22. Механизированные способы сварки и наплавки Плазменная наплавка

В качестве источника тепловой энергии при плазменной наплавке используется струя плазмы. Плазма представляет собой частично или полностью ионизированный газ, нагретый до очень высокой температуры и обладающий свойством электропроводности. Плазменную струю получают в специальных устройствах, которые называют плазмотронами или плазменными горелками. Плазмотрон состоит из двух основных частей — катодной и анодной. Катод плазмотрона представляет собой стержень диаметром 6.. .8 мм, изготовленный из лантанированного вольфрама, который через водяную рубашку охлаждается проточной водой. Анодная часть (сопло), изготовленная из меди, также охлаждается водой.

Для того чтобы получить плазменную струю между анодом и катодом, возбуждают электрическую дугу, и в зону ее горения вводят плазмообразующий газ, который, проходя через дуговой промежуток, нагревается до высокой температуры и ионизируется, т. е. распадается на положительно и отрицательно заряженные ионы.

Под действием электромагнитного поля происходит обжатие столба дуги, а благодаря избыточному давлению газа дуга вытягивается в направлении движения струи. Это приводит к резкому увеличению плотности тока и повышению температуры струи. Плазменная струя выходит из канала сопла плазмотрона в виде тонкого шнура с длиной видимой части до 50.. .60 мм.

В качестве плазмообразующего газа применяют аргон, азот, гелий, водород и их смеси. Аргонная плазменная струя имеет наиболее высокую температуру (до 15... ...20 тыс. °С) и сверхзвуковую скорость истечения (до 1000.. .1200 м/с).

Присадочный материал при плазменной наплавке вводится в сварочную ванну в виде порошка или проволоки. Порошковая наплавка производится двумя методами: подачей порошка непосредственно в сварочную ванну и путем вдувания его в плазменную струю.

Высокая концентрация тепловой энергии в плазменной струе, стабильность дугового разряда, возможность раздельного регулирования степени нагрева основного и присадочного материалов обусловливают преимущества применения плазмы при наплавке деталей.

Плазменная наплавка обеспечивает высокое качество наплавленного металла и по своим технико-экономическим показателям не уступает, а в ряде случаев даже превосходит другие способы механизированной наплавки.

Преимущества методов плазменного нанесения покрытий перед другими (гальваническим, вакуумным, кислородно-ацетиленовым и др.) заключаются в следующем:

- высокая температура плазменного потока позволяет расплавлять и наносить самые тугоплавкие материалы;

- поток плазмы дает возможность получать сплавы различных по свойствам материалов или наносить многослойные покрытия из различных сплавов. Это открывает широкую возможность получения покрытий, сочетающих разнообразные защитные свойства;

- возможности этого способа не ограничены формой и размерами обрабатываемого изделия;

- плазменная дуга - наиболее гибкий источник нагрева, позволяющий в широких пределах регулировать его энергетические характеристики.

Для плазменной наплавки наиболее широко применяется плазмотрон комбинированного действия. При горении независимой дуги такого плазмотрона между вольфрамовым электродом и соплом происходит расплавление присадочного металлического порошка, а при горении дуги между электродом и изделием поверхность последнего нагревается, и обеспечивается сплавление присадочного и основного металла. Использование комбинированной плазменной дуги позволяет получить минимальную глубину проплавления и долю основного металла в составе наплавленного, что является важнейшим технологическим преимуществом плазменной наплавки по сравнению с другими способами наплавки. Защита наплавляемого слоя от воздействия окружающей среды обеспечивается потоком инертного газа, окружающим дугу и подаваемым в наружное сопло плазмотрона. Присадочный порошок подается также инертным транспортирующим газом из специального порошкового питателя.

С помощью плазменной наплавки металлическим порошком можно получить жаростойкие и наиболее износостойкие покрытия из сплавов на основе никеля и кобальта. Этот способ позволяет получить тонкий равномерный слой покрытия с гладкой беспористой поверхностью, часто не требующей дополнительной механической обработки. При плазменной наплавке токоведущей присадочной проволокой дуга горит между катодом плазмотрона и проволокой, являющейся анодом, равномерно подаваемой в пространство между соплом и изделием. При таком способе обеспечивается более высокая производительность процесса наплавки при малой глубине проплавления основного металла, однако возможности получения тонкого и равномерного слоя при таком способе наплавки ограничены. Кроме того, применение присадочного материала в виде порошка позволяет использовать для наплавки практически любые сплавы, что трудно осуществить при использовании проволоки в качестве присадочного материала. При плазменной наплавке в качестве плазмообразующего, защитного и транспортирующего газов обычно используется аргон. Расход газа и диапазон рабочих токов и напряжений при наплавке примерно тот же, что и при плазменной сварке. В отличие от наплавки процесс напыления характеризуется большей концентрацией теплового потока и высокой скоростью течения плазменной струи. Появление этого отличия связано с тем, что при плазменном напылении в качестве материалов покрытия применяются тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал и др.) или окислы металлов (Аl2О3, MgO, ZrO2), силициды (MoSi2), карбиды (В4С, SiC), бориды (ZnB2, HfB2), т. е. неметаллические материалы, обладающие весьма высокой температурой плавления.