Для осуществления наплавки плазменной струей с токоведу­щей присадочной проволокой используется после некоторой мо­дернизации стандартное сварочное оборудование.

В качестве автомата для наплавки может быть применен лю­бой сварочный автомат (лучше предназначенный для сварки в за­щитных газах). Переделка автомата заключается в следующем. Вместо обычной сварочной головки устанавливается плазменная головка. Поскольку угол наклона плазменной головки к изде­лию оказывает существенное влияние на процесс наплавки, на автомате обязательно должен иметься поворотный механизм, по­зволяющий устанавливать головку под любым углом к поверх­ности изделия в вертикальной плоскости.

На автомате устанавливаются коммуникации для подвода к плазменной головке плазмообразующего и защитного газов и охлаждающей воды.

Токоведущая (электродная) присадочная проволока подается непосредственно под плазменную головку. Торец токоведущего мундштука располагается на расстоянии около 15 мм от плаз­менной струи. Мундштук для подачи проволоки следует изготав­ливать массивным, чтобы предотвратить его случайное обгора - ние. Токоподводящие мундштуки изготавливаются сменными для подачи присадочной проволоки различных диаметров: от 1,0 до 5,0 мм.

Расстояние от торца сопла-канала до токоведущей' проволоки составляет 5—8 мм. Для регулирования этого расстояния на автомате устанавливается устройство для перемещения токопод­водящего мундштука вместе с проволокой в вертикальной пло­скости. Токоведущая присадочная проволока составляет с осью плазменной головки (с неплавящимся электродом) прямой угол Поэтому механизм подачи проволоки должен быть жестко связан

с плазменной головкой таким образом, чтобы при изменении угла наклона головки к поверхности изделия прямой угол между токо­ведущей проволокой и осью головки не нарушался.

Одним из основных элементов режима плазменной наплавки является расстояние от торца токоведущей проволоки до изделия. Поэтому на автомате должен иметься механизм вертикального перемещения системы механизм подачи проволоки — плазменная головка.

Проведенные исследования показали, что наплавку целесооб­разнее всего осуществлять с поперечными колебаниями плазмен-

Рис. 27. Автомат АДСП-2, переоборудованный для наплавки плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой

ной головки и токоведущей присадочной проволоки относительно оси перемещения автомата. Для этой цели на автомате устанавли­вается кривошипно-шатунный механизм с регулируемой ампли­тудой и частотой колебаний. Колебательный' механизм должен обеспечивать величину амплитуды в пределах 8—60 мм при частоте 15—60 колебаний в секунду. При изготовлении колеба­тельного механизма следует иметь в виду, что перемещение про­волоки и плазменной головки в поперечном направлении должно бцть плавным, без видимых остановок в левом и правом крайнем положениях.

Модернизированный таким образом автомат АДСП-2 для плаз­менной наплавки представлен на рис. 27. Переделка автомата АДСП-2 заключалась в изменении расположения механизма по­дачи проволоки с кассетой для проволоки. Они закреплены на специальном кронштейне, обеспечивающем подачу проволоки

сбоку под торец плазменной головки. Автомат АД СП-2 пред­назначен для сварки плавящимся'электродом. Поэтому он требует такой переделки. Общий вид поста представлен на рас. 28.

Для наплавки плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой очень удобно применять автомат АдСВ-2. Он пред­назначен для аргоно-дуговой сварки вольфрамовым электродом с боковой подачей присадочной проволоки. Его переделка заклю­чается в том, что вместо головки для аргоно-дуговой сварки уста­навливается головка для плазменной наплавки. Мы привели

Рис. 28. Общий вид поста для плазменной наплавки металлов на базе переоборудованного автомата АДСП-2

пример наплавки на АДСП-2, чтобы показать, что в принципе для наплавки плазменной струей с токоведущей присадочной прово­локой можно использовать любой сварочный автомат с неболь­шой переделкой в схеме подачи проволоки.

Основным узлом установок для плазменной наплавки является плазменная головка. Независимо от типа головок их конструкции должны удовлетворять определенным требованиям, обеспечиваю­щим надежную работу. Особенно это относится к таким узлам головки, как электрододержатель, электрод и сопло головки.

