Плазменная наплавка

Достоинства

• нанесение покрытий значительных толщин;
• отсутствие ограничений по размерам наплавляемых поверхностей;
• получение требуемых размеров восстанавливаемых деталей путем нанесения материала того же состава, что и основной металл;
• использование не только для восстановления размеров изношенных и бракованных деталей, но и ремонта изделий за счет залечивания дефектов (раковин, пор, трещин);
• низкое тепловложение в основной металл при плазменной наплавке;
• многократное проведение процесса восстановления и, следовательно, высокая ремонтоспособность наплавляемых деталей;
• высокая производительность;
• относительная простота и малогабаритность оборудования, легкость автоматизации процесса.

Сущность восстановления сваркой и наплавкой

Оба метода основаны на тепловом воздействии, отличаются только настройки используемого оборудования. Наплавка ― это нанесение на поверхность деталей слоя из сплава основного и присадочного металла. Наплавкой восстанавливают не только геометрические размеры, но также наносят покрытия для повышения жаростойкости, прочности, износоустойчивости и т. д. Процедура выполнятся на поверхности любой формы― от плоской до конической и сферической.

Сварка ― это процесс создания соединения металлических элементов методом плавления или давления. Этим способом заделывают трещины, сколы, отверстия от пробоин, крепят отломившиеся элементы. С такими повреждениями рам, поддонов, кузовов, обоих мостов постоянно сталкиваются при ремонте автомобилей. Сварку также применяют совместно с другими восстановительными процедурами.

Для качественного восстановления деталей сваркой и наплавкой необходимо:

• не допускать сильного смешивания основного металла с наносимым;
• плавить основной металл на минимальную глубину;
• не делать больших припусков на последующую обработку;
• принимать меры по снижению остаточных напряжений и деформации.

Плазменная наплавка

Для повышения износостойкости новых деталей и для восстановления старых изделий, применяется плазменная наплавка, которая обеспечивает требуемую твердость и заданный химический состав наплавленного металла. Принцип плазменной наплавки металла основан на расплавлении присадки электродугой высокой плотности. На поверхности обрабатываемой детали образуется диффузионный слой, прочно удерживающий защитную пленку, обладающую специфическими свойствами. Слои, наплавленные порошками твердых сплавов, характеризуются высокой износостойкостью.

плазменная наплавка — сам процесс

Универсальное оборудование ЦЗПУ позволяет выполнять наплавку на деталях разной формы. Плазменная наплавка обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла.

При наплавке по слою порошка присадкой служит крупнозернистый порошок требуемого состава. Центр защитных покрытий — Урал, для плазменной наплавки применяет порошки на основе кобальта, никеля или железа. Присадки кремния и бора снижают температуру плавления сплава, что позволяет получить более тонкий слой металла наплавки при малой (меньше 10 %) степени проплавления основного металла. В то же время примеси кремния и бора повышают твердость и износостойкость металла наплавки.

плазменная наплавка — деталь остывает

Такие сплавы жаростойки до температуры 950 °С, сохраняют высокую твердость при нагреве до 750 °С и обладают хорошей коррозионной стойкостью в растворах KCl, NH4Cl, NaOH, 10 %-ной серной кислоте и других средах. Рабочие поверхности изделий после обработки становятся износоустойчивыми, жаропрочными, кислотоупорными.

Плазменная наплавка достоинства:

• геометрические параметры и форма детали значения не имеют, результативность обработки стандартная
• высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.
• метод применим для многих материалов, включая тугоплавкие
• при небольшой глубине расплавления (от 300 микрон до 2,5 мм) формируется незначительная зона термического влияния, риск образования внутренних дефектов минимальный
• можно наносить наплавку в несколько слоев, до 6,5 мм толщиной с припуском от 400 до 900 микрон
• за счет большой скорости разогрева обрабатываемый металл не успевает прогреться на большую глубину, структурная зернистость не изменяется, удается избежать коробления, деформации деталей
• защитные покрытия можно наносить на тонкие поверхности, минимальная толщина плазменного напыления не более 200 микрон
• плазменно порошковая наплавка эффективнее электродуговой наплавки в разы
• поток плазмы регулируется с большой точностью

плазменная наплавка — сама деталь

Плазменная наплавка с применением присадочных материалов в виде порошковых сплавов обеспечивает высокое качество наплавленного металла. Так, порошки ПГ-У30Х28Н4С4 и ЛП3 предназначены для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного износа. Наплавленный порошком ЛП8 металл по химическому составу соответствует кобальтовому стеллиту. 

Плазменная наплавка при наплавке сплавов на основе кобальта с добавками хрома (21…32 %), вольфрама (4…17 %), кремния, углерода, железа, марганца, никеля обеспечивается твердость наплавленного слоя HRC 32…52, на основе никеля HRC 34…54, на основе железа – HRC 55…63.

