Плазменные процессы

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный технический университет Кафедра «Машиностроение и материаловедение» Секция «Оборудование и технология сварочного производства» В.С. Кац Плазменные процессы Конспект лекций Лекция №1.Общие сведения о плазменных процессах. Сварочная дуга и ее свойства. В нормальных условиях газ состоит из нейтральных молекул или атомов и является электрическим изолятором. Однако под действием сильного электрического поля, приложенного к элек­тродам, а также при нагреве газа и электродов до определенной температуры происходит пробой газового промежутка. В этом случае через него проходит электрический ток. Такое физическое явление получило название «электрического разряда. Дуговой разряд отличается относительно высокими плотно­стью тока, температурой и электропроводностью газа. Дугой при­нято считать конечную устойчивую форму разряда. Механизм проводимости газа существенно отличен от меха­низма проводимости твердого и жидкого вещества. Механизм проводимости газа существенно отличен от меха­низма проводимости твердого и жидкого вещества. В металличе­ском проводнике носителями тока являются свободные электроны, а в растворе электролита - положительные и отрицательные ионы. В проводящем газе носителями тока являются как электроны, так и ионы. Отличительной чертой газообразного проводника является постоянный взаимообмен энергией между электронами, ионами и нейтральными молекулами, происходящий при их столкновениях в результате беспорядочного теплового движения. В металлическом проводнике носителями тока являются свободные электроны, а в растворе электролита - положительные и отрицательные ионы. В проводящем газе носителями тока являются как электроны, так и ионы. Отличительной чертой газообразного проводника является постоянный взаимообмен энергией между электронами, ионами и нейтральными молекулами, происходящий при их столкновениях в результате беспорядочного теплового движения. На рис. 1 показано строение дуги. Переходные области, прилегающие к электродам характеризуются весьма малыми раз­ме­рами и резкими скачками потенциала Рис. 1. Строение дуги и распределение напряжения вдоль ее оси: i+, i- ‑ соответственно ионная и электронная составляющие тока дуги; L ‑ расстояние от анода до рассматриваемой точки; I ‑ анодная область; II ‑ столб дуги; III ‑ катодная область; A ‑ анод; K ‑ катод. На аноде электроны мо­гут свободно входить в материал электрода, ионы же, как правило, не выходят в газ из электрода. Это приводит к скоплению электро­нов вблизи анода, т.е. к возникновению в указанном месте отри­цатель­ного объемного заряда, обуславливающего появление анод­ного падения напряжения Uа. На катоде ионы газа могут свободно про­ходить к электроду, а электроны, чтобы выйти из металла в газ, должны преодолеть потенциальный барьер. Это приводит к скоп­лению ионов, т.е. к возникновению положительного объемного заряда вблизи катода, что вызывает появление катодного падения напряжения Uк. Переходные области характеризуются резким скачком темпе­ратуры от сравнительно холодных электродов к весьма горячей плазме. Протяженность как катодной, так и анодной областей со­ставляет менее сотой доли миллиметра, т.е. порядок этой вели­чины равен порядку длины свободного пробега электрона. Катод­ное падение напряжения составляет 5 – 10 В, анодное – 1 - 5 В, плотность тока на катоде изменяется в пределах 10 ‑ 1 000 А/мм2, на аноде – 1 - 100 А/мм2. Выход электронов из катода происходит в результате термо­электронной эмиссии, возникающей при высокой температуре ка­тода, если он выполнен из тугоплавкого металла или в результате автоэлектронной эмиссии, возникающей при сильном электриче­ском поле вблизи катода. Между катодной и анодной областями располагается столб дуги, падение напряжения на котором обозначено Uc. Обычно столб дуги представляют в виде цилиндрического канала, находя­щегося в квазинейтральном состоянии. Под квазинейтральным состоянием понимают равенство нулю алгебраической суммы зарядов в любом не слишком малом объ­еме, т.е. отсутствие заметного избытка электрических зарядов од­ного знака, как это имеет место в приэлектродных областях. Элек­трическое поле столба напряженностью Е сообщает энергию элек­тронам и ионам. Так как масса ионов намного больше по сравне­нию с массой электронов, скорость движения электронов в на­правлении поля или так называемая скорость их «дрейфа» в не­сколько сотен раз больше скорости «дрейфа» ионов. Таким обра­зом, более подвижные электроны отбирают практически всю энер­гию электрического поля столба. Поэтому принято считать, что ток в столбе дуги переносится в основном электронами. При давлении, близком к атмосферному и выше, электроны отдают часть своей энергии ионам, нейтральным атомам и моле­кулам при многократных столкновениях с ними в беспорядочном тепловом движении. Это приводит к выравниванию энергии и температуры между всеми частицами, т.е. к так называемому тер­модинамическому равновесию. В реальной дуге температура изме­няется по сечению столба. Поэтому можно говорить лишь о ло­кальном термическом равновесии, имея в виду равенство темпера­тур различных частиц в небольшой области вблизи рассматривае­мой точки. Если газ молекулярный, то при относительно низкой темпера­туре ((4-8)103 К) происходит диссоциация молекул, т.е. разделение их на отдельные атомы. Этот процесс происходит с поглощением значительного количества тепла и связан с увеличением подводи­мой к дуге мощности. С возрастанием температуры до 104 К уси­ливаются процессы однократной ионизации - расщепления атомов на электроны и ионы. Ионизации атома часто предшествует его возбуждение, т.е. переход одного из электронов атома на орбиту с более высоким энергетическим уровнем. При действии на атом дополнительной порции энергии электрон выходит из области притяжения ядра и окончательно покидает атом, который превра­щается в положительный ион. Процесс ионизации, как и диссоциация, связан с поглощением тепла, т.е. с превращением кинетической энергии в потенциаль­ную энергию частиц. При температуре свыше 20103 К развива­ются процессы многократной ионизации атомов. Вследствие охлаждающего действия окружающей среды тем­пература столба дуги падает в радиальном направлении от оси. В связи с этим в радиальном направлении уменьшается также и кон­центрация заряженных частиц, а следовательно, имеет место их диффузия от центра к периферии столба. Несмотря на то, что элек­троны движутся гораздо быстрее ионов, последние, обладая значи­тельно большей массой, притягивают и тормозят их, т.е. способст­вуют удержанию электронов внутри электропроводного канала столба дуги. Происходит процесс так называемой амбиполярной диффузии, т.е. одновременное движение электронов и ионов из слоев с более высокой к слоям с более низкой температурой. Одновременно с этим протекает также процесс рекомбинации, обратный ионизации, т.е. восстановление нейтральных атомов при взаимодействии положительных ионов с электронами. В более хо­лодных слоях на границе столба дуги происходит процесс молиза­ции, т.е. соединение атомов в составные молекулы. Эти процессы происходят с выделением тепла. Таким образом, в столбе дуги непрерывно происходит тепло­передача от центра столба к периферии не только за счет обычной теплопроводности, под которой подразумевается перенос кинети­ческой энергии, но и за счет термодиффузии частиц. В конечном счете, величина электропроводного диаметра столба дуги определяется взаимодействием двух противополож­ных радиальных сил: термодинамического давления дуги Рт, на­правленного от оси дуги, и давления собственного магнитного поля тока дуги Рм, направленного к центру, величины которых мо­гут быть найдены по следующим формулам , где: T - температура плазмы, К; k - постоянная Больцмана (k = 1,3810-23 Дж/ К); n0, nu, nе - концентрации соответственно ней­тральных атомов, ионов и электронов, 1/см3; , где: Jd - ток дуги, А; dпр - электропроводный диаметр столба, см; с ‑ скорость света (с = 31010 см/с). Обычно в столбе открытой дуги при равновесии этих сил имеет место одновременный рост тока и площади поперечного се­чения столба. Плотность тока в диапазоне от 10 до 10 000 А невы­сока и достигает от 1 до 30 А/мм2. При этом температура дуги не превышает 10 000 К. Стремление искусственно повысить тем­пературу дуги привело к созданию плазмы и широкому приме­нению плазменно-дуговых технологий. Плазма - это частично или полностью ионизированный высо­котемпературный газ, состоящий из нейтральных атомов или мо­лекул, ионов и электронов. В 1 см3 плазмы содержится 109–1010 заряженных частиц. Различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму. Практическое применение для плазменных процессов в машиностроении нашла низкотемпературная плазма. Газоразряд­ная низкотемпературная плазма обладает свойством локального термического равновесия. Плазма газового разряда характеризует­ся температурой от 2 000 – 3 000 ̊С до 40 000 – 50 000 ̊С, в зави­симости от состава плазмообразующего газа и количества энергии, затраченной на образование плазмы. В наиболее распространен­ных плазменных технологических процессах используются дуги средней мощности (сила тока до 1 000 – 1 500 А), стабилизирован­ные потоком газа (Ar, N2, О2, Н2) и плазма обычно имеет темпера­туру 5 000 – 20 000 ̊С. Наиболее распространены способы получения плазменных струй путем интенсивного охлаждения газовым потоком столба дуги, горящей в сравнительно узком водоохлаждаемом канале со­пла плазменной горелки, которую называют плазмотроном. Эту плазменную струю называют сжатой дугой. Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, вследствие чего температура плазмы в центральной части столба дуги повышается до 10 000 – 50 000 ̊С (в зависимости от степени обжатия, состава и расхода плазмообразующего газа). В результате внутренний слой газа, соприкасающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный слой, омывающий стенки канала сопла, остается срав­нительно холодным, образуя изоляцию (электрическую и тепло­вую) между потоком плазмы и каналом сопла. Являясь электриче­ским изолятором, этот охлажденный слой газа препятствует от­клонению столба дуги от заданного направления и замыканию его на стенку канала сопла. Плазменная струя характеризуется основными параметрами: qг – мощностью плазменной струи на срезе сопла; Tг – среднемассовой температурой плазменной струи;г – внутренним КПД плазменной горелки; H – удельной энтальпией плазмообразующего газа. Мощность плазменной струи на срезе сопла, среднемассовую температуру, внутренний КПД плазменной горелки и удельную энтальпию – теплосодержание подсчитывают по формулам: , где cp – теплоемкость газа, Дж/(кгК); G – массовый расход плазмо­образующего газа, г/сек; , где: Е – градиент напряжения дуги, В/см; Jd – сила тока, А; dc- диа­метр сопла, см; k – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); l – длина дуги, см; , где Uак – сумма анодного и катодного падения напряжений, В; . Сравнительные характеристики плазменной струи различных газов приведены в табл. 1. Таблица 1 Сравнительные характеристики плазменной струи Плазмообразующий газ qг, Дж/с G, г/с г % Н, Дж/кг Тг, К Азот 104,6 0,5 60 9 000 7 080 Водород 58,6 0,2 80 4 315 3 800 Гелий 92,1 0,45 45 8 670 19 700 Аргон 83,7 0,42 40 8 540 13 825 Воздух 75,3 0,38 50 7 760 6 675 В зависимости от скорости истечения плазмообразующего газа наблюдается различная длина струи плазмы. При ламинарном истечении газа (низкие скорости) струя плазмы длинная, малосмешивающаяся с окружающей атмосферой. При турбулентном истечении газа (большой скорости) имеет место короткая струя плазмы. Основными параметрами регулирования тепловых процессов плазменной струи являются: сила тока, длина дуги и расход плаз­мообразующего газа. Увеличение силы тока и длины дуги приводит к возрастанию температуры и удельной энтальпии струи. По­вышение расхода плазмообразующего газа снижает температуру и удельную энтальпию струи. Важными характеристиками плазменной струи являются эффективная тепловая мощность (q – мощ­ность, вводимая плазменной струей в обрабатываемый материал) и распределение этой мощности по пятну нагрева. Эффективная те­пловая мощность q меньше мощности qг плазменной струи на срезе сопла вследствие конвективных и лучистых потерь. Увеличение силы тока дуги, длины ее в дуговой камере и уменьшение диаметра канала сопла приводят к возрастанию q. Увеличение рас­хода газа при малых его значениях приводит к резкому возрастанию q струи. При больших расходах мощность увеличивается не­значительно. Схемы получения плазменных дуг В зависимости от назначения применяются две основные схемы получения плазменных дуг, которые определяются, в свою очередь, способом включения плазмотрона: прямого и кос­венного действия. В плазмотронах прямого действия дуга горит между анодом, которым является поверхность обрабатываемого изделия и элек­тродом - катодом. Эта схема в основном применяется при плаз­менной сварке и резке, т. к. большая часть тепла передается непо­средственно поверхности изделия через плазменную струю. В плазмотронах, генерирующих «сжатую» дугу прямого действия, передача теплоты плазмообразующему газу обусловлена тепло­проводностью, конвекцией, излучением плазмы и заряженными частицами, движущимися в электрическом поле. В плазмотронах косвенного действия дуга горит между ано­дом, которым служит сопло плазмотрона, и электродом - катодом, а плазменная струя свободно истекает через канал сопла. Эта схема чаще всего используется для плазменного напыления раз­личных материалов, при котором обрабатываемая поверхность не подвергается существенному термическому влиянию, а напы­ляе­мый материал можно вводить в зону наибольшей температуры и скорости плазменной струи. Кроме этого такая схема может быть использована также при сварке и резке неэлектропроводящих ма­териалов и поверхностной обработке. В плазмотронах генери­рую­щих «сжатую» дугу косвенного действия передача теплоты газу осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и излу­чения. Плазмотроны комбинированного действия используются, как правило, для плазменной наплавки различных материалов. В этом случае имеется возможность регулировать соотношение количе­ства тепла, передаваемого дугой изделию и присадочному мате­риалу, изменением сопротивления в цепи анода-сопла. Классификация и принципиальное устройство плазмотронов Основным элементом энергетической части установок, ис­пользуемых для различных видов плазменной обработки, является плазмотрон. Плазмотрон - это устройство, служащее для генери­рования низкотемпературной плазмы путем продувания газа через электрический дуговой разряд в канале сопла. Конструкции плаз­мотронов разнообразны, однако все они имеют следующие основ­ные элементы: электрод, сопло и разделяющий их изолятор (рис.2). Сжатая дуга возбуждается поэтапно, что обусловлено относи­тельно большим расстоянием между электродом и изделием чем, например, при дуговой сварке неплавящимся электро­дом в инерт­ном газе. Сначала во внутреннюю камеру плазмотрона подается плазмообразующий газ. При включении осциллятора в проме­жутке «электрод верхний срез канала сопла» возникает высоко­вольтный электрический разряд. Плазмообразующий газ, прохо­дящий через разряд, частично ионизируется и начинает про­водить электрический ток, создавая условия для возбуждения ма­лоампер­ной «дежурной» дуги. Рис. 2. Принципиальное устройство плазмотрона: 1 ‑ электрод; 2 ‑ плазмообразующий газ; 3 ‑ изолятор; 4 ‑ источник питания; 5 ‑ сопло; 6 ‑ охлаждающая вода; 7 ‑ канал сопла; 8 ‑ осциллятор; 9 ‑ двойная дуга; 10 ‑ сжатая дуга; 11 ‑ изделие; 12 ‑ дежурная дуга. Вслед за этим через 1–3 с загорается «дежурная» дуга, а ос­циллятор отключается. Анодное пятно дуги перемещается по внутренней стенке канала сопла, а столб оказывается жестко ста­билизированным по оси электрода и сопла. Плазмообразующий газ, проходящий через дуговой разряд «дежурной» дуги, нагрева­ется и, ионизируясь, образует поток плазмы, который этим же га­зом выдувается в виде факела плазменной струи. Наружный слой газа, омывающий столб дуги, остается относительно холодным и образует электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла, предохраняя его от разрушения. Кроме того, наружный слой газа усиленно охлаждает столб дуги, в ре­зультате чего сечение столба уменьшается, а плотность тока и температура возрастают. При этом за счет уменьшения диаметра столба усиливается сжимающее действие на дугу ее собственного магнитного поля. Таким образом, в плазмотроне термическое сжатие (термический пинч-эффект) вызывает усиление магнитного сжатия (магнитного пинч-эффекта). Плотность тока плазменной дуги при этом возрастает до 100 А/мм2, что на порядок выше плотности тока свободной дуги, а температура достигает несколь­ких десятков тысяч градусов. При выходе из сопла поток плазмы несколько расширяется, т.е. сопло является как бы диафрагмой, перетягивающей плазмен­ный столб. Это приводит к возникновению осевого градиента дав­ления собственного магнитного поля дуги, увеличивающего ско­рость истечения плазменной струи из сопла до значений, превы­шающих скорость звука. Как только факел коснется изделия, мгновенно возбуждается основная «сжатая» дуга между электро­дом и изделием. После возбуждения основной дуги «дежурная» дуга отключается. В канале сопла плазмотрона осуществляется обжатие плазмы, в результате чего происходит повышение скоро­сти ее движения и давление. Таким образом, при выходе из канала сопла плазменная струя имеет высокие температуру и скорость. Одним из недостатков такого процесса является невозможность увеличения тока больше определенного значения при фиксиро­ванных размерах длины и диаметра канала сопла плазмотрона. При некоторых значениях тока и диаметра канала сопла образу­ется аварийный режим работы плазмотрона - «двойная» дуга. Внешне «двойная» дуга проявляется в том, что вместо одной дуги, горящей между неплавящимся электродом и изделием, горят две дуги: электрод – сопло, сопло – изделие (рис. 3). В этом случае на верхней кромке рабочего сопла образуется анодное пятно первой дуги, на нижней - катодное пятно второй дуги. Если своевременно не отключить «сжатую» дугу от источника питания, то сопло рас­плавляется и выходит из строя, так как охлаждающая среда не мо­жет отвести всю теплоту, выделяющуюся в анодном пятне «двой­ной» дуги. Одной из причин образования «двойной» дуги является то, что толщина прослойки «холодного газа» между стенкой канала сопла и столбом дуги с увеличением тока уменьшается, вследствие чего повышается ее электропроводность и создаются условия для электрического пробоя. Следовательно, для предотвращения обра­зования «двойной» дуги необходимо создать такие условия работы сопла, которые предотвращали бы пробой газового промежутка между столбом дуги и соплом, т.е. падение напряжения внутри сопла должно быть меньше напряжения пробоя прослойки газа. где: Uс – напряжение внутри сопла, В; Lc – длина канала сопла, мм; Ec – напряженность электрического поля сопла, В/мм; Uпр – на­пряжение пробоя прослойки газа, В. Величина Uпр зависит от толщины прослойки газа, его тепло­проводности, скорости истечения, температуры столба. Вероятность двойного дугообразования снижается, если уве­личивается расстояние от сопла до изделия, отсутствует дежурная дуга, увеличивается расход газа, уменьшается величина заглубле­ния электрода в канал сопла, увеличивается диаметр канала сопла. Надежная работа сопла обеспечивается его охлаждением проточ­ной водой, желательно дистиллированной. К плазмотронам предъявляется ряд общих требований: они должны обеспечивать: многократное надежное возбужде­ние и стабильное горение «сжатой» дуги; электрод и сопло должны выдерживать длительную тепловую нагрузку при максимальной мощности плазмотрона; электрическая изоляция между электродом и соплом должна устойчиво работать при максимальном напряжении (2-5 кВ), имеющем место в момент зажигания и обрыва дуги; плазмотроны должны быть технологичными в изготовлении и ремонте, удобными в эксплуатации; элементы водяных и газовых коммуникаций должны выдержи­вать внутреннее давление не ниже 0,1 МПа. К плазмотронам предъявляется и ряд специальных требова­ний, обусловленных особенностями технологического процесса. Плазмотроны для сварки и наплавки должны обеспечивать надежную защиту шва от вредного воздействия окружающей среды, плазмотроны для напыления - высокие скорость истечения и теплосодержание плазменной струи при минимальной ее загряз­ненности продуктами эрозии электродов, плазмотроны для резки - высокую концентрацию теплового потока плазменной струи. Руч­ной плазмотрон должен быть легким и удобным в обращении. В настоящее время разработано большое количество плазмо­тронов, классифицируемых по следующим признакам. По виду хладагента, используемого для охлаждения электрода и сопла - с воздушным и водяным охлаждением. Теплоем­кость воды намного выше теплоемкости воздуха и других газов. Поэтому наиболее эффективной и распространенной является во­дяная система охлаждения, при которой допускаются высокие те­пловые нагрузки на электрод и сопло, т.е. обеспечивается нор­мальная работа плазмотрона при больших токах и высокой сте­пени обжатия плазменной дуги. Однако водяное охлаждение не­сколько усложняет конструкцию плазмотрона, утяжеляет его из-за наличия водоподводящих шлангов и удорожает эксплуатацию плазменной установки. Чистота воды существенно влияет на эф­фективность теплоотвода. При больших расходах воды плазмен­ную установку целесообразно оснащать циркуляционной системой охлаждения с использованием дистиллированной воды во избежа­ние образования накипи. Система воздушного охлаждения ввиду низкой эффективно­сти применяется реже, главным образом для охлаждения малоам­перных плазменных горелок и ручных плазменных резаков, пред­назначенных для работ в зимних условиях. В обеих системах охлаждающая среда чаще всего проходит последовательно электродный и сопловой узел через изолирую­щий корпус плазмотрона. При этом существенную роль с точки зрения эффективности охлаждения играет профиль полостей элек­тродных узлов, температура и давление поступающей в плазмо­трон охлаждающей среды. Основная задача при выборе системы охлаждения состоит в том, чтобы обеспечить максимальную ин­тенсивность отвода тепла стенками сопла. Чем выше величина те­плового потока, отводимого соплом, тем круче температурный градиент газовой прослойки между столбом дуги и стенками ка­нала сопла и, следовательно, тем выше плотность тока и мощность столба дуги. По способу стабилизации «сжатой» дуги в сопле плазмо­трона - потоком газа или воды и магнитным полем. Сис­тема стабилизации дуги, обеспечивающая сжатие столба и стро­гую фиксацию его по оси электрода, является наиболее важным элементом плазмотрона. Наибольшее распространение нашли плазмотроны с газовой стабилизацией дуги. Различают плазмо­троны с аксиальной, тангенциальной (вихревой) и двойной пода­чей газа. При аксиальной подаче газа поток плазмы об­ладает более спокойным ламинарным характером течения, что обеспечивает расплавление без выдувания жидкого металла из сварочной ванны. Такие плазмотроны применяют для сварки и на­плавки. Иногда применяют двойную подачу газа, при которой со­четается аксиальная подача газа через первичное и вихревая по­дача через вторичное сопло и наоборот. Наиболее эффективное сжатие дуги, лучшая изоляция стенок канала сопла и пространст­венная устойчивость «сжатой» дуги достигаются при тангенци­альной подаче плазмообразующего газа, что используется в плаз­мотронах для резки, плазменно-механической обработки и напы­ления. В случаях, когда в качестве плазмообразующей среды ис­пользуется водяная струя, достигаются наиболее высокая степень сжатия и температура дуги. Однако пары воды способст­вуют интенсивному сгоранию электродов из любых материалов. В таких случаях в качестве электрода используют графитовый стер­жень, который автоматически перемещается по мере его сгорания. Плазмотроны с водяной стабилизацией отличаются сложностью конструкции, малой надежностью систем автоматического регули­рования и сложностью возбуждения дуги. Магнитная стабилизация, при которой магнитное поле сжимает столб дуги, менее эффек­тивна, чем газовая и водяная. Кроме того, надетый на сопло соле­ноид усложняет конструкцию плазмотрона. Преимущество спо­соба магнитной стабилизации дуги состоит в возможности регули­рова­ния степени сжатия столба дуги независимо от расхода рабочего газа, в то время как при газовой и водяной стабилизации рабочий газ является одновременно плазмообразующим и стабилизирую­щим. На практике наложение продольного магнитного поля при­меняется не столько для стабилизации дуги, сколько для вращения ее анодного пятна по внутренним стенкам сопла с целью повыше­ния стойкости последнего. Например, в плазмотронах, применяе­мых для напыления, магнитное вращение анодного пятна позво­ляет значительно снизить эрозию сопла и, следовательно, загряз­ненность плазменной струи. В зависимости от свойств плазмообразующей среды плазмо­троны подразделяются на три группы: работающие в инертной (Ar, He), восстановительной (H2,N2, NH3, CnH2n+2) и окислительной среде (O2, CO2, H2O, H2+O2). Состав плазмообразующей среды диктуется технологическим процессом и в свою очередь является определяющим фактором при выборе схемы плазмотрона и его электрода - катода. По виду электрода-катода плазмотроны подразделяются на плазмотроны со стержневым и распределенным катодом. В основ­ном применяются стрежневые катоды, у которых катодное пятно фиксируется на торце электрода. Они подразделяются на три вида: расходуемые, газозащищенные и пленкозащищенные. Расходуемый электрод, чаще всего изготовлен из графита. Несмотря на то, что графит обладает высокой температурой плавления, при нагревании до этой температуры он не плавится, а возгоняется, чем и обусловлен его повышенный расход. Газозащищенный вольфрамовый электрод - самый распро­страненный из всех видов электродов. При работе в инертной (Ar, He) и восстановительной (N2, H2) средах катод из тугоплавкого вольфрамового стержня при нагрузке 15 - 20 А/мм2 практически не расходуется. Вольфрамовый электрод по сравнению с графитовым значительно прочнее и обладает во