Применяемый в головках электрододержатель должен обеспе­чивать надежную центровку неплавящегося электрода относи­тельно оси канала сопла, возможность легкой и удобной регу-' лировки вылета электрода, хороший электрический контакт с электродом. Чаще всего электрододержатели бывают цангового типа, изготовленные из бронзы.

Вольфрамовый электрод должен быть строго прямолинейным для обеспечения надежной центровки его относительно оси

канала сопла. По этой же причине он должен быть достаточно же­стким, чтобы прямолинейность его в процессе наплавки не нару­шалась. Увеличение диаметра вольфрамового электрода приводит также к обеспечению необходимого теплоотвода с катодного пятна. Верхний предел диаметра вольфрамового электрода ограничи­вается внутренним диаметром канала сопла и не должен превы­шать последний. Если диаметр электрода больше внутреннего диаметра канала сопла, то стабильность горения дуги снижается. Диаметр вольфрамового электрода выбирается в зависимости от величины рабочего тока: при токах до 130 а применяется вольфра­мовый электрод 0 3 мм, при 130—200 а — 4 мм и при токах выше 200 а — 5 мм. Вылет электрода из электрододержателя во избежание перегрева должен быть минимальным (не более 8— 10 мм). Конец вольфрамового электрода располагается либо на уровне верхнего среза канала сопла, либо на 1—2 мм выше. Нельзя допускать, чтобы электрод был погружен в канал сопла. Перед установкой в головку конец вольфрамового электрода затачивается на конус. Внутренний диаметр канала сопла состав­ляет 4—5 мм. Уменьшение диаметра канала сопла приводит к резкому увеличению тепловой нагрузки на сопле и повышению вероятности двойного дугообразования. Увеличение диаметра канала сопла приводит к снижению стабильности столба дуги за счет уменьшения скорости газового потока.

Высота цилиндрической части внутреннего канала сопла плазменной головки должна быть примерно равной внутреннему диаметру канала сопла, т. е. 4—5 мм. Увеличение высоты канала повышает вероятность двойного дугообразования, уменьшение высоты канала приводит к снижению стабильности столба дуги.

Одной из возможных причин выхода из строя плазменных головок является двойное дугообразование, т. е. явление, когда возникают две дуги, одна из которых горит между вольфрамовым электродом и соплом, а вторая между соплом и проволокой (при наплавке плазменной струей с токоведущей присадочной прово­локой) или между соплом и металлическим изделием, когда изде­лие является элементом сварочной цепи (например, при наплавке с применением в качестве присадочного металла порошка).

Явление двойного дугообразования объясняется тем, что электрическая дуга стремится занять такое положение, при ко­тором ее напряжение имеет минимальную величину. При примене­нии правильных режимов наплавки и выполнении конструктив­ных требований, предъявляемых к плазменной головке, явление двойного дугообразования не возникает, так как напряжение между электродом и проволокой (изделием) не превышает суммар­ное напряжение двух последовательно соединенных дуг (элек­трод—сопло и сопло—изделие), составляющее примерно 50—60s [7]. Кроме того, в нормальном режиме работы столб дуги отде­ляется от стенок сопла плазменной головки слоем «холодного» газа с температурой около 600—800° С [7]. Теплопроводность такого газа низка, и поток тепла от оси дугового столба к стенкам сопла головки незначителен. Уменьшению вероятности двойного дугообразования способствует также интенсивное водяное ох­лаждение вольфрамового электрода и сопла плазменной головки. Для предотвращения вероятности возникновения двойного дугооб­разования необходимо обеспечивать тщательную центровку не-

Ж Рис. 29. Плазменная головка ИМЕТ-107: а — общий вид головки в сборе; б — электрододержатель; в — сопло для подачи защитного газа; г — водоохлаждаемое сопло-канал

плавящегося (вольфрамового) электрода относительно выходного отверстия сопла плазменной головки; не допускать перегрева вольфрамового электрода и рабочих элементов плазменной го­ловки; точно обеспечивать необходимые геометрические размеры элементов плазменной головки (особенно диаметр и высоту вну - тренего канала сопла); обеспечивать нормальный расход плазмо­образующего газа.

Приведенные ниже конструкции плазменных головок и режимы наплавки отвечают предъявляемым требованиям и при нормаль­ной работе обеспечивают отсутствие двойного дугообразования.

