Плазменная сварка и наплавка

Обновлено: 09.01.2025

Плазменная сварка и наплавка является наиболее прогрессивным способом восстановления изношенных деталей машин и нанесения износостойких покрытий (сплавов, порошков, полимеров,…) на рабочую поверхность при изготовлении деталей.

Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов , световых квантов и др.

При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подается при 23 атмосферах, возбуждается электрическая дуга силой 400-500 А и напряжением 120-160 В Ионизированный газ достигает температуры 10-18 тыс. о С, а скорость потока - до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках - плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод.

В зависимости от схемы подключения анода различают (см.рис.1) :

1. Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема при резке металла и для нанесения покрытий.

2. Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки). Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т.к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыливания порошков.

3. Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги, Схема используется при наплавке порошком.

Рис.1. Схема плазменной сварки открытой и закрытой плазменной струей .

Наплавку металла можно реализовать двумя способами :

1-струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;

2-вводится в плазменную струю присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.

В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, водород и воздух. Наилучшие результаты сварки получаются с аргоном.

Достоинствами плазменной наплавки являются :

1. Высокая концентрация тепловой мощности и возможность минимальной ширины зоны термического влияния.

2. Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.

3. Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.

4. Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.

5. Относительно высокий К. П. Д. дуги (0.2-0.45).

Очень эффективно использовать плазменную струю для резки металла, т.к. газ из-за высокой скорости очень хорошо удаляет расплавленный металл, а из-за большой температуры он плавится очень быстро.

Установка (рис. 2.) состоит из источников питания, дросселя, осциллятора, плазменной головки, приспособлений подачи порошка или проволоки, системы циркуляции воды и т.д.

Для источников питания важно выдержка постоянным произведение J U, т.к. мощность определяет постоянство плазменного потока. В качестве источников питания применяют сварочные преобразователи типа ПСО - 500. Мощность определяется длиной столба и объемом плазменной струи. Можно реализовать мощности свыше 1000 кВт.

Подача порошка осуществляется с помощью специального питателя, в котором, вертикально расположенный, ротор лопатками подает порошок в струю газа. В случае использования сварочной проволоки подача ее выполняется аналогично как и при наплавке под слоем флюса .

Путем колебания горелки в продольной плоскости с частотой 40-100 мин -1 за один проход получают слой наплавленного металла шириной до 50 мм. У горелки имеется три сопла : внутреннее для подачи плазмы, среднее для подачи порошки и наружное для подачи защитного газа.

Рис.2. Схема плазменного наплавления порошка .

При наплавке порошков реализуется комбинированная дуга, т. е. одновременно будут гореть открытая и закрытая дуги . Регулировкой балластных сопротивлений можно регулировать потоки мощности на нагрев порошка и на нагрев и оплавление металла детали. Можно добиться минимального проплавления основного материала, следовательно будет небольшая тепловая деформация детали.

Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т.к. при этом соединение происходит без металлургического процесса, поэтому посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка. ) и обезжиривание. Величину мощности электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

Плазменная и плазменно-порошковая наплавка

Плазменная наплавка – это нанесение с помощью сжатой дуги слоя металла на поверхность изделия. Плазменная наплавка применяется при восстановлении изношенных деталей, когда необходимо восстановить размеры деталей и при этом обеспечить свойства наплавленного слоя, близкие к свойствам основного металла. Она также применяется при изготовлении новых деталей с целью придания рабочим поверхностям специальных свойств, например, жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д. Масса металла наплавки в таких изделиях обычно составляет несколько процентов от массы всего изделия, а работоспособность поверхности детали значительно превосходит работоспособность однородного (без наплавки) изделия. При плазменной наплавке стремятся к минимальному перемешиванию основного металла с наплавленным, что обеспечивает высокие свойства наплавленного слоя.

Сущность плазменной наплавки состоит в том, что присадочный и основной металл расплавляются с помощью высококонцентрированного электродугового разряда (плазменного потока), который формируется между электродом плазмотрона и изделием (плазма прямого действия) или между электродом и водоохлаждаемым соплом плазмотрона (косвенного действия). При этом присадочный материал также может быть электрически нейтральным по отношению к струе плазмы или электрически связанным с ней (рис. 1). В качестве присадочного материала используются проволоки, прутки, сыпучие порошковые материалы или специально приготовленные шнуры из порошков.

Рис. 1. Схемы плазменной наплавки: а – плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; б – плазменной дугой с нейтральной присадочной проволокой; 1 – защитное сопло; 2 – сопло плазмотрона; 3 – защитный газ; 4 – плазмообразующий газ; 5 – электрод; 6 – присадочная проволока; 7 – изделие; 8 – источник питания косвенной дуги; 9 – источник питания дуги прямого действия

Преимущества плазменной наплавки по сравнению с другими способами нанесения слоев на поверхность сводятся к следующему.

