реферат. Выпускная квалификационная работа бакалавра
 Скачать 2.61 Mb.
|
|
1.6 Газы для плазменной сварки Обычно один и тот же газ используется как для плазмы, так и для за- щитного газа. Это исключает риск изменений в плазменной струе при исполь- зовании двух разных газов или газовых смесей. Таблица 1 Свойства газов [6] Наименование газа Химическая формула Плотность (плотность воздуха = 1,293), Плотность относительно плотности воздуха Точка кипения при 0,101 МПа, ℃ Реакционная способность при сварке Аргон 1,784 1,380 -185,9 Инертный Гелий 0,178 0,138 -268,9 Инертный Двуокись уг- лерода (Угле- 1,977 1,529 -78,5 Окислитель 16 кислый газ) Кислород 1,429 1,105 -183,0 Окислитель Азот 1,251 0,968 -195,8 Малоактивный Водород 0,090 0,070 -252,8 Восстановитель Из ГОСТ Р ИСО 14175–2010 самыми часто используемыми газами для образования плазмы и защитного газа обычно используется смесь аргон/ во- дород. Однако водород нельзя использовать в качестве компонента при сварке мягкой стали или химически активных металлов, таких как алюминий, титан или цирконий. Чистый аргон или смеси аргон / гелий хорошо подходят для сварки мягкой стали и химически активных металлов, для которых нельзя ис- пользовать водород или азот. Смеси аргон/гелий/азот используются при сварке дуплексных нержаве- ющих сталей, так как они содержат азот при легировании. Чистый гелий не подходит, так как возникающие в результате высокие тепловые потери в плазменном газе существенно уменьшат срок службы плазменной горелки. Смеси аргон/гелий приводят к увеличению энергии в плазменной струе при постоянном токе. Однако смесь должна содержать не менее 50% гелия, если необходимо отметить какое-либо существенное различие. Смеси, содер- жащие более 75% гелия, имеют те же характеристики, что и чистый гелий. 1.7 Характеристики плазменного источника Основными характеристиками плазменного источника энергии являются его эффективная тепловая мощность, рассчитываемая как отношение количе- ства теплоты, вводимой в основной металл, ко времени ввода и коэффициент сосредоточенности, характеризующий распределение удельного теплового потока по поверхности обрабатываемого изделия. При использовании в качестве источника энергии плазменной струи часть энергии дополнительно расходуется на нагрев анода-сопла. В этом слу- чае значение величины меньше, чем для плазменной дуги. Поэтому с энерге- 17 тической точки зрения рациональнее использовать плазменную дугу. Высоко- частотные плазмотроны, как правило, имеют худшие энергетические характе- ристики по сравнению с дуговыми и соответственно меньшие значения тер- мического КПД. Рисунок 3 Распределение температуры в плазменной дуге Максимальная температура наблюдается в центре на оси плазменного потока, причём она значительно выше, чем у электрической дуги, которая свободно горит в воздухе и не подвергается каким-либо специальным воздей- ствиям, ускоряющим процесс её угасания. Плотность теплового потока для 18 плазменных источников энергии также выше, чем для открытой дуги. Нагрев газа в плазмотроне приводит к резкому уменьшению его плотности. За счёт этого скорость истечения газа из сопла увеличивается, достигая максимума в центре потока. Большая скорость потока плазмы при выходе его из плазмотрона позво- ляет получать значительный газодинамический напор, который растёт с уве- личением силы тока. Этот напор плазмы может быть использован в различных технологических целях, например, выдувания расплавленного материала из зоны обработки. 19 2. Плазменная наплавка 2.1 Способы плазменной наплавки В настоящее время разработаны и широко применяются в промышлен- ности различные способы наплавки металлов, рис. 4. При наплавке однород- ных металлов путем применения проволок и флюсов соответствующего со- става удается получить металл наплавки такого же состава, что и основной металл и соответственно свойства соединения, аналогичные свойствам основ- ного металла. Способ наплавки в этом случае практически не оказывает влия- ния на свойства соединения. Поэтому при наплавке стремятся применять та- кие способы, которые, обеспечивая качество соединения, в то же время обес- печивают максимальную производительность и эффективность процесса. Рисунок 4 Способы плазменной наплавки При необходимости наплавки на изделие металлов, отличных по хими- ческому составу и теплофизическим свойствам от основного металла, задача получения качественного соединения усложняется. Это вызвано тем, что при 20 соединении разнородных металлов в результате перемешивания основного и наплавляемого металлов, растворения твердого основного металла в жидком металле сварочной ванны и диффузионных процессов на межфазной границе в металл наплавки переходит значительная доля основного металла. Высокое содержание доли основного металла в металле наплавки, как правило, недопу- стимо, и