СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ
METHOD OF PLASMA SURFACING

Изобретение относится к области дуговой сварки плавлением, в частности к способам плазменной наплавки изделий порошкообразным присадочным материалом сжатой дугой прямого действия.
Известен способ плазменной наплавки, при котором между вольфрамовым электродом и поверхностью изделия с помощью плазмотрона создают сжатую сварочную дугу. Порошкообразный присадочный материал подают в столб сжатой дуги потоком транспортирующего газа путем вдувания через внутреннюю полость плазмотрона (Вайнерман А.Е., Шоршоров М.Х., Веселков В.Д., Новосадов B.C. Плазменная наплавка металлов. Л.: Машиностроение, 1969, с.14, 85; Гладкий П.В., Фрумин И.И., Переплетчиков Е.Ф. Особенности плавления присадочного и основного металла при плазменной наплавке. - В кн. Теоретические основы наплавки. Новые процессы механизированной наплавки. Под ред. И.И.Фрумина. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона АН УССР, 1977, с.5-11).
К недостаткам способа относится неравномерный нагрев и малая скорость плавления порошкообразного присадочного материала при переносе на наплавляемую поверхность, что вызывает перегрев основного металла в околошовной зоне, снижает качество наплавки при потерях порошкообразного присадочного материала, достигающих 30%.
Использование при этом гибких транспортирующих, каналов снижает равномерность подачи порошкообразного присадочного материала в столб сжатой дуги и ухудшает качество формирования наплавляемого слоя.
Известен способ наплавки (патент США №4097711, М. Кл В23К 9/04), при котором поток порошкообразного присадочного материала создают с помощью выпускного канала, установленного после дозирующего отверстия, и вводят в сварочную ванну под действием сил тяжести потоком уменьшенного поперечного сечения с небольшой конусностью. Потери порошкообразные присадочного материала при наплавке не превышают 3%.
Недостатком данного способа является малая скорость плавления порошкообразного присадочного материала в сварочной ванне, температура которой в 3-5 раз меньше, чем температура столба дуги. '
Наиболее близким к заявленному изобретению относится способ плазменной наплавки, при котором порошкообразный присадочный материал подают в столб сжатой дуги через дозирующее отверстие выпускной полости бункера с элементом перекрытия отверстия и вводят в столб дуги по вертикали сплошным потоком под действием сил тяжести порошкообразного присадочного материала, плазмотрон располагают под углом к потоку, а выпускную полость бункера сообщают с атмосферой (SU 16311849 A1).
Недостатком способа является снижение качества наплавки при подаче в столб сжатой дуги порошкообразного присадочного материала мелкой зернистости или частиц, имеющих неправильную форму, включая их механические смеси, которые характеризуются повышенным коэффициентом трения и сцепления частиц между собой и обладают нестабильной текучестью.
В области сужения потока порошкообразного присадочного материала в переходных сечениях выпускной полости бункера в результате превышения сил внутреннего трения между частицами над действием сил тяжести частиц в потоке порошкообразного присадочного материала возникают очаги уплотнения материала с образованием тормозящих импульсов и застойных зон, которые препятствуют равномерному истечению порошкообразного присадочного материала в переходных сечениях выпускной полости бункера, вызывая пульсации и отклонения потока частиц от вертикального направления при выпуске через дозирующее отверстие, что снижает равномерность и точность его подачи в столб сжатой дуги, ухудшает качество наплавки и увеличивает потери порошкообразного присадочного материала.
Задача изобретения - обеспечение качества наплавки путем увеличения равномерности подачи в столб сжатой дуги порошкообразного присадочного материала с повышенным коэффициентом трения и сцепления частиц между собой, способного к уплотнению в переходных сечениях выпускной полости бункера.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе плазменной наплавки, при котором порошкообразный присадочный материал подают в столб сжатой дуги через дозирующее отверстие выпускной полости бункера с элементом перекрытия отверстия и вводят в столб дуги по вертикали сплошным потоком под действием сил тяжести порошкообразного присадочного материала, плазмотрон располагают под углом к потоку, а выпускную полость бункера сообщают с атмосферой, в поток порошкообразного присадочного материала выпускной полости бункера с помощью узкоцилиндрического канала подают непрерывный или пульсирующий поток воздуха или газа и вводят в поток с возможностью смещения узкоцилиндрического канала по высоте выпускной полости бункера. По одному из вариантов перекрытие дозирующего отверстия осуществляют посредством узкоцилиндрического канала.
Новые существенные признаки:
1. В поток порошкообразного присадочного материала выпускной полости бункера с помощью узкоцилиндрического канала подают непрерывный или пульсирующий поток воздуха или газа и вводят в поток с возможностью смещения узкоцилиндрического канала по высоте выпускной полости бункера.