Гладкая и ровная наплавленная поверхность, что позволяет оставлять припуск на механическую обработку в пределах 0,4…0,9 мм.
Малая глубина проплавления основного металла (0,3…2,5 мм) и небольшая зона термического влияния (3…6 мм) обусловливают долю основного металла в покрытии < 5 %.
Малое вложение тепла в обрабатываемую деталь обеспечивает небольшие деформации и термические воздействия на структуру основы.
При плазменной наплавке получают слой толщиной 0,2…6,5 мм и шириной 1,2…45 мм. Если наносится легкоплавкий материал, то возможно нанесение покрытия с проплавлением очень тонких поверхностных слоев практически без оплавления поверхности.
Термический КПД наплавки в 2…3 раза выше, чем при электродуговом процессе. Производительность процесса 0,4… 5,5 кг/ч. Производительность плазменно-порошковой наплавки аустенитных нержавеющих сталей не уступает производительности электродуговой наплавки.

Плазменно-порошковая наплавка (ППН) (рис. 2) – механизированный процесс, при котором источником теплоты служит сжатая дуга (плазма), а присадочным материалом – гранулированные металлические порошки, которые подаются в плазмотрон транспортирующим газом с помощью специального питателя.

Рис. 2. Схема плазменно-порошковой наплавки: 1 – изделие; 2 – источник питания плазменной дуги; 3 – вольфрамовый электрод; 4 – стабилизирующее сопло плазмотрона; 5 – ввод транспортирующего газа с порошком; 6 – фокусирующее сопло; 7 – ввод защитного газа; 8 – защитное сопло; 9 – устройство поджига дуги

Процесс плазменно-порошковой наплавки отличается уникальными технологическими возможностями. Малая глубина проплавления основного металла, прецизионная точность, высокая культура производства и возможность наплавки самых разнообразных сплавов – все это делает его незаменимым при наплавке клапанов ДВС, запорной арматуры, шнеков экструдеров и термопластавтоматов, инструмента и многих других деталей. Для плазменно-порошковой наплавки используется специализированное оборудование, состоящее из источника питания плазмы, плазмотрона, устройства для подачи порошка, пульта управления, блока охлаждения и газобаллонной арматуры. Например, аппарат типа ПМ-300 и его модификации предназначены для плазменно-порошковой наплавки плоских, цилиндрических и других поверхностей различных деталей (рис. 3). Для вращения или перемещения детали относительно плазмотрона может использоваться токарно-винторезный станок, манипулятор либо какой-нибудь другой механизм. Наплавка осуществляется высокотемпературной сжатой дугой, получаемой в плазмотроне с неплавящимся электродом. Присадочным материалом служит мелкозернистый порошок износостойких, коррозионно-стойких и других сплавов на основе Fe, Ni, Co и Cu.

Рис. 3. Установка для плазменно-порошковой наплавки ПМ-300В: 1 – источник питания; 2 – плазмотрон; 3 – манипулятор-вращатель; 4 – механизм регулировки плазмотрона и подачи порошка; 5 – пульт управления; 6 – баллон с аргоном

Благодаря возможности регулирования в широком диапазоне соотношения между тепловой мощностью дуги и подачей присадочного порошка ППН обеспечивает достаточно высокую производительность при минимальном проплавлении основного металла, что позволяет обеспечивать требуемую твердость и заданный химический состав наплавленного металла уже на расстоянии 0,3…0,5 мм от поверхности сплавления. Это дает возможность ограничиться однослойной наплавкой там, где электродуговым способом необходимо наплавить 3…4 слоя.

Важной особенностью ППН является отличное формирование наплавленных валиков, стабильность и хорошая воспроизводимость их размеров. Установлено, что у 95 % наплавленных деталей отклонение толщины наплавленного слоя от номинального размера не превышает 0,5 мм. Это позволяет существенно сократить расход наплавочных материалов, время наплавки, а также затраты на механическую обработку наплавленных деталей.

ППН обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла сварочной ванны.

Основные преимущества ППН:

высокая производительность (до 10 кг/ч);
высокое качество наплавленного металла;
малая глубина проплавления основного металла (до 5 %);
минимальные потери присадочного материала;
возможность наплавки относительно тонких слоев (0,5…5,0 мм).

В наплавочных плазмотронах можно использовать три схемы ввода порошка в дугу:

распределенный через кольцевую щель между соплами (рис 2);
локальный боковой через канал в торце сопла;
аксиальный через полый электрод.

Наплавка комбинированным способом состоит в том, что в зону наплавки одновременно подаются порошок из питателя транспортирующим газом и проволока подающим механизмом (рис. 4).

