Napawanie plazmowe: sprzęt i technologia procesowa

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Wydajność i problemy związane z napawaniem plazmowym są niezwykle dotkliwe dla inżynierów materiałowych. Dzięki tej technologii możliwe jest nie tylko znaczne zwiększenie żywotności i niezawodności mocno obciążonych części i zespołów, ale także odtworzenie, wydawałoby się, w stu procentach zużytych i zniszczonych produktów.

Wprowadzenie napawania plazmowego do procesu technologicznego znacznie zwiększa konkurencyjność produktów inżynierskich. Proces nie jest zasadniczo nowy i jest używany od dawna. Ale stale ulepsza i rozszerza swoje możliwości technologiczne.

Postanowienia ogólne

Plazma to zjonizowany gaz. Niezawodnie wiadomo, że plazmę można otrzymać różnymi metodami w wyniku oddziaływania elektrycznego, termicznego lub mechanicznego na cząsteczki gazu. Do jego powstania konieczne jest oderwanie ujemnie naładowanych elektronów od dodatnich atomów.

W niektórych źródłach można znaleźćinformacja, że plazma jest czwartym stanem skupienia materii obok ciała stałego, ciekłego i gazowego. Zjonizowany gaz ma szereg użytecznych właściwości i jest wykorzystywany w wielu gałęziach nauki i technologii: napawanie plazmowe metali i stopów w celu odtworzenia i utwardzenia mocno obciążonych produktów, które podlegają obciążeniom cyklicznym, azotowanie jonowo-plazmowe w wyładowaniu jarzeniowym w celu nasycenia dyfuzyjnego i utwardzania powierzchni części, do realizacji procesów chemicznych.wytrawianie (stosowane w technologii wytwarzania elektroniki).

Przygotowanie do pracy

Zanim zaczniesz wynurzać się, musisz skonfigurować sprzęt. Zgodnie z danymi referencyjnymi należy wybrać i ustawić prawidłowy kąt nachylenia dyszy palnika do powierzchni produktu, wyrównać odległość od końca palnika do części (powinna wynosić od 5 do 8 milimetrów) i włóż drut (jeśli materiał drutu wychodzi na powierzchnię).

Jeżeli napawanie będzie prowadzone przez wahania dyszy w kierunkach poprzecznych, to konieczne jest ustawienie głowicy w taki sposób, aby spoina znajdowała się dokładnie pośrodku pomiędzy skrajnymi punktami amplitud wahań głowa. Niezbędne jest również wyregulowanie mechanizmu, który ustala częstotliwość i wielkość ruchów oscylacyjnych głowy.

Technologia napawania łukiem plazmowym

Proces napawania jest dość prosty i może być z powodzeniem wykonany przez każdego doświadczonego spawacza. Wymaga jednakwykonawca maksymalnej koncentracji i uwagi. W przeciwnym razie możesz łatwo zniszczyć obrabiany przedmiot.

Do jonizacji gazu roboczego stosuje się silne wyładowanie łukowe. Oderwanie elektronów ujemnych od dodatnio naładowanych atomów odbywa się dzięki termicznemu działaniu łuku elektrycznego na strumień roboczej mieszaniny gazów. Jednak w wielu warunkach przepływ jest możliwy nie tylko pod wpływem jonizacji termicznej, ale także pod wpływem silnego pola elektrycznego.

Gaz jest dostarczany pod ciśnieniem 20-25 atmosfer. Do jego jonizacji wymagane jest napięcie 120-160 woltów przy prądzie około 500 amperów. Dodatnio naładowane jony są wychwytywane przez pole magnetyczne i pędzą do katody. Prędkość i energia kinetyczna cząstek elementarnych jest tak duża, że zderzając się z metalem, są w stanie nadać mu ogromną temperaturę - od +10 … +18 000 stopni Celsjusza. W tym przypadku jony poruszają się z prędkością do 15 kilometrów na sekundę (!). Instalacja do napawania plazmowego wyposażona jest w specjalne urządzenie zwane „pochodnią plazmową”. To właśnie ten węzeł odpowiada za jonizację gazu i uzyskanie ukierunkowanego przepływu cząstek elementarnych.

Moc łuku powinna być taka, aby zapobiec stopieniu materiału podstawowego. Jednocześnie temperatura produktu powinna być jak najwyższa, aby aktywować procesy dyfuzji. Temperatura powinna więc zbliżyć się do linii likwidus na wykresie żelazowo-cementytowym.

Drobny proszek o specjalnej kompozycji lub drut elektrodowy jest podawany do strumienia plazmy wysokotemperaturowej, w której materiałtopi się. W stanie ciekłym nawierzchnia spada na utwardzoną powierzchnię.

Natryskiwanie plazmowe

Aby wdrożyć natryskiwanie plazmowe, konieczne jest znaczne zwiększenie szybkości przepływu plazmy. Można to osiągnąć poprzez regulację napięcia i prądu. Parametry są wybierane empirycznie.

Materiały do natryskiwania plazmowego to metale ogniotrwałe i związki chemiczne: wolfram, tantal, tytan, borki, krzemki, tlenek magnezu i tlenek glinu.

Niekwestionowaną zaletą natrysku w porównaniu ze spawaniem jest możliwość uzyskania najcieńszych warstw, rzędu kilku mikrometrów.

Ta technologia jest używana do hartowania skrawania, toczenia i frezowania wymiennych płytek węglikowych, a także gwintowników, wierteł, pogłębiaczy stożkowych, rozwiertaków i innych narzędzi.