На рис. 29 представлен общий вид плазменной головки ИМЕТ-107, а на рис. 30 — ее конструкция. Плазменная головка 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 (или сварное) сопло-канал позволяет сделать головку наиболее простой, надежной в работе и удобной
для осуществления качественной защиты сварочной ванны от атмосферы воздуха. Сама по себе плазменная струя аргона не обеспечивает надлежащей защиты места наплавки: во-первых, расход аргона для выделения плазменной струи из дугового раз­ряда незначителен (порядок 100 л/ч); во-вторых, плазменная струя ввиду большой скорости истечения способствует подсосу воздуха в зону наплавки. Поэтому необходима дополнительная защита.

Г

Рис. 30. Конструкция плазмеН’ ной головки ИМЕТ-107: 1 — электрододержатель; 2 — кор - пус; 3 — изолирующая втулка; 4 — водоохлаждаемое сопло-канал; 5 — сопло для подачи защитного газа

Головка с совмещенным каналом и соплом позволяет выполнить кон­струкцию сопла-канала с небольшим диаметром торца на срезе (порядка 10 мм). В результате этого удается легко получить хорошую защиту места наплавки и ванны расплавлен­ного металла. Для обеспечения лами­нарного истечения защитного газо­вого потока целесообразно между водоохлаждаемым соплом-каналом и соплом для дополнительной защиты устанавливать медные или латунные сетки. В качестве защитного газа может использоваться аргон, азот или углекислый газ (в зависимости от наплавляемого материала). При на­плавке меди и бронз на сталь может использоваться любой из указанных газов. Расход аргона в канале сопла измеряется по ротаметру PC-З с эбо­нитовым поплавком, а в сопле допол­нительной защиты — по ротаметру РС-5. Расход аргона или азота для дополнительной защиты составляет около 1000—1200 л! ч. Он тем больше, чем больше величина тока в проволоке и расстояние от прово­локи до изделия.

В качестве неплавящегося электрода могут применяться лан - танированные вольфрамовые прутки диаметром около 4 мм. Для такого диаметра вольфрамового электрода оптимальный диаметр канала составляет 5—6 мм. Поскольку электрододержатель при продолжительной работе сильно нагревается, что может привести к ухудшению условий горения дуги вольфрамовый электрод — канал, его целесообразно охлаждать проточной водой.

§1

Возбуждение дуги в канале сопла производится осциллятором или введением графитового стержня в канал до упора в вольфра­мовый электрод. С выделением плазменной струи из канала сопла включается подача присадочной проволоки и автоматически

6 Д. Е. £айнерм. ан и др.

возбуждается вторая дуга в момент соприкосновения электродной проволоки с плазменной струей. С этого момента начинается плав­ление электродной присадочной проволоки и поступление капель электродного металла на поверхность изделия.

В качестве источника питания сварочного тока применяется любой стандартный сварочный генератор постоянного тока с на­пряжением холостого хода не менее 70s (например, генератор типа ПС-500).

Регулирование тока обеих дуг осуществляется балластными реостатами РБ-300. В цепи дуги вольфрамовый электрод—канал устанавливается один реостат РБ-300, а в цепи дуги вольфрамо­вый электрод—проволока — два реостата РБ-300, подключенных параллельно. Поскольку первая дуга необходима только для ио­низации дугового промежутка, то она очень маломощная. Как правило, величина тока в первой дуге не превышает 40 а, когда она горит только одна.

С возбуждением второй дуги (вольфрамовый электрод—про­волока) величина тока в первой дуге снижается до 20—-15 а. При этом напряжение на первой дуге составляет около 10—12 в. Такой величины энергетические параметры первой дуги обеспе­чивают надежную работу сопла-канала. При большей величине тока в первой дуге и слабом расходе охлаждающей головку воды возможны ее проплавления. Увеличивать расход плазмообразу­ющего аргона выше 150 л! я нецелесообразно, так как это вызовет ухудшение защиты.

В состав поста для наплавки плазменной струей с токове­дущей присадочной проволокой входят также баллоны с плазмо­образующим и защитным газами, редукторы для регулирования давления и расхода газов, газоподводящие шланги. Общий вид поста представлен на рис. 28.

Поскольку в процессе наплавки иногда приходится регули­ровать скорость наплавки, а также скорость подачи присадочной проволоки, соответствующие механизмы перемещения автомата и подачи присадочной проволоки должны обеспечивать плавную регулировку скоростей перемещения автомата и подачи проволоки.