Рис. 4. Схема установки плазменной наплавки комбинированным способом: 1 – корпус плазмотрона (анод); 2 – вольфрамовый электрод; 3 – электродная проволока; 4 – механизм подачи проволоки; 5 – источник питания; 6 – наплавляемая деталь; 7 – порошковый питатель

Известный способ наплавки плазменной струей с токоведущей проволокой позволяет наплавлять слои с минимальной глубиной проплавления. Однако этот способ ограничивается использованием проволок с температурой плавления ниже температуры плавления основного металла (проволоки из меди, медных сплавов, аустенитных сталей).

Применение для наплавки на стальные изделия сварочных низкоуглеродистых проволок (Св-08А, Св-082ГС), а также легированных износостойких наплавочных проволок (Нп-ЗОХГСА, Нп-65Г и др.) в качестве токоведущих не обеспечивает качественного формирования слоев из-за недостаточного подвода теплоты к основному металлу и плохой смачиваемости его подложки. Слои, наплавленные порошками твердых сплавов, характеризуются высокой износостойкостью, но низкой пластичностью. Слои, наплавленные проволоками, имеют, как правило, высокую пластичность, но значительно уступают порошкам по износостойкости и степени перемешивания с основным металлом. Объединение проволоки и порошка в единую схему позволило повысить эффективность сжатой дуги и добиться образования слоев без пор, трещин за один проход.

Важное преимущество комбинированного способа наплавки — возможность расширения диапазона регулирования состава наплавленного металла и получения слоев с требуемыми свойствами.

Плазменная наплавка твердыми сплавами. Для восстановления быстроизнашивающихся деталей тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин и т. д. широко применяется износостойкая наплавка. Такая наплавка осуществляется различными твердыми сплавами: литыми (стеллит, сормайт), трубчатыми (рэлит), порошковыми (сталинит, сормайт, боридохромовые смеси). Плазменная наплавка рассматриваемых твердых сплавов может быть осуществлена как по схеме наплавки с токоведущей присадочной проволокой (в случае применения литых или трубчатых сплавов), так и по схеме наплавки порошками. Так как проволока из литых и трубчатых сплавов не изготавливается, то вместо присадочной проволоки применяются присадочные токоведущие прутки. Присадочный пруток подается к плазменной струе между двумя направляющими роликами по направляющей медной трубке. В качестве плазмообразующего и защитного газа используется аргон.

Плазменная наплавка с применением в качестве присадочного материала металлического порошка. В ряде случаев из наплавочного сплава трудно изготовить проволоку, ленту или даже прутки. Тогда для плазменной наплавки в качестве присадочного материала могут применяться металлические порошки. Способы наплавки с использованием порошков удобно применять и тогда, когда необходимо получить тонкий (менее 1 мм) слой металла наплавки.

При наплавке по слою порошка присадкой служит крупнозернистый порошок требуемого состава. Такой порошок либо заранее насыпается на наплавляемую поверхность, либо подается в сварочную ванну из питателя непосредственно в процессе наплавки через плазмотрон. Разработана целая гамма плазмотронов для плазменнопорошковой наплавки различных поверхностей и рассчитанных на различные мощности плазмы. Например, универсальный плазмотрон ПП-6-03 предназначен для плазменно-порошковой наплавки различных деталей сплавами на основе Fe, Ni и Co с целью защиты их от износа, коррозии и т. д. Конструктивно плазмотрон состоит из двух частей – собственно плазмотрона и держателя с горизонтальным расположением коммуникаций, являющегося неотъемлемой его частью. Плазмотрон присоединяется к держателю с помощью четырех питающих трубок и фиксируется четырьмя полыми винтами, что позволяет очень быстро присоединять или отсоединять его при монтаже и обслуживании (рис. 5).

Рис. 5. Универсальный плазмотрон для плазменно-порошковой наплавки ПП-6-03: а – схема плазмотрона; б – внешний вид

Чаще всего для плазменной наплавки применяются порошки на основе никеля, кобальта или железа. Присадки бора и кремния снижают температуру плавления сплава, что позволяет получить тонкий слой металла наплавки при малой (меньше 10 %) степени проплавления основного металла. В то же время примеси бора и кремния повышают твердость и износостойкость металла наплавки. Такие сплавы жаростойки до температуры 950 °С, сохраняют высокую твердость при нагреве до 750 °С и обладают хорошей коррозионной стойкостью в растворах NH4Cl, KCl, NaOH, 10 %-ной серной кислоте и других средах. Поэтому хромоникелевые сплавы с бором и кремнием нашли широкое применение для наплавки клапанов двигателей внутреннего сгорания, поршней кислотных насосов и т. д.