Особенности технологического процесса

Кроме порошковых материалов и проволоки для наплавки используют металлические ленты и прутки, спецшнуры с порошковым металлом в составе. Нагрев и расплавление присадки обеспечивает плазменная дуга, ее получение зависит от типа компоновки.

1. Закрытую струю плазмы используют для металлизации (напыление) и закалки металла. В качестве анода выбирают сопло или горелку, которые формируют широкий поток небольшой интенсивности. К недостаткам компоновки можно отнести высокую теплоотдачу с медленным прогреванием основы.
2. Для получения открытого плазменного потока анодом служит само изделие либо проволока. Открытую струю применяют для создания защитного слоя или резки металлических изделий. Этот тип компоновки вызывает сильный и быстрый разогрев поверхности детали с расположенным над ней температурным пиком.
3. При комбинированном способе выполняют плазменно-порошковое напыление. Плазменная наплавка реализуется одновременным разжиганием двух дуг – открытой (зона подачи порошка) и закрытой (зона жесткой присадки).

Плазменная наплавка выполняется по двум технологиям. При первом способе поток ионизированного газа захватывает порошковую смесь, чтобы доставить ее к зоне наплавления. При втором способе присадочный материал в виде ленты, проволоки, прутка вводят внутрь плазменного потока.

Для образования плазмы применяют подачу воздуха или пара, кислорода, водорода, гелия, азота, аргона. Выбор гелия и аргона в качестве газообразующей основы для плазмотрона улучшают сваривание основы с присадкой.

Этапы

Примерная схема технологического процесса:

• проверка и зачистка поверхности, на которую будет наплавлен усиливающий слой;
• подбор и установка требуемых параметров автоматического оборудования;
• включение подачи воды, охлаждающей плазменную головку (без возбуждения дуги);
• включение и установка параметров подачи защитной газовой смеси;
• установление необходимых величин тока для дуг (вспомогательная и основная);
• включение источника питания (сварочного генератора);
• возбуждение дуги неплавящегося электрода по направлению к каналу сопла;
• после регулирования устойчивости горения дуги подается проволока присадки;
• автоматическое возбуждение второй дуги между проволокой и электродом.

В результате этих манипуляций стартует процесс плавления присадочного материала, подаваемого затем на поверхность детали для создания наплавочных слоев по месту образования сварочной ванны. Выключение наплавки происходит путем остановки автомата либо прекращения перемещения изделия при одновременном выключении механизма, подающего проволоку. Подбирая присадочный материал, нужно учитывать, что он должен обладать ничтожным сопротивлением по отношению к потоку плазмы.

Преимущества плазменной технологии наплавки

Одним из основных преимуществ является концентрация тепловой энергии в небольшой зоне, что позволяет уменьшить влияние температуры на исходную структуру материала.

Процесс хорошо поддается управлению. При желании и соответствующих настройках аппаратуры слой наплавки может варьироваться от нескольких десятых долей миллиметра до двух миллиметров. Возможность получения контролируемого слоя особенно актуальна на данный момент, так как позволяет значительно увеличить экономическую эффективность обработки и получить оптимальные свойства (твердость, коррозионная стойкость, износостойкость и многие другие) поверхностей стальных изделий.

Еще одно не менее важное преимущество – возможность осуществлять плазменную сварку и наплавку самых разных материалов: медь, латунь, бронза, драгоценные металлы, а также неметаллы. Традиционные методы сварки далеко не всегда могут позволить это сделать

Чем отличается оборудование плазменной сварки от оборудования плазменной резки

Устройства, предназначенные для проведения сварки, производятся преимущественно в универсальном формате, позволяющем проводить сварку в различных направлениях и плоскостях. Например, зона работы сосредоточена на потолке или вертикальной стене и т. д. Сварочные аппараты, основанные на плазменных методах, работают по принципу плавления кромок деталей с последующим их соединением.

Оборудование плазменной сварки можно классифицировать по нескольким параметрам:

1. По типу воздействия — прямое и косвенное.
2. По методам стабилизации дуги — посредством газа, воды или магнитного поля.
3. По силе тока — для микроплазменной сварки, на средних и высоких токах.

Устройства резки в свою очередь делятся на:

• Трансформаторные и инверторные.
• Водно-плазменные и воздушно-плазменные.
• Контактные и бесконтактные.

Основное отличие работы устройств сварки от устройств резки в следующем:

• Сварка проводит одновременно разрезание заготовок и заваривание мест разреза.
• Резка расплавляет металл в месте, подверженном обработке, и затем выдувает с помощь фракции разжиженный материал.