наплавку приходится осуществлять в 4 – 6 и более слоев для обеспе- чения необходимой чистоты наплавленного слоя. Это вызывает весьма значи- тельное удорожание наплавленных изделий и, как правило, не обеспечивает их необходимых свойств [7]. Высокая тепловая мощность, стабильность дугового разряда, возмож- ность регулирования теплового воздействия и высокая температура плазмен- ной струи позволяют эффективно использовать плазменную обработку при наплавке на поверхность изделия как тонких, так и толстых слоев материала. Обычно толщины наплавки составляют от десятых долей миллиметра до 10 миллиметров и выполняются наплавкой одного или нескольких слоёв. Плазменная наплавка может осуществляться по схемам прямого дей- ствия, косвенного действия и комбинированным способом. В некоторых слу- чаях реализуются также схемы наплавки с плавящимся электродом. Плазменная наплавка прямого действия осуществляется зажиганием ду- ги между катодом плазмотрона и электропроводной заготовкой. При зажига- нии плазменной дуги между катодом плазмотрона и присадочным материалом возможно плавление любого тугоплавкого материала и достигается меньшее проплавление материала исходного изделия, чем при реализации схемы пря- мого действия. Реализация комбинированного способа наплавки даёт возмож- ность более тонкой регулировки степени проплавления основного материала и толщины наплавляемого слоя, рис. 5. Поток защитного газа предохраняет наплавляемый материал от окисле- ния. В качестве защитного и плазмообразующего газов используют инертные газы, чаще всего аргон и азот. При наплавке стали в качестве плазмообразую- щего газа в некоторых случаях используют углекислый газ. При этом способе 21 обычно реализуется глубокое проплавление материала заготовки, что допу- стимо при наплавке материала однородного с основным металлом, например, при ремонте изделия. Для снижения глубины проплавления основного мате- риала уменьшают мощность плазменной дуги. Но при этом неизбежно падает производительность процесса. Процессы плазменной наплавки могут быть весьма эффективными при ремонте и восстановлении поверхностей изношенных деталей машин, для по- лучения биметаллических изделий, характеризуемых тем, что на поверхности детали создаются зоны, обладающие специфическими свойствами, отличными от свойств основного материала, например, зоны с повышенной износостой- костью, химической устойчивостью, жаростойкостью, электропроводностью, твёрдостью. Рисунок 5 Схемы плазменной наплавки 22 2.2 Основы плазменной наплавки В получаемых наплавкой изделиях образуется соединение между основ- ным металлом и металлом наплавки. При этом только незначительная доля основного материала растворяется в присадочном материале. Так, при наплав- ке нержавеющей аустенитной стали на конструкционную сталь глубина рас- плавленного слоя основного материала не превышает 0,6 мм. Это практически не оказывает влияние на свойства наплавленного слоя, и уже в первом наплавленном слое его свойства незначительно отличаются от свойств наплавляемого металла. Наплавляемый материал используется в виде проволоки, ленты или по- рошка. Если материал подаётся в зону плазменной струи в виде порошка, то такой процесс обычно реализуется по схеме плазменного напыления. Плазменная наплавка материала может производиться как на плоские поверхности и поверхности тел вращения, так и на поверхности более слож- ных пространственных форм. Форма наплавляемой поверхности определяет виды движений обрабатываемой заготовки, параметры расположения плаз- мотрона относительно заготовки и режимы обработки. Для реализации процесса наплавки поток плазменной струи и капель расплавленного металла направляется перпендикулярно наплавляемой по- верхности. Расплавленный присадочный металл должен попадать только в расплавленную на поверхности основного металла ванну. Рекомендуется для получения равномерного по толщине наплавленного слоя производить про- цесс наплавки при поперечных (перпендикулярно оси наплавочного шва) ко- лебаниях потока расплавленного металла. 23 2.3 Качество наплавки Выделяют следующие основные показатели качества наплавки: • высота наплавки; • ширина валика; • глубина проплавления основного металла; • твёрдость наплавленного металла; • наличие трещин в наплавленном металле; • несплавление основного и присадочного материалов; • коэффициент использования наплавляемого материала; • напряжение и деформации конструкции. В связи с тем, что наплавленный слой необходимо подвергать механи- ческой обработке, наплавка лишнего металла нецелесообразна. Следует стре- миться к тому, чтобы припуски на обработку не превышали 1,5 – 2 мм, а после наплавки поверхность была бы достаточно ровной, без значительных наплы- вов и провалов между валиками. a) б) Рисунок 6 Макрошлиф: а) наплавки импульсной дугой, б) наплавки