Плазменная наплавка по способу вдувания порошка в струю может применяться как для наплавки на основной металл легкоплавких, так и тугоплавких сплавов. Достижимая минимальная глубина проплавления основного металла составляет около 0,25 мм. Минимальная толщина слоя наплавки 0,5 мм; максимальная толщина при наплавке в один проход составляет 5…6 мм. Для наплавки по способу вдувания порошка в плазменную струю используются те же порошки, что и при наплавке по слою порошка. Качество наплавки при этом остается хорошим.

Плазменная наплавка с применением присадочных материалов в виде порошковых сплавов обеспечивает высокое качество наплавленного металла. Так, наплавленный порошком ЛП8 металл по химическому составу соответствует кобальтовому стеллиту. Порошки ПГ-У30Х28Н4С4 и ЛП3 предназначены для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного износа. При наплавке сплавов на основе кобальта с добавками хрома (21…32 %), вольфрама (4…17 %), углерода, кремния, марганца, железа, никеля обеспечивается твердость наплавленного слоя HRC 32…52, на основе никеля HRC 34…54, на основе железа – HRC 55…63.

Микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов. Одним из видов плазменно-дугового напыления (наплавки) является метод получения покрытий с использованием проволок в качестве присадочного материала. До настоящего времени такое напыление осуществлялось плазмотронами достаточно большой мощности. Например, в установке УПУ-8М плазмотрон мощностью 40 кВт проводит напыление из проволочных материалов диаметром 0,8…1,2 мм. При этом на деталях с толщиной стенок  1 мм возникает опасность местного перегрева и коробления изделия. Необходимость плазменного напыления на узкие ребра или дорожки ведет к большим потерям напыляемого материала (диаметр пятна напыления обычно составляет 15…30 мм). Анализируя существующие установки и теоретическую оценку возможности распыления проволоки микроплазменной струей, ученые ИЭС им. Е.О. Патона разработали приставку к плазмотрону для микроплазменного напыления, позволяющую проводить процесс с применением проволочных материалов. Приставка была использована в комплекте с существующей установкой МПН-004, предназначенной для напыления покрытий из порошковых материалов. Она включает источник питания с панелью управления, плазмотрон и специальное устройство для подачи порошка. Конструкция и параметры работы плазмотрона обеспечивают формирование ламинарной плазменной струи, что обусловливает ряд особенностей процесса:

возможность уменьшения размера пятна напыления до 1…5 мм;
возможность нанесения покрытий на изделия малых размеров с тонкими стенками без излишнего локального перегрева и коробления;
низкий уровень звука ламинарной плазменной струи (всего 30…50 дБ).

Отличительной особенностью этой установки является наличие компактного механизма подачи проволоки в межэлектродный участок плазменной струи. Проволока подается приводом постоянного тока при помощи фрикционных роликов. Подающий механизм имеет ступенчатую (за счет сменных роликов) и плавную (за счет изменения числа оборотов на валу электродвигателя) регулировки скорости подачи проволоки.

Плазменная наплавка металла

Для восстановления старых деталей, повышения износостойкости новых, применяют плазменную наплавку. Инновационный метод образования защитных покрытий сродни плазменной сварке, используется для оборудования, эксплуатируемого в жестких условиях, контактирующего с агрессивной средой.

Сущность и область применения

Принцип плазменной наплавки металла основан на расплавлении присадки электродугой высокой плотности. Плазма возникает двумя способами:

за счет электрического разряда, возникающего между плазмотроном и направляемой поверхностью (прямое действие);
между электродом и соплом, к которому подводится охлаждение (косвенное действие).

Для наплавки деталей применяются различные присадки:

сыпучие и гранулированные порошковые материалы;
наплавочная порошковая проволока, используемая для сварки;
металлические прутки, лента;
спецшнуры, в составе которых имеется металлический порошок.

По сути, наплавка – это поверхностная сварка плазмотроном, обработка металла плазменной дугой. На поверхности образуется диффузионный слой, прочно удерживающий защитную пленку, обладающую специфическими свойствами.

Коротко!

Наплавка – это поверхностная обработка металла плазменной дугой для восстановления старых деталей и повышения износостойкости новых. Применяется в промышленности и ремонтных мастерских.

Преимущества плазменной наплавки

Популярность методики наплавления защитных покрытий плазмотроном объясняется рядом положительных свойств:

метод применим для многих материалов, включая тугоплавкие;
геометрические параметры и форма детали значения не имеют, результативность обработки стандартная;
можно наносить наплавку в несколько слоев, до 6,5 мм толщиной с припуском от 400 до 900 микрон;
при небольшой глубине расплавления (от 300 микрон до 2,5 мм) формируется незначительная зона термического влияния, риск образования внутренних дефектов минимальный;
за счет большой скорости разогрева обрабатываемый металл не успевает прогреться на большую глубину, структурная зернистость не изменяется, удается избежать коробления, деформации деталей;
защитные покрытия можно наносить на тонкие поверхности, минимальная толщина плазменного напыления не более 200 микрон;
плазменная обработка эффективнее электродуговой наплавки в разы;
поток плазмы регулируется с большой точностью.

