ГОРЕЛКА ДЛЯ НАПЛАВКИ МЕТАЛЛА

Полезная модель относится к сварочному производству и может быть использовано в технологии обработки металлов, в том числе для сварки, термоупрочнения, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям, восстановления поврежденных элементов и изношенных поверхностей из низкоуглиродистых, низко- и среднелегированных, нержавеющих сталей.
В последнее время широкое распространение получила технология прямого осаждения (нанесения) металлов. Данная технология подразумевает плавление металлического порошка или проволоки на подложке за счет лазерного, электронно-лучевого пучка или дугового разряда в среде защитных газов. Плавящие головки, используемые в этих технологиях, имеют свои особенности и отличаются конструктивно в зависимости от использования источника тепла для плавления, материала (порошок или проволока) и способом его подачи. Помимо специализированных плавящих головок в аддитивных установках, работающих по технологии прямого нанесения металла, возможно применение универсальных сварочных и наплавочных горелок. Они широко представлены на рынке, но их применимость ограничена первоначальным назначением (сварка/наплавка).
При проектировании плавящей головки за основу мы взяли стандартную сварочную горелку MTG 320i производства австрийской компании Fronius (https://www.fronius.com/en), поскольку ее составляющие позволяют произвести модернизацию и отсутствуют сложности с поставкой запасных частей и комплектующих в РФ.
Горелка (прототип) состоит из внешнего защитного сопла, токопроводящего наконечника, газорассекателя, фиксатор наконечника, керамического изолятора, фиксирующей гайки, канал для подачи сварочной проволоки и канала подачи газа из шлангпакета.
Стандартное сопло горелки имеет коническое истечение газа с уменьшением диаметра канала с 19 мм до 13 мм. Для проведения сварки - это необходимо, поскольку ширина расплавленной ванный металла составляет 6-8 мм, а защитный газ должен покрывать не только область расплавленного металла, но и соседнего нагретого до высоких температур (свыше 500°С).
Поскольку сварку ведут на значительно больших режимах плавления проволоки, то присутствует эффект разбрызгивания расплавленного электродного материала. По этой причине сопло ставят на уровне с токоподводящим наконечником для меньшего его засорения.
При точной наплавке ширина жидкой ванны металла не превышает 2,5 мм, а соседний разогретый металл до высоких температур практически отсутствует.
Задача полезной модели заключается в создании плавящей головки аддитивной установки, работающей по технологии прямого нанесения (осаждения) металла в виде проволоки.
Технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик за счет обеспечения возможности ее использования для наплавки, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям.
Технический результат достигается тем, что горелка для наплавки металла, содержащая внешнее сопло, внутри которого размещены токопроводящий наконечник, фиксатор наконечника, керамический изолятор, фиксирующая гайка, канал для подачи сварочной проволоки, канал подачи газа из шлангпакета, согласно полезной модели, в пространстве между внешним соплом и токопроводящим наконечником концентрично установлено внутреннее сопло, имеющее газовые отверстия на границе перехода его цилиндрической части в конусную.
Конструкция сопловой части предложенной горелки представлена на фиг. 1. На фиг. 2 внутреннее сопло. На Фиг. 3 симуляция движения защитного газа.
На фигуре 1 обозначены:
1 - внешнее сопло
2 - токопроводящий наконечник
3 - внутреннее сопло
4 - фиксатор наконечника
5 - керамического изолятора
6 - фиксирующая гайка
7 - сварочная ванна
8 - внешний поток защитного газа
9 - внутренний поток защитного газа
10 - сварочная проволока
11 - электрическая дуга
12 - наплавленный слой
13 - подложка
14 - гусак горелки (корпус)
15 - газо- токоподводящий штуцер
16 - канал для подачи сварочной проволоки
17 - канал подачи газа из шлангпакета
18 - газовые отверстия в фиксаторе наконечника 4
19 - газовые отверстия во внутреннем сопле 3.
Сопловая часть горелки состоит из внешнего сопла 1, внутри которого концентрично размещены внутреннее сопло 3 и токопроводящий наконечник 2, который фиксируется с помощью фиксатора 4, имеющий газовые отверстия 18, керамический изолятор 5 и фиксирующая гайка 6. Имеются газо-токоподводящий штуцер 15 для подачи защитного газа и канал для подачи сварочной проволоки 16.
У внутреннего сопла 3 на границе перехода его цилиндрической части в конусную имеются отверстия для подачи газа 19.