Для удобства работы регулировка скорости перемещения авто­мата, подачи проволоки, расхода защитного газа, пуска автомата в работу и прекращение процесса наплавки осуществляются не­посредственно с пульта управления автомата. Там же находятся электроизмерительные приборы и ротаметры.

Независимый от изделия дуговой разряд позволяет ввести в него дополнительно еще одну присадочную проволоку без существенной перестройки автомата АДСВ-2. Путем подачи вто­рой проволоки можно легко решить вопрос легирования металла наплавки. Ю. JI. Красулиным [13] проводились опыты с подачей к электродной проволоке из сплава ЭИ-868 дополнительной молибденовой проволоки, которая находилась под тем же потен­

циалом, что и основная проволока. Подача второй проволоки про­изводилась специальным подающим механизмом, который. уста­навливался на том же автомате АДСВ-2. Необходимое соотноше­ние металлов устанавливается за счет скорости подачи проволок. При независимом источнике теплоты это легко осуществляется. Обе проволоки сходятся в плазменном факеле и совместно пла­вятся.

В плазменную струю можно вводить вторую присадочную проволоку, не находящуюся под током. Подобные исследования проводились нами путем введения второй проволоки в плазменную струю. Введение второй проволоки позволяет либо обеспечить необходимый химический состав и свойства металла наплавки, либо повысить производительность наплавки. Так, при наплавке меди и бронз на сталь введение второй нетоковедущей присадоч­ной проволоки позволяет получить при наплавке на тех же ре­жимах валик высотой до 10 мм. Введение второй нетоковедущей проволоки повышает к. п. д. установки на 30;—40%. Соответ­ственно повышается и производительность процесса наплавки.

Так же, как и при подаче второй токоведущей проволоки, по­дача второй нетоковедущей проволоки осуществляется специаль­ным независимым подающим механизмом. Торец второй, нетоко­ведущей присадочной проволоки вводится в плазменную струю непосредственно под торцом токоведущей присадочной про­волоки.

В ряде случаев для улучшения условий смачивания поверх­ности твердого металла наплавляемым жидким металлом первый целесообразно предварительно (или в процессе наплавки) подо­гревать. Для этой цели электрическая схема установки для плаз­менной наплавки может быть несколько изменена: основной металл через балластный реостат включается в сварочную цепь, но про­текающий между неплавящимся электродом и изделием ток устанавливается небольшим (до 30—40 а). Так как дуга мало­мощная и между ней и изделием обязательно имеется прослойка жидкого металла, основной металл не расплавляется, а только дополнительно подогревается. Дополнительно подогревается и металл перемещающейся по поверхности изделия ванны. Однако следует отметить, что применять подобную схему для плазменной наплавки следует лишь в тех случаях, когда подогрев изделия действительно необходим, так как повышение температуры на­грева поверхности основного металла и металла наплавки приво­дит к увеличению длительности контактирования твердой и жид­кой фаз, а последнее увеличивает степень растворения основного металла в металле наплавки и увеличивает продолжительность протекания диффузионных процессов на межфазной границе. Все это в конечном счете приводит к увеличению перехода эле­ментов основного металла в металл наплавки, что крайне неже­лательно.

Плазменная наплавка металлов может осуществляться не только на постоянном, но и на переменном токе. В этом случае в качестве источника питания применяется трансформатор типа СТЭ-34 с дросселем насыщения и стабилизатором напряжения.

Как указывалось выше, плазменная наплавка может произво­диться не только с применением проволоки, но и с применением металлического порошка. Наплавка с применением в качестве присадочного материала металлического порошка может осуще­ствляться по слою порошка и с вдуванием порошка в дугу.