Метод применяется в промышленности и ремонтных мастерских, можно подобрать необходимое оборудование.

Технология плазменной наплавки металла

Разработано несколько способов нанесения наплавочного материала:

Плазменная предусматривает нанесение проволоки сжатой дугой, процесс подобен ручной сварке.
При плазменно-порошковой наплавке наплавочный гранулят из питателя механически подается в плазмотрон, транспортируется газом.
Комбинированный способ объединяет два вида подачи: автоматически в рабочую зону поступают гранулы и проволока, получается расплав с определенными физико-химическими свойствами. Возможно наплавление твердых сплавов: литых, трубчатых, порошковых. Принцип работы такой же, как с присадочной проволокой.
Применение измельченного металла в качестве присадки оправдано при получении тонкого слоя, менее миллиметра.
Микроплазменная обработка металлов – разновидность проволочного плазменно-дугового напыления тонкостенных изделий, формируется пятно диаметром от 1 до 5 мм, ламирная плазменная струя отличается низким уровнем шума в пределах 50 дБ.

Различают три вида струи плазмы:

закрытая с анодным подключением к соплу или горелки формируется широкой, характеризуется небольшой интенсивностью (главный минус – много тепла уходит в атмосферу, металл прогревается медленно);
открытая формирует направленный тепловой поток, анод подключается к присадочному прутку, ленте или проволоке, температурный пик расположен над обрабатываемой поверхностью, обеспечивается высокая скорость разогрева;
комбинированная предназначена для плазменно-порошкового напыления, одновременно разжигается две дуги: открытая и закрытая (закрытая формируется в зоне подачи порошковых гранул, открытая – на выходе жесткой присадки).

В качестве формирующей плазму среды применяют воздух, водород или любой инертный газ. По мнению специалистов, качественный слой образуется, когда применяют гелий и аргон.

Применяемое оборудование

Разработаны установки для всех типов напыления. В комбинированных плазмотронных агрегатах электроды выполнены из тугоплавкого вольфрама, сопло обычно керамическое. Предусмотрены инверторы дежурной и основной дуги. Горелка плазматрона работает с двумя независимыми электродугами, к каждой подводится независимый источник электропитания. У комбинированных аппаратов формируется мощная дуга, газ быстро ионизируется, активно расширяется в плазмотроне, создается интенсивное давление на выходе, плазменный поток с частичками расплавленной присадки устремляется на обрабатываемую поверхность.

Для разных видов наплавляемых деталей (плоскостных, объемных, трубных) разрабатывается индивидуальное оборудование.

Что такое плазменная сварка и какое оборудование применяется

Область применения плазменной сварки обширная. Таким оборудованием варят фольгу и толстый металл. На прилавках появляется оборудование для промышленного и бытового назначения. Иногда плазменную сварку путают с аргоновой. Аппараты внешне схожи. У методов много общего, но есть принципиальные различия. О них пойдет речь.

Особенности плазменной сварки

Теплогенерирующие параметры плазмы гораздо выше, чем у других сварочных методов. Чтобы контролировать режим разогрева, нужен охлаждающий контур – циркулирующая по нему вода отводит избыточное тепло, из-за этого большие энергопотери. Основные расходные материалы – сопло (горелка выходит из строя при перегреве), тугоплавкие вольфрамовые электроды. Для производства плазменного оборудования нужны огнеупорные материалы, поэтому стоимость сварочных аппаратов в разы выше, чем для электродуговой или аргоновой сварки.

Технологические сложности не пугают, плазменная сварка нередко применяется в промышленности, особенно, если нужны качественные соединения. Ровные швы не нужно зашлифовывать. Метод применим для алюминия и других сложных сплавов.

Устройство и принцип работы

Принципиальное отличие плазменного метода – высокая температура плазмы (до 8000°С), подаваемой в рабочую зону. Ванна расплава защищается атмосферой аргона, постоянный температурный режим стабилизирует система охлаждения. Без нее плазмотрон расплавится, плазма разогревается до 30 тысяч градусов.

В сущности, плазменная сварка заключается в способности аргона переходить в плазму под действием дуги. Ток работает как плазмогенератор, пронизывает электропроводный аргон.

Плазмообразование под действием прямого или переменного тока происходит в плазмотроне. Это открытый с двух сторон конус, сужающийся к низу, в котором по центру расположен тугоплавкий электрод (для этого применяют вольфрамовые с добавками лантана, тория, циркония, иттрия), а внизу – сопло. Из него под большим давлением вырывается плазма.