короткой дугой Наличие поперечных колебаний плазменной головки относительно наплавляемой поверхности позволяет получить плавный переход от металла 24 наплавки к основному материалу и успешно сплавлять валики наплавки меж- ду собой и с основным металлом при необходимости получения широкого слоя наплавки. Амплитуда колебаний устанавливается в зависимости от необ- ходимой ширины валика и может находиться в пределах 10 – 50 мм. При этом частоту колебаний выбирают так, чтобы капли присадочного материала попа- дали только в жидкую ванну и валик по ширине не разрывался на отдельные части. Скорость подачи проволоки оказывает большое влияние на характер пе- реноса металла в сварочную ванну. Так как дуговой разряд горит независимо от изделия, то характер переноса металла легко регулируется увеличением скорости подачи проволоки. Различают мелкокапельный и крупнокапельный виды переноса. Увеличение скорости подачи проволоки при неизменной теп- ловой мощности источника питания приводит к уменьшению напряжения на электродах и резкому увеличению силы тока. Именно эти процессы приводят к уменьшению размера капель расплавленного присадочного металла и уве- личению частоты их переноса. При наплавке желательно, чтобы характер пе- реноса был крупнокапельным. Расстояние от присадочной проволоки до изделия очень сильно влияет на эффективную тепловую мощность источника теплоты: с уменьшением это- го расстояния эффективная тепловая мощность, а следовательно, и нагрев по- верхности основного металла увеличиваются. Это приводит к повышению до- ли элементов основного металла, переходящего в металл наплавки. Однако при чрезмерном уменьшении расстояния от присадочной проволоки до изде- лия ухудшатся газовая защита зоны наплавки из-за образования высокой тур- булентности потока в результате подсоса воздуха. Увеличение расстояния бо- лее 25 мм приводит к резкому ухудшению газовой защиты, вызывая дефекты в металле наплавки. При плазменной наплавке порошком большое значение имеет размер зерна порошка, особенно в случае наплавки с вдуванием порошка в дугу. Слишком крупные зерна порошка могут недостаточно проплавляться в плаз- 25 менной струе и попасть на подложку в твердом состоянии. Мелкие зерна ком- каются и могут забивать шланги горелки или даже спекаться между собой в сопле горелки. Рисунок 7 Макрошлиф наплавки покрытым электродом Выбор скорости наплавки определяется принятыми электрическими па- раметрами режима наплавки, углом наклона плазменной головки к изделию, расстоянием от торца присадочной проволоки до поверхности основного ме- талла, а также качеством подготовки основного металла к наплавке. Опти- мальной можно считать такую скорость наплавки, при которой капли перегре- того жидкого металла присадочной проволоки попадают в ванну жидкого ме- талла, перемещающуюся по поверхности изделия, на расстоянии 2 – 3 мм от головной части ванны. При уменьшении скорости наплавки увеличивается нагрев поверхности основного металла и длительность контактирования твёр- дой и жидкой фаз, что приводит к увеличению содержания примесей основно- го металла в металле наплавки. Слишком большая скорость ведет к наруше- нию формирования поверхности и к неравномерной по длине толщине наплавленного слоя. 26 Диаметр токоведущей присадочной проволоки в принципе может быть любым. С увеличением диаметра присадочной проволоки можно обеспечить крупнокапельный перенос металла, а, следовательно, и меньший перегрев ос- новного металла при более высоких значениях сварочного тока, чем применя- емых при наплавке тонкими проволоками. Кроме того, с увеличением диамет- ра присадочной проволоки повышается КПД процесса наплавки, так как более полно используется тепло плазменного факела, увеличивается скорость наплавки, повышается коэффициент расплавления. Качество наплавленного слоя во многом зависит от подготовки поверх- ностей основного материала и присадочной проволоки, которые не должны иметь следов загрязнений, ржавчины. Для этого присадочная проволока под- вергается очистке химическим травлением, а наплавляемую поверхность ре- комендуется механически обрабатывать и обезжиривать. Металлы, покрытые окислами, смачиваются, как правило, очень плохо. Поэтому для обеспечения необходимых условий смачивания поверхности жидким металлом изделие должно быть тщательно очищено от плёнки окислов, всегда имеющихся на его поверхности. 27 3. Конструкции плазмотронов для сварки и наплавок В процессе работы было изучено несколько видов плазмотронов, что позволило разобраться в конструкционных узлах плазмотронов различного назначения. ОБ–1115 и ОБ–1160А были разработаны в ИЭС имени Е.