Общие сведения о Плазменно-порошковая наплавка

Плазменно-порошковая наплавка

Считается, что толчком к разработке плазменных технологий послужило открытие Р. Гейджем в середине 1950 г. эффекта сжатия дуги водоохлаждаемым анодом [1]. Сжатую дугу стали рассматривать как источник с высокой энергетической плотностью (до 10⁵ Вт/мм²).

В шестидесятые-семидесятые  годы плазменные технологии в СССР и за рубежом развивались практически  параллельно. Исследования ИМЕТ АН СССР и ИЭС им. Е. О. Патона обеспечивали опережающие темпы внедрения плазменной сварки и наплавки. Серийное производство сварочного оборудования началось в то же время, что и за рубежом. Установки для плазменной сварки завода "Электрик" и для микроплазменной сварки опытного завода ИЭС им. Е. О. Патона не уступали зарубежным аналогам. Застой производства в период перестройки и последующий развал экономики снизили интерес к высоким технологиям.

До конца 70-х годов плазменная сварка-наплавка была в значительной мере уникальным процессом. По сравнению с установками аргонодуговой наплавки аналогичного назначения это было дорогое оборудование, которое обслуживали инженеры и специалисты высокой квалификации. В последующее десятилетие вследствие появления новой электронной техники существенно повысилась надежность плазменного оборудования, снизилась его стоимость, обслуживание стало доступным для рядовых операторов — все это расширило технологические возможности плазменной сварки-наплавки.

Плазменная сварка-наплавка стала альтернативой аргонодуговым процессам. Сжатие дуги анодным соплом делает систему более гибкой. Дуге можно придавать почти столбчатую форму, ее длина увеличивается, что делает процесс более стабильным, нечувствительным к изменениям позиции плазмотрона относительно обрабатываемой детали. Изменяя диаметр анодного сопла, можно работать в широком диапазоне сварочных токов от 15 до 400 А. Высокая плотность энергии позволяет уменьшить проплавление и тепловложение в обрабатываемую деталь [1].

Плазменная наплавка с присадкой  порошка в наибольшей степени отличается от других способов плазменной наплавки применяемыми материалами, оборудованием и технологическими возможностями.

Порошки могут быть получены практически  из любого пригодного для наплавки сплава независимо от его твердости, пластичности, степени легирования и других свойств, поэтому с этой точки зрения являются универсальным присадочным материалом. В качестве присадки для плазменной наплавки применяют как собственно порошки (под порошком обычно понимают тонко измельченное твердое тело с размерами частиц до 0,1 мм, в сварочной технике — до 0,5 мм [2]), так и более крупнозернистые сыпучие материалы с размерами частиц до 2,5-3,0 мм.

В данном разделе рассматривают  способы плазменной наплавки с подачей  присадочного порошка или крупки при помощи транспортирующего газа в столб дуги или непосредственно в сварочную ванну.

Наплавку с присадкой порошка выполняют плазменной дугой прямого действия или двумя плазменными дугами — прямого и косвенного действия с общим электродом. При этом используют различные схемы ввода порошка в дугу, которые можно разделить на две группы. В одной группе порошок вводят в дугу внутри плазмотрона (рис. 1), а в другой — вне его (рис. 2).

В плазмотронах с внутренним вводом порошка в дугу создаются, как правило, более благоприятные условия для его нагрева плазмой. При внешней подаче порошка его нагрев менее эффективен, зато надежность работы плазмотрона несколько выше.

Запатентованные [2] схемы ввода порошка в дугу через электродную камеру плазмотрона (см. рис. 1, а и б) не нашли практического применения, так как вследствие попадания порошка на электрод, последний быстро выходит из строя. Плазмотроны с подачей порошка через осевое отверстие в катоде также пока не нашли практического применения из-за трудностей изготовления электродов с отверстием и сложностями, связанными с подачей порошка через отверстие относительно малого диаметра.

Радиальный ввод порошка через  боковое отверстие в канале сопла (см. рис. 1, в) типичен для напыления, но для наплавки используется редко. При такой схеме ввода порошка стабильная работа плазмотрона возможна лишь при сравнительно больших расходах плазмообразующего газа и малых транспортирующего. Это условие легко выполняется при напылении, но при наплавке большой расход плазмообразующего газа нежелателен, так как ведет к увеличению глубины проплавления основного металла.