В качестве плазмообразующего газа применим аргон с добавлением водорода. Он принудительно нагнетается в конус сверху. Поле создается путем подведения тока к двум полюсам: электроду и наружной части горелки. При ионизации и нагреве газ моментально расширяется, он вытесняется за счет внутренних сил мощной струей. Регулятором подачи плазмы выступает сопло. От его диаметра зависит толщина плазменного потока. Размер плазмотрона зависит от режима работы. Чем выше токи, чем больше верхний и выходной диаметры. Одновременно со струей плазмы к рабочей зоне в непрерывном режиме подводится аргон для создания защитного облака, предохраняющего расплав от контакта с кислородом, содержащимся в воздухе. Благодаря аргону, швы получаются чистые, без включений окалины.

Виды плазменной сварки

Используют два метода подключения тока: деталь-электрод; электрод-корпус горелки. Проводится условное деление на виды по мощности генератора, рабочим параметрам оборудования:

микроплазменная проводится на низких токах, проварка неглубокая, металл не повреждается (ей посвящен отдельный раздел);
сварка на средних токах, до 25А, соединяют детали от 3 мм и выше;
работа с большим амперажем, до 150 А, способ подходит для варки толстостенных деталей или прошивного сваривания металла.

По механизму воздействия на рабочую зону, выделяют:

контактную с линейными и прерывистыми швами (всеми разновидностями швов), бывает косвенного и прямого действия;
импульсную, характеризующуюся большой глубиной прогрева деталей, бывает прямо и обратно полярная;
точечную – одностороннюю, применяемую для изготовления листовых сэндвичей, правки швов, прихватки деталей.

Способы различаются по технологии, но качество шва стабильное. Плазменными аппаратами разрешается резать металлоконструкции. Они удобны в труднодоступных местах, куда сложно пробраться с болгаркой.

Плазменная сварка прямого действия

Принцип подключения тока для создания дуги такой же, как в электродуговой сварке: один полюс подается на электрод (минус при прямой полярности), другой присоединяется к обрабатываемому металлу. Создается прямая дуга, направленная на деталь. Принцип создания плазмы двухэтапный:

сначала клемму присоединяют к соплу, чтобы ионизировать проходящий по плазмотрону газ;
после плазмообразования клемму перебрасывают на свариваемую деталь, происходит пробой дуги на деталь, плазма вырывается из сопла.

Вот что такое плазменная сварка прямого действия. Струя плазмы регулируется силой тока, газ, вырывающийся из сопла, не только поддерживает дугу, но и защищает рабочую зону.

Плазменная сварка косвенного действия

Дуга возникает за счет подвода одного из полюсов к тугоплавкому электроду (при прямой полярности это минус), другого – к оболочке плазмотрона (плюс). Плазменная дуга зависит от давления плазмообразующего газа. Он при ионизации и разогреве увеличивается в объеме до 50 раз. Плазменная сварка косвенного действия более экономичная по газу. При малом расходе образуется стабильная дуга, она с большой силой вырывается из сопла. Температура плазмы косвенного метода ниже, чем у прямого. Такие установки больше подходят для напыления порошков, создания термоэффектов. Дуга за счет давления газа с силой устремляется к металлу, косвенный метод позволяет варить металлы с низкой электропроводностью (нихром; стали, легированные висмутом и другие справы). Подача защитного газа автономная.

Оборудование для плазменной сварки

Внешне устройства мало чем отличаются от других аппаратов. Они по весу и габаритам сопоставимы с инверторами, аргонно-дуговыми сварочниками, электродуговыми полуавтоматами. Функциональность профессионального оборудования для плазменной сварки поражает — помимо сварки и резки предусмотрены операции:

воронения – химико-термическая обработка для получения нужного оттенка металла;
термического оксидирования черных сплавов – образования тугоплавкого диоксида кремния;
порошкового напыления красителей и защитных составов – создается ровная пленка на поверхности детали;
закалки – термического упрочнения внутренней структуры сплавов за счет снятия внутренних напряжений.

Установки для плазменной сварки различаются по мощности: от 20 А до 250-ти. Для работы с деталями свыше 2 мм агрегат стоит в пределах от 20 до 49 тысяч. На базе электродуговой сварки плазменное оборудование можно сделать самим, соорудив горелку с плавящимся электродом. Потребуется сварочный аппарат, комплект газовых рукавов для создания защитной атмосферы и шланги для подвода воды к горелке.

Преимущества и недостатки

Основные позитивные моменты плазменного метода:

доступность – плазмотроном дополняют имеющееся базовое сварочное оборудование;
из-за высокой температуры в рабочей зоне, под защитной атмосферой образуются однородные по структуре соединения;
глубина провара контролируется;
скорость образования швов высокая, снижается объем трудозатрат;
универсальность – метод применим для любых сплавов, можно варить и резать металл, проводить наплавку порошков.

