ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ АДДИТИВНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам для наплавки.
Известны различные конструкции плазмотронов, характеризующиеся различными системами:
плазмообразования (косвенной, прямой или комбинированной);
защиты сварочной ванны;
подачи присадочного материала;
стабилизации плазменного потока.
В большинстве существующих плазмотронов для нанесения слоев в настоящее время применяется прямой или косвенный характер плазмообразования со стабилизацией дугового разряда конусным соплом и реализуется радиальная подача порошка за анодным пятном в канал сопла анода или подача присадочной проволоки под срез сопла-анода, защита только сварочной ванны.
Наиболее эффективный процесс плазменного напыления происходит в плазмотронах при вводе порошка в столб дугового разряда или в область анодного пятна, у которых наибольший КПД нагрева порошка.
Недостатком этих конструкций плазмотронов является отсутствие конструктивных решений по стабилизации процесса плазмообразования, низкой концентрации плазменного потока на выходе и недостатком защиты наплавленного металла от атмосферного воздействия.
Известна конструкция плазмотрона для аддитивного выращивания, состоящая из катода и анода, разделенных изоляционной вставкой, относящегося к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам с аксиальным вводом порошка для аддитивного выращивания и напыления металлических и неметаллических защитных покрытий на изделия (см. Патент РФ Д.В. Петров, А.Н. Бабенко № RU 204751 U1, 17.06.2020).
Недостатками данной конструкции являются малый объем наносимого материала, а также косвенная схема плазмообразования, что не дает возможности эффективно выполнять изготовление крупногабаритных заготовок. Также конструкция не предполагает защиты наплавленного металла при его охлаждении.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является известная конструкция плазмотрона для напыления и наплавки покрытий с косвенным характером образования плазмы которая содержит корпус с установленным на нем питателем в сборе с дозатором, резервуар для приема пара, анод и катод, размещенные в корпусе с помощью контактно-крепежных элементов, установленной внутри теплопроводной трубки, контактирующей с анодом и проходящей через резервуар для приема пара, на аналогичных контактно-крепежных элементах (см. Патент РФ А.М. Марков, А.В. Балашов, В.А. Федоров № RU 2354460 С2, 02.04.2007).
Однако недостаток этой конструкции заключается в том, что применяется низкоэффективный процесс косвенного плазмообразования, устройство сопла не предполагает механизмов дополнительной стабилизации дуги, отсутствует газовая защита как сварочной ванны, так и наплавленного металла. Кроме того, при применении косвенной дуги происходит чрезмерное изнашивания анода, а вследствие этого, загрязнение наплавляемого слоя продуктами эрозии сопла.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание плазмотрона для аддитивного выращивания проволочными материалами крупногабаритных заготовок металлических изделий, снижение рассеивания плазменного потока и обеспечение защиты сварочной ванны и наплавленного металла в процессе остывания.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в конструкции данной полезной модели применяется комбинированный процесс плазмообразования, что дает возможность увеличения мощности на дуге между катодом и деталью, что снижает эрозию анода. Анод плазмотрона выполнен с отверстием в виде сопла Лаваля с четырьмя дополнительными каналами для поддува плазмообразующего газа, что дает лучшую концентрацию плазменного потока. Также плазмотрон оснащен увеличенным соплом с газовой линзой, обеспечивающей ламинарный поток для защиты сварочной ванны, а также устройством для газовой защиты наплавленного металла, что обеспечивает защиту от атмосферных воздействий в процессе остывания. Данная конструкция обеспечивает возможность выполнения аддитивного выращивания слоев с помощью наплавки, широким спектром проволочных материалов, в том числе титановыми сплавами, молибденом, высоколегированными сталями и никелевыми сплавами.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что центральное отверстие анода выполнено в форме сопла Лаваля с четырьмя каналами, расположенными по окружности центрального отверстия, катод и анод изолированы керамической пористой вставкой и на корпусе плазмотрона закреплено устройство для газовой защиты наплавленного металла, что дает увеличение эффективности плазменного потока, а также предотвращение воздействия атмосферы на сварочную ванну и наплавленный металл.
При проведении испытаний плазмотрона для аддитивного выращивания получена концентрированная плазменная струя, что подтвердилось повышенным проплавлением, необходимая защита сварочной ванны и наплавленного материала со сниженным количеством неметаллических оксидных включений.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами: на фиг.1 изображены следующие конструктивные элементы: катода 1, анода 2, защитного сопла 3, цанги 4, прижимного колпачка 5, корпуса 6, пористой керамической вставки 7, трубки подвода присадочной проволоки 8, устройства защиты наплавленного металла 9. Также на чертеже показан основной металл 10, на котором предполагается выращивание или наплавка.
В корпусе 6 плазмотрона соосно установлены катод 1, в виде стержня из тугоплавкого материала, и анод 2 из медного сплава закрепленный в корпусе посредством резьбы. Катод установлен в зажимную цангу 4, закрепленную в корпусе 6 при помощи колпачка 5, имеющего резьбу. Анод 2 имеет рубашку охлаждения. К корпусу плазмотрона 6 с помощью резьбы прикреплено сопло 3. Канал для подачи проволоки 8 закреплен с помощью крепежных элементов на сопло 3. Устройство защиты 9 имеет регулировки относительно корпуса плазмотрона 6 и может перемещаться относительно корпуса плазмотрона вверх и вниз посредством крепежных элементов.
Принцип действия полезной модели состоит в том, что первоначально загорается дежурная дуга между катодом 1 и анодом 2. Катод 1 закреплен в корпусе 6 плазмотрона при помощи цанги 4 и прижимного колпачка 5. Анод 2 охлаждается дистиллированной водой, циркулирующей через подвод и отвод воды. Через канал подвода плазмообразующего газа подается газ (аргон), проходит через изолирующую пористую керамическую вставку 7 и поступает в камеру плазмообразования, после чего образуется плазма косвенного характера. Из центрального отверстия в форме сопла Лаваля анода 2 плазменный поток выходит в сторону основного металла 10, после чего подается рабочий ток и образуется рабочая дуга между катодом 1 и основным металлом 10. Также в анод 2 оснащен четырьмя каналами, находящимися вокруг центрального отверстия и располагающимися под углом к нему для дополнительного поддува плазмообразующего газа с целью дополнительной фокусировки плазменного потока. Таким образом, в плазмотроне обеспечивается максимальная эффективность при использовании дежурной и рабочей дуг одновременно. Место образовавшейся сварочной ванны на основном металле 10 защищает увеличенное сопло 3, оснащенное газовой линзой для образования ламинарного потока защитного газа. В момент образования рабочей дуги плазмотрон необходимо начать поступательно перемещать относительно основного металла 10 и обеспечить подачу присадочной проволоки через трубку 8. Наплавленный металл на этапе кристаллизации и остывания защищается устройством защиты 9. Устройство защиты 9 выполнено в виде колпака, в который поступает защитный газ.