Плазменно-порошковая наплавка

Этот способ создания слоя для защиты поверхности изделия представляет собой особый вид механизированного процесса. В качестве теплового источника выбрана плазма, обозначенная высокотемпературной сварочной дугой.

Материалом для присадки служат гранулированные смеси порошков из металлов с высокой степенью износостойкости. Их транспортировку внутрь плазмотрона осуществляют при помощи газа, подаваемого через специальный питатель.

Плазменная наплавка характеризуется:

• малой глубиной проплавления металла основы (не более 5%);
• обеспечением прецизионной точности качественного наплава;
• минимальной потерей материала присадки;
• контроль над дугой плазмы при гарантии чистоты наплава;
• возможностью наплавления различных видов сплавов.

Минимальное проплавление основы при высокой производительности процесса гарантирует широкий диапазон выбора значений тепловой мощности совместно с подачей присадки. Благодаря такой возможности удается получить наплавленные слои заданной твердости с определенным химическим составом.

Высота наплава однородной структуры над поверхностью плавления может достигать 0,5 мм. Эта особенность предоставляет возможность выполнить однослойную наплавку там, где требуется несколько слоев, что сокращает расходы на присадочный материал и время обработки.

Физическая сущность генерирования плазмы

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ. Источником ионизации являются электрические разряды (дуговой, искровой, тлеющий и пр.). Степенью ионизации называют отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от степени ионизации различают слабо, сильно и полностью ионизированную плазму. Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов и прежде всего от температуры. Различают низкотемпературную плазму  T ≤ 105 K и высокотемпературную T > 106…108 K

Существование плазмы поддерживается непрерывно протекающим процессом ионизации. Интенсифицировать процесс плазмообразования можно путём обдува соосным потоком газа. Если часть столба электрической дуги поместить в узкий канал с охлаждаемыми стенками, то будет достигнута дальнейшая интенсификация плазмообразования. Это связано с тем, что в узком канале столб дуги сжимается, особенно при обдуве её соосным потоком газа. С увеличением электрического тока столб дуги из-за ограничивающего действия стенок канала расширяться не может, температура газа и степень ионизации резко повышаются. Практически весь газ, проходящий сквозь столб сжатой дуги ионизируется и превращается в плазму.

Различают плазменные дуги прямого и косвенного действия.

В дуге прямого действия (рисунок 1.11) в качестве анода используется обрабатываемый материал. В этом случае плазменная струя совмещена со столбом дуги по всей длине, начиная от входного среза канала сопла и кончая анодным пятном на фронтальной поверхности полосы реза. Тепловая энергия вводится в разрезаемый металл струей плазмы и столбом дуги. При этом коэффициент полезного действия (КПД) прямой плазменной дуги составляет 60–70%. Недостатком дуги прямого действия является невозможность обработки диэлектрических материалов.

Дуга косвенного действия возбуждается и горит между электродами, которые не связаны с обрабатываемым материалом. Катодом служит электрод плазмотрона, а в качестве анода используется его формирующее сопло. Объект обработки не включен в электрическую цепь. Столб дуги расположен внутри плазмотрона. Плазмообразующий газ контактирует со столбом дуги на коротком участке, протяженностью от торца электрода до выходного среза канала сопла. Далее плазма существует независимо от столба дуги. Вследствие этого температура и скорость истечения струи плазмы по мере удаления от выходного среза сопла резко уменьшается, а КПД при использовании дуги косвенного действия не превышает 30–40 %.

Рисунок 1.11 – Элементы схем плазменных дуг прямого (а) и косвенного (б) действия и их участки: 1 – закрытый; 2 – сжатый; 3 – открытый; 4 – рабочий; 5 – факел; Г – генератор тока

Суть метода

Процесс наплавки металла осуществляется путем подачи присадочного материала (проволока, мелкозернистый порошок) в струю плазмы. Под воздействием направленного потока плазмы, действующего на обрабатываемую зону, происходит нагрев присадки с последующим ее расплавлением. В результате непрерывно нагреваемая поверхность изделия покрывается защитным материалом, создавая наплавочный слой.

Плазма представляет собой один из вариантов сильно ионизированного газа, нагретого до сверхвысоких температур. Во время процедуры дуговой ионизации газа под воздействием образующегося электрического поля создается направленная струя плазмы. На производстве такую струю получают одним из двух способов формирования электрического разряда:

• при помощи плазмотрона, направленного на обрабатываемую поверхность (прямое действие плазмы);
• при помощи электрода и водоохлаждаемого сопла плазмотрона (косвенное воздействие плазмы).

Комбинированный способ

Суть этого метода – одновременная подача в зону плавления порошка и проволоки. На современных предприятиях плазменная наплавка реализуется с помощью комбинированного плазмотрона:

• порошковую смесь, обогащенную газом, транспортируют через канал сопла;
• электродную проволоку доставляет подающий механизм установки.

