Плазменная наплавка – эффективный способ защиты металлических деталей. Плазменная наплавка: оборудование и технология процесса Оборудование для плазменной наплавки металла

При плазменной наплавке в отличие от аргоиодуговой наплавки электрическая дуга сжимается стенками водоохлаждаемого сопла. Для плазменной наплавки в воздушной среде разработаны порошковые сплавы на железной основе в состав которых входят сильные раскислители и нитридообразующие элементы. Плазменную струю получают с помощью плазмотронов которые по различным классификационным признакам образуют следующие группы: по способу взаимодействия дугового разряда с изделием прямого действия косвенного комбинированного; по способу сжатия дугового...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 12

Плазменная наплавка

Плазменная наплавка - это процесс нанесения покрытий плазменной струей, когда деталь включена в цепь тока нагрузки. В этом случае с помощью плазменной струи нагреваются поверхность восстанавливаемой детали и наносимый материал. Материал перемещается плазменной струей. Температура ее может превышать 20 ООО К.

При плазменной наплавке в отличие от аргоиодуговой наплавки электрическая дуга сжимается стенками водоохлаждаемого сопла. Газ, продуваемый сквозь эту дугу, приобретает свойства плазмы - становится ионизированным и электропроводящим. Слой газа, соприкасающийся со стенками сопла, интенсивно охлаждается, утрачивает электропроводность и выполняет функции электрической и тепловой изоляции, что приводит к уменьшению диаметра плазменной струи, который составляет 0,7 диаметра сопла.

В качестве плазмообразующего газа чаще применяется аргон (табл. 3.55). Наплавка с заменой аргона воздухом (до 90%) значительно снижает стоимость восстановления деталей. Для плазменной наплавки в воздушной среде разработаны порошковые сплавы на железной основе, в состав которых входят сильные раскислители и нитридообразующие элементы.

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

• по способу взаимодействия дугового разряда с изделием (прямого действия, косвенного, комбинированного);
• по способу сжатия дугового разряда (стенками канала сопла, газо вым потоком и комбинированный);
• по числу дуг (одно- и многодуговые);
• по составу плазмообраэующих газов (работающие на инертных газах, нейтральных и кислородсодержащих);
• по способу подачи плазмообразующего газа (с тангенциальной и аксиальной подачей);
• по виду сварочного тока (переменного и постоянного прямой и обратной полярности);
• по способу дополнительного сжатия дуги (с системой каналов, выходящих на торец сопловой части; с системой каналов, выходящих внутрь канала сопла и комбинированной системой каналов);
• 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 про- плавлением - 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 и 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 силой 260...310 А, имеет диаметр отверстия для выхода плазмы 3...4 мм. Диаметр насадки для подачи защитного газа 10...13 мм.

Преимущества плазменной наплавки по сравнению с другими способами нанесения покрытий сводятся к следующему. Гладкая и ровная поверхность покрытий позволяет оставлять припуск на обработку 0,4...0,9 мм. Малая глубина проплавления (0,3...3,5 мм) и небольшая зона термического влияния (3...6 мм) обусловливают долю основного металла в покрытии < 5 %.

Малое вложение тепла в обрабатываемую деталь обеспечивает небольшие деформации и термические воздействия на структуру основы. При восстановлении обеспечивается высокая износостойкость наплавленных поверхностей. Наблюдается снижение усталостной прочности деталей на 10... 15 %, что намного меньше, чем при использовании некоторых других видов наплавки.

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 0,2...6,5 мм и шириной 1,2...45 мм. Если наносится легкоплавкий материал, то возможно нанесение покрытия с проплавлением очень тонких поверхностных слоев без оплавления поверхности.

Термический КПД наплавки в 2...3 раза выше, чем при электродуговом процессе. Производительность процесса 0,4...5,5 кг/ч.

Различают наплавку по винтовой линии с непрерывной подачей плазмотрона и широкослойную наплавку с его гармоническими колебаниями относительно оси вращающейся детали. Для нанесения покрытий толщиной > 4 мм применяют многослойную наплавку.

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

При наплавке седел клапанов (в том числе и при изготовлении двигателей) Россия, Великобритания, Германия, США и Япония применяют хромокобальтовые сплавы - стеллиты, которые обладают более высокой жаростойкостью при температуре 600...650 °С, чем самофлюсующиеся хромоникелевые сплавы, легированные бором и кремнием.

Произошел переход с индукционной наплавки и наплавки намораживанием этого материала на плазменную наплавку. Это связано с тем, что железо является вредной примесью в наплавочных сплавах Co - Cr - W - C . Разбавление наплавленного металла железом приводит к снижению жаропрочности и коррозионной стойкости покрытий. При этом твердость сплавов при комнатной температуре остается практически постоянной, но при высоких температурах она резко снижается. Скорость коррозии в растворах соляной и азотной кислот у стеллитов с добавкой железа увеличивается примерно в 10 раз.

Прочные и вязкие покрытия получаются из сталей, легированных ванадием. Ванадий обладает высоким сродством к углероду; его карбиды сохраняют стехиометрическое строение и высокую твердость в процессе наплавки. Нерасплавленные частицы карбида ванадия стимулируют образование из расплава мелкозернистой структуры. Высокая твердость карбидов ванадия (2900...2940 HV 0,2 ) обеспечивает высокую износостойкость покрытия.