Рис. 1. Схемы плазменной наплавки с вводом присадочного порошка в дугу внутри плазмотрона: а — вместе с плазмообразующим газом; б — через электродную камеру; в — через боковое отверстие в канале сопла; г — через воронкообразную щель между соплами (1 — медный водоохлаждаемый электрод (а), водоохлаждаемый с вольфрамовой вставкой (б), вольфрамовый (в, г); 2 — сопло; 3 — ввод присадочного порошка с транспортирующим газом; 4 — ввод плазмообразующего газа; 5 — ввод защитного газа; 6 — источник питания дуги прямого действия; 7 — источник питания косвенной дуги). [2]

Для наплавки эффективной оказалась  схема ввода порошка в дугу под углом 25-80° через воронкообразную  щель, образуемую сопрягаемыми коническими  поверхностями внутреннего и  наружного сопел плазмотрона (см. рис. 1, г). В этом случае двухфазный поток транспортирующего газа и порошка концентричен дуге, поэтому не только не снижает, но и повышает ее стабильность. Чтобы при сравнительно большой длине внутрисоплового участка дуги электрод-изделие избежать шунтирования дугового разряда соплами и появления так называемой каскадной дуги, внутреннее и наружное сопла электрически изолируют друг от друга. [2]

Рис. 2. Схемы плазменной наплавки с внешней подачей присадочного порошка через отверстие в торце сопла «углом назад» (а), то же «углом вперед» (б), по каналам в сопле плазмотрона (в): 1 — источник питания дуги прямого действия; 2— ввод плазмообразующего газа; 3 — ввод присадочного порошка транспортирующим газом; 4 — ввод защитного газа; 5 — электрод; 6 — ввод дополнительного присадочного порошка; 7 — плазменная дуга; 8 — источник питания косвенной дуги [2].

Дуга косвенного действия горит  между электродом и внутренним соплом и служит в основном для обеспечения  устойчивой работы плазмотрона. Роль ее в нагреве порошка незначительна. Более мощная дуга прямого действия обеспечивает необходимый нагрев поверхности изделия, плавление присадочного металла и образование сварочной ванны.

При плазменной наплавке с внешней  подачей присадочного порошка (см. рис.  2), последний подают в зону наплавки через отверстия в торце сопла плазмотрона (их может быть от одного до трех) или по трубке, расположенной сбоку сопла.

При наплавке сплавов на основе никеля, кобальта или железа угол наклона  этих отверстий (трубки), их сечение, расход транспортирующего газа и другие параметры режима выбирают такими, чтобы порошок вводился в дугу на небольшом расстоянии от поверхности изделия и попадал в сварочную ванну под дугой. При этом порошок можно подавать в дугу спереди, сзади и сбоку одновременно с нескольких сторон (см. рис. 2, соответственно а-в). Направление подачи порошка в данном случае, по-видимому, не имеет решающего значения: на практике используют все эти варианты [2].

При наплавке композиционных сплавов  дополнительный канал для подачи упрочняющих частиц карбида вольфрама  чаще всего расположен сзади дуги и имеет такой угол наклона, чтобы  зерна карбида попадали в сварочную  ванну, минуя дугу (см. рис. 2, в). Это позволяет устранить или, по крайней мере, уменьшить их растворение в расплаве. Сварочная ванна образуется за счет расплавления основного металла , защитного покрытия, нанесенного на зерна карбида вольфрама , или порошка сплава-связки, который подают вместе с карбидом либо отдельно от него по боковым каналам. В любом случае наплавленный металл имеет гетерогенную структуру, состоящую из относительно легкоплавкой матрицы и не расплавившихся зерен карбида вольфрама.

Представленные на рис. 2 схемы подачи порошка являются весьма распространенными при плазменной наплавке. В частности, схема рис. 2, а и ее модификации (с большим числом каналов для подачи порошка) используют в установках EuTronic фирмы Castolin (Швейцария) — одного из ведущих поставщиков оборудования для плазменной наплавки [2].

По схеме рис. 2, в выполнены установки фирмы «Металлоджикл индастриз» (США), которые работают более чем на 200 предприятиях США и Западной Европы. Схема рис. 2, б, как и схема рис. 1, г реализована в первых отечественных аппаратах моделей А1105 и А1299, созданных в ИЭС им. Е.О.Патона для плазменной наплавки порошками. [2]

Очевидно, что с изменением режима работы плазмотрона и условий ввода присадочного порошка в дугу изменяются как интенсивность, так и продолжительность нагрева его частиц плазмой. Экспериментальных данных о температуре нагрева порошка в дуге при наплавке нет. Предполагается, что при подаче порошка по схеме рис. 1, г, его частицы в момент соприкосновения с поверхностью сварочной ванны или основного металла находятся в жидком или твердо-жидком состоянии.

При внешней подаче порошка время  его пребывания в дуге значительно короче, а нагрев не столь эффективен. По данным В.И.Ирмера [2], исследовавшего энергетический баланс процесса плазменной наплавки, на нагрев порошка расходуется при внутренней его подаче от 9 до 20% мощности дуги, при внешней — около 12%.