много раз большей электро­проводностью. Однако стойкость вольфрамового электрода при добавлении О2 к газовой среде резко снижается. Поэтому при ра­боте с кислородосодержащей плазмообразующей средой в первич­ное сопло подается Ar, защищающий вольфрамовый электрод от воздействия рабочего кислородосодержащего газа, подаваемого во вторичное сопло. Однако система с двойным газовым потоком имеет существенные недостатки. При использовании дешевого рабочего газа, например воздуха, все же остается необходимость в использовании аргона. При этом усложняется конструкция плаз­мотрона и ухудшается нагрев рабочего газа, так как наиболее эф­фективно газ нагревается вблизи катодной области. Сравнительно недавно появился новый вид катода - пленко­защищенный (термохимический) стержневой катод, обладающий высокой стойкостью при работе в кислородосодержащих средах. Он представляет собой вставку из циркония или гафния, запрессо­ванную в медную обойму. Высокая термостойкость этих элемен­тов обусловлена образованием слоя стойких тугоплавких пленок оксидов или нитридов, защищающих их от испарения. Темпера­тура плавления этого слоя достаточно высока (ZrO2 ‑ 2 950̊ C, ZrN  ‑ 3 255 ̊С, HfO2 ‑ 3 063 ̊C, HfN ‑ 3 580 ̊C). Этот слой надежно защищает материал вставки от контакта с азотом и кислородом воздуха. Тугоплавкие соединения, образующие пленку, при обыч­ных температурах являются диэлектриками, а при температурах, близких к температуре плавления теряют свои диэлектрические свойства и становятся проводниками с ионной проводимостью. Таким образом, стойкость подобных катодов определяется их тер­мохимическим взаимодействием с плазмообразующей средой, а также интенсивностью его охлаждения, при которой темпера­тура катодного пятна не превышала бы температуру разложения тугоплавких соединений. При использовании циркония и гафния допускается большая плотность тока, чем при использовании вольфрамового электрода, достигающая 80 - 100 А/мм2. Подобные катоды применяются только в плазмотронах постоянного тока. Применение пленкозащитных электродов в плазмотронах пере­менного тока исключается ввиду его активного разрушения в по­лупериоды обратной полярности. При работе плазмотрона с окислительной плазмообразующей средой на больших токах (1000 А и выше) используются разнооб­разные виды распределенных катодов, наиболее распространен­ными из которых являются полый, дисковый и кольцевой. Недостатками распределенных катодов являются: сложность конструкции, трудность равномерного перемещения катодного пятна по всей поверхности электрода, низкая стабильность горе­ния дуги. По роду тока плазмотроны подразделяются на плазмотроны постоянного, переменного и тока высокой частоты. Большинство плазмотронов работают на постоянном токе прямой полярности. Это объясняется, прежде всего, физической особенностью дуги, заключающейся в том, что на аноде выделя­ется большее, чем на катоде, количество тепла. Тепловая мощ­ность, выделяемая в электроде плазмотрона, в отличие от плавя­щегося электрода сварочной дуги, является не только бесполезной, но даже вредной. Наименьшую тепловую нагрузку несет электрод, являющийся катодом. Достаточно отметить, что предельно допус­тимая токовая нагрузка на вольфрамовый электрод на переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности, при исполь­зовании постоянного тока, в десять раз ниже, чем на прямой по­лярности. Кроме того, столб интенсивно сжатой дуги должен быть жестко стабилизирован по оси электрода и сопла плазмотрона. При смене полярности электрода эта стабилизация нарушается, поэтому дугу переменного тока сжать труднее, чем дугу постоян­ного тока. Важным преимуществом плазмотронов постоянного тока перед плазмотронами переменного тока является большая стабильность горения дуги. Прохождение тока через нуль может вызвать погасание дуги, поэтому обычно напряжение холостого хода источника питания переменным током не менее чем вдвое превышает рабочее напряжение дуги. При питании же плазмотро­нов постоянным током можно достичь соотношения , равного 0,8 - 0,9. Следовательно, при одинаковой мощности дуги, установленная мощность и габариты источника постоянного тока меньше, чем мощность и габариты источника переменного тока. Кроме того, источник постоянного тока обеспечивает равномер­ную загрузку трехфазной сети. Плазмотроны переменного тока применяются из-за техноло­гических особенностей процесса. Например, плазменную сварку алюминия и его сплавов необходимо вести на переменном токе, так как в периоды обратной полярности за счет эффекта катодного распыления разрушается тугоплавкая оксидная пленка Al2O3, пре­пятствующая нормальному процессу сплавления металла. Наряду с дуговыми плазмотронами, работающими на пере­менном токе промышленной частоты, за последнее время были разработаны высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны (рис. 3а) Рис. 3. Схемы высокочастотных плазмотронов: а ‑ высокочастотный; б ‑ сверхвысокой частоты Принцип работы высокочастотного индуктивного или безэлектродного плазмотрона заключается в нагреве газа до состоя­ния плазмы в электромагнитном поле индуктора. Для этого в полость индуктора, питаемого от высокочастотного генератора (частотой 1 ‑ 40 МГц, напряжением до 10 кВ и мощностью до 50 кВт), помещается трубка из термостойкого изолирующего материала, например кварца. В трубку подается плазмообразую­щий газ и кратковременно вводится металлический или графито­вый пруток. Последний раскаляется под действием поля индуктора и вызывает нагрев и первоначальную ионизацию окружающего газа. Когда электропроводность газа возрастает до определенной величины, начинаются интенсивный его нагрев и ионизация вих­ревыми токами, создаваемыми полем индуктора. После развития самостоятельного кольцевого разряда пруток удаляется из полости трубки. Продуваемый сквозь трубку газ, проходя через кольцевой разряд, нагревается и истекает в виде плазменной струи, темпера­тура которой достигает 15 000 – 20 000 С, а скорость истечения в десятки раз меньше, чем скорость истечения плазменной струи дуговых плазмотронов. Высокочастотная энергия сравнительно дорога, а генераторы сложны и имеют ограниченную мощность. Поэтому очень чистый и мягкий факел индукционного высокочас­тотного плазмотрона применяется в основном в процессах плаз­менного напыления особо чистых тугоплавких порошковых мате­риалов и выращивания монокристаллов. В сверхвысокочастотных или электронных плазмотронах газ также нагревается электромагнитным полем, создаваемым элек­тродом–излучателем (рис. 3б). Плазменный высокочастотный фа­кел возникает у электрода при его остроконечной форме и высо­кой напряженности поля вблизи него. В высоковольтном и сверх­высокочастотном электрическом поле свободные электроны уско­ряются и приобретают такую кинетическую энергию, что при столкновении с частицами газа вызывают их диссоциацию и иони­зацию. Электрод плазмотрона подключен к магнетронному гене­ратору частотой 2 000 – 3 000 МГц и мощностью 2 - 5 кВт. Плаз­менный факел электронного плазмотрона интересен тем, что в нем нет термического равновесия: температура ионов и свободных атомов на порядок ниже температуры электронов. Например, при температуре факела 3 500 С электронная температура достигает 35 000 С. Такая высокая температура электронов позволяет проводить в плазменной струе химические реакции синтеза некоторых специальных материалов. Лекция 2. Виды плазмообразующих газов и сред и защитных газов Плазменно-дуговые процессы протекают при наличии газовой плазмообразующей среды. Среда может состоять из одно-, двух- или многокомпонентных газов, которые отличаются друг от друга своими физико-химическими свойствами, а также своей активно­стью по отношению к металлам. Плазмообразующая среда должна обеспечивать наибольшую удельную тепловую мощность при заданном расходе газа и затра­ченной электроэнергии, а также позволять сконцентрировать по­лученную энергию и сосредоточить ее на минимальном участке поверхности металла. Характеристики плазменной струи в значительной мере опре­деляются выбором плазмообразующего газа. В качестве плазмооб­разующих применяют газы, имеющие сравнительно низкий потен­циал ионизации: Ar, He, H2,, N2, воздух, NH3,, Ar+H2, N2+H2, Ar+N2. Может быть использована в качестве плазмообразующей среды вода, которая при высокой температуре столба дуги пре­вращается частично в пар, а частично диссоциирует на Н2 и О2. Воду можно использовать также как добавку к основному плазмо­образующему газу в небольших количествах; ее вводят в столб плазменной дуги в канале сопла или на его нижнем срезе. Важным тепловым параметром плазменной струи является ее удельное теп­лосодержание (энтальпия), т.е. количество тепла, содержащееся в единице объема или массы струи ; , где: С - удельная теплоемкость газа при температуре Т, Дж/(кгК). Установлено, что теплосодержание молекулярных газов при относительно низ­ких температурах (4 000 – 8 000 К) за счет поглощения энергии, выделяющейся в процессе диссоциации молекул, достигает высо­ких значений и превышает почти на порядок теплосодержание од­ноатомных газов. Следующий порог резкого повышения теплосо­держания плазмы наступает при температуре около 12 000 К за счет поглощения энергии, выделяющейся при ионизации атомов. Различие процессов ионизации одноатомных (Ar, He) и двух­атомных (N2, H2) газов заключается в том, что у первых двух иони­зация атомов наступает сразу при повышении температуры до оп­ределенной величины, а у двухатомных сначала происходит дис­социация молекул в атомы, а уже потом - ионизация атомов. В связи с этим энергия, приобретаемая одноатомными газами, оп­ределяется теплоемкостью и энергией ионизации только атомов, а у двухатомных газов еще и энергией диссоциации молекул. В ре­зультате плазма двух- и многоатомных газов обладает большей энтальпией, а следовательно, большим количеством энергии при сравнительно низких температурах диссоциации и ионизации. Выбор плазмообразующих газов производится в зависимости от необходимых для осуществления технологического процесса температуры и теплосодержания плазмы, при этом учитывается его инертность к присадочному материалу и материалу изделия. Для технологических процессов, не требующих особо высоких температур, целесообразно применять двухатомные газы, так как они имеют большее теплосодержание, а потери тепла на излучение значительно меньше. Вследствие более высокого теплосодержания и растянутости процесса рекомбинации во времени длина плаз­менного факела двухатомных газов значительно больше. Эта осо­бенность используется в процессах, где желательно увеличить время контактирования материалов с потоком плазмы (например, при напылении порошков). Для предотвращения нагрева поверх­ности изделия целесообразно применять одноатомные плазмооб­разующие газы с более коротким факелом. Гелий, как правило, в чистом виде применяется редко из-за его высокой стоимости и разрушающего действия, которое он оказывает на сопло. Досто­инства аргона заключаются в том, что он легко ионизируется, дает стабильную плазменную струю при невысоком рабочем напряже­нии и имеет сравнительно низкую стоимость. Существенное значение имеют химическая активность плаз­мообразующих газов по отношению к присадочному материалу и способность создания защитной среды для плазменной дуги. Защитные газы подразделяются на нейтральные и восстанови­тельные. В качестве нейтральных газов при сварке сталей, меди, никеля и сплавов на их основе применяются Ar, He, He+Ar. Аргон - химически инертный одноатомный газ с низкой теп­лопроводностью, поэтому он хорошо защищает от перегрева вольфрамовый электрод и сопло. Однако аргон малоэффективен для преобразования электрической энергии в тепловую. Он обла­дает самой низкой напряженностью поля столба дуги, т.е. аргоно­вая плазма вызывает значительное падение напряжения на дуге. Следовательно, при одинаковом токе в аргоновой дуге на единицу ее длины расходуется меньше энергии, чем при использовании других газов. Гелий обеспечивает высокую напряженность поля дугового столба (примерно в четыре раза более высокую, чем у аргоновой плазмы). Теплосодержание гелиевой плазмы (так же, как и аргоновой) очень низкое. Для ионизации молекулы гелия требуется высокая температура. Использование Не в качестве плазмообразующей среды позволяет получить параметры плаз­менной дуги значительно выше, чем при использовании Ar, но вы­сокая стоимость гелия не позволяет практически использовать его не только в качестве самостоятельной плазмообразующей среды, но и в качестве добавки к аргону. Азот (или воздух, содержащий 78 % азота) является наиболее подходящим двухатомным газом для стабилизации плазменной дуги. Он при температуре примерно 12 000 К почти полностью диссоциирует, а выше 20 000 К азот практически полностью иони­зирован. Водород - двухатомный газ, обеспечивает высокую напряжен­ность поля дугового столба (значительно большую, чем аргон). При одинаковой силе тока в водородной плазме выде­лится тепла больше, чем в аргоновой. Диссоциация и ионизация водорода происходят при более низких температурах, чем у аргона и гелия, поэтому теплосодержание водородной плазмы при темпе­ратуре 10 000 К хотя и несколько ниже, чем у азотной, но в четыре раза выше, чем аргоновой. Нейтральная среда, состоящая из инертных по отношению к металлу газов, не в состоянии нейтрализовать проникающий в зону нагрева кислород, в то время как в восстановительной среде происходят реакции нейтрализации кислорода. Поэтому, в качестве защитной среды часто применяют не чистый инертный газ, а его смесь с вос­становительным. К наиболее перспективным восстановительным газам относятся: метан -CH4, пропан - C3H8; аммиак - NH3, которые при высоких температурах, диссоциируют с образованием свобод­ного Н2, обладающего сильными восстановительными свойствами. Применение плазмообразующих сред, состоящих из смесей нейтральных и восстановительных газов, наряду с защитными свойствами позволяет повысить теплосодержание и скорость ис­течения плазменной струи за счет использования в качестве вос­становительных многоатомных газов, например Ar+NH3. Конструкции основных узлов плазмотронов. Как уже отмечалось выше, основными узлами рассматривае­мых плазмотронов являются катодный, сопловой и узел завихре­ния рабочего газа. Последний обеспечивает наилучшие условия формирования столба дуги из всех прочих схем стабилизации дуги, описанных ранее, поэтому он рассмотрен более подробно. Тип и конструкция электрода‑катода определяется составом плазмообразующей среды. В качестве электродов‑катодов при плазменных процессах можно использовать вольфрам, гафний, цирконий, медь, бериллий, торий и графит. Гафний, бериллий, то­рий и цирконий могут быть использованы в качестве материала для катодов, работающих в кислородосодержащих средах. На их поверхности образуются тугоплавкие оксиды и нитриды, препят­ствующие разрушению электрода. Поскольку оксид тория радио­активен, а оксид бериллия – токсичен, эти материалы практически не применяются. Для плазмотронов, работающих на инертных и восстанови­тельных газах, катоды обычно изготавливаются из лантанирован­ного и иттрированного вольфрама марки ЭВЛ и ЭВИ (ГОСТ 23949-80). Добавки оксидов лантана и иттрия позволяют получить необходимую величину термоэлектронной эмиссии ма­териала катода при меньшей температуре его нагрева. Конец вольфрамового электрода, как правило, затачивается на конус для уменьшения площади сечения и фиксации активного пятна. Элек­трод фиксируется с помощью цангового зажима или медной оправки. Цанга изготавливается из пружинящего электропроводного материала (латунь, бронза БрАЖ), так как она является токоведущей деталью и должна обеспечивать надежный контакт с катодом и теплоотвод от него. Существуют два типа цанг: одни обжимают электрод, вдавливаемый в их отверстие, несколько меньшее чем его диаметр, в других - электрод вставляется свободно, а цанга обжимается снаружи путем втягивания ее в головку корпуса плаз­мотрона с помощью резьбового соединения. Второй тип цанги яв­ляется более рациональным, так как при этом обеспечивается лучшая центровка электрода и более плотное его обжатие за счет усилия в резьбовом соединении. При этом лучше решается задача герметизации головки плазмотрона. При цанговом зажиме обеспе­чивается возможность перемещения электрода по мере его эрозии, легкая замена его. Поэтому этот сравнительно простой вариант конструкции электродного узла с успехом широко применяется в ручных плазменных резаках, а также в плазменных горелках для ручной и механизированной сварки, работающих на малых и средних токах до 300 А. При увеличении токовой нагрузки на катод не обеспечивается достаточный теплоотвод через вольфрамовый пруток в месте кон­такта его с цангой. При токе дуги свыше 300 А конструкция цан­говых зажимов усложняется, а надежность их в процессе эксплуа­тации снижается. Кроме того, цанговый зажим совершенно не приемлем для электродов из циркония и гафния, поскольку они требуют более интенсивного теплоотвода непосредственно от ме­сторасположения катодного пятна. Так как теплопроводность гаф­ния и циркония ниже в 3 - 4 раза, а температура плавления почти в 2 раза, чем у вольфрама, то активную вставку необходимо поме­щать в медную державку - оправку. Большую токовую нагрузку при существенно меньшей эрозии обеспечивают катоды, вставка которых механически прочно и неподвижно соединена с медной водоохлаждаемой оправкой. При этом вольфрамовая вставка впаи­вается на се методом диффузи­онной сварки в вакууме, а циркониевая и гафниевая, как более пластичные, запрессовываются в медную оправку. В этом случае медный несущий корпус выполняется в виде полого цилиндра со вставленной внутрь трубкой, через которую подается охлаждаю­щая вода, омывающая его внутреннюю полость. Такая конструк­ция катода называется распределенным катодом. Катодное пятно интенсивно перемещается по всей торцевой поверхности элек­трода с помощью газового вихря или магнитного поля. Все резьбовые соединения наконечников с корпусом элек­трода необходимо уплотнять резиновыми кольцами. Катодная вставка может укрепляться в цельном корпусе и сменных оправках, соединяемых с корпусом конусной насадкой или резьбой. Наилучшей считается схема со сквозной катодной вставкой. В этом случае обеспечивается лучший теплоотвод от катода, сменный наконечник выполнен с наименьшим расходом материала, легко штампуется, крепится к корпусу с помощью накид­ной гайки. Такая схема применяется при изготовлении элек­тродов с катодами из циркония и гафния, а схема с некоторым вылетом вставки применяется при изготовлении электродов с вольфрамовым катодом. Диаметр электрода определяется величиной тока и может быть рассчитан по формуле , где: Jд – ток дуги, А. Наряду с электродом плазмообразующее сопло ‑ анод – является основным элементом плазмотрона, определяющим его техниче­ские характеристики и режим работы. Оно выполняет функции управления геометрическими и энергетическими параметрами дуги, формирует прикатодную область дугового столба. Диаметр и высоту канала сопла выбирают в зависимости от величины тока, состава и расхода плазмообразующего газа, сте­пени охлаждения. Наряду с обеспечением достаточного охлажде­ния сопла необходимо интенсифицировать подачу плазмообра­зующего газа путем его закрутки. Наиболее часто применяют тан­генциальную подачу в канал сопла, что обеспечивает более жест­кую локализацию дуги и образование плотного пристеночного слоя плазмообразующего газа. Сопла различают по характеру рас­положения рабочего и вспомогательных каналов. Сопла малоамперных и ручных горелок могут быть выпол­нены с естественным или газовым воздушным охлаждением. В большинстве случаев применяется водя­ное охлаждение сопел, при этом участок сопла, непосредственно контактирующий с плазменным столбом, выполняется сменным. При необходимости иметь пятно нагрева вытянутой формы в сопле делают два дополнительных отверстия Через эти отверстия поступает холодный плазмообра­зующий газ, что приводит к уменьшению поперечного размера пятна нагрева и придает ему вытянутую форму. В другой разновидности сопла с дополнительными отвер­стиями для создания отдельного самостоятельного фо­кусирующего газового потока плазмообразующий газ подается тангенциально, что позволяет при небольшом его расходе стаби­лизировать дугу. Поток фокусирующего газа направлен под углом к оси столба дуги и благодаря этому дополнительно сжимает ее. Таким образом, применяя специальные сопла, можно получать различные формы пятна нагрева. Наилучшим материалом для изготовления сопел является медь высокой чистоты (марки М1, М0, М00 по ГОСТ 859-78), обладающая высокими электро– и теплопроводностью. В качестве материала защитного сопла иногда применяют керамику, которая гарантирует отсутствие двойной дуги, но исключает создание де­журной и косвенной дуги и, в основном используется при сварке на малых токах. Все чаще применяют сопла из пористых материалов, охлаждение которых осуществляется частью плазмообразующего газа, продуваемого через поры сопла. Армирование его стенок те­плостойкими, обычно менее теплопроводными, материалами при­водит к уменьшению срока службы сопла. Узел завихрения рабочего газа определяет качество стабили­зации столба плазменной дуги. Конструктивные варианты узлов завихрения следует разделить на четыре основных группы, в каж­дой из которых функции завихрителя могут выполнять корпус плазмотрона, керамическая шайба, помещенная у входа в сопло, само сопло или электрод плазмотрона (рис. 4). Рис. 4. Конструктивные варианты узлов завихрения плазмотронов В сопло-завихритель газ может подаваться через тангенци­ально-аксиальные каналы, профрезерованные на его внутренней поверхности. Особенно интересен двухсопловой вариант форми­рующей системы с двойным завих­ряюшим газовым потоком. При этом можно резко сократить длину канала сопла, заменив большую часть его кольцами стаби­лизированного газа, вращающимися вокруг столба дуги. Недоста­ток такого вида сопла-завихрителя заключается в сложности кон­струкции и, следовательно, в трудности изготовления. Сопло, как наиболее часто изнашиваемая сменная деталь плазмотрона, должно быть простым в изготовлении. На схемах 1 и 2 (рис. 4) рабочий газ поступает в камеру через одно или несколько тангенциальных отверстий, просверленных в корпусе плазмотрона. Несколько отверстий обеспечивают боль­шую равномерность распределения газа по окружности, но при этом усложняется система подачи газа в плазмотрон. На схеме 3 (рис. 4) шайба-завихритель обеспечивает непло­хое качество формирования столба, но она подвержена разруше­нию в результате теплового воздействия столба дуги и требует большой точности при сборке плазмотрона. Наиболее удачно функции завихрителя выполняет электрод, на наружной поверхности которого выполнена винтовая нарезка (схема 5, рис. 4). При плотной посадке такого электрода в кор­пусе плазмотрона рабочий газ поступает в камеру по пазам, обра­зованным винтовой нарезкой. При этом без существенного услож­нения конструкции корпуса электрода обеспечивается высокое качество газовихревой стабилизации. Чтобы конструктивный анализ основных узлов плазмотрона был полным, необходимо рассмотреть некоторые особенности со­членения этих узлов между собой. Жесткая механическая связь электродного и соплового узла осуществляется с помощью изолятора. При выборе материала и конструкции изолятора следует учитывать, что он должен выдер­живать высокое напряжение осциллятора, сохраняя механическую прочность и плотность при повышенной температуре и влажности, и, кроме того, он должен хорошо поддаваться точной механиче­ской обработке. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет эпоксидная смола, обладающая высокими изолирующими свойст­вами (напряжение пробоя для нее составляет 20-30 кВ/мм) и хо­рошим сцеплением с металлом, сохраняющая свои свойства при повышенных температурах (до 500 К), стойкая по отношению к влаге и различным агрессивным парам и газам. Изолятор может быть изготовлен из термостойкого стекло­пластика типа АГ‑4С, несколько уступающего по свойствам эпок­сидной смоле. Основным недостатком этого материала является отсутствие адгезии с металлическими частями плазмотрона. Изоляторы из перечисленных материалов изготовляют с по­мощью литья или прессования. Для этого требуется специальная технологическая оснастка, поэтому применение этих материалов оправдывается только при серийном изготовлении плазмотронов. При изготовлении единичных экземпляров плазмотронов целесо­образнее выточить изолятор из эбонита или фторопласта. Однако эти материалы уступают указанным выше по своим диэлектриче­ским и прочностным свойствам. Одним из условий стабильного горения дуги является точная центровка электрода и сопла при сборке плазмотрона. Отклонение в несколько десятых долей миллиметра может привести к образо­ванию двойной дуги. Высокая точность центровки электрода и со­пла может быть достигнута лишь при жесткой фиксации их взаим­ного расположения. Поэтому не рекомендуется проектировать плазмотроны с подвижными электродами, например, с целью воз­буждения дуги путем замыкания электрода на сопло. Обычно в плазмотронах для этого применяется осциллятор, обеспечиваю­щий возбуждение дуги при зазоре между электродом и соплом не более 4 - 5 мм. В ручных плазменных горелках можно применять графитовый стержень, который кратковременно вводится в отвер­стие сопла и, замыкая промежуток между электродом и соплом, возбуждает дежурную дугу. Однако такой способ возбуждения приводит к повышенному износу электрода и сопла. Важным условием стабильного горения дуги в плазмотронах прямого действия является выполнение определенных размерных соотношений между диаметром катода dk, диаметром dc и длиной канала lс сопла. На опыте эксплуатации плазмотронов установ­лено, что возможность двойного дугообразования исключается при двух условиях: dс ≤ dк и lс ≥ dc. Диаметр катода, как уже отмечалось, определяется током дуги. В плазмотронах косвенного действия, в которых исключено явление двойного дугообразования, длина канала сопла может превышать диаметр в полтора – два раза и более. Чрезмерное пре­вышение длины ограничивается явлением шунтирования дуги. Приведенные размерные соотношения являются исходными при проектировании плазмотронов. При выборе прочих размеров плазмотрона следует в первую очередь исходить из его назначе­ния. Например, масса и размеры плазмотрона, предназначенного для механизированного процесса, не столь ограничены по сравне­нию с массой и размерами ручных плазменных горелок. Лекция 3. Плазменная сварка. Общие сведения. Плазменно-дуговая сварка – высокопроизводительный про­цесс, при котором в качестве источника тепла используют плаз­менную струю. Она имеет много общего с аргонодуговой сваркой вольфрамо­вым электродом, но является более совершенным способом полу­чения соединений. Свободно горящая дуга при аргонодуговой сварке с вольфрамовым электродом в области малых токов неус­тойчива (блуждает). При увеличении тока растет диаметр ее столба и падает концентрация тепловой мощности на изделии, что приводит к увеличению ширины шва и зоны термического влия­ния сварного соединения. Кроме того, по мере удаления от вольф­рамового электрода температура столба резко падает, т.