Плазмотрон для плазмово-порошкового наплавлення з двома системами подачі порошку

О.І. Сом
Журнал "Автоматическая сварка". - 2023. - №8. - стр. 43-51

Розроблено нову конструкцію плазмотрону для наплавлення сплавів на основі нікелю, кобальту та заліза. В ній поєднано дві системи подачі порошку в дугу – внутрішню та зовнішню. Таке поєднання розширює технологічні можливості плазмотрону і дозволяє наплавляти магнітні та немагнітні матеріали. Причому, ці системи можна використовувати як окремо одна від одної, так і разом, наприклад, для наплавлення композиційних сплавів з роздільною подачею матричного та армуючого матеріалів порошку. Для підвищення ефективності нагріву порошку при зовнішній подачі в плазмотроні застосовано допоміжний потік стабілізуючого газу, який дозволяє зменшити на 10-15 % втрати порошку та покращити формування наплавляємого валика. Оптимальні витрати стабілізуючого газу 4-5 л/хв. Плазмотрон ефективно працює в діапазоні струмів 50-300 А. Бібліогр. 8, рис. 9.
Ключові слова: плазмово-порошкове наплпвлення, конструкція плазмотрона, системи подачі порошку, ККД нагріву

Вступ. Плазмотрон є головним робочим інструментом обладнання для плазмово-порошкового наплавлення (ППН). Від його ефективної та надійної роботи залежить багато в чому якість та стабільність процесу наплавлення в цілому. В свою чергу ефективність роботи плазмотрону визначається його тепловими характеристиками та ефективністю нагрівання і плавлення порошку у дузі, які в значній мірі залежать від схеми та параметрів його вводу в дугу.

Сьогодні найбільш широко використовуються дві схеми вводу порошку в дугу – внутрішня та зовнішня [1–3]. В першому випадку (рис. 1, а) порошок подається в дугу всередині плазмотрону у вигляді рівномірно розподіленого по колу потоку частинок через конічну щілину, утворену плазмоутворюючим та фокусуючим соплами. У другому (рис. 1, б) – ззовні плазмотрону через одне чи декілька отворів у торці плазмоутворюючого сопла. В цьому випадку фокусуюче сопло відсутнє.

Математична модель [1] і експериментальні дослідження автора [3, 4] показують, що внутрішня схема подачі порошку більш ефективна. Вона забезпечує менші втрати порошку, краще формування наплавляємого валика та менші затрати енергії за тієї ж продуктивності наплавлення. Однак ця схема має два суттєвих недоліки. По-перше, при довготривалому наплавленні, особливо легкоплавких матеріалів, можливе утворення крапель рідкого металу на виході з фокусуючого сопла, що призводить до порушення стабільності процесу, блокуванню подачі порошку та погіршенню формування наплавляємого валика.

По-друге, ускладнене наплавлення феромагнітних матеріалів, що мають у своїй структурі велику кількість феритної фази. Частинки порошку під впливом магнітного поля дуги зависають у розподільчій камері плазмотрону, утворюючи своєрідні пробки. Найбільш помітно це при струмі вище 150 А. При зовнішній схемі подачі порошку цей недолік відсутній.

Мета цієї роботи об’єднати в одному плазмотроні ці дві схеми і розробити таку конструкцію соплової частини, яка б розширила його технологічні можливості та підвищила стабільність роботи.

Особливості конструкції нового плазмотрону. На рис. 2 показана схема соплової частини плазмотрону, яка об’єднує внутрішню (рис. 2, а) та зовнішню (рис. 2, б) схеми подачі порошку. Ці схеми можна використовувати як окремо одна від одної, так і разом (рис. 2, в; 5, в). Останній варіант дуже ефективний при наплавленні композиційних сплавів з роздільною подачею матричного та армуючого матеріалів [5]. В цьому випадку використовується два окремих живильника порошку, які працюють синхронно, а також два окремих потоки транспортуючого газу.

На основі цієї ідеї розроблено два варіанти плазмотрону – вертикального (рис. 3, а) та горизонтального (рис. 3, б) виконання. Вони мають однакове конструктивне рішення соплової частини. Вибір того чи іншого варіанту залежить від конструктивних особливостей компоновки обладнання для наплавлення. Горизонтальний варіант більш універсальний, оскільки дозволяє наплавляти як зовнішні, так і внутрішні поверхні на різну глибину.

Плазмотрони дозволяють наплавляти сплави на основі нікелю, кобальту, заліза та композиційних сплавів на базі карбідів вольфраму.

