Плазменно порошковая наплавка оборудование. Плазменно-дуговая сварка и наплавка. Комбинированный плазмотрон для наплавки

Одним из основных методов повышения надежности и ресурса стеклоформ, клапанов, запорной арматуры является плазменная наплавка (Plasma transfer Arc, PTA).

Использование метода плазменно-порошковой наплавки позволяет существенно повысить качество наплавляемых деталей, увеличить производительность и придать особые свойства наплавляемой поверхности.

Выбор в сторону метода PTA крупнейшими производителями и потребителями запорной арматуры, формокомплектов для производства стекла, клапанов - подтверждает выгоды использования метода плазменно-порошковой наплавки, поскольку получаемый наплавленный слой с повышенными свойствами позволяет существенно повысить сроки службы деталей и узлов, продлить межремонтные интервалы и сократить затраты на капитальный и текущий ремонт.

Установки плазменной наплавки KSK предназначены для наплавки деталей от колец и клапанов до чистовых стекольных форм и деталей запорной арматуры.

• Повышение конкурентоспособности: предлагаемые нами методы применяются всеми ведущими зарубежными производителями арматуры, стекла, клапанов, валков.
• Увеличение межремонтных циклов: срок эксплуатации деталей увеличивается от 3 до 10 раз.
• Сокращение простоев: уменьшение количества остановок, и, соответственно, меньше времени на отладку оборудования для выхода на нужный режим.

Профессиональное оборудование для наплавки

Компания ООО «Метсол» представляет вниманию потенциальных заказчиков автоматические установки плазменной наплавки от чешского производителя KSK. Оборудование предназначено для проведения наплавки уплотнительных и рабочих поверхностей, включая стеклоформы, седла запорно-регулирующей арматуры, кольца клапана, наплавки внутренних диаметров. Конструкция плазмотронов подходит для изделий различной формы и способов наплавки. Разработчики предлагают 7 типов плазматронов, гарантирующих даже при максимальном режиме работе эффективное охлаждение установки. В процессе работы допускается корректировка настроек сварочных программ оператором через сенсорный экран на панели пульта. Это позволяет уменьшить в тестовых образцах процент брака.

Качественный подход

Одним из направлений деятельности компании ООО «Метсол» является поставка, установка и наладка заказчикам установки плазменной наплавки в Екатеринбурге. Опытные специалисты эффективно решают производственные задачи на высоком профессиональном уровне. Сервисная служба владеет современными знаниями в области сварочных технологий и металлообработки. Решив купить автоматическую установку плазменной наплавки вы получите:

• Повышение конкурентоспособности на уровне ведущих зарубежных производителей арматуры, стекла, клапанов, валков.
• Увеличение межремонтных интервалов: срок эксплуатации деталей увеличивается от 3 до 10 раз.
• Сокращение простоев и количества остановок.

Эффективность и проблемы плазменной наплавки стоят перед инженерами-материаловедами чрезвычайно остро. Благодаря этой технологии можно не только значительно увеличить срок эксплуатации и надежность высоконагруженных деталей и узлов, но восстановить, казалось бы, на сто процентов изношенные и разрушенные изделия.

Внедрение плазменной наплавки в технологический процесс значительно повышает конкурентоспособность машиностроительной продукции. Процесс не является принципиально новым и используется уже достаточно давно. Но он постоянно совершенствуется и расширяет технологические возможности.

Общие положения

Плазмой называется ионизированный газ. Достоверно известно, что плазму можно получить различными методами в результате электрического, температурного или механического воздействия на молекулы газа. Для ее образования необходимо оторвать отрицательно заряженные электроны от положительных атомов.

В некоторых источниках можно встретить информацию о том, что плазма является четвертым агрегатным состоянием вещества наряду с твердым, жидким и газообразным. обладает рядом полезных свойств и применяется во многих отраслях науки техники: плазменная и сплавов с целью восстановления и упрочнения высоконагруженных изделий, испытывающих циклические нагрузки, ионно-плазменное азотирование в тлеющем разряде для диффузионного насыщения и упрочнения поверхностей деталей, для осуществления процессов химического травления (используется в технологии производства электроники).

Подготовка к работе

Прежде чем приступить к наплавке, нужно настроить оборудование. В соответствии со справочными данными, необходимо подобрать и установить правильный угол наклона сопла горелки к поверхности изделия, выверить расстояние от торца горелки до детали (оно должно составлять от 5 до 8 миллиметров) и вставить проволоку (если осуществляется наплавка проволочного материала).

Если наплавка будет осуществляться путем колебаний сопла в поперечных направлениях, то необходимо выставить головку таким образом, чтобы сварной шов находился ровно посередине между крайними точками амплитуд колебания головки. Также необходимо отрегулировать механизм, который задает частоту и величину колебательных движений головки.

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.