Рис. 31. Схема установки для плазмен­ной наплавки по слою металлического порошка:

1 — осциллятор; 2 — конденсатор; 3 — дрос­сель; 4 — балластный реостат; 5 — ограни­чивающее сопротивление в цепи вспомогатель­ной дуги; 6— источник питания дуги; 7—на­плавляемое изделие; 8 — металл наплавки; 9 — защитный газ; 10 — плазмообразующий газ; И — вольфрамовый электрод; 12 — пи­татель для подачи порошка; 13 —рабочее соп­ло горелки; 14 — защитное сопло; 15 — по­рошок

В случае наплавки по слою порошка применяется плазменная головка со стаби­лизированной сжатой струей, совмещенной со столбом дуги (рис. 31) [22]. В качестве источника питания дуги при­меняются преобразователи типа ПС-300 или ПС-500. Для возбуждения дуги схемой предусмотрено применение высокочастотного разряда осциллятора и малоамперной (20—30 а) вспомогательной дуги, возбуждаемой между неплавящимся электродом и соплом головки. Для обеспе­чения качественной защиты сварочной ванны плазменная головка снабжена специаль­ным защитным соплом, через которое к дуге подается за­щитный газ.

При применении для наплавки крупнозернистого порошка последний можно не насыпать заранее на наплавляемую поверх­ность, а подавать в процессе наплавки в сварочную ванну из спе­циального питателя, как показано на рис. 31.

Для плазменной наплавки с вдуванием тонкого (мелкозерни­стого) порошка в дугу [23, 113, 118, 120] в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработана [22] опытная горелка комбиниро­ванного типа, снабжаемая тремя соплами: внутренним, наруж­ным и защитным. Плазменная струя, выделенная из столба дуги, горит между неплавящимся электродом и внутренним соплом (рис. 32). Последнее служит также для сжатия плазменной струи, выделенной из столба дуги.

Между внутренним и наружным соплами имеется конический зазор, по которому подаваемый из питателя присадочный поро­шок вдувается несущим газом в плазменную струю, выделенную
из столба дуги. В струе порошок плавится, и уже в расплавлен­ном состоянии наплавляемый металл поступает на поверхность изделия, оплавленную второй плазменной струей (стр. уей, совме* щенной со столбом дуги).

Регулируя величину тока обеих плазменных струй, можно регулировать количество тепла, идущего на плавление порошка, нагрев и оплавление основного металла. Как видно из рис. 32, каждая дуга питается от отдельного источника, что позволяет управлять их горением независимо друг от друга. Для питания плазменной струи, выделенной из столба дуги, может применяться стандартный преобразователь типа ПС-300, а для струи, совме­щенной со столбом дуги — источник с высоким напряжением

Рис. 32. Схема установки для наплавки с вдуванием порошка в плазменную струю: 1 — дроссель; 2 — осциллятор; 3 — конденсатор; 4 — балластный реостат; 5 — источ­ник питания плазменной струи, выделенной из столба дуги; 6 — источник питания плаз­менной струи, совмещенной со столбом дуги; 7 — наплавляемое изделие; 8 — защитное сопло; 9 — защитный газ; 10 — наружное сопло; 11 — питатель для подачи порошка; 12 -- внутреннее сопло головки; 13 — неплавящийся электрод; 14 — плазмообразующий газ; 15 — газ, несущий присадочный порошок

холостого хода (преобразователь типа ПГЭ-350, выпрямитель типа ИПН либо два последовательно включенных преобразова­теля типа ПС-500).

В плазменной головке рассматриваемого типа предусмотрено три потока газа (рис. 32): центральный поток плазмообразующего газа (аргон, расход которого составляет 1—2,5 л! мин) несущий поток газа, который подает присадочный порошок в головку и вдувает его в плазменную струю (аргон, гелий или их смесь, рас­ход которых составляет 5—10 л! мин); поток защитного газа (аргон, гелий, азот, углекислый газ, расход которых составляет 10—15 л! мин).

В установке применяется питатель барабанного типа для по­дачи присадочного порошка в головку, который, поданным [22], при достаточной сыпучести порошка надежен и удобен в работе.

При плазменной наплавке порошком на автомате имеется спе­циальное приспособление, обеспечивающее поперечные колеба­ния плазменной головки с амплитудой до 60 мм и регулируемой частотой.

Рассмотренные конструкции плазменных головок достаточно надежны в работе. Двойное дугообразование в головках ввиду применяемых относительно невысоких значений сварочного тока (до 200—210 а), как правило, не наблюдается. Имевшиеся на практике случаи выхода из строя плазменных головок были вызваны либо недостаточным водяным охлаждением, либо его отсутствием. Поэтому перед началом работы обязательно следует убедиться в том, что плазменная головка охлаждается проточной водой и что расход охлаждающей воды достаточен для надежной работы головки.