стоимость оборудования и работ высокая;
сложность технологического процесса, необходимы определенные знания и навыки, спецподготовка;
плазмотрон требует дополнительного ухода, чистки, замены горелки и электрода;
необходим подвод плазмообразующего газа в плазмотрон;
нужно охлаждение плазмотрона, чтобы он не выходил из строя;
большие энергопотери.

Плазменная сварка чаще применяется в промышленных объемах, для индивидуальных работ этот метод слишком затратен.

Микроплазменная сварка

Для соединения тонких деталей от 0,3 до 2 мм толщиной, ремонта медицинских инструментов, подходит микроплазменная сварка. Она проводится на малом токе с 0,1 до 2 А, толщина вольфрамового электрода не превышает 2 мм, диаметр сопла горелки – от 0,5 до 1,5 мм.

Нахлесточные и тавровые соединения таким методом делать не стоит, а торцовые выполняются в любом положении, для них не нужна присадочная проволока. Под стыковые швы делают подкладку. Для работы нужны малоамперные инверторы, выпрямители, генерирующие стабильный ток для поддержки дежурной дуги. Среди промышленного оборудования ручной, автоматической микроплазменной сварки есть модели, имеющие разные режимы работы:

импульсный прямой или обратной полярности;
разно-полярно импульсный;
прямой и обратной непрерывной полярности.

При соединении тонких деталей этим методом снижается риск прожога и тепловой деформации детали за счет узкой зоны разогрева. Фольгу варят только плазмой, другие методы не применяются.

Отличительные особенности микроплазменного шва:

устойчивость к вибрациям и ударам из-за однородности молекулярного строения;
гладкая поверхность, не требующая дополнительной обработки;
высокая точность, благодаря сфокусированной дуге, удается минимизировать отклонения, так как сварочную ванну в процессе образования шва легко регулировать;
хорошее сцепление кромок при неглубоком проваре.

Оборудование для микроплазмы мобильное, с вмонтированной емкостью для газа, автоматическая подача присадки повышает комфортность проведения работ.

Плазменная сварка – одно из перспективных направлений работ. Она применима для цветных сплавов, алюминия. Удобна во время монтажа тепловых систем в частных домах и для работы с электроникой. Самым удобным считается микроплазменное оборудование. Для соединения больших деталей плазмотрон реально изготовить своими руками.

Технология плазменной наплавки для упрочнения металлов

Технологию наплавки применяют для восстановления изношенной поверхности промышленного оборудования. Плазменная наплавка относится к современным методам защиты покрытий от разрушающего воздействия агрессивной среды. Разновидность высокоточной сварки позволяет продлить срок эксплуатации дорогих механизмов.

Суть метода

Процесс наплавки металла осуществляется путем подачи присадочного материала (проволока, мелкозернистый порошок) в струю плазмы. Под воздействием направленного потока плазмы, действующего на обрабатываемую зону, происходит нагрев присадки с последующим ее расплавлением. В результате непрерывно нагреваемая поверхность изделия покрывается защитным материалом, создавая наплавочный слой.

при помощи плазмотрона, направленного на обрабатываемую поверхность (прямое действие плазмы);
при помощи электрода и водоохлаждаемого сопла плазмотрона (косвенное воздействие плазмы).

Особенности технологического процесса

Закрытую струю плазмы используют для металлизации (напыление) и закалки металла. В качестве анода выбирают сопло или горелку, которые формируют широкий поток небольшой интенсивности. К недостаткам компоновки можно отнести высокую теплоотдачу с медленным прогреванием основы.
Для получения открытого плазменного потока анодом служит само изделие либо проволока. Открытую струю применяют для создания защитного слоя или резки металлических изделий. Этот тип компоновки вызывает сильный и быстрый разогрев поверхности детали с расположенным над ней температурным пиком.
При комбинированном способе выполняют плазменно-порошковое напыление. Плазменная наплавка реализуется одновременным разжиганием двух дуг – открытой (зона подачи порошка) и закрытой (зона жесткой присадки).

Плазменная наплавка выполняется по двум технологиям. При первом способе поток ионизированного газа захватывает порошковую смесь, чтобы доставить ее к зоне наплавления. При втором способе присадочный материал в виде ленты, проволоки, прутка вводят внутрь плазменного потока.

Для образования плазмы применяют подачу воздуха или пара, кислорода, водорода, гелия, азота, аргона. Выбор гелия и аргона в качестве газообразующей основы для плазмотрона улучшают сваривание основы с присадкой.