В зависимости от конструкции плазмотрона  для наплавки применяют присадочные порошки с размером частиц от 45 до 250 мкм [2], реже — до 400 мкм, получаемые, как правило, путем распыления жидкого металла инертным газом или водой.

Плазмотроны с внутренней подачей  порошка используют для наплавки композиционных слоев, если присадочным  материалом являются механические смеси  порошков сплава-связки и карбидов вольфрама, ниобия или ванадия [2]. Содержание карбидов в смеси может достигать 75-80% по массе. Величина их зерен от 20 до 200 мкм. В остальных случаях применяют раздельную подачу порошков карбида и сплава-связки.

В качестве плазмообразующего и  транспортирующего газов для  наплавки порошком применяют аргон. Как защитный газ используют аргон, смесь аргона с 5-8% водорода или азот. Аргоно-водородная смесь может служить также и для подачи порошка [2].

До недавнего времени плазменную наплавку порошком выполняли исключительно на постоянном токе прямой полярности. Хотя, идея наплавки плазменной дугой обратной полярности с присадкой порошка была высказана и запатентована Р.Гейджем и др. еще в 1959 г. (см. рис. 1, а), ее удалось реализовать лишь в начале 1980-х гг. Первые промышленные плазмотроны для наплавки порошком током обратной полярности были разработаны практически одновременно в Японии и в СССР [1].

Производительность плазменно-порошковой наплавки порошком в зависимости от мощности плазмотронов составляет 4-10 кг наплавленного металла в час. Реальная производительность наплавки зависит от размеров и формы изделия, толщины наплавляемого слоя, типа присадочного порошка и других факторов и находится в пределах 0,8-6 кг/ч.

Минимальная толщина наплавленного  слоя при внутренней подаче порошка равна 0,25 мм, при внешней — 0,5 мм . Наибольшая высота однослойного валика в обоих случаях составляет 5-6 мм. Возможность нанесения сравнительно тонких слоев с малым проплавлением основного металла — важное достоинство плазменной наплавки порошком.

При наплавке без колебаний  плазмотрона наплавленные валики имеют  ширину 3-10 мм; при наплавке с колебаниями  она может достигать 40-50 мм [2].

Присадочные порошки для  плазменной наплавки

Для плазменной наплавки применяют  порошки сплавов на основе железа, никеля, кобальта и меди. Порошок является универсальным наплавочным материалом, так как может быть получен практически из любого наплавочного сплава, независимо от прочности, твердости и других свойств последнего.

При выборе порошков для  плазменной наплавки руководствуются их химическим составом и физико-технологическими свойствами. В первую очередь порошок характеризует его химический состав, т. е. содержание легирующих элементов, примесей и газов. К физико-технологическим свойствам порошков относят: насыпную массу, пикнометрическую плотность, форму частиц, удельную поверхность и ее состояние, гранулометрический состав и текучесть.

Насыпная масса — масса единицы  объема свободно насыпанного порошка, она отражает плотность укладки частиц порошка и степень его пористости. Она тем больше, чем мельче частицы порошка и чем более компактной и правильной шаровидной формой они обладают.

Пикнометрическая плотность —  это по сути плотность металла порошка. Пикнометрическая плотность позволяет судить о пористости порошков. Определяют эту характеристику с помощью пикнометра — специального мерного сосуда с известным объемом (10-50 мл). Пробу порошка помещают в высушенный и взвешенный пикнометр, который после заполнения порошком примерно на две трети объема повторно взвешивают. После этого оставшийся свободный объем пикнометра заполняют пикнометрической жидкостью — одноатомным спиртом. Пикнометр с порошком и жидкостью вновь взвешивают и по следующей формуле рассчитывается пикнометрическая плотность порошка γ_к:

γ_к=(м₂-м₁)/V-(м₃-м₂)/γ_ж,                                                 (1)

где м₁ — масса пикнометра, г; м₂ — масса пикнометра с порошком, г; м_з — масса пикнометра с порошком и жидкостью, г; V — объем пикнометра, см³; γ_ж — плотность пикнометрической жидкости, г/см³.

Текучесть порошков определяет время вытекания навески порошка из стеклянной воронки с конусностью 60° и выходным отверстием диаметром 4 мм [2]. Текучесть зависит от формы частиц порошка и состояния их поверхности. Максимальной текучестью обладают порошки с частицами сферической или округлой формы. Такие порошки наиболее пригодны для плазменной наплавки. Существующая техническая документация не всегда регламентирует это важное свойство порошков. Так, в ГОСТ 21448-75 «Порошки из сплавов для наплавки» этой характеристики нет, и только в ТУ 14-22-33-90 «Порошки самофлюсующихся сплавов для газотермического напыления и наплавки» указывается, что текучесть порошков в зависимости от фракции должна быть не более 22-30 с.