е. с удлинением дуги ее проплавляющая способность ослабевает. Поэтому для получения стабильного качества сварного соедине­ния необходимо строго поддерживать неизменной длину дуги, что связано с определенными техническими трудностями. Перечисленные недостатки устраняются при интенсивном обжатии дуги. При этом дуга становится плазменной. Столб плаз­менной дуги жестко стабилизирован по оси электрода, а высокая концентрация его теплового потока на изделии позволяет получать сварные соединения с глубоким проплавлением и относительно небольшой ширины, что обеспечивает в свою очередь повышение скорости сварки. При этом за счет уменьшения теплоотвода в кромки свариваемого металла значительно уменьшается зона тер­мического влияния, вследствие чего повышается качество соеди­нений из специальных сплавов, а при сварке тонколистовых кон­струкций снижается их деформация. Столб дуги и струя плазмы имеют цилиндрическую форму и поэтому величина пятна нагрева мало зависит от расстояния между электродом горелки и свариваемым изделием. Вследствие этого процесс плазменной сварки менее чувствителен к изменению длины дуги, чем процесс аргонодуговой сварки. Это дает возможность стабилизировать проплавление основного металла, что очень важно, особенно при сварке тонкого металла. Режим плазменной сварки регулируется не только за счет изменения тока, но и напряжения дуги, путем изменения расхода и состава плазмообразующего газа. Характер­ный для плазменной сварки диапазон сварочных токов – 3 ‑ 300 А, напряжения дуги – 25 ‑ 35 В, средней скорости сварки – 30 ‑ 50 м/ч. Расход аргона в пять - шесть раз меньше, чем при обычной аргонодуговой сварке. Его величина изменяется в зави­симости от тока в пределах 0,03 ‑ 0,15 м3/ч. Диапазон толщин, сва­риваемых плазменной дугой, составляет 0,01 – 15 мм, отношение глубины проплавления к ширине шва при сварке металлов толщи­ной 3 ‑ 10 мм – 3:1. Плазменную сварку осуществляют сжатой дугой прямого, косвенного и комбинированного действия. Наибольшее распро­странение получил способ сварки дугой прямого действия благо­даря следующим преимуществам перед сваркой сжатой дугой кос­венного действия: эффективный КПД сжатой дуги прямого действия достигает 70 ‑ 80 %; допустимая электрическая и тепловая мощность при прочих равных условиях выше, что обусловлено отсутствием актив­ного пятна в канале сопла плазмотрона; стойкость сопла и стабильность горения дуги также выше. Сварка плазменной дугой характеризуется глубоким проплав­лением основного металла в виде «замочной скважины». Сварка сжатой дугой пря­мого действия как с присадочной проволокой, так и без нее при­меняется для соединения прак­тически всех электропроводных материалов. Плазменной дугой сваривают в стык за один проход листы толщиной до 10 ‑ 15 мм без разделки кромок. При тол­щине до 25 мм требуется V‑образная или U‑образная раз­делка кромок, причем глубина и угол разделки значительно меньше, чем при дуговой сварке в среде аргона. В этом случае расход присадочного материала снижается примерно в 3 раза. Условия хорошего формирования и получения качественного сварного соединения обеспечиваются правильным выбором пара­метров режима сварки и соответствующей подготовкой сваривае­мых кромок. Величина тока зависит от толщины свариваемого ме­талла. Уменьшение величины сварочного тока ниже оптимального уровня приводит к непроварам, чрезмерная величина тока приво­дит к подрезам и прожогам. Для обеспечения надежной работы плазмотрона без образования двойной дуги величину Jcв рекомен­дуется назначать на 5 ‑ 10 % ниже критической (для конкретного сопла плазмотрона). Расход плазмообразующего газа рекоменду­ется принимать максимально возможным, поскольку при этом по­вышаются глубина проплавления и ресурс работы плазмотрона. Для защиты остывающего металла шва рекомендуется использо­вать защитные козырьки и микрокамеры. Скорость сварки при отклонении от оптимальной величины оказывает существенное влияние на глубину проплавления основ­ного металла, которая быстро уменьшается с ее увеличением, что приводит к подрезам и непроварам. Уменьшение скорости сварки также ведет к перегреву и прожогу сварного шва. Имеет значение также диаметр канала плазмообразующего сопла. С его уменьшением увеличивается концентрация тепловой энергии, вводимой в изделие, а следовательно, возрастают глубина проплавления и ширина шва, что благоприятно сказывается на ка­честве, особенно при сварке больших толщин. Угол заточки электрода выбирают в пределах 30 ‑ 60. Вели­чину углубления электрода в предсопловую камеру рекомендуется поддерживать в пределах 5 ‑ 6 мм при dc>3 мм. При меньших диа­метрах канала сопла углубление электрода следует принимать равным длине канала сопла или больше на 0,5 ‑ 1 мм. Изменение расстояния от торца сопла до свариваемого изде­лия в пределах 6 ‑ 12 мм не сказывается на глубине проплавления, однако по мере увеличения этого расстояния возрастает ширина шва. Характер истечения плазмообразующего газа желательно иметь ламинарный, чтобы исключить подсос воздуха и выплески­вание жидкого металла из ванны. Стремление повысить тепловую концентрацию плазменной дуги путем ее обжатия в сопле приво­дит к увеличению скорости течения плазменной струи. При этом усиливается выдувание жидкого металла из сварочной ванны, что приводит к ослаблению шва. Кроме того, нарушается характерная для плазменной сварки ламинарность истечения газа из сопла, вследствие чего ухудшается защита свариваемого соединения от действия окружающей среды. Поэтому в последние годы в сварочной технике получают все большее распространение плазменные горелки со вторичным фо­кусирующим и защитным потоком газа. Вторичный газ должен быть высокотеплопроводным (Н2, Не). Он подается под углом к оси горелки и как бы омывает столб плазменной (аргоновой) дуги, интенсивно охлаждая его, благодаря чему происходит некоторое уменьшение диаметра столба дуги. Для сварки активных металлов разработан способ сварки за­крытой сжатой дугой. Сущность способа состоит в том, что сжатая дуга и прилегающие зоны нагретого металла за­щищены от атмосферы медной, латунной или стальной микрока­мерой, охлаждаемой водой. Горелка отделена от камеры изоляци­онной втулкой. Присадочная проволока подается в зону дуги через отверстие в микрокамере. Плазмообразующий газ, подаваемый через горелку, заполняет микрокамеру и под избыточным давле­нием выходит по каналу над остывающим швом. Во время сварки микрокамера прижимается к поверхности изделия с усилием, не­обходимым для устранения коробления кромок в месте сварки. При этом способе для защиты шва и ЗТВ достаточно только плаз­мообразующего газа. В случае многопроходной сварки силовое воздействие плаз­менной струи при наложении каждого последующего слоя регули­руют расходом плазмообразующего газа так, чтобы расплавлен­ный металл не вытеснялся из сварочной ванны. Концентрация те­пла при этом способе сварки позволяет получать сварные соеди­нения с меньшей величиной сварочных напряжений, чем при дру­гих разновидностях дуговой сварки. Сварка сжатой дугой косвенного действия имеет эффектив­ный КПД не более 40 ‑ 50 %. Этот способ применяется ограни­ченно для сварки изделий из металла малой толщины и при соеди­нении неэлектропроводных материалов. Известен способ сварки металла малых толщин сжатой дугой косвенного действия с ис­пользованием токоведущей присадочной проволоки. По­догрев основного металла осуществляется с помощью сжатой дуги кос­венного действия, горящей между электродом и соплом, а также потоком плазмообразующего газа. Плавление присадочной прово­локи осуществляется дугой, горящей между электродом и токове­дущей присадочной проволокой. Питание обеих дуг осуще­ствля­ется от одного источника, наличие в схеме реостатов позво­ляет раздельно регулировать параметры процесса в обеих плаз­менных дугах. При такой схеме процесс сварки идет устойчиво, плавление проволоки равномерно, без разбрызгивания. Однако с увеличением толщины свариваемого металла мощ­ность сжатой дуги оказывается недостаточной. Это обусловлено тем, что основная мощность дуги косвенного действия тратится на расплавление проволоки. В этом случае для увеличения проплав­ления основного металла предлагается дополнительно использо­вать дугу прямого действия между электродом и изделием, а сжатую дугу косвенного действия использовать лишь для перво­начального возбуждения дугового разряда и нагрева проволоки. В этом случае источниками теплоты служат две сжатые дуги. При этом на участке между электродом и изделием горит практически одна общая сжатая дуга. Известен способ плазменной сварки плавящимся электродом в среде инертного газа, представляющий собой сочетание сварки сжатой дугой и сварки плавящимся электродом в среде инертного газа. В этом случае электродную проволоку подают по оси плазмотрона, а вольфрамовый электрод расположен сбоку в этом же сопле. Между вольфрамовым электродом и основным метал­лом возбуждается сжатая дуга, после чего подается электродная проволока. Плавление проволоки осуществляется дугой, образо­ванной между электродом плазмотрона и токоведущей проволо­кой. Через наружное сопло подается защитный газ. Питание двух дуг производится раздельно, от двух разных источников. При го­рении сжатой дуги между плавящимся электродом и изделием имеет место так называемая «внутренняя» дуга. Она представляет собой поток паров металла с относительно низкой по отношению к плазме температурой (около 6 500 С). Через нее проходит ме­нее 10 % сварочного тока, так как она обладает большим сопро­тивлением, чем внешняя дуга. Максимальное значение темпера­туры во внешней дуге около 13 000 С. Скорость плавления элек­тродной проволоки зависит от величины тока, диаметра прово­локи, длины и диаметра сопла, длины столба сжатой дуги. Значе­ние коэффициента р = 0,17 г/(Ач), соответствует коэффициенту расплавления при сварке в СО2. К преимуществам способа отно­сится отсутствие разбрызгивания присадочного металла, меньшее тепловложение по сравнению с аргонодуговой сваркой плавя­щимся электродом из-за значительно большей (на 50 ‑ 200 %) ско­рости сварки, высокая производительность. Оборудование для плазменной сварки Как для ручной, так и для автоматической сварки плазменной дугой в основном применяются универсальные или специализиро­ванные установки. В их состав входят: выпрямители с падающими ВХ и повышенным напряжением холостого хода марок ВДУ-305, ВД-303, ВДУ-504-1, ВСВУ-315, ВСВУ-630, ВДУ-1201; блок или шкаф управления; механизм перемещения плазмотрона вдоль и поперек оси шва, а также в вертикальном направлении; водяные и газовые коммуникации (баллоны, расходомеры, редукторы, шланги); осцилляторы марок ВИС, ОСИ‑300, ОСИ-500. Вместо осциллятора может применяться устройство поджига дуги марки УПД‑1. Для ручной сварки углеродистых и низколегированных сталей толщиной до 5 мм разработаны Ленинградским ВНИИЭСО и вы­пускаются заводом «Электрик» установки УПСР‑300‑2 и УПСР‑300-3. В состав установок входят источник питания ВД-303, шкаф управления и плазмотрон ПРС-0401. Для сварки нержавеющих сталей толщиной до 5 мм, меди и ее сплавов – до 3 мм, алюминия и его сплавов – до 8 мм предназна­чена установка УПС‑301. В комплект установки входят источник питания ВДУ‑305, блок управления, комплект ротаметров и руч­ной плазмотрон ПРС‑0301. Установка также позволяет вести руч­ную сварку неплавящимся электродом в среде инертных газов. Для автоматической сварки сталей и цветных металлов пред­назначены универсальные установки УПС‑201, УПС‑501, УПС‑804. УПС‑201 – для сварки меди и ее сплавов толщиной до 2 мм; УПС‑501 – нержавеющей стали до 8 мм, меди и ее спла­вов – до 6 мм, алюминия и его сплавов – до 16 мм; УПС‑804 – уг­леродистых сталей – до 12 мм. По конструкции и комплектации все эти установки близки друг к другу. В состав уста­новки УПС-501 входит самоходная подвесная головка с направляющей бал­кой, источник питания ВДУ‑504‑1, блок управления и блок газо­вой и водяной аппаратуры, плазмотроны ПМС‑315 и ПМС‑501. Близок по конструкции к вышеопи­санным плазмотрон ПМС‑804 установки УПС‑804. Специализированные установки УПС‑1002/3 и УПС‑404 при­меняются соответственно для сварки малоуглеродистых сталей в тракторостроении и при сварке стыковых кольцевых швов Аl труб с толщиной стенки до 10 мм. Выпускаются также универсальные установки УПНС‑304 и УПО‑302 предназначенные как для плазменной сварки, так и на­плавки и напыления. Технология плазменной сварки Плазменная сварка может осуществляться как проникающей, так и непроникающей дугой. При сварке металла толщиной до 3 мм сила тока не превы­шает 100 А. В этом случае сварка выполняется без проникновения дуги через всю толщину металла. Она может осуществляться как без присадочного материала, так и с его добавлением. В первом случае шов формируется практически без усиления, во втором же случае наоборот. Для исключения коробления рекомендуется использовать клавишные приспособления. Формирование корня шва может осуществляться на весу. В этом случае жидкий металл ванны при сварке в нижнем положении удерживается на весу силами поверх­ностного натяжения При сварке металла толщиной до 3 мм сила тока не превы­шает 100 А. В этом случае сварка выполняется без проникновения дуги через всю толщину металла. Она может осуществляться как без присадочного материала, так и с его добавлением. В первом случае шов формируется практически без усиления, во втором же случае наоборот. Для исключения коробления рекомендуется использовать клавишные приспособления. Формирование корня шва может осуществляться на весу. В этом случае жидкий металл ванны при сварке в нижнем положении удерживается на весу силами поверх­ностного натяжения , где: Pn ‑ поверхностное натяжение расплавленного металла; r1, r2 ‑ радиусы кривизны проплавления в поперечном и продоль­ном сечениях..Силы поверхностного натяжения уравновешивают давление Р, оказываемое на ванну сжатой дугой, и металлостатическое дав­ление Pm, определяемое глубиной ванны e и плотностью металла : . Условие удержания ванны на весу определяется равенством взаимодействующих сил: . B общем случае, при сварке на весу металла малых толщин часто имеют место дефекты в виде прожогов. Основной причиной прожогов является то, что образующаяся ванна по ширине в не­сколько раз превышает толщину свариваемого металла. В этом случае P + Pm превысит Pn, вследствие чего произойдет разрыв по­верхностного слоя расплавленного металла, жидкий металл выте­чет из сварочной ванны и образуется прожог. Поэтому сварка на весу применяется ограниченно. Для предупреждения прожогов и обеспечения необходимого проплавления требуемой формы применяют подкладки, чаще всего съемные с обеспечением защиты обратной стороны шва и формирующей канавкой, а также используют импульсные режимы подачи сварочного тока. Импульсное введение тепловой энергии позволяет уменьшить зону термического влияния, коробление кромок, снижает вероятность прожогов, повышает стабильность горения дуги. Сварка проникаю­щей дугой ха­рактери­зуется полным проплавле­нием свари­ваемых элемен­тов по толщине с образо­ванием небольшого отвер­стия, через которое раска­лен­ные газы и пары удаля­ются за нижние кромки свариваемых элемен­тов. Металл, рас­плав­ленный дугой, сте­кая по стенкам сваривае­мых эле­ментов, удержи­вается си­лами поверхно­стного на­тяжения так же, как и при сварке без об­разования отверстия. При подобной техноло­гии подкладки не приме­няют. Применение способа сварки проникающей дугой позволяет получить качественное соединение при сварке металлов, обла­дающих повышенным поверхностным натяжением, например не­ржавеющих сталей и сплавов титана толщиной от 3 до 15 мм на токах свыше 100 А. При плазменной сварке проникающей дугой металла средних толщин возможно образование внутренних газовых пор, вытяну­тых вдоль оси шва. Это объясняется нависанием жидкого металла в верхней части сварочной ванны. При достижении нависающим металлом критической величины происходит его срыв. При этом часть жидкого металла вытекает через сквозное отверстие и обра­зует неровности на обратной стороне и газовые поры в металле шва. Основной причиной образования нависания металла в верх­ней части кратера сварочной ванны служит отклонение дуги в противоположном сварке направлении вследствие отставания ак­тивного пятна на изделии от активного пятна на электроде. Суще­ствует также опасность образования подрезов из-за высоких ско­ростей сварки и кристаллизации. При сварке металла толщиной более 15 мм без разделки кро­мок весьма вероятно получение либо прожогов, либо непроваров на всю толщину. Могут наблюдаться также газовые поры. Диапа­зон изменения параметров режима очень узкий. Применение сварки со сквозным проплавлением слишком усложняет процесс. Наблюдается явление двойного дугообразования, поскольку для увеличения проникающей способности необходимо уменьшить диаметр столба сжатой дуги. Поэтому при сварке металла больших толщин используют многодуговой процесс плазменной сварки. В этом случае возможна сварка без разделки толщиной до 60 мм. Однако чаще металл толщиной более 20 мм варят с разделкой кромок в несколько проходов. Наиболее часто сварку ведут на постоянном токе прямой по­лярности, за исключением Al, Mg и их сплавов, которые сваривают на обратной полярности. В качестве плазмообразующих и защит­ных газов используют Ar, He и смесь Ar + 10 % H2. В зависимости от их применения в отдельности или в сочетаниях могут значи­тельно изменяться параметры, в частности скорость сварки, ши­рина шва, форма расплавленной зоны. Результаты могут быть обобщены следующим образом: плазмообразующий и защитный Ar образуют сжатую дугу уменьшенного сечения, позволяющую получать узкие сварные швы; плазмообразующий Ar и защитная смесь (Ar + 5 % H2) приво­дят к повышению напряжения дуги, расширению швов и уве­личению скорости сварки; смеси плазмообразующая (Ar + 5 % H2) и защитная (Ar + 10 % H2) усиливают указанные выше тенденции; смесь плазмообразующая (Ar + 5 % H2) и Ar защитный значи­тельно расширют столб сжатой дуги, образуя широкие швы при относительно низкой скорости сварки; плазмообразующий Ar и защитный Не расширяют столб сжа­той дуги и увеличивают глубину проплавления. Недостатками смесей Ar + H2, Ar + He и чистого Не является их дефицитность и затруднительное возбуждение дуги. Снижение тепловложения при сварке способствует получе­нию металла шва и особенно зоны термического влияния с более высокими пластическими свойствами. Кроме того, более узкая зона термического влияния без заметного увеличения размеров зерна позволяет повышать сопротивляемость локальным разруше­ниям. Рис. 5. Схема сварки проникающей дугой: 1 ‑ защитный газ; 2 ‑ плазмообразующий газ; 3 ‑ плазменная струя; 4 ‑ поток плазмы, выходящий за нижнюю кромку свариваемого изделия Микроплазменная сварка Для получения сварных соединений металлов малых ( <1 мм) и особо малых ( < 0,2 мм) толщин разработан способ микроплаз­менной сварки малоамперной сжатой дугой (рис. 8). Малоамперная сжатая дуга формируется специальным плаз­мотроном с вольфрамовым электродом. Применение дежурной дуги обеспечивает устойчивое горение основной дуги даже на токе до 0,1 А, что позволяет сваривать металлы толщиной примерно 0,01 мм. При сварке сталей в качестве плазмообразующего газа ис­пользуется Ar. В качестве защитного газа используют He, N2, CO2, смеси 90 – 99 % Ar + 10 – 1 % H2; 50 – 75 % Не + 50 – 25 % Ar. Если в качестве защитного газа используется Ar, то дуга имеет форму цилиндра или слегка расширяется по направлению к аноду. Такая же форма дуги имеет место при силе тока более 20 А неза­висимо от вида защитного газа, так как влияние защитной среды на сжатие дуги заметно ослабляется. При больших расходах плаз­мообразующего газа эффект сжатия дуги также ослабляется. У среза сопла столб сжатой дуги существует только в струе аргона. При приближении к аноду плазмообразующий и защитный газы перемешиваются и дуга горит уже в их смеси. При этом сте­пень сжатия дуги по мере приближения к аноду увеличивается, если коэффициент теплопроводности защитного газа больше, чем у плазмообразующего. Особо тонкий металл сваривается в импульсном режиме, что позволяет исключить прожоги. При микроплазменной сварке сжатая дуга может принимать конусообразную форму с вершиной, обращенной к изделию. Такая форма дуги обеспечивается соотношением расходов плазмообра­зующего и защитного газов и конструкцией плазмотрона. Оборудование для микроплазменной сварки Для микроплазменной сварки серийно выпускается оборудо­вание серии МПУ. Установки этой серии предназначены для руч­ной сварки черных и цветных металлов толщиной от 0,1 до 1,5 мм. В комплект оборудования входит источник питания с крутопа­дающей внешней характеристикой, обеспечивающий четыре ре­жима сварки в непрерывном и импульсном режимах, плазмотрон и газовая аппаратура. Выпускаются аппараты для микроплазменной сварки А–1255, А–1281 и А–1300. Аппарат А‑1255 позволяет сваривать стали, цветные металлы (ковар, никель, титан), медь и медные сплавы толщиной 0,05 ‑ 0,7 мм. Он выполнен в виде настольного прибора, в ком­плект которого входят источник питания, блок управления, осцил­лятор и типичная для микроплазменных установок горелка Об‑1160А. В качестве плазмообразующего газа исполь­зуют Ar, защитного - Ar, He, CO2 или различные смеси газов. Аппарат А–1281 предназначен для микроплазменной сварки алюминия и его сплавов толщиной 1 – 3 мм на переменном токе. Он состоит из силового трансформатора с подвижными обмот­ками, блока тиристоров, блока управления, пульта управления, системы водо- и газокоммуникаций, электропневмо­клапанов, рас­положенных в передвижном корпусе. В качестве плазмо­образующего и защитного газов используются Ar и He. Аппарат А–1300 предназначен для микроплазменной сварки черных и тугоплавких металлов толщиной 1 – 3 мм в среде аргона и гелия постоянным и импульсным током прямой полярности. Он выполнен в виде тележки, на которой также расположены баллоны с плазмообразующим и защитными газами. На передней части ис­точника расположен пульт управления с контрольно-регулирую­щей аппаратурой. В комплект источника входит также осциллятор. Для микроплазменной сварки заготовок асбометаллических прокладок выпускается специалиро ванная установка У‑549. Она состоит из двух столов с поворотными планшайбами диаметрами 1300 и 1900 мм, двух аппаратов А‑1281М и А‑1255А, сварочной головки с микроплазменными горелками Об‑1213 и Об‑1155М, крана-укосины, шкафа управления, системы газопод­водов и водотокоподводов. После установки головки на стык, сварка, подача защитного и плазмообразующего газов, поворот планшайб и остановка горелки после сварки стыка выполняются в автоматическом режиме. Оригинальную конструкцию имеет аппарат Н‑104 предназна­ченный для микроплазменной сварки на переменном токе алюми­ния и его сплавов толщиной от 0,3 до 2,5 мм. Принцип работы ап­парата основан на попеременной подаче напряжения сварочного трансформатора через тиристорный коммутатор на электрод и со­пло микроплазменной горелки. При поднесении горелки на 2 ‑ 4 мм и нажатии педали зажигается попеременно дуга обратной полярности между соплом и изделием и прямой полярности между электродом и изделием. Первоначальное возбуждение малоампер­ной дуги осуществляется с помощью блока поджига дуги. В ком­плект аппарата входит сварочный трансформатор с магнитным шунтом, перемещаемым электродвигателем, блок поджига дуги, блок управления, микроплазменные горелки Об–1213 и Об–1160А, реле расхода воды, водяные и газовые коммуникации, устройство заварки кратера. Охлаждение горелок водяное. Для микроплазменной сварки полых колец диаметром 60 – 180 мм из трубок марки Х18Н10Т диаметром 2 – 5 мм с толщиной стенки до 0,5 мм предназначена специализированная установка Об‑1161. Она состоит из микроплазмен­ной горелки, укрепленной на пово­ротном кронштейне, механического привода поворота кронштейна марки УТ11М, сменных кассет для свари­ваемых колец, стола, аппарата типа А‑1255 и пульта управления. В каче­стве плазмообразующего газа приме­няется Ar. Защитным газом является смесь из 90‑95 % Ar и 10‑5 % Н2. Сварка производится одновременно с поворотом кронштейна, на котором закреплена горелка, чем достигается непрерывный процесс сварки. Для микроплазменной сварки черных и цветных металлов толщиной до 1,5 мм на постоянном токе в непрерывном и им­пульсном режимах выпускается также установка УМПС‑0301. Она представляет собой комплекс оборудования, состоящий из источника питания, осциллятора, пульта управления, устрой­ства заварки кратера и двух микроплазмен­ных горелок марок Об‑1160А и Об‑2592. Для ручной и ав­томатической микро­плазменной сварки черных и цветных ме­таллов (кроме алюми­ния и его сплавов) толщиной до 5 мм на постоянном токе в непрерывном и им­пульсном режимах выпускается аппарат АМПС‑101, а для сварки цветных ме­таллов толщиной до 3 мм – аппарат АМПС‑0601. В комплект аппарата входят источник пи­тания; микроплазмен­ная горелка и педаль управления. Разработана установка для автоматической микроплазменной сварки особо тонкостенных труб из сплавов Ti, Cu и Zr марки УМПСТ-1. Установка позволяет сваривать трубы диаметром от 3 до 10 мм с толщиной стенки 0,2 ‑ 0,5 мм. В ком­плект установки входят источник питания МПУ‑4, плазмотрон Ю‑7М2 с микрокамерой, фильерный узел и кассета для титановой ленты. На станине установки располагается подающий механизм, состоящий из формирующих и приводных роликов. В ИЭС им. Е.О. Патона разработаны источники питания для микроплазменной сварки МПУ‑5 и МПА‑80. Для автоматической микроплазменной сварки широко применяют автомат А‑1342, со­стоящий из унифицированных узлов. Он позволяет сварку различ­ных металлов и сплавов толщиной 0,2 ‑ 2,5 мм. Автомат со­стоит из источника питания МПА‑80 и подвесной самоходной го­ловки или трактора. Технология микроплазменной сварки Микроплазменной сваркой можно выполнять стыковые, от­бортованные и угловые соединения. Качество сварки зависит от подготовки кромок, точности сборки и применяемой технологиче­ской оснастки. Соединения с отбортовкой кромок рекомендуются для всех металлов и толщин, так как при их применении нет необходимости применять присадочную проволоку и подкладки. Стыковые соединения применяют при толщине металла 0,3‑2,0 мм. Обратная сторона шва формируется с помощью под­кладок. Угол заточки электрода рекомендуется выдерживать 15 ‑ 30, острие электрода должно находиться строго по центру канала со­пла, конец электрода погружается в канал сопла не более чем на 0,5 мм. Угол наклона плазмотрона поддерживается в пределах 60 ‑ 80 при ручной и 80 ‑ 90 при автоматической сварке (углом вперед). Угол между присадочной проволокой и осью плазмотрона составляет примерно 90. Параметры режима сварки выбирают в зависимости от толщины и химического состава свариваемого ме­талла. Например, при сварке среднеуглеродистых сталей кипящей плавки следует ограничивать содержание H2 до 3 % в составе за­щитного газа из-за его участия в образовании газовых пор при взаимодействии с FeO. Лекция №4 Плазменная наплавка В настоящее время широко применяются различные способы наплавки металлов. Технологических трудностей при наплавке однородных металлов не встречается. В этом случае способ на­плавки практически не влияет на свойства наплавленного металла. При необходимости наплавки на изделие материалов, отлич­ных по химическому составу и теплофизическим свойствам от ос­новного металла, задача получения качественного соединения ус­ложняется. Это вызвано перемешиванием основного и наплавляе­мого металлов, растворением твердого основного металла в жид­ком металле сварочной ванны и протеканием диффузионных про­цессов на границе фаз. При соединении разнородных металлов применяют такие спо­собы, которые обеспечивают незначительное перемешивание ос­новного и наплавляемого металлов, а значит, минимальный пере­ход элементов основного металла в наплавленный слой. Таким способом и является плазменная наплавка. При этом способе удается выполнить вышеотмеченные требования и полу­чить более высокие механические свойства, как наплавленного ме­талла, так и соединения в целом. Плазменная наплавка может осуществляться дугой как пря­мого, так и косвенного действия. При наплавке дугой прямого действия незначительное проплавление основного металла обес­печивается только при относительно малых токах (до 150 А). При этом производительность наплавки относительно невелика и со­ставляет примерно 1-2 кг/ч. Наплавка на токах более 150 А целе­сообразна при восстановлении изношенных деталей, когда на­плавленный металл не отличается по своим свойствам от основ­ного. При плазменной наплавке косвенного действия энергия сжа­той дуги в основном затрачивается на плавление присадочной проволоки, и только незначительная часть (до 12 %) идет на по­догрев основного металла. Доля участия основного металла в пер­вом наплавленном слое не превышает 4 %. Главным источником нагрева изделия является перегретый жидкий присадочный ме­талл, переходящий в ванну в виде капель. Наплавка может выполняться как на прямой, так и на обрат­ной полярности. В первом случае наплавленный металл загрязняется оксидами, особенно тугоплавкими, например, при наплавке Al, Ni и их спла­вов, что требует применения специальных флюсов для их удале­ния. Для исключения применения флюсов наплавку ведут на об­ратной полярности, используя катодное распыление с целью раз­рушения оксидов на поверхности основного металла и сварочной ванны. При этом улучшается смачивание наплавляемой поверхно­сти жидким металлом и повышается качество сплавления металла. Плазменная наплавка может осуществляться вручную или механизированным способом. В первом случае наплавка производится ручными плазмен­ными горелками с использованием в качестве присадки литых и трубчатых прутков (рис.6). Литые прутки могут быть и токоведущими, тогда они подают­ся между двумя роликами по направляющей медной трубке. По сравнению с другими способами ручной наплавки, в этом слу­чае качество лучше, что объясняется высокой концентрированно­стью теплового источника, более совершенной защитой расплав­ленного металла, исключительной устойчивостью сжатой дуги. Механизированная плазменная наплавка находит более широ­кое применение, чем ручная. Вид присадочного материала опреде­ляет устройство установки для наплавки, конструктивные особен­ности плазменных горелок и используемые технологические приемы. Наплавка может выполняться с подачей присадочного металла в виде проволоки, ленты или порошка в сжатую дугу или в ванну расплавленного металла. Известны несколько вариантов плазменной наплавки с приса­дочной проволокой: сжатой дугой с подачей нейтральной и токоведущей присадоч­ной проволоки; плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; сжатой дугой с присадкой двух «горячих» проволок. Рис. 6. Схема наплавки прутками из литых сплавов: 1 ‑ пруток; 2 ‑ защитное сопло горелки; 3 ‑ рабочее сопло; 4 ‑ вольфрамовый электрод; 5 ‑ трубка для подачи воды и токоподвод; 6 ‑ трубка для подачи защитного газа В первом варианте наплавка осуществляется сжатой дугой прямого действия (рис. 7). Плазменная горелка расположена вертикально, присадочная проволока подается в дугу сбоку, примерно под прямым углом к оси дуги. Торец токоведущего мундштука располагается на рас­стоянии около 15 мм от плазменной струи. Мундштук подающего механизма изготавливается массивным, чтобы предотвратить его случайное обгорание. Расстояние от торца сопла до токоведущей проволоки составляет 5 - 8 мм. Проволока может быть нейтральной, при этом коэффициент её расплавления не превышает 10-12 г/(Ач), или же ее подклю­чают через балластный реостат к источнику питания дуги. В по­следнем случае значительно увеличивается интенсивность плавле­ния проволоки и, кроме того, можно регулировать распределение тепла дуги между проволокой и основным металлом. Рис. 7. Схема наплавки с присадочной проволокой дугой прямого действия: 1 ‑ корпус горелки; 2 ‑ плазмообразующий газ; 3 ‑ вольфрамовый электрод; 4 ‑ защитный газ; 6 ‑ источник питания; 5, 7 ‑ балластные реостаты; 8 ‑ присадочная проволока; 9 ‑ сжатая дуга прямого действия Рис. 8. Схема наплавки плазменной струей с токоведущей проволокой: 1 ‑ корпус горелки; 2 ‑ плазмообразующий газ; 3 ‑ вольфрамовый электрод; 4 ‑ защитный газ; 5, 7 ‑ балластный реостат; 6 ‑ источник питания; 8 ‑ присадочная проволока; 9 ‑ сжатая дуга косвенного действия Применяют также способ наплавки дугой прямого действия с подогретой (от отдельного источника) присадочной проволокой. Преимуществами этого способа являются: малое окисление со­держащихся в проволоке примесей, обеспечение меньшей доли основного металла в наплавленном слое, высокая производитель­ность процесса. Более широкое применение нашла наплавка плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой (рис. 8). В этом случае изделие нейтрально. Удаление горелки от по­верхности изделия 16 - 25 мм. Дуга горит между вольфрамовым электродом и присадочной проволокой. Эта дуга расплавляет про­волоку, а образованный ей факел плазмы подогревает поверхность изделия. Между катодом и соплом постоянно горит также мало­мощная дежурная дуга, которая ионизирует промежуток электрод-проволока и таким образом обеспечивает надежное возбуждение и устойчивое горение рабочей дуги. Независимый от изделия дуговой разряд позволяет ввести в него дополнительно еще одну присадочную проволоку, для чего используется специальный подающий механизм. Путем подачи этой проволоки можно легко решить вопрос увеличения степени легирования наплавленного металла, либо повысить производи­тельность наплавки на 30 - 40 %. Если вторая проволока не явля­ется токоведущей, то она вводится в плазменную струю непосред­ственно под торцом токоведущей присадочной проволоки. Нагрев основного металла осуществляется за счет теплового воздействия плазменной струи и тепла перегретого присадочного металла. Эф­фективная тепловая мощность плазменной струи с каплями рас­плавленного присадочного металла зависит от силы тока в прово­локе и расстояния от нее до наплавляемой поверхности. Изменяя эти параметры, можно в широких пределах регулировать нагрев основного металла, а значит, и проплавление основного металла. Рис. 9 Схема плазменной наплавки с подачей в ванну двух плавящихся проволок: 1 ‑ электродные токоведущие проволоки; 2 ‑ источник переменного тока; 3 ‑ защитное сопло; 4 ‑ источник постоянного тока; ПГ ‑ плазмообразующий газ; Рис. 10. Схема плазменной наплавки двумя присадочными проволоками от автономных приводов: 1, 2 ‑ источники питания; 3 ‑ вольфрамовый электрод; 4 ‑ плазмообразующее сопло; 5 ‑ кассета с присадочной проволокой; 6 ‑ подающий механизм; 7 ‑ токоподвод; 8 ‑ наплавляемая деталь Газодинамическое давление плазменной струи на ванну мало, поэтому глубина проплавления основного металла определяется по формуле: , где: a ‑ коэффициент теплопроводности основного ме­талла;tк ‑ длительность контакта жидкой ванны с твердым основ­ным металлом; Тв ‑ средняя температура ванны; Тпл ‑ температура плавления основного металла. Уменьшая температуру металла ванны и длительность её кон­такта с твердым основным металлом, можно достичь ничтожно малой глубины проплавления. При наплавке легкоплавких метал­лов, например меди и ее сплавов, температура ванны может быть ниже температуры плавления основного металла. Если параметры процесса выбраны такими, что расплавления поверхности изделия не происходит, то содержание основного ме­талла в наплавленном определится длительностью контакта жид­кой и твердой фаз tк, а следовательно длительностью диффузион­ных процессов. Эта величина определяется по формуле , где: Тmax ‑ максимальная температура нагрева поверхности основ­ного металла; Тз ‑ температура затвердевания наплавленного ме­талла; Wср ‑ средняя скорость охлаждения поверхности;  ‑ поправочный коэффициент, учитывающий отклонение расчет­ной схемы теплового источника от реальной; Vн ‑ скорость на­плавки; L ‑ длина головной части ванны, в которой температура металла повышается. При наплавке плазменной струей L = 2-3 мм. Весьма важно, что при малом проплавлении обеспечивается высокая прочность сцепления наплавленного слоя с основным ме­таллом, так как наплавка плазменной струей позволяет уменьшить образование хрупких кристаллизационных и диффузионных про­слоек в зоне сплавления. Остаточные напряжения в наплавленном слое в 2 - 2,5 раза меньше напряжений, возникающих при ручной наплавке покрытыми электродами. При плазменной наплавке с двумя «горячими» проволоками они запитываются от отдельного источника переменного тока, включенного либо между электродом и проволоками, либо непосредственно между проволоками. В первом случае проволоки подаются в плазменную струю, а во втором - в ванну жидкого металла. Наибольшее распространение нашла наплавка с применением в качестве присадочного материала металлического порошка, которая может осуществляться по слою порошка-крупки, с подачей порошка-крупки в сварочную ванну и с вдуванием порошка в дугу. Рис. 11 Схема наплавки с использованием крупки: а ‑ наплавка по слою крупки: 1 ‑ источник питания, 2,4 ‑ балластный реостат, 3 ‑ осциллятор, 5 ‑ защитный газ, 6 ‑ плазмообразующий газ, 7 ‑ сопло, 8 ‑ питатель; б ‑ наплавка с подачей крупки в сварочную ванну: 1 ‑ горелка, 2 ‑ трубка для подачи порошка; 3 ‑ ввод порошка и транспортирующего газа; 4 ‑ ввод плазмообразующего газа; 5 ‑ ввод защитного газа Рис. 12. Схема наплавки с вдуванием порошка в дугу: 1 ‑ источник питания дуги прямого действия; 2 ‑ балластный реостат; 3 ‑ источник питания дуги косвенного действия; 4 ‑ осциллятор; 5 ‑ плазмообразующий газ; 6 ‑ корпус горелки; 7 ‑ защитный газ; 8 ‑ питатель; 9 ‑ транспортирующий газ Рис. 13. Схема плазменной наплавки комбинированным способом: 1 ‑ корпус плазмотрона (анод); 2 ‑ вольфрамовый электрод; 3 ‑ электродная проволока; 4 ‑ механизм подачи проволоки; 5 ‑ источник питания;  ‑ наплавляемая деталь; 7 ‑ порошковый питатель В первом случае может применяться любой плазмотрон прямого действия. При использовании для наплавки крупнозернистого порошка последний можно не насыпать заранее на наплавляемую поверхность, а вводить его в сварочную ванну из специального питателя. Плазменная наплавка с применением порошка благодаря минимальному проплавлению основного металла (2-3 %) обеспечивает получение наплавленного металла с высокими механическими свойствами. В этом случае в порошке могут быть использованы легирующие элементы, химические соединения, в том числе и ферросплавы. Для плазменной наплавки с вдуванием мелкозернистого порошка в дугу применяют горелки комбинированного типа с тремя соплами: плазмообразующим внутренним, наружным и защитным. Между внутренним и наружным соплами имеется конический зазор, по которому присадочный материал из питателя вдувается транспортирующим газом в плазменную струю, выделенную из столба дуги. В струе порошок плавится и поступает на поверхность наплавляемого изделия, оплавленную плазменной струей, совмещенной со столбом дуги. Регулируя величину силы тока обеих плазменных струй, можно регулировать количество тепла, идущее на плавление порошка и нагрев и оплавление основного металла. Каждая дуга питается от отдельного источника, что позволяет управлять их горением независимо друг от друга. В плазмотроне подобной конструкции предусмотрены три потока газа: центральный плазмообразующий; транспортирующий и защитный. Возможно также применение комбинированных способов, когда в зону наплавки подают одновременно порошок и присадочную проволоку. Объединение проволоки и порошка в единую схему позволяет повысить эффективность сжатой дуги и добиться образования слоев без пор, трещин за один проход. Важное преимущество комбинированного способа наплавки - возможность расширения диапазона регулирования состава наплавленного металла и получения слоев с требуемыми свойствами. При этом уже небольшие добавки порошка к наплавочной проволоке, особенно на никелевой основе (не менее 10 %), позволяют значительно улучшить качество наплавки, что выражается в хорошем формировании слоев и уменьшении глубины проплавления. Это объясняется тем, что порошковые сплавы обладают высокой химической активностью, понижают поверхностное натяжение и улучшают смачивание основного металла расплавленным наплавочным. Глубину проплавления можно значительно уменьшить, если порошок подавать в зону наплавки с использованием токоведущей проволоки. Однако в этом случае для качественного сплавления необходимо применять композиции хромоникелевых порошков с хромоникелевыми проволоками, обладающими низкой температурой плавления и высокой смачивающей способностью. Износостойкость наплавленных различными композициями слоев в 1,5 - 3 раза выше износостойкости слоев, выполненных изностойкими проволоками сплошного сечения. По сравнению с наплавкой проволокой, при наплавке комбинированным способом производительность при одних и тех же параметрах режима возрастает на 15 - 20 %, главным образом за счет более эффективного использования теплоты, идущей на перегрев изделия и уходящей в окружающую среду. Этот способ открывает новые возможности совершенствования технологии плазменной наплавки, в том числе и труднонаплавляемыми материалами. Вышеописанные способы плазменной наплавки в настоящее время широко используются для восстановления работоспособности изношенных деталей и узлов двигателей, крестовин карданных шарниров, коленчатых и распределительных валов, клапанов. Материалы для плазменной наплавки При плазменной наплавке в качестве наплавочных материалов широко используются литые прутки, проволока и особенно часто в последнее время - порошки различного назначения. В качестве литых прутков используются стеллит и сормайт, а трубчатых - релит. В последнем случае используют стальную трубку диаметром 4 мм, с толщиной стенки 0,5 мм, заполненной зернами карбида вольфрама. Химический состав прутков из твердых сплавов приведен в табл. 2. Таблица 2 Химический состав литых и трубчатых прутков Марка сплава Содержание элементов, % C Cr Ni Mn Si Co W Fe Сормайт Пр - С1 2,5-3,5 25-31 3,5 до 1,5 2,8-4,2 - - 54-56 Стеллит Пр - В3К 1,0-1,5 28-32 до 2 - до 2,5 58-62 4-6 Ост. Релит Т3 4 - - - - - 95 1 Для плазменной наплавки могут использоваться как сварочные проволоки (ГОСТ 2246-70), так и наплавочные (ГОСТ 10543-75). Порошки различного назначения в зависимости от грануляции могут применяться как для плазменной наплавки, так и для плазменного напыления. Для плазменной наплавки применяют порошки фракций 63-100, 100-200, 100-280, 160-280, 200-400, 280-400, 400-630, 400-800, 630-800. Для нанесения покрытий коррозионно-стойких сталей и сплавов обладающих износостойкостью и высокой устойчивостью к химической коррозии в жидкостях, хорошей сопротивляемостью изнашиванию потоком абразивных частиц при 500 - 550 С выпускаются порошки и проволоки, основой химического состава является железо, хром, молибден, марганец и кремний. Примером таких проволок и порошков являются ПГ-У30Х28Н4С4; ПР-Х18Н9; ПР-06Х23Н28МДТ; ПР-Х20Н80; ПР-04Х19Н11М3; ПР-08Х19Н9Ф2С2; ПР-10Х16Н25АМ6. Для нанесения износостойких покрытий, обладающих коррозионной устойчивостью и жаростойкостью, применяют порошки самофлюсующихся сплавов и проволоки, такие как ПР-Н77Х15С3Р2; ПР-Н67Х18С5Р4; ПГ-СР4; ПР-Н68Х21С5Р; ПР-ОФНХСР; ПР-ЖНДСР. Основой химического состава этих материалов являются хром и никель. Для покрытий, соответствующих составам инструментальных и конструкционных сталей, обладающих высокой износостойкостью в сочетании с высокой прочностью и ударной вязкостью, применяют порошки и проволоки на основе железа, с добавкой хрома, ванадия, молибдена - ПР-РОМ6Ф3; ПР-30Х4В2М2ФС; ПР-150Х12Ф6Д. Для получения покрытий, соответствующих составам высокоуглеродистых легированных сплавов, обладающих высокой стойкостью при абразивном износе в сочетании с жаростойкостью, используются порошки и проволоки основой которых является хром с добавлением кремния, марганца, углерода и меди - ПГ-УС25; ПР-ЧН15Д7; ПР-Х30СРНД. Для получения покрытий из медных сплавов, обладающих антифрикционными свойствами в сочетании с хорошей износостойкостью, применяются проволоки на медной основе - ПР-Бр.АЖНМц8.5-4-5-1.5; ПР-Бр.КМц3-1; ПР-Бр.ОЦС5-5-5. Для получения жаростойких покрытий, обладающих высокой устойчивостью против газоабразивного износа при повышенных температурах, применяют порошки и проволоки, на основе хрома и кобальта, хрома и железа - ПКХ27Ю7С3И; ПР-К60Х30В5С; ПР-КХ30Н2В5С; ПХ20Ю6И. Для плазменной наплавки клапанов двигателей автомобилей и тракторов выпускаются спеченные присадочные кольца ПК ‑ НХ35С3 и ПК ‑ ХН60ВУ, дающие наплавленные ленты типов 100Н48Х28С2 и 150Н55Х26В6 соответственно. Оборудование для плазменной наплавки Для осуществления плазменной наплавки может быть исполь­зовано любое сварочное оборудование после соответствующей модернизации, а также специализированные установки и автоматы различного назначения. Кроме того, в настоящее время выпуска­ются специализированный аппарат А-1299 и установки для на­плавки У-516, УПН-302, УПН-303, УПН-502, УПН-602; установка для сварки и наплавки УПНС-304; установка для сварки, наплавки, напыления и упрочнения УПО-302; установка для нанесения по­рошковых покрытий УПВ-301; автоматы А1670 и А1756 для на­плавки поверхностей вращения, а также специализированные станки для наплавки клапанов У-138, У-151М, ОКС-1192 и соеди­нительных элементов буровых труб УД‑368. Аппарат А-1299 предна­значен для плазменной наплавки на плоские поверх­ности деталей. Он может ис­пользоваться самостоятельно для наплавки с вдуванием порошка в дугу, по слою крупнозернистого порошка либо пасты и для наплавки с подачей порошка в заднюю часть сварочной ванны, в ча­стности для армирования поверхности изделия релитом. Он комплектуется ходовой тележкой, механизмом подъ­ема, механизмом колебаний с двумя сменными горелками, пультом управления со встро­енным дозатором и шкафом управления Этот аппарат может также входить в состав уста­новок, в частности, в установку У-516, которая предназначена для плазменной на­плавки порош­ковыми материалами наружных цилиндрических поверхностей, торцевых поверхностей дисков и плоских поверхно­стей деталей. Она состоит из наплавочного аппарата А‑1299, ма­нипулятора, зад­ней бабки, поддерживающих роликов, станины и двух подогрева­телей деталей. Она также может быть ис­пользована для наплавки конических и фасонных деталей, уплот­нительных по­верхностей энергетической и химической аппара­туры, плунжеров насосов, различных валов, втулок, деталей ме­таллургического оборудования. При наплавке конических или фа­сонных деталей патрон манипулятора с зажатой деталью может наклоняться в пре­делах от –10 до 110 относительно горизонталь­ной плоскости. Установка УПН-302 предназначена для механизированной плазменной наплавки проволокой антифрикционных, коррози­онно-стойких и других поверхностных слоев с особыми свойст­вами. Она состоит из поворотной колонны с подвесной самоход­ной головкой, источника питания ИПН-315, шкафа управления, пульта управления, блока аппаратуры. Установка УПН-303 предназначена для автоматической плазменной наплавки постоянным током порошковых покрытий в среде инертных газов. В комплект установки входят: источник питания ИПН-315, шкаф управления, поворотная колонна, выносной пульт управления. На консоли колонны закреплены блок ротаметров, плазмотрон, дозатор, аппаратура управления. Грануляция порошков 100 – 400 мкм. Ширина наплавляемого слоя за один проход до 80 мм. Установка УПН-502 предназначена для механизированной наплавки проволокой. В комплект установки входят: источник питания ВДУ-504-1, консольная стойка с механизмом вертикального перемещения, самоходная тележка, плазмотрон ПМС-501, подающий механизм тянущего типа с катушкой, каретка с навесным пультом управления и суппортом грубой настройки, рейка, комплект ротаметров. Установка УПН-602 используется для механизированной наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами двумя токоведущими присадочными проволоками. В комплект установки входит поворотная колонна с направляющей балкой, подвесная самоходная головка, блок аппаратуры, три источника питания ИПН‑315, шкаф управления и сварочный манипулятор. Серию установок для плазменной обработки материалов выпускает С-Петербургский завод «Электрик». Установка УПНС-304 предназначена для сварки меди толщиной до 3 мм, алюминия - до 8 мм, нержавеющих сталей - до 5 мм, а также наплавки порошковыми материалами на основе железа, кобальта, никеля и меди грануляцией 40 – 300 мкм на постоянном токе. Установка комплектуется источником питания ИПН-315, блоком управления БП-302, ротаметрами, консольным манипулятором, дозатором и ручным плазмотроном. Установка плазменной обработки УПО-302 предназначена для плазменной сварки меди толщиной до 3 мм, алюминия - до 8 мм, нержавеющих сталей - до 5 мм; наплавки порошковыми материалами; порошкового напыления и плазмохимического упрочнения на постоянном токе. В комплект установки входит источник питания ИПН-315, блок управления БП‑304, ротаметры, консольный манипулятор с дозатором и ручным плазмотроном. Установка УПВ-301 предназначена для плазменно-порошкового нанесения упрочняющих покрытий самофлюсующимися металлическими порошками. В комплект установки входят: источник питания ИПН-315, блок управления БП-302, блок ротаметров, консольный манипулятор с дозатором и плазмотроном. Для плазменной наплавки рабочей фаски жаропрочных клапанов автомобилей ЗИЛ-130 и ГАЗ-130М разработан роторный станок автомат У-138. Он состоит из станины и вращающегося ротора, на котором установлено девять плазмотронов. Наплавка производится при непрерывном вращении ротора путем оплавления металлокерамического (или металлического) присадочного кольца. Специализированный станок У-151М разработан ИЭС им. Патона и предназначен для наплавки сжатой дугой рабочей кромки выхлопных клапанов двигателей в среде аргона. В качестве присадочного материала применяются металлокерамические и литые кольца. Укладка присадочных колец на заготовки клапанов, установка заготовок в цанговом зажиме и снятие наплавленных клапанов производятся вручную. Заготовка клапана закрепляется в цанговом патроне пневмоцилиндром. Станок состоит из станины, на которой смонтированы привод с программным устройством, подпятника, головки с цанговым зажимом и плазмотрона на подвеске. Использование подобной технологии для восстановления изношенных клапанов не дает положительных результатов из-за износа цилиндрического пояска клапана до 0,4 – 0,1 мм и наплавка тонкой кромки фаски вследствие неравномерного прогрева головки клапана и наложенного присадочного кольца затруднена, так как происходит подгорание кромки фаски. Малоярославским филиалом ВСХИЗО на базе наплавочного станка У-151 изготовлена специализированная установка ОКС-1192 для наплавки изношенных клапанов с подачей жаропрочных порошковых твердых сплавов на изношенную фаску. Наплавка производится в среде аргона, он же является и транспортирующим газом. Наплавляемый порошок подается через сопло плазмотрона на кромку вращающегося клапана. Плазменная струя расплавляет одновременно кромку клапана и порошок, образуя плотный слой наплавленного металла. В комплект установки входит наплавочный полуавтомат, источник питания ВДУ‑505, балластный реостат РБ-300, плазмотрон, разработанный в ВСХИЗО, и токарный станок. Автомат А-1670 разработан для плазменной наплавки порошковыми материалами поверхностей соединительных замков и муфт буровых труб и других подобных изделий. Он выполнен в виде единого узла, объединяющего наплавочную головку с блоками газораспределения и подачи присадочного материала. Плазмотрон установлен на рычаге колебателя каретки суппорта. В блоке газораспределения размещены три ротаметра для регулирования подачи плазмообразующего, защитного и транспортирующего газа - аргона. Охлаждение плазмотрона водяное. Для подачи порошка используются два питателя с раздельным регулированием количества порошка. Автомат укомплектован источником питания серии ВДУ и выносным пультом управления. Для плазменной наплавки порошковыми материалами наруж­ных поверхностей цилиндрических изделий разработан ИЭС им. Патона автомат А-1756. Он состоит из наплавочной головки, шкафа управления и источника питания серии ВДУ. Автомат используется совместно с токарным станком 1М63. Наплавочная головка содержит меха­низм подъема, на штанге которого установлен пульт управления и двухкоординатный суппорт с закрепленным на его каретке коле­бателем. На рычаге колебателя установлен плазмотрон. Внутри пульта управления система газораспределения и питатель-дозатор барабанного типа. Плазмообразующий, защитный и транспортирующий газ - аргон. Охлаждение плазмотрона водяное. Специализированная установка УД-368 предназначена для плазменной наплавки ленточным электродом композитного сплава на наружную поверхность соединительных элементов буровых труб. В состав ее входят наплавочное устройство, электродные катушки, выпрямитель ВКС-500, три плазмотрона, шкаф управления, манипулятор МБР-63 с приспособлениями для закрепления наплавляемых деталей и рампы газовых баллонов. Наплавочное устройство представляет собой четырехпозиционный полуавтомат с тремя позициями наплавки и одной позицией загрузки. Из-за значительной ширины наплавляемого слоя (до 250 мм) износостойкий пояс наплавляется на цилиндрическую поверхность деталей в три приема - на трех позициях наплавки. Наплавка осуществляется при вращении деталей со сварочной скоростью, колебании плазменных горелок и подаче пластинчатого электрода в зону горения дуги. Защитный и плазмообразующий газ - аргон, охлаждение плазмотронов – водяное Технология плазменной наплавки Качество плазменной наплавки и свойства наплавленного ме­талла определяются: качеством подготовки присадочного мате­риала и поверхности изделия под наплавку, правильным выбором режима и техники наплавки. Повышенные требования к качеству очистки определяются необходимостью обеспечить смачивание поверхности изделия жидким наплавленным металлом. Известно, что металлы покры­тые слоем оксидов, смачиваются очень плохо из-за того, что по­верхностное натяжение оксидов значительно меньше, чем соответ­ствующих металлов. Кроме того, удаление с поверхности слоя ок­сидов увеличивает растекание жидкого присадочного материала по поверхности изделия. Чаще всего применяют пескоструйную или дробеструйную очистку. Возможно также применение меха­нической очистки, но в этом случае перед наплавкой поверхность изделия должна быть обезжирена. Процесс наплавки следует осуществлять таким образом, чтобы капли расплавленного металла поступали только в переме­щающуюся по поверхности изделия ванночку на расстоянии 2 ‑ 3 мм от ее головной части. При любой ширине наплавляемого ва­лика наплавку следует производить с поперечными колебаниями плазменной головки. Наплавляемый валик при этом имеет плав­ный переход от металла наплавки к основному металлу, что позво­ляет сплавлять их между собой, при необходимости получая на­плавленный слой значительной ширины. Частоту колебаний сле­дует выбирать таким образом, чтобы капли жидкого металла также попадали только в жидкую ванну. Частота колебаний 20 - 40 мин-1 является наиболее оптимальной. Одним из основных параметров режима наплавки является сила тока. Увеличение силы тока приводит к увеличению пере­грева наплавляемого металла и, как следствие, к увеличению на­грева основного металла. Это, при прочих равных условиях, уве­личивает переход железа из основного металла в наплавленный слой, что может привести к ухудшению его свойств. При наплавке с токоведущей проволокой скорость подачи ее имеет жесткую связь с режимом наплавки. Скорость подачи про­волоки оказывает большое влияние на характер переноса металла в сварочную ванну. При наплавке желательно иметь крупнока­пельный характер переноса. В этом случае разогрев металла не­большой и, следовательно, переход элементов основного металла в наплавленный слой мал и свойства его выше. Скорость наплавки определяется оптимальным углом 1 на­клона плазменной горелки к изделию, расстоянием от торца при­садочной проволоки до поверхности основного металла. Крите­рием того, что установленная скорость наплавки максимальна, яв­ляется то, что при дальнейшем увеличении скорости, капли приса­дочного металла начинают попадать на основной металл впереди ванны. При чрезмерном уменьшении скорости наплавки увеличи­вается разогрев основного металла и переход элементов из него в наплавленный слой. При наклонном положении плазмотрона струя не выходит из зоны ванны наплавляемого металла и поддерживает её в перегретом состоянии в течение необходимого времени. Од­новременно она оказывает дополнительное давление на жидкий металл, улучшая этим условия его растекания по поверхности из­делия. Скорость наплавки при таком процессе подбирается равной скорости растекания перегретого металла ванны. В зависимости от угла наклона плазмотрона к изделию меняется и направление по­тока плазменной струи к изделию. Поток плазменной струи может быть направлен к изделию под углом 2 < 90, прямым углом и углом > 90 (рис. 14). Во всех трех случаях угол наклона го­ловки 1 к изделию меньше 90. Рис. 14. Схема вариантов наклона плазменной горелки к поверхности изделия: 1 ‑ оптимальный угол наклона плазменной горелки; 2 ‑ угол между направлением потока плазмы и поверхностью изделия;  ‑ угол растекания В первом случае 2 < 90;  > 90 (рис. 14а) Поток плазменной струи направлен навстречу перемещающейся ванне жидкого металла, и давление газов препятствует её перемещению. Скорость наплавки уменьшается. Во втором случае 2 = 90;  = 90 (рис. 14в). Поток плазменной струи направлен в центр ванны жидкого металла, и дополнительное давление, оказываемое потоком, заставляет течь жидкий металл быстрее. Скорость наплавки увеличивается. В третьем случае 2 > 90;  < 90. (рис. 14б). Поток плазменной струи направлен частично в ванну и частично за неё, что также препятствует нормальному её течению, так как и в этом случае необходимо преодолеть дополнительное сопротивление плазменной струи. Таким образом, выбор правильного угла наклона плазмотрона к изделию позволяет повысить скорость наплавки на 10 ‑ 30 %. Расход защитного газа должен обеспечивать ламинарный характер истечения для обеспечения надежной защиты. Оптимальный расход защитного газа при наплавке 1000 – 1200 л/ч. Расход плазмообразующего газа 100 – 150 л/ч. Расстояние от присадочной проволоки до изделия существенно влияет на эффективную тепловую мощность и защиту ванны. Расстояние 8 – 17 мм является наиболее оптимальным. Диаметр присадочной проволоки может быть любым. Чаще всего используется проволока диаметром 2 – 5 мм. При наплавке двумя токоведущими проволоками желательно, чтобы их диаметры были одинаковыми. При наплавке с токоведущей и нетоковедущей проволоками целесообразно диаметр последней выбирать меньшим, чем диаметр токоведущей проволоки. При использовании в качестве материала наплавки порошка большое значение имеет размер его зерна, особенно в случае наплавки с вдуванием порошка в дугу. Слишком крупные зерна порошка могут недостаточно проплавиться в плазменной струе и попадают на подложку в твердом состоянии. Мелкие зерна комкуются и могут забивать шланги горелки или даже спекаться между собой в сопле горелки. Наиболее оптимальным является размер зёрен 0,07 ‑ 0,1 мм. При наплавке по слою крупки применяют крупнозернистый порошок размером 0,5 – 2,5 мм. Использование мелкозернистого порошка нецелесообразно, так как он может сдуваться с наплавляемой поверхности факелом или струей защитного газа. Наплавку можно производить как с колебаниями плазменной головки, так и без колебаний. При плазменной наплавке важное значение имеют процессы расплавления основного и наплавочного металла. Уменьшая температуру перегрева жидкого металла и длительность его контактирования с основным металлом, можно значительно уменьшить глубину проплавления. Это позволяет снизить долю основного металла в металле наплавки. Переход элементов основного металла в металл наплавки может также регулироваться применением того или иного способа наплавки, а при одном и том же способе - изменением режима наплавки. Минимальный переход получен при наплавке плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой. Основные размеры соединения (рис. 15) можно определить по формуле: Рис. 15. Расчетная форма сечения наплавленного слоя. , где: Fн – площадь сечения наплавленного металла, см2; н – коэффициент наплавки, г/Ач; Jп – ток в присадочной проволоке, А; Jэк – ток между электродом и каналом сопла, А;  – удельный вес наплавленного металла, г/см3; Vн – скорость наплавки, м/ч. В свою очередь, площадь поперечного сечения наплавленного металла при наплавке с колебаниями плазмотрона можно выразить через геометрические параметры: , где: В - ширина наплавленного валика, см; hн - высота наплавленного валика, см. При наплавке плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой и колебаниями плазмотрона ширина наплавленного слоя зависит от амплитуды колебания и может быть выражена следующим образом: , где: А – амплитуда колебания плазмотрона, см; А1 – превышение ширины наплавленного валика относительно амплитуды колебания горелки, см. Тогда высота наплавленного валика определяется из формулы . Глубину проплавления можно также определить как , где: q – эффективная мощность плазменной струи, Дж/с;  - удельный вес металла, г/см3; Sпл - теплосодержание основного металла, включая скрытую теплоту плавления, Дж/г; Vпг - результирующая скорость перемещения плазмотрона, см/с; t - термический к.п.д. процесса проплавления основного металла. Результирующую скорость перемещения плазменной горелки по наплавляемой поверхности определяют по правилу сложения скоростей: , где: Vп - скорость поперечного перемещения плазмотрона: . Здесь  - частота колебаний плазмотрона (с-1). Таким образом, достаточно несложно определить геометрические параметры наплавленного соединения. При наплавке различных материалов на сталь режимы наплавки существенно отличаются. Лекция 5. Плазменное напыление. Общие сведения и сущность плазменного напыления Среди способов нанесения покрытий плазменное напыление привлекает особое внимание благодаря своим технологическим возможностям. Плазменное напыление - это процесс нанесения упрочняющих и защитных покрытий путем нагрева и расплавления напыляемого материала сжатой дугой и последующего осаждения частиц на ос­новном металле без его расплавления. Использование износостойких, коррозионно-стойких, жаро­стойких и других видов покрытий позволяет резко сократить по­тери металлов, расход ресурсов на их возмещение и дает возмож­ность повысить качество, надежность и долговечность машин и механизмов. Плазменное напыление имеет преимущества в развитии перед другими методами напыления по следующим причинам: высокая плотность теплового потока (до 105 Вт/(см2с)) обеспечивает рас­плавление частиц за время 10-3 - 10-4 с; большая скорость газовой струи и вводимых в нее частиц; возможность проведения процесса напыления в регулируемой атмосфере, в том числе и в вакууме. Плазменное напыление обладает целым рядом достоинств. К ним относятся: возможность нанесения покрытий на изделия, из­готовленные практически из любого материала, без изменения их свойств; возможность напыления разных материалов одним и тем же оборудованием; широкий выбор материала для напыления; от­сутствие деформации и понижения прочности изделия, на которое наносится покрытие, поскольку поверхность изделия нагревается до температуры не более 300 С; высокая производительность на­пыления, которая может достигать до 20 кг/ч распыленного мате­риала. Нагрев и перенос напыляемого материала происходит в по­токе низкотемпературной плазмы. Для этого процесса использу­ется дуга косвенного действия (рис. 55а). Материал может вводиться в сжатую дугу в виде проволоки, стержней, а чаще всего в виде по­рошка. При плазменном распылении проволоки или стержней имеет место полное расплавление напыляемого мате­риала. Допол­нительно интенсифицировать Применяют различные типы проволочных материалов и стержней. Проволочные материалы не лимитированы по длине. Они подразделяются на проволоки: • сплошного сечения; • порошковые с металлической оболочкой; • порошковые с органической оболочкой. Диаметр проволоки от 0,5 до 5 мм. Схема процесса распыле­ния проволоки приведена на рис. 16. Рис. 16. Схема распыления проволоки: 1 ‑ напыляемая проволока; 2 ‑ зона пластического состояния; 3 ‑ зона отрыва капли; 4 ‑ зона жидкого состояния; 5 ‑ деталь; 6 ‑ напыляемые частицы; 7 ‑ зона охлажденного газа; 8 ‑ плазменная струя Чаще всего применяют проволоки сплошного сечения. Порошковые проволоки с металлической оболочкой перспективны для напыления композиционных покрытий. Порошковые прово­локи с органической оболочкой пока применяют ограниченно. Стержни сплошного сечения изготавливают отливкой. По­рошковые стержни формуют из измельченных материалов, напри­мер оксидов, а затем подвергают спеканию. Диаметр стержней ко­леблется от 3 до 6 мм, а длина – от 500 до 600 мм. В последние годы наиболее эффективно и интенсивно разви­вается плазменно-дуговое напыление порошковых покрытий и по­этому именно ему следует уделить основное внимание Для напыления используют порошки общепромышленного назначения и специализированные двух типов: однокомпонентные и двух– или более компонентные. Последние называют компози­ционными порошками. Размер порошка от 5 до 150 мкм. Большое значение для процесса плазменного напыления имеет место ввода порошка в плазменную струю. Существуют четыре основных схемы подачи порошка при плазменном напыле­нии (рис. 58). В большинстве стандартных плазмотронов до на­стоящего времени реализуется третий вариант - подача за анод­ным пятном. К его недостаткам относится возможность образова­ния настылей на внутренней стенке сопла, что нарушает нормаль­ную работу горелки и может привести к появлению дефектов в покрытии. Внешняя подача обеспечивает наиболее стабильные условия работы, однако снижает степень использования тепла струи на нагрев порошка. Тепловую эффективную мощность при нагреве порошка определяет род и расход применяемого газа, а также распределение температурного поля в плазменной струе. В качестве плазмообразующих газов при плазменном нанесении покрытий наиболее часто применяют N2, H2, Ar, He,NH3 и их смеси. Физико-химические характеристики основных плазмообра­зующих газов были приведены ранее (табл. 2). Так как теплопере­дача с увеличением температуры ухудшается вследствие больших потерь тепла на излучение, то для повышения эффективности теп­лового процесса выгодно использовать газы, имеющие большее теплосодержание. Газовая среда в плазмотроне кроме своей основ­ной функции образования плазмы также защищает электроды от окисления и охлаждает их. При нагреве одноатомных газов вклад в энтальпию вносят только тепловое движение и ионизация, в то время как для двух– и многоатомных газов дополнительная энер­гия вкладывается в процессе диссоциации. В результате плазма двух– и многоатомных газов обладает большей энтальпией, чем у одноатомных газов, при одинаковой температуре. При плазменном напылении энтальпия струи находится в пределах 2,5 ‑ 3,8104 Дж/л, что для азота соответствует температуре около 6 000 К, а для аргона 14 000 К. Напыление с использованием аммиака в качестве рабочего газа подтверждает высокую эффективность нагрева в те­плопроводных многоатомных газах. Среднемассовая температура нагреваемого газа увеличивается с ростом силы тока и с уменьше­нием расхода плазмообразующего газа. Вместе с тем эффективный КПД нагрева практически не зависит от тока. Для повышения КПД нагрева следует увеличить массовый расход газа и его теплопроводность. В настоящее время максимальный КПД нагрева газа (80 %) достигается при нагреве водорода. Однако водород, несмотря на то, что сравнительно недорог, в чистом виде не применяется, так как при высоких значениях теп­лопроводности и теплосодержания он оказывает интенсивное раз­рушающее действие на электроды. Гелий в чистом виде также применяется ограниченно из-за его высокой стоимости и быстрого эрозионного износа электро­дов. Для увеличения срока службы сопла обычно используют во­дородно-азотную смесь газов, в которой объёмное содержание во­дорода составляет 18 – 20 %. В этом случае КПД плазмотрона ока­зывается около 60 %. Достоинства аргона заключаются в том, что он легко ионизи­руется, дает стабильную плазменную струю при невысоком рабо­чем напряжении и хорошо защищает раскаленный вольфрамовый электрод. Однако энтальпия аргона значительно ниже, чем двух­атомных газов. Поэтому с целью повышения теплосодержания и скорости струи применяют смеси газов. Так, к аргону добавляют водород или гелий до 25 %. С этой же целью используют смесь азота с 3 – 10 % водорода. Необходимо также учитывать химическую активность газов по отношению к напыляемому материалу и подложке. Титан и цир­коний, например, очень легко реагируют с водородом, образуя нитриды и гидриды, в результате чего они становятся твердыми и хрупкими. Поэтому для указанных металлов в качестве плазмооб­разующих сред применяют инертные газы аргон или гелий. В настоящее время возникла тенденция использования в каче­стве плазмообразующих веществ для плазменного напыления та­ких дешевых, недефицитных материалов, как продукты сгорания углеводородов, воздух и даже вода. Такие материалы при вы­соких температурах диссоциируют с образованием свободного водорода, обладающего сильными восстановительными свойст­вами и обеспечивающего высокое теплосодержание и скорость истечения плазменной струи. В качестве транспортирующего газа при напылении, как пра­вило, используют азот, аргон, водород и их смеси. Завершающей стадией процесса плазменного напыления яв­ляется формирование покрытия. Напыляемый материал в плаз­менной струе нагревается, плавится, распыляется (проволока, стержни) и сформированный поток частиц направляется в сторону подложки. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью подложки. В результате образуется сис­тема покрытие – основа с определенным комплексом физико-хи­мических и механических свойств. Покрытие формируется из отдельных оплавленных или близ­ких к этому состоянию частиц. Последовательно накладываясь друг на друга, частицы образуют сложное чешуйчатое покрытие с сильной анизотропией физических и механических свойств, неод­нородное в химическом и структурном отношении, характери­зующееся развитой поверхностью стыков между частицами и по­вышенным содержанием оксидных включений. Вследствие за­калки частиц, напылённый материал обычно тверже исходного, и сильно насыщен газами, которые были растворены в расплавлен­ных частицах при полете в струе плазмы. В отличие от компакт­ного материала, имеющего межзеренные и межфазные границы, в напыленном покрытии имеются еще три типа границ, оказываю­щих существенное влияние на свойства покрытия: границы между деформированными частицами, межслойные границы и границы, разделяющие покрытие и подложку (рис. 17). В настоящее время полностью еще не изучен механизм со­единения плазменного покрытия с подложкой. Анализ явлений, происходящих на стадии формирования покрытия позволяет вы­делить в числе основных следующие: удар частицы о по­верхность; деформацию частицы; термические процессы в зоне контакта; возникновение сил сцепления частицы с контактной по­верхностью; установление термического равновесия системы по­крытие - основа с окружающей средой и формирование остаточ­ных напряжений. Эти явления разделены строго по времени и в основном накладываются друг на друга. Анализ процессов, происходящих при ударе и деформации частицы, позволил сделать принципиально важный вывод - возможность взаимного термического влияния частиц при плазменном напылении чрезвычайно мала и вероятность попада­ния новой расплавленной частицы на еще незастывшую напылен­ную ранее, может не приниматься в расчет. Это существенно облегчает анализ процесса образования покрытия, сводя его к ис­следованию контактного взаимодействия отдельных частиц. Рис. 17. Типовая структура покрытия: 1 ‑ границы между частицами; 2 ‑ границы между слоями; 3 ‑ граница между покрытием и подложкой; 4 ‑ частицы; 5 ‑ подложка Раз­личают взаимодействие напыляемых частиц с поверхностью ос­новы и напыляемых частиц с поверхностью уже нанесенного слоя покрытия. В первом случае возникают силы сцепления покрытия с основой, во втором - силы, обуславливающие внутреннюю (коге­зионную) прочность самого покрытия. В настоящее время рассматривают следующие механизмы взаимодействия: • механическое заклинивание напыляемых частиц в неровностях поверхности основы (анкерный эффект); • межмолекулярное взаимодействие в местах плотного контакта напыляемого вещества с веществом основы; • диффузионное проникновение напыляемого вещества в ос­нову; • химическое взаимодействие. Заклинивание частиц является основным фактором, обеспечи­вающим высокую прочность сцепления порошка с основой. Меха­ническое сцепление возникает в силу следующих причин. Частицы порошка, попадая в плазменную струю, оплавляются и разгоня­ются в плазме до скоростей порядка 200 м/с. При столкновении с поверхностью основы жидкая оболочка частиц затекает в трещины и неровности на поверхности. Застывая, частица закли­нивается в них и тем самым закрепляется на поверхности основы. В отдельных местах частицы настолько плотно прилегают к основе, что между атомами и молекулами вещества частиц и ос­новы устанавливается взаимодействие. Оно характеризуется вне­дрением атомов вещества частиц в кристаллическую решетку ос­новы и способствует упрочнению связи между ними. Существенную роль в упрочнении сцепления между покры­тием и основой играет диффузионный процесс. При достаточно высоких температурах он резко активизируется вследствие экспо­ненциальной температурной зависимости коэффициента диффу­зии, который определяется по формуле: где: E – энергия активации диффузии, R – универсальная газовая постоянная; Т – температура нагрева основы. Это приводит к относительно глубокому (на глубину до 0,1 мм) проникновению атомов напыляемого вещества в тело основы, обеспечивая прочную связь с ней. Химическое взаимодействие между составляющими покрытия и основы также способствует упрочнению сцепления. Однако химические соединения обычно неустойчивы к частым теплообменам и ударным нагрузкам. В случае их разрушения будет проис­ходить и отслоение покрытий. На прочность сцепления оказывает влияние также толщина напыленного слоя. При охлаждении изделия после напыления на границе контакта пленки и основы возникают напряжения, обусловленные различием физических свойств веществ (плотности, вязкости, упругости, термического расширения). С ростом толщины пленки характер напряжений в пленке меняется, что снижает адгезию пленки с основой. На практике толщина напылён­ного слоя ограничивается пределами 0,2 - 1,5 мм. При плазменном напылении образующаяся пленка имеет обычно рыхлую, пористую структуру, характеризуется низкой прочностью и слабым сцеплением с основой. Для ее упрочнения применяют оплавление напылённого слоя. Сущность последнего заключается в том, что напыленный слой и прилегающий к нему участок детали нагревают до температуры плавления легкоплав­ких составляющих - флюсов. В современных порошках - это со­единения B с Si. Они заполняют поры между частицами, уплот­няют слой, а также растворяют оксидные пленки, способствуя ин­тенсивной взаимной диффузии между частицами и основой. Тем самым достигается высокая прочность как самого слоя, так и его сцепления с основой. Прочность сцепления возрастает примерно в 100 раз и может достигать 70 МПа. В общем, весь процесс взаимодействия частиц с напыляемой поверхностью можно представить состоящим из трех стадий: об­разования физического контакта; активизации контактных по­верхностей и образования химических межатомных связей на гра­нице раздела; развития объемного взаимодействия (релаксация микронапряжений, рекристаллизация, гетеродиффузия, образова­ние новых фаз). Вместе с тем, на пути движения частиц порошка от момента входа в контакт с плазменной струей до момента касания подложки, имеет место взаимодействие их поверхности с элемен­тами окружающей среды. Поэтому при плазменном напылении даже инертные плазмообразующие газы не создают полностью защитную атмосферу на всей траектории полета частиц напыляе­мого материала, вследствие чего свойства покрытий от­личаются от свойств исходного материала. Содержание кислорода и азота в покрытии может достигать десятых долей процента и более. При формировании покрытия на подложке в нем образуется открытая и закрытая пористость. Пла­стичность напыленного металла ниже, чем исходного, хотя в це­лом покрытия обладают удовлетворительной пластичностью. Прочность напыленного материала в 5 – 10 раз ниже прочности исходного компактного материала. Изменяется фазовый состав, теплопроводность и электрическая проводимость напыленного материала и т.д. Поэтому проводятся работы, направленные на улучшение свойств покрытий, повышение надежности и стабиль­ности процесса. Одним из способов, который позволяет повысить качество покрытий, особенно из металлов и материалов, подверженных разложению, окислению, азотированию, является напыление в ва­куумной камере с контролируемой по составу и давлению атмо­сферой. Перед напылением в камере создают вакуум 0,7 ‑ 1,0 Па с помощью форвакуумного насоса, а затем ее заполняют газом, в котором предполагается производить напы­ление. Это позволяет существенно улучшить свойства напыляе­мого материала, особенно пластичность, уменьшить газовые при­меси в покрытии, улучшить микроструктуру покрытия и его плот­ность. Более совершенным способом плазменного нанесения покры­тий в камерах с защитной атмосферой является напыление в дина­мическом вакууме. В этом случае истечение плазменной струи происходит в вакуумную камеру, из которой непрерывно откачиваются рабочие газы. Причем скорость истечения так назы­ваемой сверхзвуковой плазменной струи превышает скорость звука в 2 – 3 раза, увеличивается скорость частиц напыляемого материала до 800 м/с. Порошки для плазменного напыления покрытий Плазменный метод позволяет наносить в чистом виде покры­тия из тех веществ, которые не разлагаются при нагреве. Это пре­жде всего металлы и сплавы, тугоплавкие соединения (карбиды, бориды, нитриды, силициды, оксиды и их сочетания). Плазмен­ным методом можно наносить и некоторые пластмассы, если на­пыляемый материал вводить в то место плазменной струи, где температура достаточно снизилась. В практике напыления исполь­зуют как однородные порошки различных материалов, так и гете­рогенные порошки сложной структуры - композиционные, а также их механические смеси. В последнее время все большее распространение получают композиционные порошки. В настоящее время существует ряд разнообразных формули­ровок, используемых различными авторами для обозначения ма­териалов такого типа: плакированные порошки (или порошки с покрытием), термореагирующие порошки, биметаллические по­рошки. В зарубежных публикациях распространены термины: coated powder, cermet powder, clad powder. Наиболее распростра­нены термины: композиционный или композитный порошок - в отечественной литературе и composite powder - в зарубежной. По­нятия - плакированные порошки или порошки с покрытием (соот­ветственно coated powder, clad powder), биметаллические порошки относятся к частному случаю композиционных порошков и отра­жают характерную особенность структуры частиц. Термореаги­рующий порошок и cermet powder связаны с конкретными соста­вами порошков, т.е. также не являются определениями общего по­рядка. В общем случае композиционный порошок может быть оп­ределен как порошок сложного состава, каждая гранулометриче­ски самостоятельная частица которого состоит из макрообъемов нескольких компонентов, отличающихся по химическому составу, и идентична по качественному составу всем остальным. В объеме этого определения композиционный порошок может быть диффе­ренцирован от порошков сплава и дисперсно-упрочненного мате­риала (по размеру объемов компонентов) и механической смеси различных порошковых материалов (по характеру состава). К основным типам частиц по их строению относятся плакиро­ванные и конгломератные частицы (рис. 18). Рис. 18. Основные типы строения частиц композиционных порошков: а ‑ плакированная; б, в ‑ конгломератные Строение плакированной частицы таково: на поверхности ис­ходной частицы (ядра) одного из материалов расположены один или несколько слоев других материалов. Частица композицион­ного порошка конгломератного типа сформирована из множества исходных частиц нескольких материалов. Следует различать гете­родисперсные конгломератные частицы, когда между дисперсно­стью компонентов существует большая разница и частицы одного из них служат основой (ядром), а на их поверхности размещаются частицы остальных компонентов (рис. 18б). В этом случае отно­шение диаметра частиц основы к диаметру частиц остальных ком­понентов обычно находится в пределах 10 - 20 и более. Другим вариантом являются гомодисперсные конгломератные частицы, которые сформированы из различных исходных компонентов с близким размером частиц (отношение диаметров обычно 1 - 3) (рис. 18в). Комбинация этих двух основных типов позволяет полу­чить ряд структур смешанного типа. На рис. 19 представлены некоторые варианты смешанных структур частиц трехкомпонент­ных композиционных порошков. Рис. 19. Типы смешанных структур трехкомпонентных композиционных порошков Исходя из характера поведения композиционных порошков при напылении, по составу их целесообразно делить на реаги­рующие при нагреве и термонейтральные. В первом случае полу­чение покрытий совмещено с синтезом новых веществ и его состав резко отличается от исходного состава частиц. Во втором случае существенного изменения состава в процессе напыления не про­исходит (если не считать обычные для всех материалов процессы окисления, азотирования в плазменной струе и т.п.) Требования к порошкам для плазменного напыления склады­ваются на основе двух положений: форма и размер частиц должны обеспечивать, с одной стороны, стабильную и регулируемую по­дачу частиц в плазменную струю, а с другой – формирование по­крытий с заданными эксплуатационными свойствами. Показатели, входящие в состав этих требований, диктуются как условиями ра­боты питателя и пневмотранспорта, так и процессами теплооб­мена, газодинамики и межфазного взаимодействия в плазменной струе, которые могут быть противоречивыми. Поэтому оптималь­ным решением во многих случаях является компромиссное соче­тание степени удовлетворения этих требований. Важной сумми­рующей характеристикой порошков на стадии подачи к плазмо­трону является их сыпучесть (текучесть). Она обуславливает ста­бильность подачи материалов, возможность точной регулировки его расхода. Сыпучесть порошка определяют по ГОСТ 29899‑75. Сыпучесть порошков можно проверить и сравнить. Для улучшения сыпучести порошка его предварительно сушат в сушильном шкафу или муфельной печи. Металлические порошки целесообразно сушить при температуре 120 – 150С, а керамические - при 600 – 700 С в течение 3 – 5 ч. При сушке порошков их необходимо располагать слоем не более 20 мм и периодически перемешивать. Для обеспечения равномерной подачи порошка желательно наличие частиц сферической (или сфероидизированной) формы с незначительной пористостью и размером не менее 10 мкм. Для получения качественных покрытий порошок должен быть узкой фракции. Такие порошки получают путем рассева на ситах. Раз­меры ячеек сит в свету 0,05; 0,063; 0,1 и 0,125 мм. Порошки такой грануляции гигроскопичны, поэтому их необходимо хранить в герметичной таре. Развитие технологии плазменного напыления, расширение масштабов ее применения ведут к увеличению ассортимента порошков, применяемых для получения плазменных покрытий. Из зарубежных фирм, производящих и поставляющих свыше 300 ви­дов специализированных порошков для плазменного напыления, следует отметить такие фирмы США, как «Метко», «Юнион Кар­байд», «Уолл Колмоной», «Глидден Металлс», «Кэбот Корп.», а также филиалы американских фирм в Бельгии «Флоридиенне» и «Сильвания» и объединенную американо-швейцарскую фирму «Амдри–Плазматекс». В Великобритании порошки для плазмен­ного напыления производят фирмы «Бей Стейт» и «Эллмер Уол­лес». Крупными западноевропейскими фирмами - поставщиками таких материалов являются «Штарк» (ФРГ), «Кастолин» (Швей­цария), «Хеганес» (Швеция). У нас основными поставщиками по­рошков для газотермического напыления являются НПО «Тула­чермет» и бывшее ВПО «Союзтвердосплав», выпускающие такие распространенные типы порошков, как самофлюсующиеся по­рошки системы Ni - Cr - B - C - Si (марки ПГ-СР, СНГН и ПС-12НВК), интерметаллиды Ni - Al (марки ПН-Ю и ПТНА), порошки твердых сплавов типа ВК (WC – Co) и оксидов титана, алюминия, хрома. Если в первые годы развития процесса плазменного нанесения покрытий для напыления использовали однокомпо­нентные материалы (W, Mo, Ni и т.д.), то в настоящее время на­блюдается тенденция создания и напыления сложных по составу многокомпонентных порошков. Все множество порошковых материалов, предназначенных для получения покрытий, можно условно разделить в соответст­вии с их химическим и фазовым составом на три группы. К первой группе относятся однофазные, термодинамически ста­бильные порошки оксидов, практически не претерпевающие фазо­вых и структурных изменений в процессе плазменного напыления. Оксиды алюминия Al2O3, титана TiO2, циркония ZrO2, хрома Cr2O3 и их смеси предназначены главным образом для получения по­крытий, сочетающих жаростойкость с износостойкостью, и ис­пользуются для защиты поверхностей сопел реактивных двигате­лей, лопаток газовых турбин, трубопроводов, тяговых колец воло­чильных машин. При нанесении таких покрытий, для лучшего сце­пления с подложкой на поверхность детали наносится подслой из металлических сплавов, например Ni - Al. В ряде случаев вводят стабилизирующие оксиды CaO (до 5 %), V2O3, воз­можно добавление до 23 % Со. Известен также способ получения покры­тия Cr2O3 путем нанесения на поверхность металлического хрома плазменным напылением с последующим нагревом детали на воз­духе при 600 – 1 300 С в течение 3 ч, при котором тонкий слой хрома ( 50 мкм) окисляется с образованием Cr2O3. Твер­дость ок­сидных покрытий достигает 500 – 1300 по Виккерсу при толщине 0,1 ‑ 0,5 мм, прочность сцепления с металлической под­ложкой 150 ‑ 300 кг/см2. Ко второй группе порошковых материалов относятся интер­металлические соединения NiTi, NiAl, TiAl, NiCr. Исходные по­рошки могут иметь фазовый состав в виде интерметаллида, или основного металла, плакированного дополнительным, например ядро Ni с поверхностным слоем Al. Во втором случае экзотермиче­ская реакция образования интерметаллида проходит в процессе плазменного напыления, что положительно влияет на свойства покрытия. Фазовый состав интерметаллического покрытия зависит от условий напыления и может наряду с основной фазой включать частицы со стехиометрией уменьшенного или увеличенного со­держания основного металла, а также ряд других фаз. Так, при на­пылении частиц интерметаллида TiNi, кроме аморфной и мелко­кристаллической фазы TiNi покрытие содержало фазы TiNi3 и Ti2Ni. Кроме того, наблюдались оксиды титана переменного со­става, оксиды никеля, а также сложные соединения NixTiуOz. Такие изменения фазового состава, даже при напылении исходного по­рошка TiNi, происходят из-за обеднения фазы никелем при интен­сивном нагреве частиц в центре плазменной струи (преимущест­венное испарение никеля по сравнению с титаном) и при преиму­щественном окислении титана на периферии плазменной струи при смешивании ее с воздухом. Содержание дополнительных фаз другой стехиометрии увеличивается после термообработки мета­стабильного покрытия. Тем не менее интерметаллические покры­тия, имеющие высокую твердость (HRC 50 – 55), коррозионную стойкость, износостойкость и ряд других свойств находят приме­нение для повышения эксплуатационных характеристик изделий. Большое распространение получили покрытия, состоящие из частиц твердых фаз внедрения в металлической матрице. Фазы внедрения простых (карбиды, нитриды, бориды) и более сложных составов (карбонитриды) образуются в виде дисперсных частиц в матрице на основе никеля, кобальта, железа (с добавлением хрома, молибдена, ниобия) в процессе получения порошка. Возможно также введение конгломерата частиц в связке (например WC - Cо), смешиваемого с порошком металломатрицы. В ряде случаев час­тицы фаз внедрения формируются при дисперсионном твердении частиц порошка в процессе плазменного напыления, например частицы карбидов и боридов хрома и никеля в распространенном самофлюсующемся материале системы Ni - Cr - B - C - Si. Химиче­ский состав таких сплавов по массе колеблется в пределах: Cr – 14‑35 %; B – 0,5‑4,5 %; С – 0,01‑2 %; Si – 0,5‑5,5 %. Для твердорас­творного упрочнения материала возможно также введение до 5 % Fe, 15 % Mo, 2 % Nb. Часто этот материал используется как основа для введения в него дополнительных твердых фаз в виде смеси порошков перед напылением: до 15 % оксидов Al2O3 и TiO2, до 30 % WC - Co или TiC, (TiN)C. Такие сплавы обладают высокой твердостью (HRC 60 - 70), и проявляют наибольшую износостой­кость при работе в условиях сухого трения и трения со смазкой в паре с любым контртелом. В последнее время в связи с дефицитностью вольфрама мно­гими исследователями разрабатываются материалы, в которых в качестве твердой фазы используются карбиды (Ti, Cr)C, карбиды (Cr, Ti, V)C в системах Ti - Al - C и Cr - Al - C, карбонитриды Ti(CN), карбиды хрома и железа в смесях порошков феррохрома с чугунным порошком, бориды (ТiCr)B2, CrB2. Частицы твердой фазы размером от 5 до 50 мкм смешиваются с порошком-основой (сплавы на основе (Ni, Co, Fe, Cu - Ni - Mn) и наносятся методом плазменного напыления в нейтральной или азотсодержащей среде. При нанесении покрытия в газовоздушной плазме рекомендуется предварительное плакирование частиц металлом-основой (Ni, Co, Ni - Cr), чтобы избежать окисления карбидов и боридов в процессе напыления. К наиболее распространенным в настоящее время порошкам относятся: • металлы – Mo, Al, W, Ni, Cu; • сплавы – NiCrBSi, NiCr, CoNiCrW, CuNi, CuAl, CuNiIn; • оксиды – Al2O3, Cr2O3, Al2O3 ‑ TiO2, ZrO2 ‑ CaO, ZrO2 ‑ MgO; • тугоплавкие соединения – WC ‑ Co, Cr3C2; • композиционные порошки – WC ‑ Co, Ni, Ni ‑ 5Al, NiCr ‑ Al, Ni ‑ графит; • механические смеси – NiCrBSi + WC или (WC – Co), Cr3C2 + NiCr, NiCrBSi ‑ Mo. Одним из наиболее распространенных в мировой практике видов материалов для плазменного напыления являются никеле­вые самофлюсующиеся сплавы. Они позволяют получать покры­тия, стойкие к коррозии в различных средах. Выпускаются более 20 марок таких порошков, получаемых, главным образом, путем распыления расплава водой или газом. Размер частиц – 40 ‑ 100 мкм. Содержание бора в них изменяется от 1 до 5 %, твер­дость получаемых покрытий - от 25 до 62 HRC. Другим видом выпускаемых специализированных материалов для плазменного напыления являются порошки никельалюминие­вых (ПН70Ю30, ПН85Ю15), никельтитановых (ПН55Т45, ПТ88Н12) и титаналюминиевых (ПТ65Ю35) сплавов. К числу композиционных порошков, технология производства которых освоена, относятся алюминиевые порошки с никелевой оболочкой. Плакирование осуществляется контактным методом (НА-67) или разложением карбонила (ПНА-75, ПНА-67, ПНА-95). Порошки используются для получения промежуточного слоя, жа­ростойкого покрытия, а также в составе механических смесей. Термическим испарением получают порошки керамики с по­крытием из алюминия (Al - Al2O3, Al- ZrO2), эффективные для на­пыления теплоизолирующих покрытий. Конгломерированием на органических связках изго­товляют композиционные порошки ПТ-НА-01 (типа Супербонд), ПТ‑19Н‑01 и ПТ-19НВК-01. Первый используют в основном для нанесения промежуточного слоя. Два других позволяют формиро­вать достаточно толстые износостойкие покрытия, что особенно важно в случае восстановления размеров изношенных деталей. Порошки ПН74Х19Ю5-К и ПН62Х16Ю20-К также получают ме­тодом конгломерирования. В число их компонентов входят алю­миний и нихром. Они предназначены для получения высокотем­пературных покрытий (промежуточный слой, жаростойкие покры­тия, компонент механических смесей). Для напыления износостойких покрытий применяют порошки карбида вольфрама, плакированного никелем в различном количе­стве (ВНп-15, ПКВН-20, ПКВН-30, ПКВН-40, ПКВН-50). Никелированные частицы графита (ПНГ-80) предназначены для получения покрытий на стенках статора турбины с целью соз­дания срабатываемого слоя. Целый ряд композици­онных порошков, используемых в технике плазменного напыле­ния, выпускается в опытном порядке (плакированные никелем ти­тан, оксид алюминия, алмаз, конгломераты оксида алюминия и карбида хрома и др.). Разработан новый класс термореагирующих материалов на базе металлооксидных гранулированных плакированных порош­ков. При этом в процессе напыления используют тепловой эффект реакции восстановления оксидов методами, например, алюмотер­мического типа (Al + MoO3, Al + WO3). Возможно получение та­ким путем плазменных покрытий с высокой прочностью. Все вышерассмотренные виды материалов, используемых при плазменном напылении самостоятельно, могут быть объединены в двойные и более сложные смеси. Наиболее часто соединяют твер­дые, износостойкие, но хрупкие компоненты с более пластичными металлами, формирующими матрицу покрытия. Типичными для этого варианта являются смеси карбида вольфрама с никелевым самофлюсующимся сплавом (ВСНГН-35, ПС-10НВК-01, ПС‑12НВК-01) и карбида хрома с нихромом или другим жаро­стойким сплавом. В другом типе механических смесей в качестве компонента присутствуют экзотермически реагирующие компози­ционные порошки (типа «никель – алюминий»). Их введение улучшает прочность сцепления как покрытия с подложкой, так и частиц в объеме покрытия между собой (когезионную прочность покрытия). Таким образом, в настоящее время выпускается боль­шое количество порошков различного назначения, позволяющих получить необходимую структуру покрытия. Характерные типы структуры плазменных покрытий приведены на рис. 20,6. Однослойное покрытие используют в том случае, когда взаимодействие основы с напыляемым материалом обеспе­чивает необходимый уровень сил сцепления. В большинстве слу­чаев это сочетание однотипных материалов (металл – металл) с близкими значениями коэффициентов термического расширения. Наиболее распространенным на практике является плазменное по­крытие с подслоем (рис. 20б), который отличается от внешнего слоя толщиной (обычно 25 – 100 мкм) и составом. Назначение подслоя состоит в образовании прочной связи с основой и с внеш­ним слоем. В начальный период развития технологии в качестве подслоя использовали молибден, нихром, нержавеющую сталь (типа Х18Н9). В настоящее время в основном применяют никельа­люминиевые материалы в виде композиционных порошков (80Ni‑20Al, 95Ni‑5Al) или сплавов (ПН70Ю30, ПН85Ю15). При нанесении оксидных покрытий для этой цели пригодны также никельтитановые сплавы (ПН55Т45) и др.). Плазменным методом могут быть получены покрытия с многокомпонентной структурой (рис. 20, в), что обеспечивает улучшение характеристик покрытий за счет сочетания свойств матрицы и наполнителей. Покрытия та­кого типа могут быть получены при плазменном напылении меха­нических смесей порошков или композиционных порошков. При эксплуатации покрытия в условиях механических ударных нагрузок и теплосмен используют многослойные и градиентные структуры (рис. 20 г, д), причем градиентная структура может быть как слоистой (образована несколькими слоями с различным соот­ношением компонентов), так и непрерывной (соотношение компо­нентов по толщине покрытия меняется плавно за счет их раздель­ного дозирования). а) б) в) г) д) Рис.20. Типы структуры плазменных покрытий Необходимо отметить, что современное развитие сырьевой базы для получения плазменных покрытий характеризуется пере­ходом от материалов, ранее использовавшихся в других областях, к целевой разработке специальных порошков. Лекция 6. Устройство плазмотронов и порошковых питателей Основным компонентом оборудования в технологии плаз­менно-дугового напыления являются плазмотроны и порошковые питатели. Плазмотроны для напыления, как и для прочих плазменных процессов, обычно состоят из двух корпусных узлов, разделенных изоляционной вставкой и вмонтированных в ручку из изолирую­щего материала (пластмассы) (рис. 21). К узлу, соединенному с положительной клеммой источника питания, крепится сменное сопло-анод 2. В корпусе, соединенном с отрицательной клеммой источника питания, размещается центральный электрод-катод 1. Рис. 21. Схема плазмотрона для напыления: 1 ‑ катод из вольфрама; 2 ‑ медное сопло (анод); 3 ‑ корпус плазмотрона В большинстве конструкций плазмотронов для напыления ис­пользуется газовая стабилизация дуги, которая по характеру по­дачи газа, как было отмечено ранее, делится на аксиальную и тан­генциальную. Тангенциальная подача газа обеспечивает более стабильное горение дуги, тогда как при аксиальной подаче происходит более равномерное распределение порошка в объеме плазменной струи. Поэтому в ряде случаев используют комбини­рованный метод - тангенциальную стабилизацию с последующим переводом закрученного потока в аксиальное течение. Для обеспечения герметичности системы охлаждения плазмо­трона между корпусными узлами и изолятором, а также между корпусными деталями и электродами применяются резиновые и фторопластовые уплотнения. Вода в плазмотрон подается по шлангу, в котором размещен токоподвод к анодному узлу. Слив воды производится через шланг с токоподводом, соединенным с катодным узлом. Анод, как правило, изготовляют из меди (см. гл. 1). В некото­рых случаях (например в плазмотронах фирмы «Метко», «Плазма-техник АГ») для снижения эрозионного износа сопла используют вольфрамовые вставки во внутренний канал анода. В зависимости от вида плазмообразующей среды катоды изготавливают из вольфрама или циркония и гафния (см. гл. 1). В течение длительного времени как отечественные установки для напыления покрытий (типа УПУ, УМП), так и установки зару­бежных фирм «Метко» (США), «Плазмадайн» (США), «Плазма-техник АГ» (Швейцария) оснащались плазмотронами постоянного тока с самоустанавливающейся длиной дуги и предельной мощно­стью 40 – 45 кВт. К отечественным плазмотронам этого типа отно­сятся такие марки, как ГН-5М и ГН-5Р. Небольшие габариты плазменных горелок такого типа, про­стота их конструкции, невысокие значения напряжения на дуге относятся к положительным чертам этого оборудования. К недос­таткам такой конструкции относятся: необходимость использова­ния специальных источников (в связи с падающей формой ВАХ); снижение коэффициента использования порошка из-за высокого поперечного градиента температур в плазменной струе и значи­тельных пульсаций параметров потока; ограничение электриче­ской мощности плазмотрона вследствие малой длины дуги. По­вышение мощности, реализуемое за счет увеличения тока дуги, приводит к сокращению стойкости электродов, снижает надеж­ность работы плазмотрона. Характерной чертой в тенденциях развития оборудования для плазменного напыления является переход к более высоким мощ­ностям - до 160 – 200 кВт. Это связано с использованием таких плазмообразующих веществ, как вода или продукты сгорания природного газа. Установки водяной плазмы для напыления по­крытий созданы и выпускаются предприятием «Аква-Центрум» (Чехия) и фирмой «Аллюисс» (Швейцария). Действие жидкостного плазменного агрегата основано на сле­дующем принципе: между стержневым графитовым катодом и вращающимся металлическим анодом горит дуга постоянного тока, которая проходит через канал стабилизационной системы. С помощью диафрагм создаются устойчивые гидродинамические параметры жидкостного завихрения, которое окружает электриче­скую дугу. При испарении жидкостной стенки образуется плаз­менный газ, состоящий из диссоциированных молекул и ионизи­рованных атомов водорода и кислорода. Избыточная жидкость циркулирует по замкнутому циклу через специальное устройство водяной системы, обеспечивающее необходимое давление и рас­ход воды. Образующаяся плазма является окислительной, поэтому плазменный агрегат пригоден прежде всего для нанесения неме­таллических покрытий из огнеупорных оксидов и соединений с фракциями от 10 до 100 мкм. Порошковый материал подается сжатым воздухом на срез сопла плазменной горелки от порошко­вого питателя специальной конструкции. Плазменный агрегат с водяной стабилизацией, выпускаемый фирмой «Аквацентрум», состоит из следующих частей: плазмен­ной горелки, источника питания дуги, порошкового питателя, во­дяной системы и блока управления. С помощью плазменного агрегата данной конструкции можно наносить покрытия толщиной 0,06 – 30 мм на металлические и не­металлические поверхности. Фирмой «Аква-Центрум» в настоящее время разработана тех­нология напыления покрытий из силиката циркония (ZrSiO4), ок­сида алюминия (Al2O3), двуоксида циркония (ZrO2), хромомагне­зита (Cr2O3), а также взаимных комбинаций соединений (Al2O3 + MgO, MgO + Cr2O3 и др.). Процесс плазменного напыле­ния с водяной стабилизацией плазмы с успехом применяется в ме­таллургической промышленности для поверхностной защиты ро­ликов отжигательных печей при производстве трансформаторной стали, в химической промышленности для поверхностной защиты деталей насосов, реакторов, вентилей, горелок и т.д. Более совершенна аналогичная конструкция плазмотрона марки ДПВА Омского НИИД. Плазмотрон выполнен с общим водоохлаждаемым дисковым вращающимся электродом – анодом и двумя катодными головками, содержащими водоохлаждаемые торцевые циркониевые камеры и формирующие сопла. Катодные головки установлены диаметрально противопо­ложно и под углом к аноду таким образом, что образуется общее пятно напыления. Мощность плазмотрона до 150 кВт, производи­тельность до 20 кг/ч. Он обеспечивает прочность сцепления по­крытий до 40 – 60 МПа, пористость до 2 % и повышения ресурса работы электродов в 5 раз и более при использовании дешевых плазмообразующих газов (азот, аммиак, воздух, углекислый и природный газы). Близок по конструкции к плазмотрону ДПВА и однодуговой плазмотрон с вращающимся анодом, входящий в состав установки УН-120. В Институте газа АН Украины создана серия плазмотронов для нанесения покрытий в плазме продуктов сгорания природного газа или пропан-бутана с воздухом. Мощность установок - до 200 кВт, в том числе электрическая - до 150 кВт, расход газовоздуш­ной смеси - 17 – 22 м3/с, производительность по напыляемому по­рошку - 20 – 50 кг/ч. В частности, в составе установки для плазменного напыления Киев–7 применяют плазмотрон ПУН-1. Он состоит из двух основ­ных частей: распределителя и напылительного блока (рис. 72). Электрод – катод содержит гафниевую вставку, что позволяет ис­пользовать его при работе в окислительных средах. Мощность плазмотрона до 80 кВт, производительность до 25 кг/ч. Повышение мощности плазмотронов, работающих на инерт­ных газах, до 80 – 100 кВт непосредственно связано с переходом на использование при напылении покрытий сверхзвуковых плаз­менных струй (с достижением скоростей истечения 2М – 3М). Для обеспечения сверхзвуковой струи в зоне напыления создают по­ниженное давление, так называемый динамический вакуум. Сопло плазмотрона в этом случае имеет специальную конфигурацию. Примером может служить плазмотрон фирмы «Метко 7МБ» (США) с электрической мощностью 80 кВт, расходом плазмообра­зующего газа 240 дм3/мин при давлении 1,75 МПа на входе в го­релку. Давление в камере для напыления 0,7 МПа обес­печивает скорость истечения плазменной струи 3600 м/с (или 3М). Повышение скоростей газового потока приводит к увеличению скоростей напыляемых частиц и улучшению качества покрытий. В Санкт-Петербургском государственном техническом уни­верситете разработана конструкция сверхзвукового плазмотрона ПСГ-30 с графитовым соплом. В этом плазмотроне предусмотрена схема охлаждения катода плазмообразующим газом. Поток этого газа тормозится о медную рубашку обжимающую поверхность катода, выполненного из лан­танированного вольфрама марки ВЛ-10. Подобная схема позволяет предварительно подогреть плазмообразующий газ, что повышает тепловой КПД плазмотрона, и обеспечить режим охлаждения ка­тода. Анодный узел имеет графитовое «горячее» сопло, которое в процессе эксплуатации разогревается до температуры 750 ‑ 900 С. При этом происходит аккумуляция доли тепла электрической дуги, которая при работе с медным водоохлаждаемым соплом уходит на разогрев охлаждающей воды. Плазмообразующий газ, контактируя с «горячим» соплом получает больший нагрев, чем при прохождении через водоохлаждаемое медное сопло, при тех же затратах электрической энергии, что, в свою очередь, позволяет повысить тепловой КПД плазмотрона при меньшей его электриче­ской мощности. Профиль и контуры сопла позволяют получить высокотемпературный сверхзвуковой плазменный поток со скоро­стью 2М. В качестве плазмообразующего газа в плазмотроне ПСГ‑30 предусмотрено использование Ar, He, N2, NH3 и их смесей. Перспективным направлением в создании новых типов плаз­мотронов для напыления являются плазмотроны с фиксированной длиной дуги, у которых дуговой промежуток между электродами увеличивается за счет межэлектродных вставок (МЭВ). Плаз­мотроном с МЭВ укомплектована одна из последних моделей ус­тановок, выпускаемых Ржевским ПО «Электромеханика», УПУ‑8М. В этом плазмотроне простой анод заменен на сложный, со­стоящий из межэлектродных вставок, уплотнений, сопла, изолятора предварительно собранных в самостоятельную единицу. Катододержатель и анододержатель охлаждаются бидистиллятом от автономной замкну­той системы охлаждения. Вода через токоподвод поступает по припаянным к катодо– и анододержателям по штуцерам. Плаз­мообразующий газ вводится через штуцер. Стержневой катод крепится при помощи цанги и гайки, ввертываемой в катодо­держатель. Такой плазмотрон может работать на повышенном рабочем напряжении (до 180 В) и пониженном токе дуги (менее 315 А), что существенно уменьшает износ канала сопла и позво­ляет значительно увеличить ресурс его работы. Кроме того, МЭВ применена в плазмотроне ПУН-1, конструкция которого рассмот­рена выше. В Санкт-Петербургском государственном техническом уни­верситете разработан оригинальный плазмотрон с межэлектрод­ными вставками типа ПНВ-23. В качестве плазмообра­зующей среды применяется воздух, азот и их смеси. Плазмотрон используется совместно с источником питания, имеющим напряжение холостого хода не менее 300 В. Секции МЭВ служат для увеличения и фиксации длины дуги в плазмо­троне и значительно уменьшают пульсацию плазменного потока. Это позволяет улучшить качество нанесенных покрытий и повы­сить производительность процесса напыления. Несмотря на некоторое усложнение конструкции, увеличение габаритных размеров и массы горелки, МЭВ позволяют получить более высокие температуры струи, увеличить мощность при одно­временном повышении КПД плазмотрона (до 0,65 - 0,8) без суще­ственного увеличения силы тока. Это оказывает бла­гоприятное воздействие на условия нагрева порошка и стойкость электродов. Немаловажным моментом является также снижение уровня шума при эксплуатации плазмотронов с МЭВ (до 80 ‑ 90 дБ против 120 – 125 дБ при использовании плазмотронов с самоустанавливающейся длиной дуги). Перспективным является способ понижения эрозии катода, основанный на расщеплении дуги в приэлектродных областях и распределении тока по нескольким электрически разделенным электродным элементам в плазмотронах с распределенной основ­ной дугой на несколько элементарных дуг. Это позволяет умень­шить плотность тока через электрод пропорционально числу элек­тродов. В отличие от плазмотронов с распределенной дугой, многоду­говые плазмотроны характеризуются наличием нескольких само­стоятельных дуг, которые могут быть включены последовательно, параллельно или в иной комбинации. Таким образом, дуговые плазмотроны для напыления конст­руктивно и функционально отличаются большим многообразием, что создает определенные трудности при обобщении их характе­ристик. а) б) в) Рис. 23. Схема многодуговых плазмотронов: а, б ‑ последовательное соединение; в ‑ параллельное Для подачи распыляемого порошка в плазменную струю предназначены порошковые дозаторы - питатели. После плазмо­трона порошковый питатель является наиболее важным узлом оп­ределяющим свойства покрытий. От стабильности работы этого устройства зависит качество наносимого покрытия. В настоящее время разработаны различные конструкции ме­ханических и газовых порошковых питателей (рис. 24). Рис. 24. Принципиальные схемы порошковых питателей. а ‑  обобщенная схема; б ‑ с дозирующим устройством в виде вертикальной иглы; в ‑ с дозирующим устройством в виде вертикального барабана; г ‑ с дозирующим устройством в виде горизонтального шнека; д ‑ с дозировкой за счет расхода транспортирующего газа: 1 ‑ порошок; 2 ‑ бункер; 3 ‑ трубка для уравнивания давления; 4 ‑ дозирующее устройство; 5 ‑ подача транспортирующего газа; 6 ‑ вибратор; 7 ‑ выход транспортирующего газа с порошком; 8 ‑ сопло плазмотрона (анод); 9 ‑  катод плазмотрона Используемый для напыления порошок помещают в бункер питателя, расположенного на небольшом (~1 м) расстоянии от плазмотрона. Потоком транспортирующего газа порошок подается к плазменному распылителю по эластичной трубке и через штуцер или специальное отверстие в канале сопла газопорошковая смесь вводится в плазменную струю. Расход подаваемого в распылитель порошка регулируется до­зирующим устройством, в качестве которого используют инжек­торы (расход порошка зависит от расхода транспортирующего газа), штоки с отверстием различной величины, вращающиеся вер­тикальные или горизонтальные барабаны с пазами для порошка, горизонтальные или вертикальные шнеки и т.п. Для улучшения сыпучести порошка и предотвращения его зависания в бункере используют электромагнитные, механические или пневматические вибраторы. В некоторых случаях порошок взмучивается транспор­тирующим газом. Наибольшую стабильность подачи порошка обеспечивают питатели с механической дозировкой. В Омском НИИД разработан двухкамерный шнековый по­рошковый дозатор ДД‑1. Дозатор включает два параллельно рабо­тающих бункера с дозирующими устройствами шнекового типа, имеющие независимые приводы. Дозатор имеет бункер объемом 6 дм3 и обеспечивает подачу порошков с размером зерен от 20 до 200 мкм. Его производительность от 1,5 до 15 кг/ч, точ­ность дозирования 5 %. Изменяя раздельно состав выходящего из дозатора порошка, можно отказаться от процесса напыления подслоя и постепенно переходить от металла к керамике либо получать комбинированное покрытие. Расход порошка определяется скоростью вращения двигателя привода шнека, устанавливается дискретным стабилизатором напряжения и контролируется специальным при­бором. Благодаря этому такой дозатор может работать в составе робототехнического комплекса. Питатель фирмы «Метко» имеет дозирующее устройство в виде вертикального колеса-бара­бана с пазами на цилиндрической поверхности. В питателе системы «Снекма» порошок из загрузочного бункера, дно которого выполнено в виде перевернутого усеченного ко­нуса, попадает на вращающийся и вибрирующий вдоль своей оси пло­ский диск, откуда ссыпается в ин­жекционное устройство, от которого поступает в горелку. Оригинальную конструкцию имеет порошковый питатель фирмы «Плазма-техник» тип . В нем порошок из бункера вытекает на вращаю­щуюся с одновременной вибрацией тарелку, откуда ссыпается в проме­жуточный бункер и смешивается с турбулентной струей. Для подачи напыляемого материала в виде проволоки приме­няют обычные подающие механизмы используемые в сварочном оборудовании. Установки для плазменного напыления Плазменные покрытия наносят на воздухе, в специальном шкафу-камере с вытяжной вентиляцией или герметичной камере с контролируемой атмосферой, чаще всего нейтральной. Оборудо­вание для получения плазменной струи и регулирование ее техно­логических параметров во всех случаях аналогично. Все оборудо­вание в целом образует установку. Основным рабочим элементом является плазмотрон, генери­рующий сжатую дугу косвенного действия. Напыляемый порошок подается транспортирующим газом из бункера-питателя в канал сопла. Система охлаждения плазмотрона может быть разомкнутой (охлаждающая вода поступает на слив) и замкнутой с теплообмен­ником. Последняя обеспечивает наибольшую эффективность ох­лаждения, особенно при использовании холодильного агрегата. Деталь перемещается с помощью электромеханической системы. Все системы установки коммутируются на пульт управления, обеспечивающий регулирование, управление и контроль парамет­ров режима плазменного напыления. В качестве источников питания используют выпрямители типа ИПН-160/600, ВПН-315, ВПН-600, ВПР-402 и др. Напряже­ние холостого хода не ниже 160 В. Рабочее напряжение зависит от рода и расхода плазмообразующего газа, геометрии рабочего ка­нала сопла. При работе плазмотрона на Ar и расходе плазмообра­зующего газа 30 – 40 л/мин оно может быть в пределах 35 – 50 В, для расхода 8 – 150 л/мин смеси N2 + H2 напряжение может дости­гать 150 В и выше. Наибольшее применение для плазменного напыления нашли универсальные установки. Ржевским производственным объединением «Электромеха­ника» серийно выпускается установка типа УПУ. В комплект ус­тановки входят: источник питания, плазмотроны, порошковый и проволочный распылители, бункер–питатель для образования двухфазной газопорошковой смеси и подачи ее в плазменный рас­пылитель. Установка имеет дистанционный пульт управления, по­зволяющий плавно и достаточно точно регулировать параметры процесса напыления. Для нанесения покрытий можно использо­вать порошковые и проволочные материалы. Смена плазмотронов осуществляется переключением токоподводящих шлангов и шлан­гов подачи охлаждающей воды. Установка УПУ-3Д поставляется в комплекте с ис­точником питания ИПН-160/600, предназначенным для питания силовой цепи как при металлизации проволокой с использованием аргона в качестве плазмообразующего газа, так и при нанесении покрытий из порошковых материалов. Она укомплектована плаз­мотроном ГН‑5М для распыления проволоки и плазмотроном ГН‑5Р для нанесения порошка. В последнем случае в качестве плазмообразующих газов применяют аргон, азот, гелий, водород и их смеси. В последующей модели УПУ‑5 применяют более совер­шенные плазмотроны ПП‑25, ПМ‑25 и ПВ‑25, которые при высо­кой надежности и работоспособности имеют малые размеры и массу. В последние годы выпускается установка УПУ-8М, которая по сравнению с УПУ-3Д имеет ряд преимуществ. В част­ности расширены ее технологические возможности за счет приме­нения двух дозаторов. Это позволяет изменить природу порошка, производить напыление смесью двух порошков, осуществлять не­прерывный процесс напыления переходом с одного дозатора на другой. Увеличена длина шлангов до 6,6 м, что позволяет расши­рить номенклатуру и размеры напыляемых изделий. Увеличен ре­сурс плазмотрона за счет плавного нарастания тока после возбуж­дения дуги, возможности работы на пониженных токах и повы­шенных напряжениях и применением бидистиллята для охлажде­ния. Установка укомплектована современным тиристорным вы­прямителем ВПН-630. Разработана также оригинальная установка УН-120 для напы­ления в смесях активных газов с воздухом. В ней приме­нен однодуговой плазмотрон с вращающимся анодом, а в качестве источника питания используют ВПР‑404. Барнаульским аппаратурно-механическим заводом выпуска­ются установки серии УМП. Установка УМП-5-68 предназначена для ручного и механизи­рованного плазменного нанесения покрытий и наплавки только порошковыми материалами. В качестве рабочих газов применяют азот и смеси азота, аргона и гелия с водородом. В комплект уста­новки источник питания не входит. По сравнению с УПУ-3Д кон­струкция этой установки более проста, однако требует обслужива­ния более квалифицированными специалистами. На основании опыта эксплуатации установки УМП-5-68 разработана новая мо­дель установки для плазменного напыления и наплавки УМП-6. В ней применены новая конструкция соплового вкладыша, не тре­бующего уплотнения соплового канала, с поворотом плазменной струи на 45, система для нанесения покрытий на внутренние по­верхности деталей диаметром до 35 мм, усовершенствована сис­тема подачи порошка и т.д. Установка укомплектована источни­ками питания - тремя преобразователями ПД-502. Комбинируя включение преобразователей, можно получать напряжение, необ­ходимое для работы плазмотрона на заданном режиме. ВНИИАвтогенмаш разработал, а Барнаульский аппаратурно-механический завод изготавливает установку УМП-7, которой комплектуются некоторые современные полуавтоматы для напыления. Значительный вклад в создание оборудования для плазмен­ного напыления внесли Украинские ОКТБ Института электро­сварки им. Патона и бывший Всесоюзный институт сварочного производства (НПО ВИСП). Крупными изготовителями плазмен­ного оборудования являются Ивано-Франковское ПО «Карпат­Пресмаш» и Броварский завод «Факел». Так, одной из первых была разработана универсальная уста­новка «Киев-4», которая состоит из источника питания, плазмо­трона, газоприготовительной станции и порошкового дозатора дискового типа. Источник питания имеет три регулируемые сту­пени силы тока дуги (100; 200; 300 А). В установке использованы горелки ПГ-1Р и ПГ-2Р. В качестве плазмообразующих газов при­меняют дешевые смеси метана (пропана, бутана) с воздухом, что повышает эффективную мощность установки и снижает стоимость процесса напыления. Поскольку использование воздуха как плазмообразующего газа приводит к быстрому сгоранию вольфрама, то в качестве катода применена более стойкая к воздействию воз­духа циркониевая вставка от плазменного резака ВПР-11. В установке для нанесения порошковых смесей предусмот­рено использование двухбункерных питателей, а также материа­лов в виде проволоки. При напылении можно использовать заво­дские воздушные и метановые магистрали. Установка «Киев-4» позволяет наносить покрытия из молибдена, оксида алюминия, самофлюсующихся материалов, нихрома, углеродистых сталей на детали из металла и керамики. В дальнейшем была разработана новая модель – установка «Киев–7», аналогичная установке УМП‑7. В качестве ра­бочего газа используется смесь сжатого воздуха с природным га­зом либо смесь сжатого воздуха с пропан-бутаном. Мощность плазмотрона повышена до 80 кВт. Перечисленные выше установки, не говоря о зарубежных, широко известны в нашей стране, однако они не обеспечивают комплексной механизации и автоматизации всего технологиче­ского цикла, начиная с подготовки деталей перед напылением. В связи с этим в последние годы был разработан целый ряд полуавтоматов камерного типа. Это в первую очередь полуав­томаты для подготовки поверхности деталей перед напылением. К ним относятся полуавтоматы для обезжиривания деталей моде­лей 488Р и 1201П и полуавтоматы для абразивно-струйной обра­ботки моделей 487Р и 2201П. В комплект полуавтоматов входят: абразивно-струйная ка­мера, станина с приемными бункерами, система подачи абразива, пульт управления. В камере расположены патрон и задняя бабка с направляющими для крепления деталей и два абразивных писто­лета. Рабочее давление сжатого воздуха 0,5 – 0,63 МПа. Эти полу­автоматы обрабатывают наружные цилиндрические и плоские по­верхности деталей, а также детали сложной конфигурации с управлением от компьютера. Из полуавтоматов для плазменного нанесения покрытий сле­дует отметить модели УН-115, УН-126, 15В-Б и 3201П. Они со­стоят из камеры напыления, плазменной установки в сборе, аспи­рационной установки. В камере напыления расположены плазмо­трон, передняя бабка для крепления напыляемой детали. Меха­низмы перемещения плазмотрона и вращения детали вынесены за пределы камеры (за исключением модели УН-115), что обеспечи­вает удобство обслуживания и эксплуатации оборудования. Конструкция полуавтоматов обеспечивает: • возможность ручного регулирования дистанции напыления; • ручной поворот и фиксацию плазмотрона относительно про­дольной оси детали; • плавное регулирование частоты вращения изделия, продоль­ного и поперечного перемещений плазмотрона; • возможность автоматического позиционирования плазмотрона по продольной оси; • защиту приводов перемещения плазмотрона и вращения де­тали от попадания напыляемого порошка; • защиту обслуживающего персонала и окружающей среды от шума, излучения, аэрозолей и других сопровождающих напы­ление вредных факторов. Кроме того, полуавтомат модели 3201П обеспечивает: • позиционирование и изменение скорости перемещения плаз­мотрона по двум координатам с интерполяцией по заданной программе; • изменение частоты вращения шпинделя по заданной про­грамме; • поворот плазмотрона в заранее заданную точку; • автоматическое регулирование расстояния плазмотрона до на­пыляемой детали. Полуавтомат УН-115 обрабатывает наружные поверхности цилиндрических деталей. Механизм вращения детали и переме­щения плазмотрона расположены в камере напыления, имеющей откидной кожух для свободного доступа к ним. Управление полу­автоматом осуществляется с помощью релейных схем. Полуавтомат УН‑126 предназначен для нанесения покрытий на наружные цилиндрические поверхности деталей и в первую очередь коленчатых валов автомобильных двигателей методом плазменного распыления токоведущей проволоки с одновремен­ной защитой поверхности изделия. Он состоит из токарного станка модели 1К62, на котором установлена защитная камера, камеры мокрой очистки, шкафа управления, пульта и источника питания ВДУ-506. Внутри камеры на суппорте установлена головка плаз­менно-дугового напыления с механизмом колебания и защитное устройство. Камера мокрой очистки предназначена для вытяжки из защитной камеры воздуха и очистки его от аэрозолей перед вы­бросом в атмосферу. Полуавтомат модели 15 В‑Б обрабатывает наружные поверх­ности цилиндрических и плоских деталей. Изготавливается двух модификаций: 15 В‑Б‑01 с плазменной установкой УМП‑7 и 15 В‑Б‑02 – с плазменной установкой «Киев‑7». Управление полу­автоматом осуществляется с помощью релейных схем. Полуавтомат модели 3201П обрабатывает наружные поверх­ности цилиндрических деталей сложной формы. Управ­ление полуавтоматом осуществляется от компьютера. В Омском НИИД разработан роботизированный комплекс (РКПН) для плазменного напыления покрытий на детали авиаци­онных двигателей. В его состав входит роботизированная камера плазменного напыления (КПН‑1), установка плазменного напыле­ния УПУ‑7, источник питания ВПН‑630 и система программного управления на базе вычислительного комплекса 15‑ВУМС‑28 с устройством связи с объектами управления. Камера КПН-1 имеет цилиндрическую форму и содержит ро­бот-манипулятор плазмотрона и робот-манипулятор изделия, двухбункерный дозатор и плазмотрон для напыления в дозвуковом и сверхзвуковом режимах. Установка УПУ-7 позволяет организо­вать рабочий и проверочный временной цикл, осуществлять сле­жение за параметрами плазменного напыления, аварийную оста­новку, регулирование параметров плазменного напыления. Уста­новка включает в себя: шкаф управления, шкаф системы охлажде­ния и дозатор с плазмотроном, установленным в камере КПН-1. Управление установки осуществляется от ЭВМ. Черкасским ПКТИ разработана комплексная линия плазмен­ного напыления мелких деталей машин текстильного машино­строения. Линия состоит из моющего устройства для обезжи­ривания деталей перед напылением, пескоструйной установки для активации напыляемых поверхностей и установки плазменного напыления с комплексом оборудования для регулирования пара­метров режима напыления и создания нормальных условий для рабочего оператора. Установка плазменного напыления позволяет наносить покрытия из порошков на детали размером 600200200 мм и массой до 10 кг, причем форма деталей может быть любой, так как плазмотрон имеет возможность перемещаться в трех плос­костях (вдоль и поперек изделия, качание в вертикальной плоско­сти). Изделия закрепляются в каретках транспортера, что позво­ляет вести процесс без перерывов на установку и снятие деталей. В транспортере имеются шесть загрузочных кареток. Весь процесс напыления осуществляется в автоматическом режиме, производи­тельность напыления до 1500 см3/ч порошка. Плазмотрон мощно­стью 45 кВт охлаждается по замкнутому циклу от холодильной установки. Давление охлаждающей воды 1,6 МПа, расход – 1 м3/ч. В холодильной установке вода, поступающая из плазмотрона, ох­лаждается фреоном, температура воды на выходе –10 С. Камера установки снабжена вытяжной вентиляцией. Удаляемый из ка­меры воздух проходит через аспирационное устройство, в котором очищается от частиц порошка, уносимых вместе с воздухом. Очи­стка воздуха сухая. Из зарубежных установок наибольший интерес представляют установки фирм «Метко» (Италия), «Плазма-Техник АГ» (Швей­цария) и некоторые другие. Так, одной из последних разработок фирмы «Метко» является универсальная плазменная установка типа 7М. При разработке этой установки конструкторы исходили из необходимости автоматизации процесса без сложной ее на­ладки или специальных приспособлений, независимо от формы обрабатываемой детали и наносимого материала. Она обеспечи­вает высокую производительность, универсальность, удобство и легкость в работе и обслуживании, а также безопасность. Уста­новка включает следующее оборудование: плазменный пистолет типа 7МВ, блок управления, порошковые питатели, водяные на­сосы, источник питания типа 7МР, блоки управления расходом газов и набор шлангов и проводов. Дополнительно могут быть по­ставлены плазменные удлинители для напыления внутренних ци­линдрических поверхностей и теплообменники для охлаждения плазмотрона по замкнутому циклу (взамен насосов). В плазмо­троне 7МВ используется конструктивно новая система водяного охлаждения, суть которой заключается в том, что ряд трубок на­правляет поток охлаждающей жидкости на конкретную область теплового облучения и соответствующим образом распределяет охлаждающую жидкость для создания равномерного потока по всей поверхности, которая должна отдавать тепло. Кроме того, в этом плазмотроне изменена конструкция сопла, которая создает пятно диаметром до 6 мм. Это позволяет уменьшить рассеяние, что весьма важно при нанесении покрытий на узкие поверхности. Более совершенное водяное охлаждение дает примерно 40 % уве­личения срока службы сопла и электродов при работе с уровнем мощности 40 кВт. Конструкция плазмотрона 7МВ универсальна: снятие руко­ятки обеспечивает возможность использования его в машинном варианте путем закрепления на станке. Кроме того, и рукоятка, и блок установки на станке рассчитаны на работу с удлинителями различного исполнения. Удлинитель типа 7МТ предназначен для напыления в отверстиях диаметром 51 мм и выпускается в двух модификациях. Удлинитель 7МТ‑1 имеет длину 305 мм. В отвер­стиях диаметром от 51 до 95 мм глубина напыления составляет 178 мм, свыше 95 мм – 305 мм. Удлинитель модификации 7МТ-2 имеет длину 610 мм. Он позволяет наносить покрытия в отвер­стиях на глубину до 457 мм при диаметре 51 ‑ 95 мм и до 610 мм при диаметре свыше 95 мм. Специальный удлинитель 7МST‑2 предна­значен для нанесения покрытий на боковые стенки и торцы отвер­стий диаметром свыше 41,3 мм, но возможно применение его и для отверстий диаметром свыше 38,1 мм. Длина удлинителя 7MST-2 610 мм. Он обеспечивает качественное покрытие в отвер­стиях диаметром от 41,4 до 51 мм на глубину 330 мм, свыше 51 мм – на глубину 508 мм. Управление процессом плазменного напыления производится с блока управления. Параметры режима напыления устанавливаются вручную, а затем поддерживаются на заданном уровне автоматически. Обо всех отклонениях парамет­ров режима сигнализируют индикаторные лампочки. Источник питания типа 7MR-50 (выпрямитель на кремниевых диодах) имеет следующие характеристики: напряжение 380 В, частоту 50 Гц, но­минальную мощность 161 кВт, напряжение холостого хода 160 В, номинальное напряжение 80 В, рабочий ток до 1100 А. «Плазма-Техник АГ» разработала и выпускает установки для плазменного нанесения покрытий системы «Snecma». По своему составу она аналогична линии Черкасского ПКТИ. Кроме блока управления и контроля, источника питания, плазмотрона с холо­дильной установкой, порошкового питателя, аспирационной уста­новки сухой очистки воздуха и пылеуловителя мокрой очистки, подготовительного автомата, манипулятора плазмотрона (робота) и звукоизолирующей камеры в комплект поставки входит сушиль­ный шкаф для порошков. Плазмотрон имеет четыре степени сво­боды: продольное, поперечное и вертикальные перемещения и ка­чание в вертикальной плоскости. Изделие имеет возможность вращаться вокруг собственной оси. Манипулирование плазмо­трона внутри камеры осуществляется автоматически с пульта управления путем задания программы по всем степеням свободы. Кроме того, возможно программирование с помощью микроком­пьютера, входящего в состав установки. В этом случае установка работает полностью в автоматическом режиме. Плазмотрон пере­мещается в вертикальном направлении на 500 мм, в горизонталь­ной плоскости – на 1000 мм вдоль изделия и на 400 мм поперек со скоростью от 0,8 до 100 мм/с. Качание плазмотрона на угол 90 в обе стороны от вертикальной оси осуществляется с максимальной скоростью 45 …/с. Звукоизолирующая камера имеет размеры 2,52,02,5 м. Материал обшивки камеры позволяет снизить уро­вень звукового давления вне камеры до 85 дБ. Двери камеры, пе­ремещающиеся вдоль стенок, имеют окна из светофильтрового стекла, что позволяет вести и визуальное наблюдение за процес­сом напыления. Машинный плазмотрон мощностью 45 кВт, рабо­тающий на аргоне, водороде, гелии, азоте и смеси этих газов, пи­тается от выпрямителя РГ‑800 мощностью 100 кВт. Подача по­рошка осуществляется на срез сопла от порошкового питателя. Производительность установки системы «Snecma» от 50 до 1500 см3/ч, порошка, емкость порошкового питателя 2500 см3. Фирма «Плазма-Техник АГ» выпускает также комплектное оборудование для нанесения покрытий на изделия типа тел вра­щения с программным устройством, автоматизированные ком­плексы по нанесению покрытий на детали текстильных машин (типа нитеводителей) и на поршневые кольца двигателей внутрен­него сгорания. Значительным достижением ученых и специалистов Чехии является новая конструкция плазменного агрегата «Аква-Цен­трум» с водяной стабилизацией электрической дуги, которая, об­ладая очень большой производительностью и мощностью, расши­ряет возможность применения метода плазменного напыления в промышленности. Как уже отмечалось выше, возможность существенного по­вышения качественных показателей плазменных покрытий карди­нально решается при напылении в камере с контролируемой сре­дой. Работы в этом направлении были начаты в 1961 году. В 1963 г. была сконструирована установка УВПН-1, которая отличается универсальностью технологических возможностей на­пыления и наличием замкнутого цикла газового питания. Затем была создана серия установок «Куб-1», «УПН-2», «УПН-3» и др. Конструкция установки плазменного нанесения покрытий в инертной среде из металлов, оксидов, карбидов, нитридов и их композиций на металлические, керамические, пластмассовые и другие поверхности вращения без предварительной их обработки предложена в работе. Установка смонтирована на универсальной базе и имеет кол­паковую герметичную водоохлаждаемую камеру, внутри которой размещены распределитель газового потока и плазмотрон, привод вращения напыляемой детали, механизм перемещения плазмо­трона и пульт управления. Кинематическая схема установки вклю­чает два автоматических привода: привод вращения напыляемой детали и привод возвратно-поступательного перемещения плаз­менной горелки. Напыляемая деталь устанавливается на план­шайбу, которая получает вращение от электродвигателя через двухступенчатый редуктор. Вертикальное возвратно-поступатель­ное движение плазменной горелки осуществляется с помощью электродвигателя через червячный редуктор. Применение распределителя газового потока приводит к снижению нагрева напыляемой детали плаз­менной струей, что особенно важно для обработки изделий с ма­лой теплоемкостью, например сеток МГЛ с небольшим диаметром проволоки (менее 200 мкм). Перед напылением в камере создают вакуум 0,7 ‑ 1 Па с помощью форвакуумного насоса. Через ваку­умный кран напускают газ, в котором предполагается производить напыление, и после вторичной откачки, снова заполняют газом, затем производят напыление, аналогичное плазменному напыле­нию покрытий на воздухе в струе защитного газа. В процессе на­пыления осуществляется непрерывная откачка отработанных га­зов, а требуемое давление в камере поддерживается с помощью клапана. В установке применен плазмотрон с цанговым крепле­нием катода. Для подачи порошка использован инжекторно-виб­рационный питатель. Определенные преимущества дает ведение процесса плазмен­ного напыления при пониженном давлении в камере, в так назы­ваемом динамическом вакууме. Исследования процесса плазмен­ного напыления на установке УПНДВ-1 с изменяю­щим­ся давлением в камере от 133 до 5104 Па, которое обеспечи­вается тремя форвакуумными насосами ВН‑1МТ, приведены в ра­боте. В состав комплекса входят установка для плазменного напыления УПУ‑3 с порошковой (ГН‑5М) и проволочной (ГН‑5Р) горелками. Напыление при пониженном давлении имеет ряд преиму­ществ по сравнению с напылением при нормальном и избыточном давлении. В первую очередь повышается чистота атмосферы в камере по примесям, содержащимся в рабочем газе; практически исключа­ется окисление подложки и покрытия; снижается количество аб­сорбирующихся газов в покрытии и т.