О. Патона. Конструкции этих плазмотронов примерно одинаковы, их различие заключа- ется в размерах каналов для охлаждающей воды, в форме токопроводящего сопла, конструкции выводов и в некоторых других незначительных деталях. Рисунок 8 Микролазменная горелка ОБ–1115[8] 28 Рисунок 9 Микролазменная горелка ОБ–1160: 1 – наконечник; 2 – электрод; 3 – сопло; 4 – каркас; 5 – пластмассовый нако- нечник; 6 – керамическая втулка; 7 – корпус; 8 – шайба; 9 – каркас верхний; 10 – гайка; 11 – цанга; 12 – колпачок [8] 29 Плазменная головка ИМЕТ–107 выполнена по схеме с совмещенным каналом и соплом. Водоохлаждаемое сопло-канал изготавливается из красной меди или жаропрочного медного сплава, остальные детали головки из латуни. Цельнопаяное сопло-канал позволяет сделать головку наиболее простой, надежной в работе и удобной для осуществления качественной защиты сва- рочной ванны от атмосферы воздуха. Рисунок 10 Плазмотрон ИМЕТ–10: а) – общий вид плазмотрона в сборе; б) – электрододержатель; в) – сопло для по- дачи защитного газа; г) – водоохлаждаемое сопло-канал [9] 30 Рисунок 11 Конструкция плазменной головки ИМЕТ–107: 1 – электрододержатель; 2 – корпус; 3 – изолирующая втулка; 4 – водоохлаждае- мое сопло-канал; 5 – сопло для подачи защитного газа [9] 31 Следующий плазмотрон был разработан в государственном образовательном учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет". Его использование возможно как для сварки, так и для резки. Технический результат изобретения заключается в обеспечении интенсивного охлаждения теплонагруженных элементов плазмотрона при упрощении конструк- ции и исключении возможности двойного дугообразования в процессе эксплуата- ции. Рисунок 12 Общий вид плазмотрона с продольным разрезом по системе подвода и отвода охлаждающей жидкости [10] 32 Плазмотрон состоит из корпуса 1, установленного на нем при помощи резьбо- вого соединения защитного сопла 2, размещенного в корпусе 1 плазмообразующего сопла 3, которое закрепляется винтом 4 и электрически изолируется от корпуса 1 втулкой 5 и изоляторами-уплотнителями 6 и 7, при этом обеспечивается электриче- ская изоляция плазмообразующего сопла 3 от защитного сопла 2. В винт 4 установ- лен на резьбе изолятор 8, выполненный, например, из фторопласта. В изоляторе 8 размещен на резьбе электродный узел 9, имеющий автономную систему охлаждения (на схеме не показана), электродный узел 9 фиксируется контргайкой 10. Корпус 1 имеет штуцера 11 и 12 и радиальные каналы 13 и 14 для подвода и отвода охлажда- ющей жидкости системы охлаждения плазмообразующего сопла, диаметрально про- тивоположные и параллельно расположенные каналы 15 и 16, засверленные с торца корпуса 1, а затем заглушенные, и кольцевой канал 17, охватывающий плазмообра- зующее сопло 3 вблизи теплонагруженной зоны. Каналы 15 и 16 нижними концами выходят в проточку 18, выполненную в корпусе 1, соединяющуюся с нижней частью кольцевого канала 17. Корпус 1 имеет штуцер 19 и каналы 20 и 21 для подачи за- щитного газа под защитное сопло 2. Винт 4 снабжен штуцером 22 и каналом 23 для подвода плазмообразующего газа, на внешней цилиндрической поверхности изоля- тора 8 выполнена винтовая проточка 24, которая при установке изолятора 8 в винт 4 образует винтовой канал для тангенциальной подачи плазмообразующего газа в плазмообразующее сопло 3 [10]. 33 Общество с ограниченной ответственностью "ПЛАЗМА" разработала порта- тивный плазмотрон для напыления и наплавки покрытий. Портативный плазмотрон для напыления и наплавки покрытий содержит кор- пус с установленным на нем питателем в сборе с дозатором, резервуар для приема пара, сопло-анод и катод, размещенный в электроизоляционной трубке с помощью контактно-крепежных элементов, установленной внутри теплопроводной трубки, контактирующей с соплом-анодом и проходящей через резервуар для приема пара, на аналогичных контактно-крепежных элементах, с возможностью перемещения ка- тода вручную и автоматической поднастройки его положения относительно сопла- анода с помощью специального механизма, представляющего собой мотор-редуктор механизма сервопривода катода [11]. Рисунок 13 Портативный плазмотрон для напыления и наплавки покрытий [11] 34 Такая конструкция портативного плазмотрона для напыления и наплавки по- крытий позволяет обеспечить равномерную подачу порошка при осуществлении процессов напыления или наплавки, существенно снизить время прогрева горелки перед началом работы и повысить продолжительность установившегося режима ра- боты. В исследовательском центре имени М.В. Келдыша разработали плазменную горелку для обработки материалов, в частности для нанесения покрытий. Рисунок 14 Cечение плазмотрона для нанесения порошковых материалов [12] Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева и увеличение коэффициента использования порошка с одновременным упрощением конструкции плазмотрона и улучшением эксплуатационных и физико- механических характеристик покрытий, а также качества покрытий путем повыше- ния прочности сцепления покрытия с основой [12]. |