Использование токоведущей проволоки для наплавки обеспечивает минимум глубины проплавления наращиваемых слоев.

Процесс наплавления имеет строгое ограничение – допускается использование проволок (медь, медные сплавы, аустенитные виды сталей), температура плавления которых ниже, чем у металла основы.

Выбор проволок из низкоуглеродистых и легированных сталей приводит к потере качества формируемых слоев из-за недостатка подогрева металла и увлажнения основной поверхности.

Использование твердосплавных порошков повышает износостойкость слоев, но они приобретают низкую пластичность. Проволочный наплав обладает высокой пластичностью при низкой стойкости к износу, но высокой степени перемешивания с основой. Комбинация порошка с проволокой в процессе наплавки позволяет эффективно использовать сжатую дугу для получения за один проход качественных слоев, лишенных дефектов.

Где применяют эту технологию

Ее используют для наделения рабочей поверхности такими свойствами:

• антифрикционность;
• жароустойчивость;
• кислотоупорность;
• устойчивость к коррозии;
• устойчивость к износу.

При помощи плазменной наплавки получаются разные изделия:

• зубцы для ковша экскаватора;
• вкладыши на подпятники для габаритного турбогенератора;;
• поршни;
• подшипники и др.

В конструкциях из металла, произведенных способом наплавления, выходит сварочное соединение разных металлов. Характеристики таких изделий напрямую зависимы от показателя глубины проплавки основы, от перемещения элементов из металла-основы в состав наплавки. При таком соединении образуются новые фазы и составляющие структуры, которых не было в основе и материале-присадке.

Применяемое оборудование

Стандартный комплект установки плазменного напыления включает в себя:

1. Источник электрического питания. Его назначение – питать схему формирования высоковольтного разряда и всех систем.
2. Блок формирования разряда. В зависимости от устройства схемы может генерировать искровые разряды, импульсные высокочастотные напряжения либо сплошную электрическую дугу.
3. Резервуары хранения газа – это чаще всего обычные газовые баллоны.
4. Камеру, где непосредственно происходит напыление. Внутрь такого герметичного резервуара помещают обрабатываемую заготовку и плазмотрон.
5. Установку вакуумного типа с насосом. В задачи этого агрегата входит создание требуемого разряжения в камере и образование тягового потока для подачи рабочей среды.
6. Плазмотрон – устройство, которое снабжено соплом для подачи рабочей среды и системой приводов для перемещения сопла в пространстве.
7. Систему дозирования напыляемого порошка. Служит для точной подачи необходимого количества напыляемого материала в единицу времени.
8. Охлаждающую систему. В задачу этого элемента входит отвод лишнего тепла от области сопла, через которое проходит раскаленная плазма.
9. Аппаратную часть. Она включает в себя компьютер, который управляет всем процессом плазменного напыления.
10. Систему вентиляции. Она служит для отвода отработанных газов из рабочей камеры.

Технология плазменно-дуговой наплавки

Процесс наплавки довольно прост и может с успехом выполняться любым опытным сварщиком. Однако он требует от исполнителя максимальной концентрации и внимания. В противном случае можно запросто испортить заготовку.

Для ионизации рабочего газа используется мощный дуговой разряд. Отрыв отрицательных электронов от положительно заряженных атомов осуществляется за счет теплового воздействия электрической дуги на струю рабочей газовой смеси. Однако при соблюдении ряда условий возможно протекание не только под влиянием тепловой ионизации, но и за счет воздействия мощного электрического поля.

Газ подается под давлением 20-25 атмосфер. Для его ионизации необходимо напряжение 120-160 вольт с силой тока порядка 500 ампер. Положительно заряженные ионы захватываются магнитным полем и устремляются к катоду. Скорость и кинетическая энергия элементарных частиц настолько велика, что при соударении с металлом они способны сообщать ему огромную температуру – от +10…+18 000 градусов по Цельсию. При этом ионы движутся со скоростью до 15 километров в секунду (!). Установка плазменной наплавки оборудована специальным устройством под названием «плазмотрон». Именно этот узел отвечает за ионизацию газа и получение направленного потока элементарных частиц.

Мощность дуги должна быть такой, чтобы исключить оплавление основного материала. В то же время температура изделия должна быть максимально высокой, чтобы активизировать диффузионные процессы. Таким образом, температура должна приближаться к линии ликвидус на диаграмме железо-цементит.

Мелкодисперсный порошок специального состава или электродная проволока подается в струю высокотемпературной плазмы, в которой материл расплавляется. В жидком состоянии наплавка попадает на упрочняемую поверхность.