Варіанти подачі порошку. Внутрішня подача порошку. При використанні системи внутрішньої подачі порошок через вхідний штуцер 1 (рис. 3, а, б) надходить в спеціальну розподільчу камеру, де він за допомогою транспортуючого газу рівномірно розподіляється по колу й потім через систему пазів, рівномірно розташованих на конічній поверхні плазмоутворюючого сопла (рис. 4), вдувається в дугу. Пази сприяють кращому охолодженню сопла та направляють частинки порошку прямо в центральну найбільш нагріту частину дуги. Кут вводу порошку в дугу відносно вертикальної вісі складає 35º. Фокус зустрічі частинок порошку знаходиться нижче торця фокусуючого сопла на відстані 5 мм (рис. 5, а). Це зроблено для того, щоб виключити попадання частинок порошку на стінки фокусуючого сопла і таким чином підвищити надійність роботи плазмотрону

Для ефективного нагрівання порошку у дузі необхідно, щоб початкова швидкість входу частинок в дугу була якомога менша [1]. В даному плазмотроні за рахунок оригінальної конструкції розподільчої камери і оптимізації витрати транспортуючого газу цей показник вдалося знизити до мінімального рівня. Для плазмотрону вертикального типу вона складає 1,5…2,0 м/с, горизонтального – 2,0…2,5 м/с, що цілком прийнятно для нагрівання частинок порошку діаметром 50…160 мкм, який широко використовується для ППН [6]. Для підтримки таких швидкостей витікання порошку оптимальними витратами транспортуючого газу є 3,5…4,0 л/хв для вертикального варіанту та 4,5…5,0 л/хв для горизонтального. Швидкість руху частинок визначали фотографічним методом покадрової зйомки [7].

Зовнішня подача порошку. По цій схемі порошок разом із транспортуючим газом через спеціальний штуцер-трійник (рис. 3, а, б) розділяється на два рівномірних потоки і далі подається в дугу безпосередньо через два отвори діаметром 1,4 мм, розташовані в торці фокусуючого сопла діаметрально протилежно один одному. Кут вводу порошку в дугу, такий же як і при внутрішній подачі – 35º. Точка зустрічі частинок порошку знаходиться на відстані 8 мм нижче від торця фокусуючого сопла (рис. 5, б). Швидкість витікання частинок порошку на виході з плазмотрону як при вертикальному, так і при горизонтальному виконанні помітно вище, ніж при внутрішній подачі і складає відповідно 2,5…3,0 і 3,0…3,5 м/с. Це суттєвий недолік цієї схеми вводу порошку в дугу, оскільки збільшений швидкісний напір струменю холодного транспортуючого газу глибоко проникає у стовп дуги, деформує його (рис. 6, б) та знижує температуру плазми в зоні нагріву. Деформація дуги призводить до погіршення нагрівання порошку і, як наслідок, збільшення його втрат і погіршенню формування наплавляємого валика.

Для нейтралізації цього шкідливого впливу в даному плазмотроні використовується потік газу, який вдувається через центральний отвір фокусуючого сопла, аналогічно тому, як подається транспортуючий газ при внутрішній системі подачі порошку. Цей потік грає стабілізаційну роль.

Омиваючи концентрично периферійну область дуги зверху, він добре нагрівається і відтісняє холодні потоки транспортуючого газу в місцях бокового входу порошку. Стовп дуги вирівнюється, приймаючи більш циліндричну форму (рис. 6, в) і наближається до форми дуги при внутрішній подачі порошку (рис. 6, а). При цьому підвищується просторова стабільність дуги, що дозволяє збільшити її довжину до 14…15 мм і тим самим збільшити температуру нагріву порошку за рахунок більш довготривалого перебування його у дузі. Завдяки цьому зменшуються на 10…15 % втрати порошку по відношенню до зовнішньої подачі без стабілізуючого газу і покращується формування наплавляємого валика. На рис. 7 показано зовнішній вигляд, а також поперечний переріз валиків, наплавлених на однакових режимах при різних схемах вводу порошку в дугу. На ньому добре видно, що допоміжний (стабілізуючий) потік газу суттєво покращує формування валика (рис. 7, б), наближаючи його до зовнішнього вигляду валика, наплавленого з внутрішньою подачею порошку (рис. 7, а).

Збільшується також повнота валика, що є підтвердженням менших втрат порошку (рис. 7, б). Як показано на рис. 8, максимальний ефект досягається при витраті стабілізуючого газу 4…5 л/хв. Це справедливо як для вузьких (крива 1), так і для широких (крива 2) валиків. Подальше збільшення його витрат вже не веде до збільшення позитивного ефекту./p>

Теплові характеристики. Теплові характеристики розробленого плазмотрону досліджували методом проточного калориметрування на модельному зразку по методиці, викладеній у роботі [3]. Головну увагу було приділено дослідженню ефективної теплової потужності та ефективного ККД нагріву виробу для даної конструкції соплової частини плазмотрону. Дослідження проводили за відсутності непрямої (пілотної) дуги.

На рис. 9 показана залежність ефективної теплової потужності q_в та ефективного ККД нагріву виробу ɳв від струму дуги для комбінації плазмоутворюючого та фокусуючого сопел плазмотрону 4/8 мм на характерних для плазмового наплавлення витратах плазмоутворюючого (2 л/хв), транспортуючого (4 л/хв) та захисного (8 л/хв) потоків газу. Видно, що зі збільшенням струму дуги q_в росте практично лінійно, але при цьому ɳв падає. В діапазоні струмів 50…250 А він зменшується з 80 до 60 %, що пов’язано зі збільшенням теплових витрат у сопла. Загалом цей показник достатньо високий, близький до плазмотронів для зварювання та різки [8].