2. Перекрытие дозирующего отверстия осуществляют посредством узкоцилиндрического канала.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Техническим результатом является повышение качества наплавки за счет увеличения равномерности подачи порошкообразного присадочного материала в столб сжатой дуги путем рыхления и перемешивания потока частиц в переходных сечениях выпускной полости бункера.
В зоне ввода в поток порошкообразного присадочного материала выпускной полости бункера с помощью узкоцилиндрического канала непрерывного или пульсирующего потока воздуха или газа уменьшенного поперечного сечения в потоке порошкообразного присадочного материала выпускной полости бункера, сообщенной с атмосферой, под действием напора воздуха или газа возникают пульсации, вызывающие последовательное динамическое рыхление и перемешивание порошкообразного присадочного материала на пути перемещения в направлении выпуска через дозирующее отверстие с отводом потока воздуха или газа из зоны ввода в направлении выпуска в атмосферу. При этом снижается трение и сцепление частиц порошкообразного присадочного материала между собой в области сужения потока в переходных сечениях выпускной полости бункера, что повышает равномерность истечения порошкообразного присадочного материала через дозирующее отверстие в столб сжатой дуги при снижении завихрения частиц в направлении выпуска потока воздуха или газа из зоны ввода в атмосферу.
Возможность смещения узкоцилиндрического канала по высоте выпускной полости бункера путем изменения расстояния от среза дозирующего отверстия обеспечивает регулирование степени рыхления и перемешивания порошкообразного присадочного материала в переходных сечениях выпускной полости бункера на пути перемещения потока частиц в направлении выпуска через дозирующее отверстие, а также степени завихрения и объема витания частиц порошкообразного присадочного материала в направлении выпуска потока воздуха или газа в атмосферу.
Осуществление перекрытия дозирующего отверстия посредством узкоцилиндрического канала способствует снижению и выравниванию бокового давления потока порошкообразного присадочного материала в переходных сечениях выпускной полости бункера за счет симметричного расположения зоны ввода потока воздуха или газа относительно дозирующего отверстия при обеспечении рыхления и перемешивания потока частиц в приосевой зоне выпускной полости бункера, что снижает трение частиц с ее боковой поверхностью в области наибольшего сужения потока частиц в направлении выпуска через дозирующее отверстие в столб сжатой дуги.
На фиг.1 схематично изображено расположение плазмотрона и выпускной полости бункера с элементом перекрытия дозирующего отверстия при вводе потока воздуха или газа в поток порошкообразного присадочного материала с помощью узкоцилиндрического канала.
На фиг.2 схематично изображена выпускная полость бункера, в которой перекрытие дозирующего отверстия осуществляют посредством узкоцилиндрического канала.
Способ плазменной наплавки иллюстрируется работой установки, содержащей плазмотрон 1 с вольфрамовым электродом 2, бункер 3 с выпускной полостью 4 и дозирующим отверстием 5, элемент перекрытия дозирующего отверстия в виде запорной иглы 6.
Выпускная полость 4 бункера 3 заполнена порошкообразным присадочным материалом 7 с повышенным коэффициентом трения и сцепления частиц между собой, способного к уплотнению в переходных сечениях выпускной полости 4 и сообщена с атмосферой.
Поток 8 порошкообразного присадочного материала 7 под действием сил тяжести направлен по вертикали в столб 9 сжатой дуги 10 между вольфрамовым электродом 2 и наплавляемой поверхностью 11 изделия.
Плазмотрон 1 расположен под углом α к потоку 8 порошкообразного присадочного материала 7 при его подаче в столб 9 сжатой дуги 10, которую образуют с помощью источника сварочного тока 12.
В поток порошкообразного присадочного материала 7 выпускной полости 4 бункера 3 с помощью узкоцилиндрического канала 13 введен непрерывный или пульсирующий поток воздуха или газа, при этом зона ввода 14 потока воздуха или газа по высоте выпускной полости 4 бункера 3 расположена на расстоянии h от среза дозирующего отверстия 5.
Сжатая дуга 10 в зоне пятна нагрева 15 образует сварочную ванну 16, а на поверхности 11 изделия слой 17 наплавленного металла.
Поток воздуха или газа в поток порошкообразного присадочного материала 7 выпускной полости 4 бункера 3 создают, например, с помощью баллона 18 (фиг.1) или диафрагменного насоса 18 переменного тока (фиг.2).
