава наплавляемого металла за счет изменения применяемых материалов и режимов процесса;

- обеспечивается простота управления вводом тепла в материал детали и глубиной проплавления независимо от подачи материала;

- облегчается выбор присадочного материала для получения покрытий различных составов и структур с заданными свойствами путем смешения разных порошков;

- достигается минимальный припуск на механическую обработку покрытий;

- возможна автоматизация процесса;

Режимы плазменной наплавки. Оптимальный размер частиц порошка составляет 60–100 мкм. Лучше подавать присадочный материал вдоль оси плазменной струи через отверстие анода. В этом случае полностью расплавляются частицы размером до 200–250 мкм и создаются наилучшие условия для расплавления и формирования покрытия.

Высокое значение термического КПД (до 0,45) плазменной наплавки и уменьшение вложения тепла в материал детали достигаются при выполнении двух требований. Во-первых, частицы должны расплавляться в плазменной дуге и попадать на поверхность детали в жидком состоянии. Если частицы попадают на поверхность в твердом состоянии, то требуется время для их расплавления непосредственно в сварочной ванне, что приводит к увеличению ее размеров и, соответственно, глубины проплавления. Во-вторых, частицы должны перемещаться близко к оси плазменной струи. Движение частиц по периферии струи и вне ее приводит не только к большим потерям порошка, но и к дефектам покрытия. Этим объясняется наибольшая тепловая эффективность плазмотронов с аксиальным вводом порошка.

Оптимальные размеры и форма валиков наплавки получаются при значении погонной энергии 1600–1700 кДж/м. Комбинированный способ плазменной наплавки за счет подачи в сварочную ванну порошка и токоведущей проволоки обеспечивает толщину наплавленного слоя до 4 мм за один проход и широкую возможность регулирования состава наплавленного металла и термического цикла наплавки, исключив отбеливание и трещины.

Технологические расчеты плазменно-порошковой н аплавки выполняются в следующей последовательности.

Определяют диаметр детали до наплавки D ₀, мм, после наплавки D _и, мм и длину наплавленной шейки l, мм.

Толщина наплавленного слоя, мм

.

Число наплавленных слоев n _c при z≤ 2,5 принимают равны единице, при 2,5 мм < z ≤ 5,0 мм – n _c = 2, при 5,0 мм < z ≤ 7,5 мм – n _c = 3.

Назначают расход наносимого порошка в зависимости от диметра восстанавливаемой детали из отрезка значений Q _п = 0,3–3,3 кг/ч. Меньшее значение расхода порошка соответствует наплавке детали диаметром до 10 мм, большее значение можно применять для деталей, начиная с диаметра 50 мм.

Устанавливают силу плазмообразующего тока (в амперах) из зависимости

I = (80–100) Q _п.

Выбирают марку плазменной горелки по силе тока.

Для определения скорости наплавки необходимо провести некоторые промежуточные расчеты.

Масса m _в (кг) одного валика

,

где S _п – подача плазменной горелки, мм/об; ρ – плотность порошка, кг/м³.

Число валиков металл n _c, наносимых в одну минуту (мин^-1), равно:

,

где v _н – скорость наплавки, м/мин.

    Масса металла, наплавленного в минуту (кг/мин), равна

,

где k _и – коэффициент использования порошка.

    Скорость наплавки (м/мин)

.

    Основное время наплавки (мин)

,

где n – частота вращения детали, мин^-1.

Расход порошка m_д (кг/изделие) на восстанавливаемую деталь

.

Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно, чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т.к. при этом соединение происходит без металлургического процесса, поэтому посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка) и обезжиривание. Величину мощности электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

В качестве источников питания для плазменной наплавки применяют сварочные преобразователи постоянного тока типа ПСО-500, имеющие напряжение холостого хода ≥120 В, силу тока до 600 А и крутопадающую внешнюю характеристику.

Установки для плазменной наплавки в зависимости от объема производства наплавляемых деталей, требований к уровню автоматизации технологического процесса и других факторов могут быть выполнены как универсальные (позволяющие наплавлять детали разной формы), так и как специализированные, предназначенные для наплавки деталей одного типа: клапанов двигателей внутреннего сгорания, дисков и седел трубопроводной арматуры, соединительных элементов бурильных труб и др.

Для плазменной наплавки порошками наибольшее распространение получили универсальные установки УПН-303, Об-2184 и УПНС-304. Они имеют производительность наплавки 5–6 кг/ч.

Плазменная наплавка нашла применение при восстановлении ответственных деталей, к которым, например, относятся: коленчатые, кулачковые и распределительные валы, валы турбокомпрессоров, оси, крестовины карданных шарниров, направляющие оборудования, щеки и седла задвижек, шнеки экструдеров и др. Область применения способа – нанесение тонкослойных покрытий на нагруженные детали с малым износом. Плазменная наплавка тонкослойных покрытий составляет конкуренцию процессам нанесения гальванических покрытий.

При плазменной наплавке получают покрытия толщиной 0,25–6,5 мм и шириной 1,2–45 мм. Если наносится легкоплавкий материал, то возможно нанесение покрытия с проплавлением очень тонких поверхностных слоев. Термический КПД наплавки в 2–3 раза выше, чем при электродуговом процессе. Производительность процесса 0,4–5,5 кг/ч.