ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
PLASMA COATING TORCH

Область техники
Изобретение относится к области плазменной техники, более конкретно к плазменным горелкам. Предназначено для нанесения металлических и керамических покрытий на поверхности конструкций путем распыления материала в расплавленном состоянии, например плазменное напыление. Изобретение может использоваться для нанесения покрытий на внутренние поверхности сложнопрофильных деталей, конструкций малого диаметра, протяженных сферических конструкций, переходящих в цилиндр и различных цилиндрических поверхностей, в которых при напылении затруднен отвод тепла.
Предшествующий уровень техники
Известен плазмотрон ПП-25 для нанесения изолирующих, износостойких и других специальных покрытий, который входит в состав установки УПУ-8М. Данный плазмотрон является универсальным и может быть реализован по двум вариантам: для напыления порошком и проволокой. Максимальная мощность данного плазмотрона составляет 40 кВт. При такой мощности, возможно, выполнять напыление металлическими порошками с производительностью до 20 кг/ч. Это увеличивает вероятность перегрева тонкостенных деталей с отслоением напыленного покрытия. Таким образом, недостатком плазмотрона ПП-25 является слишком большие мощность, габаритные размеры и масса плазмотрона при нанесении покрытия на тонкостенные и сложнопрофильные детали.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2465748 «Электродуговой плазмотрон», МПК: Н05Н 1/26; заявка: №2010150830/07, приоритет 10.12.2010; опубликовано 27.10.2012, автор: Мчедлов С.Г. (RU).
Электродуговой плазмотрон, содержащий анодный и катодный блоки, расположенные соосно вдоль оси плазмотрона, разделенные изолятором, в котором имеется узел подачи рабочего плазмообразующего газа в электрогазоразрядную камеру. При этом в анодном и катодном блоках имеются соответственно входное и выходное отверстия и полости для протока охлаждающего агента, кроме того, в анодном блоке имеется радиальное отверстие для ввода порошкового материала (шихтопровод). В анодном и катодном блоках дополнительно имеются отверстия, в которых закреплены штуцеры. При этом дополнительные отверстия расположены с диаметрально противоположной стороны относительно входного анодного и выходного катодного отверстий. Дополнительные штуцеры соединены дугообразным электроизоляционным трубопроводом для прохождения охлаждающего агента из анодного в катодный блок, концы которого закреплены соответственно на дополнительных анодном выходном и катодном входном штуцерах.
Существенные признаки, общие с признаками изобретения: электродуговой плазмотрон, содержащий анодный и катодный блоки, расположенные соосно вдоль оси плазмотрона, разделенные изолятором, в котором имеется узел подачи рабочего плазмообразующего газа в электрогазоразрядную камеру, в анодном и катодном блоках имеются соответственно входное и выходное отверстия и полости для протока охлаждающего агента, кроме того, в анодном блоке имеется радиальное отверстие для ввода порошкового материала (шихтопровод), в анодном и катодном блоках дополнительно имеются отверстия, в которых закреплены штуцеры.
Недостатком данного устройства является то, что изготовление системы охлаждения в виде дугообразной формы и рабочей области анода с большим расстоянием способствует увеличению габаритных размеров горелки. Использование в качестве материала трубопровода дюритового шланга. При нанесении покрытия существует вероятность разрушения наружной поверхности шланга (обгорание) или разрушения системы охлаждения в процессе нанесения покрытия с попаданием продуктов горения шланга на нанесенное покрытие. Кроме этого, отсутствие «ребристой» поверхности на аноде снижает эффективность охлаждения и создает вероятность перегрева горелки.
В качестве прототипа для устройства было выбрано техническое решение, описанное в патенте РФ №31897 «Плазменная горелка для напыления металлов и окислов», МПК: Н05Н 1/26, В23К 10/00, Заявка: 2003109840/20, приоритет: 14.04.2003; опубликовано 27.08.2003, авторы: Барвинок В.А. (RU), Ивашин А.С. (RU), Карасев В.М. (RU), Докукина И.А. (RU), Ананьева Е.А. (RU), Кукаева И.А. (RU).
Плазменная горелка для напыления металлов и окислов, содержит корпус, катодный и анодный узлы, изолятор, систему охлаждения и манжету, причем манжета установлена в корпусе, а система охлаждения выполнена двухконтурной, поперечное сечение первого контура (охлаждение анода) составляет 0,5÷0,6 от сечения подводящего воду входного штуцера, а соотношение между минимальными сечениями первого и второго контура составляет 2÷2,5.
Существенные признаки прототипа, общие с признаками изобретения: плазменная горелка для напыления металлов и окислов, содержит корпус, катодный и анодный узлы, изолятор, систему охлаждения и манжету, причем манжета установлена в корпусе.
Недостатком прототипа является то, что газовая смесь для формирования потока плазмы подается по каналам, расположенным в осевых плоскостях непосредственно в разрядный промежуток между соплом и электродом. При таком варианте подачи газовой смеси, возможно возникновение зон повышенного давления непосредственно напротив каналов, и, соответственно, зон разрежения между каналами. Это может приводить к неоднородности потока плазмы, особенно при холодном запуске и начальном этапе работы горелки. Кроме того, электрод имеет плоский торец на окончании конусной поверхности. В месте перехода конусной поверхности и плоского торца обязательно будет возникать зона разрежения, которая может приводить к срыву потока плазмы и возникновению высокочастотной пульсации потока. Этот эффект может спровоцировать нестабильную эжекцию напыляемого материала, что в итоге может повлиять на качество наносимого покрытия. Кроме этого, поскольку процесс плазменного напыления характеризуется высокотемпературной плазмой и высокоскоростным потоком плазмообразующего газа, поэтому на границе перехода конусной и плоской поверхностей электрода с высокой долей вероятности может наблюдаться повышенная эрозия кромки электрода и сопла, продукты которых также могут повлиять на качество наносимого покрытия. То есть, при таком варианте исполнения электрода может наблюдаться частичное разрушение кромок электрода и сопла и попадание элементов в виде вольфрама и меди в покрытие. Включения из вольфрама и меди в покрытии являются инородными соединениями и их локальное наличие может привести к ухудшению качества покрытия.
2
2
3
2
3
2
Эффективность двухконтурной системы охлаждения весьма сомнительна, так как непосредственно в зоне охлаждения сопла имеются минимальные зазоры для прохода воды, что может привести к росту гидродинамического сопротивления при перетекании воды между контурами охлаждения. Дополнительно двухконтурная система увеличивает габариты и массу плазменной горелки, что усложняет нанесение покрытия на деталях в ограниченном пространстве. Поток воды, омывающий сопло проходит через магистраль, где происходит торможение охлаждающего потока оребренной поверхностью сопла, которое выполнено на наружной поверхности сопла-анода. В дальнейшем два потока смешиваются на выходном штуцере, где также происходит смешивание и торможение потока охлаждающей жидкости. Применение в данной конструкции горелки технических решений с использованием двухконтурной системы охлаждения требует применения насоса повышенной мощности для прокачки охлаждающей жидкости, что в свою очередь увеличит давление в контуре охлаждения и повысит вероятность протечек в процессе нанесения покрытия. О недостаточном охлаждении косвенно свидетельствует применение во входной части сопла-анода уплотняющей прокладки 10 выполненной из свинца. Недостаточное охлаждение плазменной горелки также накладывает ограничения на материалы, применяемые для нанесения покрытия. Например, тугоплавкие материалы (W, Мо) керамические (ZrO, AlO, GdO) из-за необходимости использовать при нанесении покрытия в качестве добавки высокоэнтальпийные газы (такие как Н, Не) и режимы с повышенным выделением теплоты.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение стабильности формирования потока плазмы и эффективности процесса плазменного напыления, улучшение качества наносимого покрытия, с возможностью нанесения покрытия на внутренние поверхности цилиндрических и сферических деталей в ограниченном пространстве.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в исключении зон повышенного давления и разряжения газовой смеси, обеспечении однородности потока плазмы, исключении эрозии на электроде и на сопле, улучшении ресурсных характеристик плазменной горелки в виде надежности и износостойкости.
Технический результат достигается тем, что плазменная горелка для нанесения покрытий, содержащая корпус, катодный и анодный узлы, изолятор, систему охлаждения, манжету в корпусе, газораспределительную втулку с каналами, согласно изобретению, горелка снабжена камерой подготовки газовой смеси в виде дополнительного и свободного объема по внутреннему контуру газораспределительной втулки, на которой каналы подачи реализованы с тангенциальным расположением отверстий по касательной относительно внутренней цилиндрической поверхности камеры подготовки, при этом катод выполнен в виде конуса с вершиной, скругленной до сферической поверхности с плавным переходом на образующую конуса, система охлаждения выполнена одноконтурной, в анодном узле зона омывания сменного сопла выполнена с увеличенным поперечным сечением.
Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата - исключение зон повышенного давления и разряжения газовой смеси, обеспечение однородности потока плазмы, исключение эрозии на электроде и на сопле, улучшение ресурсных характеристик плазменной горелки в виде надежности и износостойкости.
Это позволяет решить задачу повышения стабильности формирования потока плазмы и эффективности процесса плазменного напыления, улучшение качества наносимого покрытия, возможность нанесения покрытия на внутренние поверхности цилиндрических и сферических деталей в ограниченном пространстве.
Основные признаки в виде существенных конструктивных изменений и решений в заявляемом изобретении реализованы в системе подачи плазмообразующего газа и в системе охлаждения горелки. Работоспособность данных элементов является ключевой для обеспечения стабильности процесса плазменного напыления и качества наносимого покрытия при сохранении ресурсных характеристик самой горелки.
Реализация существенных признаков заявляемого изобретения для решения задачи повышения стабильности формирования потока плазмы и эффективности процесса плазменного напыления при улучшении качества наносимого покрытия способствовала получению неочевидного результата от использования этих признаков в виде возможности нанесения покрытия на внутренние поверхности цилиндрических и сферических деталей в ограниченном пространстве, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 показана плазменная горелка в разрезе вид спереди.
На фиг. 2 показана газораспределительная втулка в разрезе вид спереди.
На фиг. 3 показана газораспределительная втулка в разрезе вид слева.
На фиг. 4 показано соединение анодных и катодных узлов плазменной горелки в разрезе.
Варианты осуществления изобретения
Плазменная горелка для напыления покрытий состоит из катодных и анодных узлов, разделенных изолятором.
Как показано на фиг. 1, анодный узел состоит из корпуса 1, установленного в нем сменного сопла 2 (анода) с использованием двух уплотнительных колец 3, основания 4 и газораспределительной втулки 5. При этом в анодном узле зона омывания 6 сменного сопла 2 выполнена с увеличенным поперечным сечением для более быстрого прохождения охлаждающей жидкости. В корпусе 1 имеется отверстие 7 для соединения штуцера подачи дистиллированной воды (охлаждающей жидкости) и канал 8 для ее последующего протекания через изолятор 20 и катодный узел. Катодный узел на фиг. 1, состоит из вставки 13, в которую установлена крышка 14 с верхней стороны и вольфрамовый электрод 15 (катод) в сборе с обоймой 16 с нижней стороны с использованием уплотнительного кольца 17.
Основание 4 и сменное сопло 2 содержат сквозное отверстие 9 для присоединения к горелке с внешней стороны штуцера подачи напыляемого порошка. По внешнему контуру газораспределительной втулки 5 выполнена проточка 10, на которой каналы подачи газовой смеси выполнены в виде четырех отверстий 11 с тангенциальным расположением, а по внутреннему контуру реализована камера подготовки 12 в виде дополнительного и свободного объема.
Тангенциальное положение - это угловое расположение отверстий 11 в стенке газораспределительной втулки 5 по касательной относительно внутренней цилиндрической поверхности камеры подготовки 12.
Отдельно конструкция газораспределительной втулки 5 показана на фиг. 2. Как показано на фиг. 2, при тангенциальном исполнении каналов подачи газовой смеси, отверстия 11 расположены в четырех симметричных точках со смещением относительно центральной оси и перпендикулярно диаметральным плоскостям газораспределительной втулки 5.
Катодный узел, фиг. 1, состоит из вставки 13, в которую установлена крышка 14 с верхней стороны и вольфрамовый электрод 15 (катод) в сборе с обоймой 16 с нижней стороны с использованием уплотнительного кольца 17.
При этом катод 15 выполнен в виде конуса с вершиной, скругленной до сферической поверхности с плавным переходом на образующую конуса.
Во вставке 13 выполнены канал 18 для протекания охлаждающей жидкости в катодном узле и отверстие 19 для соединения штуцера вывода жидкости в охладительную систему. Между катодным и анодным узлами установлен изолятор 20, в котором имеется резьбовое отверстие 21 для подачи плазмообразующего газа в газораспределительную втулку 5 анодного узла и отверстие 22 для протекания охлаждающей жидкости от анодного к катодному узлу. Для предотвращения утечки охлаждающей жидкости (обеспечения герметичности) между изолятором 20 и корпусом 1 анодного узла и между изолятором 20 и вставкой 13 катодного узла используются две резиновые прокладки 23.
На фиг. 3 показано соединение анодных и катодных узлов, разделенных изолятором 20. То есть, в анодном узле корпус 1 в сборе со сменным соплом 2 устанавливают в основание 4 и фиксируют по контуру с помощью четырех стягивающих винтов 24. Для соединения непосредственно анодных и катодных узлов, разделенных изолятором 20, используют также четыре стягивающих винта 25 по контуру горелки.
Плазменная горелка для нанесения покрытий работает следующим образом. Вначале осуществляют подачу охлаждающей жидкости через установленный штуцер в отверстие 7 корпуса 1 анодного узла. Жидкость попадает в зону омывания 6 сменного сопла 2 анодного узла, снимает нагрев с его оребренной поверхности в частности, и тем самым охлаждает анодный узел и пламенную горелку в целом. Далее охлаждающая жидкость проходит по каналу 8 корпуса 1 анодного узла и через отверстие 22 изолятора 20 поступает в катодный узел. Затем охлаждающая жидкость проходит по каналу 18 вставки 13 катодного узла и омывает торец вольфрамового электрода 15 и через установленный штуцер в отверстие 19 вставки 13 катодного узла вытекает под давлением в систему для охлаждения.
То есть, в конструкции плазменной горелки реализована одноконтурная система охлаждения. За счет увеличенного сечения зоны омывания 6 сменного сопла 2 в ней сведено к минимуму общее гидравлическое сопротивление системы охлаждения, что повышает общую эффективность контура. Применение такой системы позволяет прокачивать через контур охлаждения большее количество охлаждающей жидкости за единицу времени, что, в конечном счете, и приводит к эффективности охлаждения. Это обеспечивает улучшение ресурсных характеристик горелки в части повышения износостойкости основных деталей горелки (вольфрамового электрода 15 и сменного сопла 2) и надежности в процессе эксплуатации. То есть, повышение износостойкости за счет эффективного охлаждения заключается в исключении перегрева вольфрамового электрода 15 и сменного сопла 2 и последующего попадания элементов вольфрама и меди в покрытие.
Это обеспечивает повышение эффективности процесса плазменного напыления при улучшении качества покрытия. Кроме этого, одноконтурная система охлаждения обеспечивает уменьшение габаритных размеров и массы плазменной горелки. Это способствует расширению технологических возможностей горелки в части нанесения покрытий на внутренние поверхности цилиндрических и сферических деталей и других различных сложнопрофильных конструкций в ограниченном пространстве.
После этого выполняют подачу плазмообразующего газа в виде газовой смеси аргона и водорода через установленный штуцер в резьбовое отверстие 21 изолятора 20 с помощью газораспределительной втулки 5 анодного узла. Далее плазмообразующий газ заполняет проточку 10 газораспределительной втулки 5 и далее поступает по четырем отверстиям 11 в камеру подготовки 12 газораспределительной втулки 5 (надэлектродное пространство). При этом, как видно на фиг. 2, за счет тангенциального расположения отверстий 11 газораспределительной втулки 5 происходит движение плазмообразующего газа по касательной к внутреннему контуру газораспределительной втулки 5 и вращение плазмообразующего газа вокруг вольфрамового электрода 15 в камере подготовки 12. Интенсивное вращение потока плазмообразующего газа в камере подготовки 12 обеспечивает однородность газовой смеси за счет равномерного перемешивания газов. В разрядный промежуток между электродом 15 и сменным соплом 2 поступает максимально однородная газовая смесь и, тем самым, обеспечивается однородность потока самой плазмы.
Однородный поток плазмы - это поток частично ионизированного плазмообразующего газа, который истекает из сменного сопла 2 ровной струей без пульсаций и искажения формы факела. Это в свою очередь приводит к стабильности температуры в факеле на протяжении всего процесса плазменного напыления. Все это обеспечивает повышение стабильности формирования потока плазмы и эффективности процесса плазменного напыления при улучшении качества наносимого покрытия. Таким образом, камера подготовки 12 газовой смеси обеспечивает предварительную подготовку газовой смеси и выполняет функцию своего рода гомогенизатора, в котором за счет перемешивания газов исключается возникновение зон повышенного давления и разрежения газовой смеси.
Затем через отверстие 7 корпуса 1 анодного узла и отверстие 19 вставки 13 катодного узла подают напряжение от источника питания. После этого между вольфрамовым электродом 15 и сменным соплом 2 возникает дуговой разряд и происходит возбуждение электрической дуги, которая ионизирует плазмообразующий газ, проходящий через сменное сопло 2, превращая его в плазменную струю. При этом форма вольфрамового электрода 15 исключает возникновение эрозии на сменном сопле 2 и электроде 15, снижает вероятность загрязнения покрытия частицами вольфрама, меди и не приводит к срыву потока плазмы. То есть, предложенная форма вольфрамового электрода 15 обеспечивает стабильность формирования плазменного потока и повышает эффективность процесса напыления при улучшении качества покрытия.
Далее через штуцер, установленный в отверстие 9 основания 4 и сменного сопла 2 анодного узла, вводят напыляемый материал в виде порошка в плазменную струю. Здесь происходит нагрев напыляемого материала, и ускорение его частиц, в результате чего осуществляют нанесение покрытия на наружную или внутреннюю поверхность различных конструкций.
Дополнительно с помощью данной горелки возможно нанесение покрытий на внутренние поверхности цилиндрических и сферических деталей, при напылении которых затруднено рассеивание тепла. При таком варианте, поскольку плазменную горелку располагают внутри деталей, то происходит интенсивный нагрев наружной поверхности плазменной горелки теплом, отражаемым от поверхности на которую наносят покрытие. Причем при нанесении покрытия происходит и одновременный нагрев горелки с внутренней стороны воздействием низкотемпературной плазмы. Для решения данной проблемы авторами предлагается вариант конструкции плазменной горелки с одноконтурной системой охлаждения. Это позволяет оптимизировать конструкцию плазменной горелки в части снижения габаритных размеров и массы горелки с возможностью ее расположения внутри полости деталей. При этом для максимально эффективного теплосъема и исключения перегрева горелки зона омывания 6 сменного сопла 2 реализована с увеличенным поперечным сечением. Эффективность работы системы охлаждения и плазменной горелки в целом подтверждена предварительной эксплуатацией данной конструкции горелки для нанесения покрытий на внутренние поверхности деталей в ограниченном пространстве.
Промышленная применимость
Наиболее эффективно выглядит использование плазменной горелки для нанесения покрытий в машиностроении, атомной энергетике, в космической и других отраслях промышленности. Изобретение может использоваться для нанесения металлических и керамических покрытий на внутренние поверхности сложнопрофильных конструкций, при напылении которых затруднено рассеивание тепла.
Рассмотренный вариант плазменной горелки был изготовлен и реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это подтверждает его работоспособность и промышленную применимость.
Изготовленная плазменная горелка для нанесения покрытий подтвердила заявленный технический результат, заключающийся в исключении зон повышенного давления и разряжения газовой смеси, обеспечении однородности потока плазмы, исключении эрозии на электроде и на сопле, улучшении ресурсных характеристик плазменной горелки в виде надежности и износостойкости, возможности нанесения покрытия на внутренние поверхности цилиндрических и сферических деталей в ограниченном пространстве.