Способ осуществляют следующим образом. Плазмотрон 1 устанавливают под углом α к вертикали, между вольфрамовым электродом 2 и наплавляемой поверхностью 11 с помощью источника сварочного тока 12 образуют сжатую дугу 10. Подъемом запорной иглы 6 открывают дозирующее отверстие 5 выпускной полости 4 бункера 3, заполненную порошкообразным присадочным материалом 7 с повышенным коэффициентом трения и сцепления частиц между собой, способного к уплотнению при сужении потока частиц в переходных сечениях выпускной полости 4 бункера 3.
В поток порошкообразного присадочного материала 7 выпускной полости 4 бункера 3 в зону ввода 14 с помощью узкоцилиндрического канала 13 из баллона 18 или путем выхлопа диафрагменного насоса 18 переменного тока подают непрерывный или пульсирующий поток воздуха или газа.
В зоне ввода 14 в поток порошкообразного присадочного материала 7 выпускной полости 4 бункера 3 с помощью узкоцилиндрического канала 13 непрерывного или пульсирующего потока воздуха или газа уменьшенного поперечного сечения в потоке порошкообразного присадочного материала 7 выпускной полости 4 бункера 3, сообщенной с атмосферой, под действием напора воздуха или газа возникают пульсации, вызывающие последовательное динамическое рыхление и перемешивание порошкообразного присадочного материала 7 на пути перемещения в направлении выпуска через дозирующее отверстие 5 с отводом потока воздуха или газа из зоны ввода 14 в направлении выпуска в атмосферу. При этом снижается трение и сцепление частиц порошкообразного присадочного материала 7 между собой в области сужения потока в переходных сечениях выпускной полости 4 бункера 3, что повышает равномерность истечения порошкообразного присадочного материала 7 через дозирующее отверстие 5 в столб 9 сжатой дуги 10 при снижении завихрения частиц в направлении выпуска потока воздуха или газа из зоны ввода 14 в атмосферу.
В зоне ввода 14 в поток порошкообразного присадочного материала 7 выпускной полости 4 бункера 3 пульсирующего потока воздуха или газа при его подаче путем выхлопа диафрагменного насоса 18 переменного тока с образованием в зоне ввода 14 пульсирующего напора увеличивается степень рыхления и перемешивания потока порошкообразного присадочного материала 7 в переходных сечениях выпускной полости 4 бункера 3 в направлении выпуска через дозирующее отверстие 5. При этом снижается суммарный расход воздуха или газа, а также степень завихрения и объем витания частиц порошкообразного присадочного материала 7 в направлении выпуска потока воздуха или газа из зоны ввода 14 в атмосферу.
Возможность смещения узкоцилиндрического канала 13 по высоте выпускной полости 4 бункера 3 путем изменения расстояния h от среза дозирующего отверстия 5 обеспечивает регулирование степени рыхления и перемешивания порошкообразного присадочного материала 7 в переходных сечениях выпускной полости 4 бункера 3 на пути перемещения потока частиц 7 в направлении выпуска через дозирующее отверстие 5 в столб 9 сжатой дуги 10, с изменением степени завихрения и объема витания частиц порошкообразного присадочного материала 7 в направлении выпуска потока воздуха или газа из зоны ввода 14 в атмосферу.
Осуществление перекрытия дозирующего отверстия 5 посредством узкоцилиндрического 13 канала способствует снижению и выравниванию бокового давления потока порошкообразного присадочного материала 7 в переходных сечениях выпускной полости 4 бункера 3 за счет симметричного расположения зоны ввода 14 потока воздуха или газа относительно дозирующего отверстия 5 при обеспечении рыхления и перемешивания потока частиц в приосевой зоне выпускной полости 4 бункера 3, что снижает трение частиц с ее боковой поверхностью в области наибольшего сужения потока частиц в направлении выпуска через дозирующее отверстие 5 в столб 9 сжатой дуги 10.
Снижение трения и сцепления частиц порошкообразного присадочного материала 7 за счет рыхления и перемешивания потока частиц в переходных сечениях выпускной полости 4 бункера 3 путем подачи непрерывного или пульсирующего потока воздуха или газа, который вводят в поток порошкообразного присадочного материала 7 с помощью узкоцилиндрического канала 13 с возможностью его смещения по высоте выпускной полости 4 бункера 3, а также осуществление перекрытия дозирующего отверстия 5 посредством узкоцилиндрического канала 13 увеличивают равномерность подачи порошкообразного присадочного материала 7 в столб 9 сжатой дуги 10. При этом в столбе 9 сжатой дуги 10 происходит интенсивное плавление частиц порошкообразного присадочного материала 7 с переносом в зону пятна нагрева 15 в жидком состоянии.
В зоне пятна нагрева 15 изделия образуется сварочная ванна 16, а на поверхности 11 наплавленный слой 17 высокого качества.