Uzyskanie otwartego strumienia plazmy

W tym przypadku przedmiot obrabiany działa jak anoda, na której materiał jest osadzany przez plazmę. Oczywistą wadą tej metody obróbki jest nagrzewanie się powierzchni i całej objętości części, co może prowadzić do przekształceń strukturalnych i niepożądanych konsekwencji: zmiękczenia, zwiększonej kruchości itd.

Zamknięty odrzutowiec plazmowy

W tym przypadku palnik gazowy, a dokładniej jego dysza, działa jak anoda. Ta metoda jest stosowana do napawania plazmowo-proszkowego w celu przywrócenia i poprawy wydajności części iwęzły maszyny. Technologia ta zyskała szczególną popularność w dziedzinie inżynierii rolniczej.

Zalety napawania plazmowego

Jedną z głównych zalet jest koncentracja energii cieplnej na małej powierzchni, co zmniejsza wpływ temperatury na pierwotną strukturę materiału.

Proces jest dobrze zarządzany. W razie potrzeby i przy odpowiednich ustawieniach sprzętu warstwa wierzchnia może się wahać od kilku dziesiątych milimetra do dwóch milimetrów. Możliwość uzyskania kontrolowanej warstwy jest obecnie szczególnie istotna, gdyż pozwala na znaczne zwiększenie efektywności ekonomicznej obróbki oraz uzyskanie optymalnych właściwości (twardość, odporność na korozję, odporność na zużycie i wiele innych) powierzchni wyrobów stalowych.

Kolejną nie mniej ważną zaletą jest możliwość wykonywania spawania plazmowego i napawania szerokiej gamy materiałów: miedzi, mosiądzu, brązu, metali szlachetnych, a także niemetali. Tradycyjne metody spawania nie zawsze są w stanie to zrobić.

Sprzęt do napawania

Instalacja do napawania proszkowego plazmą obejmuje dławik, oscylator, palnik plazmowy i zasilacze. Ponadto powinien być wyposażony w urządzenie do automatycznego podawania granulek proszku metalowego w obszar roboczy oraz układ chłodzenia ze stałą cyrkulacją wody.

Źródła zasilania do napawania plazmowego muszą spełniać surowe wymaganiastałość i niezawodność. W tej roli najlepiej sprawdzają się transformatory spawalnicze.

Podczas napawania materiałów proszkowych na metalowej powierzchni stosuje się tak zwany łuk kombinowany. Stosowane są jednocześnie otwarte i zamknięte dysze plazmowe. Regulując moc tych łuków można zmienić głębokość penetracji przedmiotu obrabianego. W optymalnych warunkach wypaczenie produktów nie pojawi się. Jest to ważne w produkcji części i zespołów inżynierii precyzyjnej.

Podajnik materiałów

Proszek metalowy jest dozowany przez specjalne urządzenie i podawany do strefy topienia. Mechanizm lub zasada działania podajnika jest następująca: łopatki wirnika wpychają proszek w strumień gazu, cząstki są podgrzewane i przyklejają się do obrabianej powierzchni. Proszek podawany jest przez oddzielną dyszę. Łącznie w palniku gazowym zainstalowane są trzy dysze: do podawania plazmy, do podawania proszku roboczego i do gazu osłonowego.

Jeśli używasz drutu, zaleca się użycie standardowego mechanizmu podawania spawarki z łukiem krytym.

Przygotowanie powierzchni

Napawanie plazmą i natryskiwanie materiałów powinno być poprzedzone dokładnym oczyszczeniem powierzchni z tłustych plam i innych zanieczyszczeń. Jeżeli podczas konwencjonalnego spawania dopuszczalne jest wykonanie tylko zgrubnego, powierzchniowego czyszczenia spoin z rdzy i zgorzeliny, to podczas pracy z plazmą gazową powierzchnia obrabianego przedmiotu musi być idealnie (w miarę możliwości) czysta, bez obcych wtrąceń. Najcieńsza warstwa tlenku jest zdolnaznacznie osłabić oddziaływanie adhezyjne pomiędzy napawaniem a metalem podstawowym.

W celu przygotowania powierzchni do napawania zaleca się usunięcie nieznacznej powierzchniowej warstwy metalu poprzez obróbkę skrawaniem przez cięcie, a następnie odtłuszczenie. Jeśli pozwalają na to wymiary części, zaleca się mycie i czyszczenie powierzchni w kąpieli ultradźwiękowej.

Ważne cechy powierzchni metalowych

Istnieje kilka opcji i metod napawania plazmowego. Zastosowanie drutu jako materiału do napawania znacznie zwiększa wydajność procesu w porównaniu do proszków. Wynika to z faktu, że elektroda (drut) pełni rolę anody, co przyczynia się do znacznie szybszego nagrzewania osadzanego materiału, co oznacza, że pozwala na dostosowanie trybów obróbki w górę.

Jednak jakość powłoki i właściwości adhezyjne są wyraźnie po stronie dodatków proszkowych. Zastosowanie drobnych cząstek metalu umożliwia uzyskanie jednolitej warstwy o dowolnej grubości na powierzchni.

Puder nawierzchniowy

Z uwagi na jakość uzyskiwanych powierzchni i odporność na zużycie preferowane jest stosowanie napawania proszkowego, dlatego w produkcji coraz częściej stosuje się mieszanki proszkowe. Tradycyjny skład mieszanki proszkowej to cząstki kob altu i niklu. Stop tych metali ma dobre właściwości mechaniczne. Po obróbce takim składem powierzchnia detalu pozostaje idealnie gładka i nie ma potrzeby jej mechanicznego wykańczania i eliminowania nierówności. Frakcja cząstek proszku to tylko kilka mikrometrów.