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

возможно изменение в широких пределах толщины покрытия (0,1...7 мм), скорости (0,5...25 м/мин) и производительности наплавки (0,6... 15 кг/ч), ширины шва (1...45 мм) и состава наплавляемого металла за счет изменения применяемых материалов и режимов процесса;

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

облегчается выбор присадочного материала для получения покрытий (в том числе композиционных) различных составов и структур с заданными свойствами путем смешения разных порошков;

Оптимальный размер частиц порошка 60... 100 мкм. Лучше подавать присадочный порошок вдоль оси плазменной струи через отверстие ано да, в этом случае и полностью расплавляются частицы размером 200 ...250 мкм, и создаются наилучшие условия для расплавления и формирования покрытия.

Высокое значение термического КПД (до 0,44) плазменной наплав ки и уменьшение вложения тепла в материал детали достигаются при выполнении двух требований. Во-первых, частицы должны расплавлять ся 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 ван не, 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 потерям порошка, но и к дефектам покрытия. Этим объясняется наибольшая тепловая эффективность плазмотронов с аксиаль ным вводом порошка.

Температура наплавляемой поверхности детали изменяется под действием тепла предварительного подогрева, тепла от предыдущих валиков Н тепла от валика, наносимого в рассматриваемый момент времени. Спустя некоторое время отвод тепла уравнивается с его подводом, что приводит к достижению материалом детали теплового насыщения . Повышение термического КПД плазменной наплавки и исключение перегрева детали обеспечиваются предварительным нагревом детали и ограничением мощности плазмотрона примерно на 40% непосредственно в процессе наплавки. Это относится и к плазменно-порошковой наплавке, тепловая мощность которой может регулироваться независимо от расхо да подаваемого порошка.

Электромагнитная наплавка

Сущность электромагнитной наплавки заключается в нанесении покрытия из порошка на поверхность заготовки в магнитном поле при пропускании постоянного тока большой силы через зоны контакта частиц порошка между собой и с заготовкой.

Магнитное поле создают в зазоре между заготовкой и полюсным наконечником. Оно выстраивает мостики частиц ферромагнитного порошка между указанными элементами. На магнитное поле, в свою очередь, налагают электрическое поле путем приложения напряжения к заготовке и полюсному наконечнику. Восстановительное покрытие получается за счет нагрева частиц порошка в зазоре, их оплавления и закрепления на восстанавливаемой поверхности.

Процесс разработан и совершенствуется в Беларуси. В настоящее время плодотворные исследования ведет научная школа БАТУ (Минск) под руководством проф. Л.М. Кожуро.

Хорошую обрабатываемость и износостойкость имеют покрытия из высокохромистого чугуна С-300 эвтектического состава и из быстрорежущих сталей Р6М5К5 и Р6М5ФЗ. Плотность мощности достигает значений 510 4 ... 510 5 Вт/см 2 .

Процесс характеризуется некоторой нестабильностью из-за хаотического формирования многоэлектродной системы и дискретного расплавления цепочек-электродов из зерен порошка в рабочем зазоре. Устранить этот недостаток можно подачей в рабочий зазор присадочного материала в виде непрерывно поступающего слоя пасты и последующим ее расплавлением изолированным неплавящимся электродом. Основой паст служат легированные порошки на железной основе (Fe - V , Fe - Ti , Fe - Cr , С-300, ПЖРВ2) зернистостью 150...300 мкм, которые перемешиваются со связующим (жидким стеклом) непосредственно перед наплавкой в объемном соотношении 2:1. Это позволяет повысить производительность за счет увеличения плотности тока до 3 А/мм 2 . Можно получить покрытие

толщиной ~ 2 мм. Стабильность наплавки еще больше повышается, если

ферромагнитный порошок подают в рабочую зону в потоке рабочей жидкости.

Устройства для реализации электромагнитной наплавки могут быть выполнены по одно- или двухполюсной схеме. Двухполюсная схема при прочих равных условиях дает более высокую стабильность и производительность наплавки, но однополюсная более универсальна. Наплавка в пульсирующем магнитном поле за счет вибрации полюсного наконечника исключает короткое замыкание в цепи разрядного тока, что позволяет использовать неимпульсные источники тока и стабилизировать процесс. Можно восстанавливать как цилиндрические, так и плоские поверхности.

Способ позволяет совмещать во времени процессы нанесения покрытия и поверхностного пластического деформирования. Совмещение обеспечивает получение сжимающих остаточных напряжений в наплавленном слое (усталостная прочность увеличивается в 1,2...1,4 раза), повышение его износостойкости в 1,8...2,7 раза, Электромагнитную наплавку можно совмещать со шлифованием абразивными частицами наносимого материала.

Область применения процесса - восстановление и упрочнение деталей с износом до 0,6 мм в мелко- и среднесерийном производствах с одновременным их поверхностным пластическим деформированием.

Лазерная наплавка

Лазерная наплавка использует в качестве источника тепла концентрированный луч лазера.

С помощью лазеров выполняют: наплавку, оплавление напыленных поверхностей, поверхностное легирование, поверхностную закалку и аморфизацию материала. Лазерный вид нагрева позволяет также устранять повреждения в виде трещин в высоконагруженных деталях с нерегулярным режимом нагружения, , соединять детали в труднодоступных местах После лазерной обработки деталей с трещинами по режиму, обеспечивающему их частичное оплавление, с последующей нормализацией детали работа разрушения детали на 30% выше по сравнению с образцами, имеющими начальные трещины.