Плазменное напыление

Для того чтобы реализовать плазменное напыление, необходимо существенно увеличить скорость потока плазмы. Этого можно добиться регулировкой напряжения и силы тока. Параметры подбираются опытным путем.

Материалами при плазменном напылении служат тугоплавкие металлы и химические соединения: вольфрам, тантал, титан, бориды, силициды, окись магния и оксид алюминия.

Неоспоримым преимуществом напыления по сравнению с наплавкой является возможность получения тончайших слоев, порядка нескольких микрометров.

Данная технология применяется при упрочнении режущих токарных и фрезерных сменных а также метчиков, сверл, зенкеров, разверток и другого инструмента.

Получение открытой плазменной струи

В этом случае в роли анода выступает непосредственно сама заготовка, на которую осуществляется плазменная наплавка материала. Очевидный недостаток данного метода обработки - нагрев поверхности и всего объема детали, что может привести к структурным превращениям и нежелательным последствиям: разупрочнению, повышению хрупкости и так далее.

Закрытая плазменная струя

В этом случае в роли анода выступает непосредственно газовая горелка, точнее - ее сопло. Данный способ используется для плазменно-порошковой наплавки с целью восстановления и повышения эксплуатационных характеристик деталей и узлов машин. Особую популярность данная технология завоевала в сфере сельскохозяйственного машиностроения.

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 и наплавку самых разных материалов: медь, латунь, бронза, драгоценные металлы, а также неметаллы. Традиционные методы сварки далеко не всегда могут позволить это сделать.

Оборудование для наплавки

Установка для плазменно-порошковой наплавки включает в себя дроссель, осциллятор, плазмотрон и источники питания. Также она должна быть оснащена устройством автоматической подачи гранул металлического порошка в рабочую зону и системой охлаждения с постоянной циркуляцией воды.

Источники тока для плазменной наплавки должны удовлетворять строгим требованиям постоянства и надежности. С этой ролью как нельзя лучше справляются сварочные трансформаторы.

При наплавке порошковых материалов на металлическую поверхность используется так называемая комбинированная дуга. Одновременно используются открытая и закрытая плазменная струя. Регулируя мощность этих дуг, можно менять глубину проплавления заготовки. При оптимальных режимах коробление изделий не будет проявляться. Это важно при изготовлении деталей и узлов точного машиностроения.

Устройство для подачи материала

Металлический порошок дозируется специальным устройством и подается в зону оплавления. Механизм, или принцип действия питателя, заключается в следующем: лопатки ротора выталкивают порошок в газовый поток, частицы разогреваются и прилипают к обрабатываемой поверхности. Подача порошка осуществляется через отдельное сопло. Всего в газовой горелке установлено три сопла: для подачи плазмы, для подачи рабочего порошка и для защитного газа.

Если вы используете проволоку, целесообразно использовать стандартный механизм подачи сварочного автомата для сварки под флюсом.

Подготовка поверхностей

Плазменной наплавке и напылению материалов должна предшествовать тщательная очистка поверхности от жировых пятен и других загрязнений. Если при обычной сварке позволительно производить только грубую, поверхностную очистку стыков от ржавчины и окалины, то при работе с плазмой газа поверхность обрабатываемого изделия должна быть идеально (насколько это возможно) чистой, без посторонних включений. Тончайшая пленка окислов способна значительно ослабить адгезионное взаимодействие наплавки и основного металла.

С целью подготовки поверхности под наплавку рекомендуется снять незначительный поверхностный слой металла посредством механической обработки резанием с последующим обезжириванием. Если габариты детали позволяют, то рекомендуется провести промывку и очистку поверхностей в ультразвуковой ванной.

Важные особенности наплавки металлов

Существует несколько вариантов и способов осуществления плазменной наплавки. Применение проволоки в качестве материала для наплавки значительно повышает производительность процесса по сравнению с порошками. Это объясняется тем, что электрод (проволока) выступает в роли анода, что способствует значительно более быстрому нагреву наплавляемого материала, а значит позволяет скорректировать режимы обработки в сторону увеличения.

Однако качество покрытия и адгезионные свойства явно на стороне порошковых присадок. Использование мелких частиц металла позволяет получать на поверхности равномерный слой любой толщины.

Наплавочный порошок

Использование порошковой наплавки является предпочтительным с точки зрения качества получаемых поверхностей и износостойкости, поэтому на производстве все чаще используют именно порошковые смеси. Традиционный состав порошковой смеси - кобальтовые и никелевые частицы. Сплав данных металлов обладает хорошими механическими свойствами. После обработки таким составом поверхность детали остается идеально гладкой и не возникает необходимости в ее механической доводке и устранении неровностей. Фракция частиц порошка - всего несколько микрометров.

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.

Плазменная наплавка – это современный метод наложения износоустойчивого покрытия на рабочую поверхность. Он применяется при производстве и восстановлении изношенных машинных деталей. В современной технологии сварки этот метод занял важное место.