Этапы

проверка и зачистка поверхности, на которую будет наплавлен усиливающий слой;
подбор и установка требуемых параметров автоматического оборудования;
включение подачи воды, охлаждающей плазменную головку (без возбуждения дуги);
включение и установка параметров подачи защитной газовой смеси;
установление необходимых величин тока для дуг (вспомогательная и основная);
включение источника питания (сварочного генератора);
возбуждение дуги неплавящегося электрода по направлению к каналу сопла;
после регулирования устойчивости горения дуги подается проволока присадки;
автоматическое возбуждение второй дуги между проволокой и электродом.

В результате этих манипуляций стартует процесс плавления присадочного материала, подаваемого затем на поверхность детали для создания наплавочных слоев по месту образования сварочной ванны. Выключение наплавки происходит путем остановки автомата либо прекращения перемещения изделия при одновременном выключении механизма, подающего проволоку. Подбирая присадочный материал, нужно учитывать, что он должен обладать ничтожным сопротивлением по отношению к потоку плазмы.

Небольшой процент массы наплавляемого металла по отношению к общей массе изделия не вредит работоспособности механизма. Минимальный процент перемешивания основы с наплавом повышает его качество.

Комбинированный способ

порошковую смесь, обогащенную газом, транспортируют через канал сопла;
электродную проволоку доставляет подающий механизм установки.

Использование токоведущей проволоки для наплавки обеспечивает минимум глубины проплавления наращиваемых слоев.

Процесс наплавления имеет строгое ограничение – допускается использование проволок (медь, медные сплавы, аустенитные виды сталей), температура плавления которых ниже, чем у металла основы.

Выбор проволок из низкоуглеродистых и легированных сталей приводит к потере качества формируемых слоев из-за недостатка подогрева металла и увлажнения основной поверхности.

Использование твердосплавных порошков повышает износостойкость слоев, но они приобретают низкую пластичность. Проволочный наплав обладает высокой пластичностью при низкой стойкости к износу, но высокой степени перемешивания с основой. Комбинация порошка с проволокой в процессе наплавки позволяет эффективно использовать сжатую дугу для получения за один проход качественных слоев, лишенных дефектов.

У комбинированного вида два преимущества. Это возможность регулировать состав наплавляемого металла с получением слоев по заданным характеристикам.

Плазменно-порошковая наплавка

Этот способ создания слоя для защиты поверхности изделия представляет собой особый вид механизированного процесса. В качестве теплового источника выбрана плазма, обозначенная высокотемпературной сварочной дугой.

Материалом для присадки служат гранулированные смеси порошков из металлов с высокой степенью износостойкости. Их транспортировку внутрь плазмотрона осуществляют при помощи газа, подаваемого через специальный питатель.

малой глубиной проплавления металла основы (не более 5%);
обеспечением прецизионной точности качественного наплава;
минимальной потерей материала присадки;
контроль над дугой плазмы при гарантии чистоты наплава;
возможностью наплавления различных видов сплавов.

Минимальное проплавление основы при высокой производительности процесса гарантирует широкий диапазон выбора значений тепловой мощности совместно с подачей присадки. Благодаря такой возможности удается получить наплавленные слои заданной твердости с определенным химическим составом.

Высота наплава однородной структуры над поверхностью плавления может достигать 0,5 мм. Эта особенность предоставляет возможность выполнить однослойную наплавку там, где требуется несколько слоев, что сокращает расходы на присадочный материал и время обработки.

Преимущества плазмы

Технология плазменной наплавки требует тщательной подготовки поверхности детали к наплавлению усиливающего слоя. Перед наплавкой необходимо выполнить механическую обработку поверхности путем протачивания, шлифования и других видов работ с последующим обезжириванием детали.

Возможность провести плазменную закалку поверхности детали, работа с любыми материалами, в том числе тугоплавкими.
Отсутствие влияния геометрических параметров и формы изделия на результат обработки (стандартный).
Нанесение нескольких слоев наплавки не вредит состоянию основной поверхности, даже если она тонкая.
Минимизирован риск появления дефектов внутри основы по причине формирования неглубокой зоны проплава.
Обеспечение заданных характеристик покрытия за счет малого перемешивания слоя наплавляемого металла с основной поверхностью.

Условия выбора мощности электрической дуги – плазменный поток не должен сильно нагревать изделие, но при доведении основного металла до грани, за которой начинается расплавление.

Популярная методика с использованием плазмотрона позволяет наплавлять на стальную поверхность материалы с различной степенью износостойкости (латунь, медь, пластмассу). Новейшую технологию создания защитного покрытия применяют в различных областях. Изделия, упрочненные плазменной наплавкой, можно без опасения подвергать действию высоких нагрузок, а сам процесс по эффективности не уступает плазменной сварке.

Читайте также: