Plazmové navařování: zařízení a procesní technologie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Účinnost a problémy plazmového navařování jsou pro materiálové inženýry mimořádně naléhavé. Díky této technologii je možné nejen výrazně zvýšit životnost a spolehlivost vysoce zatížených dílů a sestav, ale také obnovit, zdá se, stoprocentně opotřebené a zničené výrobky.

Zavedení plazmového navařování do technologického procesu výrazně zvyšuje konkurenceschopnost strojírenských výrobků. Proces není zásadně nový a používá se již dlouhou dobu. Neustále se však zlepšuje a rozšiřuje své technologické možnosti.

Obecná ustanovení

Plazma je ionizovaný plyn. Je spolehlivě známo, že plazmu lze získat různými způsoby v důsledku elektrických, tepelných nebo mechanických účinků na molekuly plynu. Pro jeho vznik je nutné odtrhnout záporně nabité elektrony od kladných atomů.

V některých zdrojích můžete najítinformace, že plazma je čtvrtým stavem agregace hmoty spolu s pevnou, kapalnou a plynnou. Ionizovaný plyn má řadu užitečných vlastností a používá se v mnoha odvětvích vědy a techniky: plazmové navařování kovů a slitin za účelem obnovy a vytvrzování silně zatížených výrobků, které jsou vystaveny cyklickému zatížení, iontově-plazmová nitridace v doutnavém výboji pro difúzní nasycení a kalení povrchů dílů, pro provádění chemických procesů moření (využívá se v technologii výroby elektroniky).

Příprava na práci

Než začnete objevovat, musíte nastavit vybavení. V souladu s referenčními údaji je nutné zvolit a nastavit správný úhel sklonu trysky hořáku k povrchu výrobku, vyrovnat vzdálenost od konce hořáku k dílu (měla by být od 5 do 8 milimetry) a vložte drát (pokud se materiál drátu dostává na povrch).

Pokud bude navařování probíhat kolísáním trysky v příčných směrech, pak je nutné nastavit hlavu tak, aby svar byl přesně uprostřed mezi krajními body amplitud kolísání hlava. Je také nutné upravit mechanismus, který nastavuje frekvenci a velikost oscilačních pohybů hlavy.

Technologie navařování plazmovým obloukem

Proces navařování je poměrně jednoduchý a může jej úspěšně provést každý zkušený svářeč. Nicméně vyžadujeumělec maximální koncentrace a pozornosti. Jinak můžete snadno zničit obrobek.

K ionizaci pracovního plynu se používá silný obloukový výboj. Oddělení záporných elektronů od kladně nabitých atomů se provádí tepelným účinkem elektrického oblouku na proud pracovní směsi plynů. Za řady podmínek je však proudění možné nejen vlivem tepelné ionizace, ale také vlivem silného elektrického pole.

Plyn se dodává pod tlakem 20-25 atmosfér. Pro jeho ionizaci je potřeba napětí 120-160 voltů s proudem asi 500 ampér. Kladně nabité ionty jsou zachyceny magnetickým polem a spěchají ke katodě. Rychlost a kinetická energie elementárních částic je tak velká, že když se srazí s kovem, jsou schopny mu dát obrovskou teplotu - od +10 … +18 000 stupňů Celsia. V tomto případě se ionty pohybují rychlostí až 15 kilometrů za sekundu (!). Plazmová navařovací instalace je vybavena speciálním zařízením nazývaným "plazmový hořák". Právě tento uzel je zodpovědný za ionizaci plynu a získání směrovaného toku elementárních částic.

Síla oblouku by měla být taková, aby zabránila roztavení základního materiálu. Současně by teplota produktu měla být co nejvyšší, aby se aktivovaly difúzní procesy. Teplota by se tedy měla blížit linii likvidu na diagramu železo-cementit.

Jemný prášek speciálního složení nebo elektrodový drát je přiváděn do proudu vysokoteplotního plazmatu, ve kterém se materiáltaje. V kapalném stavu povrch padá na vytvrzený povrch.

Plazmový nástřik

Pro implementaci plazmového nástřiku je nutné výrazně zvýšit průtok plazmy. Toho lze dosáhnout úpravou napětí a proudu. Parametry jsou vybírány empiricky.

Materiály pro plazmové stříkání jsou žáruvzdorné kovy a chemické sloučeniny: wolfram, tantal, titan, boridy, silicidy, oxid hořečnatý a oxid hlinitý.

Nespornou výhodou nástřiku ve srovnání se svařováním je schopnost získat ty nejtenčí vrstvy, v řádu několika mikrometrů.

Tato technologie se používá pro kalení řezání soustružení a frézování vyměnitelných karbidových destiček, stejně jako závitníků, vrtáků, záhlubníků, výstružníků a dalších nástrojů.

Získání otevřené plazmové trysky

V tomto případě samotný obrobek funguje jako anoda, na kterou je materiál nanášen plazmou. Zjevnou nevýhodou tohoto způsobu zpracování je zahřívání povrchu a celého objemu součásti, což může vést ke strukturálním přeměnám a nežádoucím důsledkům: měknutí, zvýšená křehkost atd.

Uzavřená plazmová tryska

V tomto případě plynový hořák, přesněji jeho tryska, funguje jako anoda. Tato metoda se používá pro plazmové práškové navařování s cílem obnovit a zlepšit výkon dílů auzly stroje. Tato technologie si získala zvláštní oblibu v oblasti zemědělské techniky.

Výhody plazmového navařování

Jednou z hlavních výhod je koncentrace tepelné energie na malé ploše, což snižuje vliv teploty na původní strukturu materiálu.

Proces je dobře zvládnutelný. V případě potřeby a při vhodném nastavení zařízení se může povrchová vrstva měnit od několika desetin milimetru do dvou milimetrů. Možnost získat řízenou vrstvu je v tuto chvíli obzvláště aktuální, protože umožňuje výrazně zvýšit ekonomickou efektivitu zpracování a získat optimální vlastnosti (tvrdost, odolnost proti korozi, odolnost proti opotřebení a mnoho dalších) povrchů ocelových výrobků.

Další neméně důležitou výhodou je možnost provádět plazmové svařování a navařování široké škály materiálů: mědi, mosazi, bronzu, drahých kovů i nekovů. Tradiční metody svařování to zdaleka ne vždy dokážou.

Navařovací zařízení

Instalace pro plazmové navařování zahrnuje tlumivku, oscilátor, plazmový hořák a napájecí zdroje. Dále by měl být vybaven zařízením pro automatické podávání granulí kovového prášku do pracovního prostoru a chladicím systémem s konstantní cirkulací vody.

Zdroje energie pro plazmové navařování musí splňovat přísné požadavkystálost a spolehlivost. Svařovací transformátory odvedou v této roli nejlepší práci.

Při nanášení práškových materiálů na kovový povrch se používá tzv. kombinovaný oblouk. Otevřené i uzavřené plazmové trysky se používají současně. Úpravou síly těchto oblouků je možné měnit hloubku průniku obrobku. Za optimálních podmínek se deformace výrobků neobjeví. To je důležité při výrobě dílů a sestav v přesném strojírenství.

Podavač materiálu

Kovový prášek je dávkován speciálním zařízením a přiváděn do tavicí zóny. Mechanismus nebo princip činnosti podavače je následující: lopatky rotoru tlačí prášek do proudu plynu, částice se zahřívají a ulpívají na ošetřovaném povrchu. Prášek se přivádí samostatnou tryskou. Celkem jsou v plynovém hořáku instalovány tři trysky: pro přívod plazmy, pro přívod pracovního prášku a pro ochranný plyn.

Pokud používáte drát, je vhodné použít standardní podávací mechanismus svářečky pod tavidlem.

Příprava povrchu

Plazmovému nanášení a nástřiku materiálů by mělo předcházet důkladné vyčištění povrchu od mastných skvrn a jiných nečistot. Pokud je při konvenčním svařování přípustné provádět pouze hrubé, povrchové čištění spojů od rzi a okují, pak při práci s plynovým plazmatem musí být povrch obrobku ideálně (v rámci možností) čistý, bez cizích vměstků. Nejtenčí oxidový film je schopenvýrazně oslabí adhezní interakci mezi návarem a základním kovem.

Pro přípravu povrchu pro povrchovou úpravu se doporučuje odstranit nepodstatnou povrchovou vrstvu kovu opracováním řezáním s následným odmaštěním. Pokud to rozměry dílu dovolují, doporučuje se povrchy umýt a vyčistit v ultrazvukové lázni.

Důležité vlastnosti povrchové úpravy kovů

Existuje několik možností a metod pro plazmové navařování. Použití drátu jako materiálu pro navařování výrazně zvyšuje produktivitu procesu ve srovnání s prášky. Je to způsobeno tím, že elektroda (drát) funguje jako anoda, což přispívá k mnohem rychlejšímu ohřevu nanášeného materiálu, což znamená, že umožňuje upravit režimy zpracování směrem nahoru.

Kvalita povlaku a adhezní vlastnosti jsou však jednoznačně na straně práškových přísad. Použití jemných kovových částic umožňuje získat na povrchu stejnoměrnou vrstvu libovolné tloušťky.

Povrchový prášek

Použití práškového navařování je preferováno z hlediska kvality výsledných povrchů a odolnosti proti opotřebení, proto se ve výrobě stále častěji používají práškové směsi. Tradičním složením práškové směsi jsou kob altové a niklové částice. Slitina těchto kovů má dobré mechanické vlastnosti. Po zpracování takovým složením zůstává povrch dílu dokonale hladký a není potřeba jeho mechanické dolaďování a odstraňování nerovností. Frakce práškových částic je pouze několik mikrometrů.