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.

Выпуск высокопрочных изделий – это дорогостоящий процесс. Поэтому, финансово выгодно выпускать их из достаточно прочного металла, а затем наложить защитное покрытие.

Суть применения

Она совсем не сложная. Для покрытия используют материал из проволоки или мелкий порошок в гранулах. Попадая в струю плазмы, он греется, а после плавится. В таком состоянии материал-защита подается на деталь. Одновременно с этим процессом непрерывно нагревают и саму деталь.

Преимущества данной технологии:

1. Поток плазмы дает возможность наложить материалы, которые отличаются по своим параметрам. Выполнить это можно в несколько слоев. Таким образом, металл покрывают разными покрытиями с индивидуальными защитными особенностями.
2. Широкие границы регулирования энергетических возможностей плазменной дуги, потому, что она является наиболее гибким источником тепла.
3. Плазменный поток имеет очень высокую температуру, из-за чего он плавит тугоплавкие материалы.
4. Формы и размеры детали для наплавления не снижают показатели технических характеристик данного метода. Также при этом не снижается показатель результата.

Если сравнить эту технологию с электродуговой сваркой, то плазменная наплавка имеет значительное преимущество:

1. Металл перемешивается по минимуму.
2. Минимальные тепловые затраты.
3. Абсолютный контроль дуги.
4. Полученное покрытие гладкое при небольшой механической обработке.
5. Чистота наплавленных слоев.
6. Цельное покрытие без пор.
7. Высокий показатель прочности соединения.

Технология метода и его особенности

Наплавка металла по описываемой технологии производиться двумя методами:

• В струю вводят проволоку, ленту, или прут (они являются присадочным материалом).
• В струю подают смесь из порошка. Она смещается на поверхность металла газом.

Струя плазмы по компоновке разделяется на такие виды:

• закрытая;
• открытая;
• комбинированный вариант.

Из газов для создания огня используется:

• кислород;
• водород;
• аргон;
• гелий.

Профессионалы отдают предпочтение аргону и гелию.

Установки для этого вида наплавки

Для этого процесса применяют различные установки, их вид зависит от объемов производства, от требований к уровню автоматики. Соответственно этим потребностям выполнены универсальные и специализированные установки. Универсальное оборудование позволяет выполнять наплавку на деталях разной формы. Специализированные установки предназначены для деталей одного вида (например: клапаны для моторов внутреннего сгорания, для дисков, элементов-соединений бурильных труб и так далее).

Все эти установки оснащают новейшими системами управления с применением промышленных компьютеров. Это в значительной мере поднимает качество, стабильность и надежность работы.

Каждая установка отвечает требованиям современности по экобезопасности. В них установлены автономные блоки охлаждения водяным путем и камеры-защиты. Эта камера отлично защищает мастера от вредного влияния излучения плазменной дуги и от газов и пыли, которая выделяются при наплавке.

Плазменная наплавка зарекомендовала себя, как успешная новейшая технология, которая отличается высоким показателем качества. Она снижает затраты на ремонт больших агрегатов. Рабочие поверхности изделий после обработки становятся износоустойчивыми, жаропрочными, кислоупорными. Данный метод, благодаря широкому ряду технических характеристик, нашел широкое применение в разных областях.

В компании ООО «Гидротехтрейд » производится плазменная наплавка и напыление для восстановления и ремонта изношенных деталей машин, упрочнения поверхностей деталей, работающих при высоких нагрузках. Данный способ позволяет получить тонкий равномерный слой покрытия с беспористой поверхностью, не требующей дополнительной обработки.

Плазменная наплавка металла позволяет придавать рабочим поверхностям изделий износостойкость, жаропрочность, кислотоупорность, теплопроводность и ряд иных дополнительных свойств. С помощью наплавки специалисты нашего технического центра получают разнообразные изделия и детали: валы, зубья ковшей экскаваторов, поршни, штоки, подшипники и т. д.

Виды плазменных наплавок

В зависимости от компоновки различают следующие виды плазменной наплавки:

• открытая плазменная струя (для резки металла и нанесения покрытий);
• закрытая плазменная струя (для закалки, металлизации и напыления порошков.);
• комбинированная струя (при наплавке порошком).

Специалисты «Гидротехтрейд » осуществляют плазменную наплавку различными способами, с использованием современной техники и оборудования. Одним из наиболее распространённых методов является плазменно порошковая наплавка, позволяющая наносить порошковые покрытия толщиной от 0,5 до 4,0 миллиметров. При использовании данного метода действует основная дуга, горящая между изделием и электродом и косвенная дуга, горящая между электродом и плазмообразующим соплом.

При необходимости может производиться плазменно-дуговая наплавка. Её преимущества в том, что она позволяет осуществлять наплавку композиционных материалов, при этом нанесение покрытий осуществляется пошагово.