Внутреннее сопло 3 предназначено разделять защитный газовый поток на 2 концентрических потока 8 и 9. При подаче защитного газа через штуцер 15 он попадает в фиксатор наконечника 4, через газовые отверстия 18 газ попадает в полость ограниченную внутренним соплом 3. Из этой полости газ расходится в 2 потока концентрично токопроводящему наконечнику 2, образуя внутренний поток защитного газа 9 сварочной проволоке 10, и через газовые отверстия 19 в полость между внутренним соплом 3 и внешним соплом 1 образуя внешний защитный поток 8. Количество газовых отверстий 19 и их диаметр определялись исходя из конструкции стандартных элементов горелки и проверялись в среде математического моделирования SolidWorks Flow Simulation.
Коническая форма разработанного внутреннего сопла 3 позволяет концентрично сварочной проволоке 10 подавать защитный газ, создавая при этом дополнительно давление на дугу 11 при таком же расходе защитного газа, как и при сварке. При проектировании внутреннего сопла 3 учитывалась ширина газовых каналов между токопроводящим наконечником 2 и внутренним соплом 3, а также между внутренним соплом 3 и внешним соплом 1, поэтому наружный диаметра получился 14 мм, что делает невозможным применение стандартного внешнего сопла. Поскольку внешнее сопло в новых горелка устанавливается на резьбу то мы применили технологию «раскатки» стандартного сопла для получения нужной геометрии носовой части и выходного диаметра в 17 мм. При использовании стандартного сопла расход газа для достижения тех же результатов необходимо было увеличивать с 6-8 л/мин. до 12-15 л/мин. Такой высокий расход оказывает дестабилизирующее влияние на дугу 11, горящую на минимальных режимах и образует завихрения потока газа, что приводит к попаданию в сварочную ванну 7 газов из окружающей атмосферы и дефектам наплавки 12 в виде пор и свищей. Разработанное сопло так же учитывает такие параметры как вылет электрода и выпуск. Оптимальный вылет сварочной проволоки 10 диаметром 1-1,2 мм составляет 10-15 мм, а выпуск 5-10 мм, соответственно конус внутреннего сопла 3 должен выступать за токопроводящий наконечник 2 на 5-10 мм. Со стандартным соплом вылет и выпуск примерно равны. На минимальных стабильных режимах горения дуги 11 процесс разбрызгивания менее интенсивен, а при увеличении давления защитного газа на дугу 11 за счет конической конструкции и концентрической подачи защитного газа в два потока 8,9 происходит частичное оттеснение частиц, летящих в сторону сопла. Так же за счет меньшего диаметра сопла уменьшается область захвата разбрызгиваемых частиц.
Моделирование внутреннего сопла 3 началось с очерчивания граничной области его построения. Затем определили угол конусности носовой части. Внутренний угол зависит от конусности токопроводящего наконечника 2, а внешний угол внутреннего сопла от угла конусности внешнего сопла 1. Данные углы должны быть близкими по значению или совпадать чтобы движущийся по образующимся концентрическим конусным каналам защитный газ не создавал завихрения и турбулентность. Длина внутреннего сопла 3 определялась из теоретических данных. Для проверки правильности геометрии спроектированного внутреннего сопла 3 и доработанного внешнего сопла 1, модель сопловой части головки помести в расчетную среду SolidWorks Flow Simulation и произвели симуляцию потоков 8 и 9 защитного газа. Симуляция показала правильность расчетов геометрии внутреннего 3 и внешнего 1 сопел. Иссекаемый поток защитного газа имеет ламинарный поток без завихрений. Симуляция представлена на фиг. 3.
Работа горелки осуществляется следующим образом.
При нажатии пусковой кнопки горелки открывается запорный клапан (на фигурах не показан) подачи защитного газа и он проходя по шлангпакету (на фигурах не показан) проходит штуцер 15 и попадает в фиксатор наконечника 4, затем по отверстиям 18 в фиксаторе наконечника 4 газа проходит в полость ограниченную внутренним соплом 3. Затем газовый поток разделяется на 2 части, одна проходит вдоль токопроводящего наконечника 2, а вторая часть переходит через газовые отверстия 19 в полость между внутренним соплом 3 м внешним соплом 1. Движение газа показано стрелочками на фиг. 1. Спустя 2 сек. После подачи защитного газа включается подача электродной проволоки 10 и сварочного тока. Проволока 10 подается по каналу 16 который упирается в токопроводящий наконечник 2 и дальше проволока 10 выходит из наконечника 2 и замыкается на подложке 13 чем вызывается возбуждение сварочной дуги 11.
Предложенное техническое решение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики за счет возможности ее использования для наплавки, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям, и обеспечение возможности реализации двухпоточной схемы защиты жидкой ванны и горячего металла, что способствует уменьшению разбрызгивания металла, не приводит к увеличению расхода газа, увеличивает давление на дугу.