Исключительная локальность воздействия луча за счет высокой плотности энергии определяет область применения лазерной наплавки. Она применяется при восстановлении ответственных деталей (гладких млов и деталей со сложным профилем) с местным износом. Способ наиболее эффективен при восстановлении поверхностей площадью 5...50 мм и величиной износа 0,1...1,0 мм, при этом расход порошков невелик, глубина термического влияния обычно не превышает 0,5...0,6 мм, а деформации детали отсутствуют. С помощью лазерной наплавки восстанавливают, например, кулачки распределительных валов, поверхности ротора турбокомпрессора, оси фильтров тонкой очистки масла, фаски клапанов.

В качестве оборудования чаще применяют установки ЛГН-702, УЛГН-502 и ЛОК-ЗМ.

При лазерной наплавке реализуют следующие преимущества этого вида нагрева:

большую скорость выполнения операции;

широкие технологические возможности;

высокое качество поверхности после обработки;

возможность местной обработки;

легкость автоматизации;

обработку внутренних поверхностей больших и малых диаметров с помощью Важным параметром является направление подачи порошка относительно движения детали при лазерной наплавке. Подача порошка в направлении движущейся детали обеспечивает хорошее формирование наплавленных валиков. Процесс формирования при такой схеме стабилен: колебания высоты и ширины валика незначительны (10... 15%). При подаче порошка навстречу движущейся поверхности детали газопорошковая струя оттесняет жидкий металл от закристаллизовавшейся части, вследствие чего он несколько растекается по поверхности, увеличивая площадь ванны плавления. При этом растет количество частиц порошка, попадающих в расплав, и немного увеличиваются размеры валиков по сравнению со случаем подачи порошка вслед движущейся детали. Однако геометрические размеры отличаются нестабильностью, разброс высоты и ширины валика достигают 50...60 %.

Качество покрытий зависит также от толщины наплавляемого слоя и перекрытия валиков. Зависимость высоты наплавки от угла ввода порошка носит экстремальный характер.

Один из видов лазерной наплавки - это оплавление шликерных покрытий. Наплавка шликерных обмазок целесообразна при восстановле- иии плоских поверхностей или локально изношенных участков деталей в труднодоступных местах. Наносимый материал готовят в виде коллоидной смеси порошка в растворе целлюлозы. В этом случае наплавочный материал используется полностью. Для получения качественных покрытий хорошего качества лазером киловаттной мощности толщина обмазки не должна превышать 1 мм, а для лазера мощностью 2,5 кВт быть < 2 мм. Коэффициент перекрытия при этом должен составлять не менее половины диаметра рабочего пятна.

Твердость покрытий из самофлюсующихся порошков составляет 35...60 HRC для подложки из стали и 45...60 HRC для подложки из чугуна. Толщина нанесенного слоя достигает 40...50 мкм. Прочность соединения покрытия с материалом подложки > 250 МПа.

Лазерное оплавление напыленных покрытий - один из способов улучшения их свойств. Структура оплавленных лазером слоев характеризуется чрезвычайной дисперсностью, отсутствием оксидных включений и пор. Содержание легирующих элементов в оплавленных участках мало отличается от исходного. При лазерном оплавлении покрытий на оптимальном режиме, полученных напылением, можно добиться такого состояния поверхности, при котором последующая механическая обработка представляет собой отделку (например, шлифование). Поверхностное легирование - это введение в оплавленный слой практически любых легирующих элементов и даже карбидов. Продолжительность процесса измеряется секундами, в то время как при химико-термической обработке (ХТО) - часами. Регулируя мощность лазерного луча, продолжительность нагрева, скорость вращения изделия и шаг перемещения луча, можно достичь различной ширины оплавления: 0,05...5 мм.

Порошок на поверхность детали наносят как пасту, замешанную на жидком стекле, в виде наплавленного слоя или фольги нужного состава. Имеется способ легирования вдуванием порошка в оплавляемый слой. Углерод вводят в виде графита, а легирующие элементы - в элементном виде или как ферросплавы. Аналогично вводят релит, сплавы типа ВК и др. Твердость и глубина легированного слоя зависят от мощности луча и числа импульсов.

Особенность поверхностной закалки заключается в нагреве и охлаждении поверхности со скоростями, достигающими 10 5 К/с, при этом нагрев проводится по режиму, не дающему оплавления поверхности. Вследствие высокой скорости охлаждения металл не перегревается, имеет место полная гомогенизация структуры. При охлаждении образуется бесструктурный мартенсит, что способствует повышению твердости и износостойкости (> 1000 HV ).

Остеклование поверхности (аморфизация) получается при нагреве детали с оплавлением. Твердость поверхности достигает 2000 HV , долговечность при этом повышается. Слои укладываются плотными рядами или с перекрытием. В обоих случаях на границе слоя будет мягкая зона или на участке теплового влияния, или в зоне перекрытия. На износостойкость эти мягкие участки не влияют, скорее даже имеют положительное значение, так как после небольшого износа они станут местом для задержания смазки и для отвода продуктов изнашивания. несложных оптических устройств.

Порошковая лазерная наплавка заключается в получении покрытий путем принудительной подачи порошка газовым потоком непосредственно в зону лазерного излучения. Частицы порошка начинают нагреваться в лазерном луче и расплавляются в поверхностном слое. Этот вид наплавки определяется следующими параметрами (интервалы оптимальных значений приведены в скобках):

мощностью лазерного излучения (I ...3 кВт);

скоростью перемещения восстанавливаемой поверхности под облучением (16,7...33,3 мм/с);

диаметром пятна нагрева, определяемым условиями фокусировки излучения (10... 15 мм);

Массовым расходом порошка, подаваемого в зону обработки (2,1...3,2 кг/ч);

Углом ввода порошка (30...35°).

Увеличение мощности лазера приводит к увеличению количества расплавляемого порошка, вследствие чего возрастает ширина и высота наплавленных валиков.

Повышение скорости обработки приводит к существенному уменьшению геометрических размеров наплавленных валиков. Это связано с тем, что с увеличением скорости обработки при постоянной мощности уменьшается удельная погонная энергия, а также массовый расход порошка.

Влияние степени фокусировки на геометрические параметры наплавляемых валиков неоднозначно. С уменьшением степени фокусировки при постоянной мощности снижается плотность мощности излучения, что приводит к уменьшению количества расплавленного порошка и высоты расплавленного валика.

Плазменная наплавка - это процесс нанесения металла плазменной струей, при котором восстанавливаемая деталь включена в цепь нагрузки. Плазмой называют частично или полностью ионизированный газ, состоящий из ионов, электронов, нейтральных атомов и молекул. В отличие от термоядерной «горячей» плазмы с температурой в десятки миллионов градусов при газовом разряде возникает «холодная» плазма, имеющая температуру до 50 000°С. В плазмотронах столб электрической дуги сжимают водоохлаждающим соплом, получая так называемую сжатую дугу. При этом ее температура значительно повышается.

Принцип устройства плазмотронов показан на рис. 2.30. Электрическая дуга 2 возбуждается между электродом 1 и водоохлаждаемым соплом 3. В канал сопла подается газ, который, проходя через плазму дуги, ионизируется и вытекает из сопла в виде ярко светящейся струи 4 (см. рис. 2.30, а). Потоки холодного газа, образующиеся в результате интенсивного отвода теплоты соплом, теплоизолируют плазменную дугу от стенок сопла. Плазменную дугу такого вида называют дугой косвенного действия в отличие от дуги прямого действия (см. рис. 2.30, б ), при котором плазменная дуга 2 горит между электродом 1 и изделием 5.

Рис. 2.30. а - дуга косвенного действия; б - дуга прямого действия

В качестве материалов при плазменной наплавке используют порошки, проволоку, прутки. Преимущества этого процесса - малая глубина проплавления основного металла, возможность наплавки тонких слоев, высокое качество наплавленного металла.

При плазменно-порошковой наплавке используют три вида плазменной дуги - прямого, косвенного действия и комбинированную. Последняя обладает лучшими технологическими возможностями, позволяя осуществлять в широком диапазоне раздельное регулирование степени нагрева присадочного материала и основного металла.

Схема горелки представлена на рис. 2.31. Между электродом 1 и внутренним соплом 3 возбуждают дугу. Плазмообразующий газ, проходя через нее, создает плазменную струю 4 косвенного действия, которая обеспечивает расплавление присадочного порошка. Дуга прямого действия, горящая между электродом 1 и основным металлом, совпадает с плазменной струей 6 прямого действия, которая создает необходимый нагрев поверхности, обеспечивая сплавление присадочного и основного металлов. Изменяя силу тока дуги прямого действия, можно достичь минимальной величины проплавления основного металла.

Рис. 2.31.

7 - вольфрамовый электрод; 2 - источник питания дуги косвенного действия; 3 - внутреннее сопло; 4 - плазменная струя косвенного действия; 5 - наружное сопло; 6 - плазменная струя прямого действия; 7 - источник питания дуги прямого действия

Если при однослойной наплавке под флюсом доля основного металла в наплавленном составляет 60%, то плазменная наплавка позволяет получать в первом слое долю основного металла до 5%. При наплавке плазменная струя окружена соосным потоком защитного газа, обеспечивающим защиту наплавленного металла. Поскольку резкие колебания давления дуги отсутствуют, наплавленная поверхность получается гладкой с минимальным припуском на механическую обработку.

Если плазменно-порошковую наплавку осуществляют с подачей порошка в хвостовую часть ванны, то обеспечивается более надежная подача присадочного порошка. При наплавке порошков карбида они не разлагаются, так как, попадая в ванну, минуют разрушающее действие электрической дуги. При этом наплавленный металл получает строение композиционного сплава. Для наплавки применяют порошки с частицами шаровидной формы размером 40-400 мкм, а в хвостовую часть ванны подается более крупная фракция порошка.

Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой (рис. 2.32) обеспечивает минимальное проплавление основного металла при достаточно высокой производительности процесса. При этом способе сжатая дуга 7используется для плавления присадочной проволоки и подогрева изделия 6. Косвенная дуга горит между вольфрамовым электродом / и соплом 4 , а дуга прямого действия - между вольфрамовым электродом 1 и проволокой 5. Основной металл получает теплоту от перегретого металла плавящейся проволоки и от плазменной дуги. При наплавке хромоникелевых коррозионностойких сталей на углеродистые глубина проплавления основного металла составляет 0,2-0,5 мм, а высота наплавленного валика - 4,5-5 мм. При наплавке меди на сталь проплавление основного металла вовсе отсутствует.

Изменяя силу тока, регулируют долю основного металла и производительность наплавки.

Наплавка косвенной дугой токоведущей проволокой позволяет снизить долю участка основного металла в первом наплавленном слое до 4%, что важно для обеспечения требуемых физико-механических свойств процесса.

Плазменная наплавка с неподвижной присадкой нашла применение в промышленности, например при наплавке клапанов двигателей автомобилей. Спеченное присадочное кольцо помещают на клапан и расплавляют плазменной дугой. При этом на фаске клапана образуется слой жаропрочного сплава.

Рис. 2.32.

7 - вольфрамовый электрод; 2 - изолятор; 3 - плазмообразующее сопло; 4 - защитное сопло; 5 - токоведущая проволока (пруток); б - изделие; 7 -

сжатая дуга

Высокую производительность (до 30 кг/ч) обеспечивает плазменная наплавка с подачей в ванну двух плавящихся электродов (рис. 2.33). Электроды / подключены последовательно к источнику переменного тока 2, с помощью которого они разогреваются проходящим через них током почти до температуры плавления. Электроды / подают в хвостовую часть ванны, защищаемую газом, который поступает из специального сопла 3. Передняя часть ванны защищается плазмообразующим газом.

Рис. 2.33.

7 - токоведущие электроды; 2 - источник переменного тока; 3 - защитное сопло;

ПГ - плазмообразующий газ; ЗГ - защитный газ; В - вода

Плазменную наплавку баббита на сталь выполняют на переменном токе с использованием баббитовых прутков в качестве электродного материала. Такой процесс позволяет осуществлять катодную очистку поверхности основного металла потоком плазменной струи в тот полупериод, когда к изделию приложено отрицательное напряжение. Катодная очистка при наплавке обеспечивает смачиваемость стали баббитом.

Вибродуговая наплавка.

Принцип ее нанесения - чередование периодов кратковременного существования дуги и кратковременных коротких замыканий. Данный процесс предусматривает определенную степень механизации. Подаваемая в зону сварки проволока должна совершать частые возвратно-поступательные движения (до 100 движений в секунду). Вибродуговая наплавка осуществляется под флюсом в газовой среде. Наплавку можно производить и в водных растворах. Таким раствором может быть 25% раствор технического глицерина в воде или раствор кальцинированной соды. Жидкость дает высокую скорость охлаждения, а это уменьшает вероятность деформации детали. К недостаткам этого способа следует отнести часто возникающие дефекты в наплавленном металле в виде мелких газовых пор, трещин, а также неравномерную его твердость.

Преимущества этого процесса - в гарантировании малой глубины проплавления основного металла, очень тонкий наплавляемый слой, высокое качество соединения слоев. При работе пламенная струя как бы окружена потоком защитного газа, что дает защиту наплавленному слою.

Плазменно-порошковую наплавку осуществляют так­же с подачей порошка в хвостовую часть ванны. В этом случае обеспечивается более надежная подача присадочного порошка, а при наплавке порошков карбида отсутствует их разложение, так как они, попадая в ванну, минуют разрушающее действие электрической дуги. Для наплавки применяют порошки шаровидной формы с размером частиц, 40-400 мкм, а для подачи порошка в хвостовую часть ванны - более крупные частицы. Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой обеспечивает минимальное проплавление основного металла при достаточно высокой производительности процесса.

Каждый вид наплавки имеет свои основные элемен­ты режима, влияющие на производительность и каче­ство процесса. Для дуговой наплавки основными элементами режима являются сила тока, напряжение и скорость перемещения дуги, вылет и число электродов, шаг наплавки, а также смещение электрода с зенита при наплавке тел вращения. Наплавку обычно ведут на постоянном токе, обеспечивающем высокую стабильность процесса. Ток дуги при наплавке зависит от скорости подачи электродной проволоки. С увеличением скорости подачи возрастает сила тока, а следовательно, и производительность наплавки. Однако с возрастанием тока дуги увеличивается глубина проплавления и доля основного металла в наплавленном.

Наплавка самозащитными проволоками . Этот способ нанесения защитного покрытия открытой дугой в атмосфере находит все более широкое применение. Здесь применяются электроды, сердечник которых содержит наряду с порошками легирующих компонентов и другие (газо- и шлакообразующие) вещества, цель которых - защитить расплавляемый металл от воздействия воздуха. При этом сварщика не должно беспокоить повышенное разбрызгивание металла и газовыделение.

Если процесс наплавки можно механизировать, лучше всего делать наплавку под флюсом. Этот способ привлекателен своей экономичностью, отсутствием открытого излучения дуги, высокой производительностью.

В случае, если наплавка под флюсом невозможна, можно обратиться к наплавке в защитных газах. Здесь защитной средой выступит углекислый газ или аргон. При осуществлении наплавки высоколегированных хромоникелевых сталей, сплавов на основе меди применяется именно аргон.

Наплавка с газообразным флюсом : подогревают деталь пламенем с флюсом до температуры смачивания (примерно 700°С), наплавляют первый слой с погружением конца прутка в жидкую ванну. Второй и последующие слои наплавляются аналогичным образом. Газофлюсовую наплавку можно производить как на сталь, так и на чугун.

Чтобы увеличить срок службы деталей осуществляется наплавка твердыми сплавами. В данном случае в качестве основы надо применять низкоуглеродистые стали с наплавкой износостойких сплавов непосредственно на рабочие поверхности.

Особое внимание надо уделять процессу наплавки на марганцовистые, высокоуглеродистые и хромомолибденовые стали (включая и серые чугуны). Дело в том, что все перечисленные сплавы требуют обязательного предварительного подогрева и медленного охлаждения после наплавки. Если этого не соблюдать после производства наплавки могут появиться трещины.

Какие же наплавочные материалы лучше всего применять? Хорошую репутацию имеют трубчатые наплавочные стержни ТЗ, прутки из белого чугуна Б4 или Х4. Широко распространена практика наплавки литыми твердыми сплавами, припайки металлокерамических пластин к стальным державкам.

Флюсы при данном способе наплавки используют для защиты наплавленного слоя при газопламенной наплавке литыми твердыми сплавами. К примеру, наплавка сормайта производится с флюсом, в состав которого входят: 50% буры, 3% кремнезема, 47% двууглекислой соды. При наплавке стеллита применяется флюс, состоя­щий из 20% прокаленной буры, 12% плавикового шпата и 68% борной кислоты. Наплавочные материалы, применяемые при газопламенной наплавке, даны в таблице ниже.

Газопламенная плавка предусматривает применение ацетилена, мощность пламени которого должна быть 100-120 л/ч на 1 мм толщины металла. Глубина проплавления не должна быть больше 0,3-0,5 мм. В этом случае не произойдет перемешивания основного металла с наплавленным.

Как регулировать толщину наплавленного слоя? Это делается за счет разных углов наклона детали. Если угол наклона детали будет 7%, получится тонкий слой наплавки. Если увеличивать угол наклона до 15% (ведя наплавку снизу вверх), то слой будет увеличиваться.

При производстве наплавочных работ горелку надо держать под углом 70° (можно 60-80°) вправо, а присадку - под углом 30-40° влево. Пруток всегда должен находиться в зоне пламени. Нельзя допускать касания ядром пламени расплавленного металла. Это грозит появлением пористости в наплавляемом металле. Срез мундштука горелки должен быть на расстоянии 50 мм от наплавляемого валика. При наплавке обязателен предварительный нагрев детали. Если деталь закалена, производится отжиг при температуре 800-900°С. Если деталь массивная, то температура подогрева составит 600-700°С. Мелкие детали достаточно подогреть всего до 300-500°С, чтобы не появились микротрещины. Обычно толщина наплавленного слоя не должна быть больше 2-3 мм (если деталь подвергается ударным нагрузкам), толщина слоя в случае работы детали на истирание - 4-8 мм.

Наплавочные материалы, применяемые при газопламенной наплавке

Наплавочный материал	Марка	Характеристика состава	Область применения
Металлокера-мические твердые сплавы в виде пластин	Победит	Карбиды вольфрама и титана, связанные кобальтом и железом	Оснащение металлорежущего инструмента
Литые твердые сплавы в виде прутков	Стеллит В2К Стеллит ВЗК Сормайт 2 Сормайт С27	Сплав вольфрама и хрома, связанных кобальтом и железом Сплав карбида хрома с железом и никелем (до 5%)	Наплавка на детали, работающие при высоких температурах Для наплавки на детали, работающие при нормальных и несколько повышенных температурах
Твердый сплав в виде трубчатого стержня	Релит ТЗ	Трубка (06X0,5 мм) из низко­углеродистой стали, заполненная крупкой карбидов вольфрама (ослитом)	Для наплавки бурового инструмента в нефтяной промышленности и других деталей, работающих в условиях сильного абразивного износа

Является наиболее прогрессивным способом восстановления изношенных деталей машин и нанесения износостойких покрытий (сплавов, порошков, полимеров,…) на рабочую поверхность при изготовлении деталей.

Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др.

При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подается при 23 атмосферах, возбуждается электрическая дуга силой 400-500 А и напряжением 120-160 В Ионизированный газ достигает температуры 10-18 тыс. о С, а скорость потока - до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках - плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод.

В зависимости от схемы подключения анода различают (см.рис.1) :

1. Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема при резке металла и для нанесения покрытий.

2. Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки). Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т.к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыливания порошков.

3. Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги, Схема используется при наплавке порошком.

Рис.1. Схема плазменной сварки открытой и закрытой плазменной струей .

Наплавку металла можно реализовать двумя способами:

1-струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;

2-вводится в плазменную струю присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.

В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, водород и воздух. Наилучшие результаты сварки получаются с аргоном.

Достоинствами плазменной наплавки являются:

1. Высокая концентрация тепловой мощности и возможность минимальной ширины зоны термического влияния.

2. Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.

3. Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, пластмасса) на стальную деталь.

4. Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.

5. Относительно высокий К. П. Д. дуги (0.2-0.45).

Очень эффективно использовать плазменную струю для резки металла, т.к. газ из-за высокой скорости очень хорошо удаляет расплавленный металл, а из-за большой температуры он плавится очень быстро.

Установка (рис. 2.) состоит из источников питания, дросселя, осциллятора, плазменной головки, приспособлений подачи порошка или проволоки, системы циркуляции воды и т.д.

Для источников питания важно выдержка постоянным произведение J U, т.к. мощность определяет постоянство плазменного потока. В качестве источников питания применяют сварочные преобразователи типа ПСО - 500. Мощность определяется длиной столба и объемом плазменной струи. Можно реализовать мощности свыше 1000 кВт.

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.

Рис.2. Схема плазменного наплавления порошка .

При наплавке порошков реализуется комбинированная дуга, т. е. одновременно будут гореть открытая и закрытая дуги. Регулировкой балластных сопротивлений можно регулировать потоки мощности на нагрев порошка и на нагрев и оплавление металла детали. Можно добиться минимального проплавления основного материала, следовательно будет небольшая тепловая деформация детали.

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 наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Ручная дуговая наплавка штучными электродами

Наиболее универсальный метод, пригодный для наплавки деталей различной формы, может выполняться во всех пространственных положениях. Легирование наплавленного металла производится через стержень электрода и/или через покрытие.

Для наплавки используют электроды диаметром 3-6 мм (при толщине наплавленного слоя менее 1,5 мм применяют электроды диаметром 3 мм, при большей - диаметром 4-6 мм).

Для обеспечения минимального проплавления основного металла при достаточной устойчивости дуги плотность тока должна составлять 11-12 А/мм 2 .

Основные достоинства метода:

• универсальность и гибкость при выполнении разнообразных наплавочных работ;
• простота и доступность оборудования и технологии;

Основные недостатки метода:

• низкая производительность;
• тяжелые условия труда;
• непостоянство качества наплавленного слоя;
• большое проплавление основного металла.

Полуавтоматическая и автоматическая дуговая наплавка

Для наплавки применяются все основные способы механизированной дуговой сварки - под флюсом, самозащитными проволоками и лентами и в среде защитных газов. Наиболее широко используется наплавка под флюсом одной проволокой или лентой (холоднокатаной, порошковой, спеченной). Для увеличения производительности применяют многодуговую или многоэлектродную наплавку. Легирование наплавленного металла осуществляется, как правило, через электродный материал, легирующие флюсы применяются редко. Большое распространение получила дуговая наплавка самозащитными порошковыми проволоками и лентами. Стабилизация дуги, легирование и защита расплавленного металла от азота и кислорода воздуха обеспечивается за счет компонентов сердечника электродного материала.

Дуговая наплавка в среде защитных газов применяется относительно редко. В качестве защитных газов используются СОг, аргон, гелий, азот или смеси этих газов.

Вследствие большого проплавления основного металла при дуговой наплавке необходимый состав наплавленного металла удается получить только в 3-5-мм слое.

Основные достоинства метода:

• универсальность;
• высокая производительность;
• возможность получения наплавленного металла практически любой системы легирования.

Основной недостаток:

• большое проплавление основного металла, особенно при наплавке проволоками.

Электрошлаковая наплавка (ЭШН)

ЭШН основана на использовании тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через шлаковую ванну.

Основные схемы электрошлаковой наплавки приведены на рис. 25.2.

Рис. 25.2. Схемы электрошлаковой наплавки:
а - плоской поверхности в вертикальном положении: б - неподвижным электродом большого сечения; в - цилиндрической детали проволоками; г - электродом-трубой; д - зернистым присадочным материалом: е - композиционного сплава; ж - составным электродом; з - плоской поверхности в наклонном положении; и - жидким присадочным металлом; к - горизонтальной поверхности с принудительным формированием; л - двумя электродными лентами со свободным формированием; 1 - основной металл: 2 - электрод; 3 - кристаллизатор; 4 - наплавленный металл; 5 - дозатор; 6 - тигель; 7 - флюс

ЭШН можно производить в горизонтальном, вертикальном или наклонном положении, как правило, с принудительным формированием наплавленного слоя. Наплавка на горизонтальную поверхность может идти как с принудительным, так и со свободным формированием.

Основные достоинства метода:

• высокая устойчивость процесса в широком диапазоне плотностей тока (от 0,2 до 300 А/мм 2), что позволяет использовать для наплавки как электродную проволоку диаметром менее 2 мм, так и электроды большого сечения (>35000 мм 2);
• производительность, достигающая сотен килограммов наплавленного металла в час;
• возможность наплавки за один проход слоев большой толщины;
• возможность наплавки сталей и сплавов с повышенной склонностью к образованию трещин;
• возможность придавать наплавленному металлу необходимую форму, сочетать наплавку с электрошлаковой сваркой и отливкой, на чем основана стыкошлаковая наплавка.

Основные недостатки метода:

• большая погонная энергия процесса, что обусловливает перегрев основного металла в ЗТВ;
• сложность и уникальность оборудования;
• невозможность получения слоев малой толщины (кроме способа ЭШН лентами);

Плазменная наплавка (ПН)

ПН основана на использовании в качестве источника сварочного нагрева плазменной дуги. Как правило, ПН выполняется постоянным током прямой или обратной полярности. Наплавляемое изделие может быть нейтральным (наплавка плазменной струей) или, что имеет место в подавляющем большинстве случаев, включенными в электрическую цепь источника питания дуги (наплавка плазменной дугой). ПН имеет относительно низкую производительность (4-10 кг/ч), но благодаря минимальному проплавлению основного металла позволяет получить требуемые свойства наплавленного металла уже в первом слое и за счет этого сократить объем наплавочных работ.

Существует несколько схем ПН (рис. 25.3), но наибольшее распространение получила плазменно-порошковая наплавка - наиболее универсальный метод, так как порошки могут быть изготовлены практически из любого, пригодного для наплавки, сплава.

Рис. 25.3. Схемы плазменной наплавки:
а - плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; б - плазменной струей с нейтральной присадочной проволокой; в - комбинированной (двойной) дугой одной проволокой; г - то же, с двумя проволоками; д - горячими проволоками; е - плавящимся электродом; ж - с внутренней подачей порошка в дугу; э - с внешней подачей порошка в дугу; 1 - защитное сопло; 2 - сопло плазмотрона; 3 - защитный газ; 4 - плазмообразующий газ; 5 - электрод; 6 - присадочная проволока; 7 - изделие; 5 - источник питания косвенной дуги; Я - источник питания дуги прямого действия; 10 - трансформатор; II - источник питания дуги плавящегося электрода; 12 - порошок: 13 - порошок твердого сплава

Основные достоинства метода ПН:

• высокое качество наплавленного металла;
• малая глубина проплавления основного металла при высокой прочности сцепления;
• высокая культура производства.

Основные недостатки ПН:

• относительно невысокая производительность;
• необходимость в сложном оборудовании.

Индукционная наплавка (ИН)

ИН - высокопроизводительный легко поддающийся механизации и автоматизации процесс, особенно эффективный в условиях серийного производства . В промышленности применяются два основных варианта индукционной наплавки: с использованием твердого присадочного материала (порошковой шихты, стружки, литых колец и т. п.), расплавляемого индуктором непосредственно на наплавляемой поверхности, и жидкого присадочного металла, который выплавляется отдельно и заливается на разогретую индуктором поверхность наплавляемой детали.

Основные достоинства метода ИН:

• малая глубина проплавления основного металла;
• возможность наплавки тонких слоев;
• высокая эффективность в условиях серийного производства.

Основные недостатки ИН:

• низкий к. п. д. процесса;
• перегрев основного металла;
• необходимость использования для наплавки только тех материалов, которые имеют температуру плавления ниже температуры плавления основного металла.

Лазерная (световая) наплавка (ЛН)

Применяется три способа ЛН: оплавление предварительно нанесенных паст; оплавление напыленных слоев; наплавка с подачей присадочного порошка в зону оплавления.

Производительность лазерной порошковой наплавки достигает 5 кг/ч. Требуемые составы и свойства наплавленного металла можно получить уже в первом слое небольшой толщины, что важно с точки зрения расхода материалов и затрат на наплавку и последующую обработку.

Основные достоинства метода:

• малое и контролируемое проплавление при высокой прочности сцепления;
• возможность получения тонких наплавленных слоев (<0,3 мм);
• небольшие деформации наплавляемых деталей;
• возможность наплавки труднодоступных поверхностей;
• возможность подвода лазерного излучения к нескольким рабочим местам, что сокращает время на переналадку оборудования.

Основные недостатки метода:

• малая производительность;
• низкий к. п. д. процесса;
• необходимость в сложном, дорогостоящем оборудовании.

Электронно-лучевая наплавка (ЭЛН)

При ЭЛН электронный пучок позволяет раздельно регулировать нагрев и плавление основного и присадочного материалов, а также свести к минимуму их перемешивание.

Наплавка производится с присадкой сплошной или порошковой проволоки. Так как наплавка производится в вакууме, то шихта порошковой проволоки может состоять из одних легирующих компонентов.

Основные достоинства метода:

• возможность наплавки слоев малой толщины.

Основные недостатки метода:

• сложность и высокая стоимость оборудования;
• необходимость биологической защиты персонала.

Газовая наплавка (ГН)

При ГН металл нагревается и расплавляется пламенем газа, сжигаемого в смеси с кислородом в специальных горелках. В качестве горючего газа чаще всего применяется ацетилен или его заменители: пропан-бутановая смесь, природный газ, водород и др. газы. Известна ГН с присадкой прутков либо с двуванием порошка в газовое пламя.

Основные достоинства метода:

• малое проплавление основного металла;
• универсальность и гибкость технологии;
• возможность наплавки слоев малой толщины. Основные недостатки метода:
• низкая производительность процесса;
• нестабильность качества наплавленного слоя.

Печная наплавка композиционных сплавов

Способ печной наплавки особоизносостойких композиционных сплавов основан на пропитке слоя твердых тугоплавких частиц (карбидов) сплавом-связкой в условиях автовакуумного нагрева.

В качестве износостойкой составляющей композиционного сплава наиболее часто используется релит грануляции 0,4- 2,5 мм или дробленые отходы спеченных твердых сплавов типа WC-Со. Обычно применяемый сплав-связка содержит около 20 % Мn, 20 % Ni и 60 % Сu.

Печная наплавка композиционных сплавов применяется преимущественно в черной металлургии для увеличения долговечности конусов доменных печей, уравнительных клапанов и других деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания.

Основное достоинство метода:

• возможность наплавки уникальных изделий сложной формы.

Основные недостатки метода:

• необходимость изготовления металлоемкой оснастки, которая после окончания процесса удаляется в металлолом;
• большая длительность подготовительных операций.

Волченко В.Н. "Сварка и свариваемые материалы".