д. Разработаны оборудование и технология нанесения покрытий из порошковых материалов плазменным методом, совмещенным с ионной очисткой подложки, непосредственно перед напыле­нием [20]. Установка состоит из вакуумной водоохлаждаемой ка­меры, в которой размещены: механизм вращения сеток и переме­щения плазмотрона, электродная система «анод-катод» для очи­стки в плазме тлеющего разряда, порошковый питатель, механизм пере­мещения анода, а также система вакуумной откачки и газо­вого питания, источников питания плазмотрона и тлеющего раз­ряда. Процесс напыления заключается в следующем: в вакуумную камеру загружаются сборочные единицы для очистки и нанесения покрытий, затем камера откачивается до давления 1,33 Па и про­изводится напуск натекателем газа (водорода). Включается источ­ник тлеющего разряда, и после очистки и напуска защитного газа (аргона) до атмосферного давления производится нанесение по­крытий. В последние годы для напыления в динамическом ва­кууме стали использовать плазмотроны, создающие сверхзвуко­вую плазменную струю с достижением скорости 2М – 3М. Это позволяет достичь плотности покрытий 99 % и прочности сцепле­ния 140 МПа. За рубежом подобная установка создана фирмой «Плазма­дайн» (США). Давление в камере напыления составляет 0,007 – 0,01 МПа. В этих условиях на напыляемой поверхности, являющейся анодом, формируется анодное пятно диаметром около 80 мм. Мощность проходящей дуги – 40 кВт. Для предварительного нагрева по­рошка устанавливаются две трубы из нержавеющей стали или сплава инконель, которые являются нагревателями сопротивления с общей мощностью 12 кВт. Через них продувается транспорти­рующий газ с порошком. Камера имеет двойную стенку с водяным охлаждением. Внутренний диаметр камеры – 1,5 м, длина – 2,5 м. Для вакуумирования камеры используется механический ва­куумный насос производительностью 4 м3/мин, для рециркуляции газа - установка производительностью 85 м3/мин. Типичный ре­жим работы установки следующий: сила тока - 900 А, напряжение - 95 В, плазмообразующая среда - 80 % Ar + 20 % He, расход плаз­мообразующего газа - 0,24 м3/мин, скорость истечения плазменной струи - 3600 м/с. Описанное выше оборудование для плазменного напыления в вакууме является уникальным и используется в основном при соз­дании малогабаритных изделий электронной техники, лопаток ре­активных двигателей и широкого применения не нашло. Современной тенденцией совершенствования оборудования для плазменного напыления является комплексная автоматизация операций с применением промышленных роботов и мини‑ЭВМ. Необходимость автоматизации процесса плазменного напыления связана с его особенностями: качество и толщина покрытия чувст­вительны к колебанию значений технологических параметров; ус­ловия техники безопасности (ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, высокочастотный шум, аэрозоли напыляемых материа­лов) требуют изоляции оператора от рабочей зоны. Реализация комплексной автоматизации осуществляется в два этапа. В первую очередь за счет применения системы манипуляторов и промыш­ленных роботов должны быть обеспечены механизация и автомати­зация основных операций процесса получения плазменного по­крытия - подготовки поверхности и собственно напыления покры­тия, что позволяет вывести оператора из рабочей зоны. Второй этап предполагает сопряжение мини-ЭВМ с промышленными ро­ботами и технологическим оборудованием. Первые работы в этом направлении привели к разработке технологического модуля «Универсал-5», который обеспечивает дистанционный контроль процесса получения покрытия и управление промышленным робо­том, выполняющим внутриоперационное транспортирование дета­лей, рабочее манипулирование в боксах дробеструйной установки и установки плазменного напыления, и изменяющий в заданные моменты времени режимы их работы. Зарубежными фирмами созданы автоматическая установка для плазменного напыления нитенаправляющих деталей текстильных машин, программируе­мый робот для нанесения плазменных покрытий на лопатки и де­тали камеры сгорания газотурбинных двигателей. Решение во­проса комплексной автоматизации операций позволит использо­вать стандартные программы для напыления типовых деталей, ввести систему адаптаций к изменению внешних условий и со­стояния оборудования за счет применения алгоритмов управления с переменной структурой. В результате будут обеспечены опти­мальный режим получения покрытий с заданными свойствами, стабиль­ность их качества, защита оборудования в аварийных ситуациях и улучшена культура производства. Лекция 6. Технология нанесения покрытий и их обработка Напыление, как процесс ударного осаждения нагретых частиц на поверхность основного материала, включает следующие опера­ции: • подготовку порошка; • предварительную обработку поверхности основного металла; • собственно напыление; • последующую обработку покрытия. Подготовка порошка заключается в сушке на противнях при температуре 150 – 200 С. Для подбора порошков с определенной дисперсностью гранул их следует просеивать через сито с разме­рами ячеек, соответствующих размерам требуемых гранул. Предварительная обработка является важнейшей операцией, определяющей прочность соединения напыленного покрытия с основным металлом. Детали, подлежащие напылению, очищают от грязи, масла в моющих препаратах типа «Лобомид-102», «Ло­бомид-103» и др., а затем сушат. Чугунные детали, работавшие продолжительное время в масляной среде, при очистке подвер­гают сушке в шкафу или печи при температуре 250 – 300 С. По­сле очистки (в случае необходимости удаления следов износа и придания детали правильной геометрической формы) их подвер­гают механической обработке. Для того чтобы частицы прочно соединялись с неровностями поверхности, она должна быть доста­точно шероховатой. Для придания шероховатости используют дробеструйную или пескоструйную механическую очистку, наре­зание рваной резьбы, электроискровую и анодно-механическую обработку. Наиболее широко применяется дробеструйная обра­ботка дробью (стальной или чугунной колотой с размерами частиц 0,8 – 1,2 мм), силикатным или речным песком, черным карбидом кремния, гранитом, корундовой крошкой с зерном №160 – 100, при давлении воздуха 0,4 – 0,6 МПа, расстоянии до изделия 70 ‑ 150 мм и угле наклона 75 – 90 С. Участки, прилегающие к по­верхности, подлежащей напылению, защищают специальным эк­раном. Нанесение покрытия следует начинать вскоре после обра­ботки поверхности, поскольку длительная выдержка способствует активному окисле­нию, снижающему прочность сцепления покрытия с основным металлом. Прочность сцепления частиц с подложкой в большинстве слу­чаев зависит от установившейся между ними температуры и вре­мени кристаллизации. Хотя теплота рас­плавленных частиц, транс­портируемых на подложку, играет важ­ную роль в смачивании и активации последней, только их теплоты недостаточно для хими­ческого взаимодействия. Повышение тем­пературы за счет подог­рева подложки - важный фактор, усили­вающий взаимодействие между контактирующими фазами. Пред­варительный нагрев напы­ленного изделия снижает возникающие сварочные напряжения в покрытии, удаляет адсорбированную влагу и в целом повышает прочность сцепления. В то же время при напылении хромоникеле­выми порошковыми сплавами под­ложку рекомендуется подогре­вать, однако не выше 250 С, так как при нагреве выше этой тем­пературы происходит быстрый рост оксидной пленки, которая препятствует привариванию частиц к подложке и образованию плотных соединений. Поэтому терми­ческая активация в обычных условиях напыления (без защитной атмосферы) за счет подогрева подложки ограничена узкими пре­делами. По этой причине для ряда покрытий «металлический поро­шок – подложка» не допускается даже небольшой подогрев. Для других пар контактирующих металлов, таких, как Mo–Cu, W–Cu, прочность сцепления значительно возрастает при температурах подогрева медной подложки 450 – 650 С. Предварительный по­догрев поверхности напыленного изделия обычно проводится за 2–4 прохода плазменной струей без подачи порошка. Повышению прочности сцепления способствует также пред­варительное напыление подслоя толщиной не более 0,1 мм метал­лов (молибден, сплавы на никелевой основе, содержащие в своем составе алюминий, титан, например: ПГНА, ПН85Ю15 и др.), об­разующих прочные химические связи в результате их взаимодей­ствия с подложкой. Особенно это важно при напылении оксидов или карбидов на металлические изделия, предназначенные для ра­боты в условиях повышенных температур. Это обусловлено раз­ной величиной коэффициентов линейного расширения металла изделия и напыляемого керамического слоя, а также требованиями хорошего сцепления (адгезии) керамического покрытия с метал­лическим изделием. Коэффициент линейного расширения металла в 2–3 раза больше, чем у оксидов, в связи с этим во время работы при повышенных температурах металл расширяется сильнее и растягивает – вплоть до разрыва – керамическое покрытие. Чтобы исключить или снизить это вредное влияние, напыляют промежуточный слой, имеющий промежуточное значение коэф­фициента линейного расширения и обеспечивающий линейное нарастание теплового расширения от металла к керамике, что по­зволяет устранить растрескивание покрытия. С этой целью сна­чала напыляют металлические покрытия из молибдена, нихрома, коррозионно-стойкой стали либо из алюмината никеля, а затем металлокерамические и чисто керамические материалы. Чтобы не допустить перегрева, плазмотрон перемещается с повышенной скоростью на расстояние примерно 200 мм. За один проход напы­ляется слой толщиной до 0,07 мм. На подслой напыляется уже за­щитный рабочий слой, обладающий необходимыми свойствами. Весьма перспективно напыление подслоя композиционным по­рошком (Ni‑Al), каждая частица которого состоит из алюминия, окруженного никелевой оболочкой. При напылении в результате алюминотермической реакции образуется покрытие-алюминид никеля (NiAl), отличающееся высокой стойкостью к окислению и более высокой температурой плавления (1640 С), чем состав­ляющие его металлы. При напылении частицы порошка проходят через плазменную струю, нагреваются до определенной температуры, при которой происходит экзотермическая реакция, сопровождающаяся допол­нительным выделением теплоты и повышением температуры. Час­тицы, оплавленные в полете, или чаще при соприкосновении с на­пыляемой поверхностью, образуют плотный износостойкий слой с более высокой прочностью сцепления. Прочность сцепления также можно повысить при напылении в среде защитных газов, в вакууме или использовать сверхзвуковую плазменную струю. Одним из недостатков напыленных металлических покрытий является наличие в них значительных внутренних напряжений, возникающих в результате усадки при остывании напыленных ме­таллических частиц и неметаллических включений. На величину внутренних напряжений большое влияние оказывает режим осты­вания напыленной детали. Медленное равномерное охлаждение уменьшает внутренние напряжения. Наиболее простым способом регулирования режима остывания напыленной детали является укутывание в термоизоляционном материале, например асбесте. При напылении площадь непосредственного контакта, как между частицами, так и между частицами и подложкой весьма мала, что является одной из главных причин пористости слоя, прочность которого на порядок ниже наплавленных, гальванических, термо­диффузионных видов покрытий. При воздействии на такой слой сравнительно низких нагрузок происходит его отслоение. Для улучшения сцепления напыленных покрытий и доведения их прочности до уровня, близкого к прочности наплавочных слоев, часто напыленные покрытия подвергают последующему оплавле­нию. Для последующего оплавления пригодны те напыленные твердые сплавы, которые обладают способностью самофлюсова­ния. Это сплавы на никелевой основе. Они имеют низкую темпе­ратуру плавления (980 ‑ 1080 С), а наличие в их составе бора и кремния способствует самофлюсованию и хорошей смачиваемо­сти поверхности оплавляемого изделия. Самофлюсование проис­ходит за счет раскислителей (кремния и бора), которые при оплав­лении связывают кислород, образуя боросиликатные шлаки (B2O3, SiO2), легко всплывающие на поверхность покрытия. С целью оп­лавления напыляемое покрытие рекомендуется нагревать до тем­пературы, при которой происходит характерное «запотевание» слоя, выражающееся в появлении на оплавляемых участках бле­стящей поверхности. Перегревать покрытие до полного расплавления не следует, так как в этом случае первичные кристаллы карбидов и боридов хрома переходят в жидкий раствор и при последующей кристалли­зации образуют более грубую структуру, ухудшая качество по­крытия. Существенным недостатком плазменного нагрева является то, что плазменная струя, обладая высокой температурой и значи­тельной концентрацией энергии, весьма быстро нагревает поверх­ность покрытия при недостаточном нагреве поверхности детали и тем самым часто приводит к свертыванию оплавляемого покры­тия. Кроме того, в результате высокой скорости истечения плаз­менной струи и значительного давления на напыляемую поверх­ность также может произойти нарушение слоя покрытия. Плаз­менное оплавление рекомендуется применять для малогабаритных деталей диаметром, не превышающим 50 мм. Наиболее высокое качество покрытий получается при использовании для оплавления ацетиленокислородного восстановительного пламени. Это объяс­няется тем, что ацетиленокислородные горелки, особенно много­сопловые, позволяют в широких пределах регулировать подачу теплоты и равномерно разогревать одновременно значительную площадь напыленного покрытия. Оплавление токами высокой частоты наиболее рационально применять для деталей простой формы при значительной про­грамме восстановления. Оплавление производят на тех же режи­мах, что и поверхностную закалку изделий соответствующих диа­метров. В практике восстановления автотракторных деталей типа «вал» оплавление напыленных покрытий выполняют также арго­нодуговым способом. Оплавление покрытий лопаток турбин реак­тивных двигателей производят в специальных контейнерах в инертной атмосфере в электропечах. Однако несмотря на то, что способ напыления с оплавлением позволяет получать высококаче­ственные износостойкие покрытия с минимальным припуском на механическую обработку, широкого применения при восстановле­нии деталей он не получил из-за следующих недостатков. Процесс напыления с оплавлением является трудоемким и по производи­тельности уступает процессам получения покрытий наплавкой и электролитическими способами. Применение дорогих самофлю­сующихся порошков значительно повышает себестоимость вос­становления. Нагрев покрытия и детали при оплавлении может достигать 1100 С, что выше температур фазовых превращений, и все недостатки, характерные для наплавки, присущи и этому спо­собу. Оплавление напыленных поверхностей крупногабаритных де­талей сложной формы (коленчатые валы) из-за неравномерного нагрева отдельных частей не позволяет получить качественных покрытий: образуются трещины, отслоения. Процесс напыления покрытия необходимо осуществлять на режимах, оптимальных для выбранного типа оборудования и обеспечивающих наилучшие эксплуатационные свойства покрытий. Технология напыления должна обеспечивать минимальную разнотолщинность и макси­мально возможную степень полезного использования напыляе­мого материала. Прежде чем начать напыление, нужно отрегулировать работу плазмотрона, добиваясь стабильного истечения струи из сопла и достаточно длинной сжатой дуги. Затем нужно настроить систему перемещения изделия, включить систему подачи порошка и при­ступить к выполнению операции напыления. Нанесение покрытия - основная операция процесса. Свойства и качество покрытия определяются правильно выбранным режи­мом напыления. Важнейших параметров режима, оказывающих влияние на свойства напыленных покрытий, достаточно много: мощность, подводимая к плазмотрону; род газа и его расход; кон­струкция плазмотрона; порошок (его химический состав, физи­ческие свойства, величина частиц и разница между самыми круп­ными и самыми мелкими); способ подачи порошка из питателя; угол введения порошка в сопло плазмотрона и место введения в сжатую дугу; параметры напыления (расстояние от торца сопла плазмотрона до поверхности изделия, скорость напыления, угол напыления и атмосфера); металл, подлежащий напылению (хими­ческий состав, способ подготовки поверхности, шероховатость и температура); промежуточный слой (химический состав и свой­ства, технология его напыления). Взаимодействие этих многочис­ленных факторов между собой приводит к тому, что обычно для каждого конкретного случая режим напыления подбирают экспе­риментально. После напыления детали с покрытиями подвергают различ­ным видам механической обработки - точению, шлифованию, фре­зерованию, сверлению, строганию, хонингованию, а также слесар­ной опиловке, шабровке, анодно-механической и электроискровой обработке. Механическая обработка металлических покрытий мо­жет осуществляться не только путем съема материала, но и мето­дами пластической деформации - обкаткой роликом, обработкой металлическими щетками, дробью и т.п. Однако своеобразие структуры напыленных покрытий, сложенных из отдельных час­тиц, обладающих пониженными когезионной прочностью и теп­лопроводностью и содержащих при напылении на воздухе включения оксидов и нитридов, требует выбора наиболее целесообраз­ного вида инструмента и использования специальных режимов обработки. Наиболее часто используют точение и шлифование. Выбор способа и режимов обработки зависит от свойств покрытия и его эксплуатационного назначения. В случае токарной обработки покрытий из стали и цветных сплавов (кроме никелевых самофлюсующихся) используют резцы из твердых сплавов ВК2, ВК6, ВК8, ВК3М, Т15К6 и т.п. Углы заточки:  = 0 ‑ 15;  = 6 ‑ 8;  = 0 ‑ 6; J = 45. При точении плазменных покрытий из тугоплавких оксидов применяют инструмент с механическим креплением четырехгран­ных твердосплавных пластин марок ВК60М и ВК60М + TiC или резцовые вставки, оснащенные поликристаллами Эльбор-Р или ПТНБ. Покрытия из самофлюсующихся сплавов успешно обрабаты­ваются резцами из Гексанита-Р и Эльбора-Р. Исследования режи­мов точения напыленных покрытий показали целесообразность применения скорости резания в пределах 15 ‑ 45 м/мин и величин подачи 0,10 ‑ 0,15 мм/об при черновой и 0,05 ‑ 0,08 мм/об при чис­товой обточке. Наиболее распространенным методом механической обра­ботки плазменных покрытий является шлифование. В качестве ин­струмента в большинстве случаев используют алмазные круги из карбида кремния, реже - корундовые или из Эльбора. При выборе алмазных кругов рекомендуют 100 ‑ 125 % концентрацию алмаз­ного зерна. Высокая концентрация алмаза создает большую по­верхность резания и снижает степень нагрева покрытия. Она также обеспечивает более экономичное использование кругов. Обычно используют круги на бакелитовой или керамической связке. Дос­тигаемая чистота обработки определяется крупностью зерна ал­маза. Так, размер зерна АСВ12 (125 ‑ 160 мкм) позволяет получить поверхность с показателем шероховатости Rа = 0,063 ‑ 0,125 мкм. При крупности зерна АСВ5 (50 ‑ 63 мкм) достигается Rа = 0,032 ‑ 0,050 мкм, при М40 – 0,020 ‑ 0,040 мкм. Шлифование должно производиться с подачей охлаждающей жидкости. Наилучшим вариантом охладителя является вода с до­бавкой 5 % эмульсола Э-2 при расходе 0,6 ‑ 0,85 л/мин или СОЖ типа НГЛ-205. Для шлифования покрытий из самофлюсующихся сплавов по­сле термообработки (оплавления) используют круги из зеленого карбида кремния марки К3 зернистостью М25, М40 и твердостью СМ1-СТ1, а также из Эльбора (ЛПП С10 Л12 – 100 % концентра­ции). Иногда для повышения эффективности процесса используют комбинированную технологию, при которой черновое шлифование проводят алмазными кругами, а чистовое – кругами из карбида кремния. При сверлении, строгании, фрезеровании или слесарной обра­ботке покрытий технологические приемы должны исключить на­грузку покрытий на растяжение или изгиб. При нарезании резьбы она по возможности должна начинаться в основном металле, для чего покрытие следует раззенковать и снять фаску. В результате механической обработки в поверхностном слое покрытия возникают пластические деформации: наклеп, нагрев, внутренние остаточные напряжения. Это может приводить к сни­жению прочности сцепления покрытия с основой (на 15 – 30 %), изменению открытой пористости покрытия. В случае, если необ­ходимо сохранить открытую пористость и достичь высокой чис­тоты поверхности, может быть использована анодно-механическая обработка. Классификация плазменных покрытий и их применение Обобщение опыта практического применения технологии плазменного напыления за время ее существования позволяет провести классификацию покрытий их по эксплуатационным свойствам и опре­делить диапазон задач, которые могут быть решены с использованием этой технологии в настоящее время. По практическому назначению плазменные покрытия могут быть разделены на основные группы и подгруппы. • Покрытия для защиты от износа: в парах трения, при газоабра­зивном износе, при гидроабразивном износе, при усталостном разрушении поверхностных слоев, при фреттинг коррозии, при кавитации, при коррозионно-механическом износе. • Покрытия для защиты от разрушения при высоких температу­рах, в окислительных и других агрессивных средах, при высо­котемпературной эрозии, в расплавах металлов и шлаков, в ус­ловиях воздействия интенсивных тепловых потоков. • Покрытия для защиты от атмосферной коррозии и коррозии в жидких средах: в обычной и промышленной атмосфере, в мор­ской атмосфере, в питьевой и технической воде, в морской воде, в химических, нефтехимических и пищевых жидких сре­дах. • Покрытия со специальными электрофизическими и оптиче­скими свойствами: электропроводные, электроизолирующие и экранирующие покрытия, покрытия с магнитными свойствами, отражающие покрытия, покрытия с высокой степенью чер­ноты. • Покрытия для создания саморегулирующихся зазоров (сраба­тываемые и режущие). • Покрытия для восстановления размеров изношенных деталей. Помимо классификации по видам разрушения покрытия можно зачастую подразделить на несколько зон по уровню рабочих температур, в зависимости от экс­плуатационных условий. Первая зона обычно ограничива­ется температурой 540 С, которая является предельной для экс­плуатации покрытий из вольфрамокобальтовых твердых сплавов. В качестве второй зоны целесообразно выделить диапазон 540 ‑ 650 С, в котором покрытия типа ВК12 уже непригодны, а покрытия на основе карбида хрома еще малоработоспособны из-за непрочности оксидной пленки. Следующая зона определяется эф­фективным применением карбидохромовых покрытий и находится в пределах 650 ‑ 980 С. Выше 980 С находится четвертая темпе­ратурная зона. Иногда покрытие должно одновременно удовлетворять ком­плексу требований, например защищать изделие от износа и кор­розии или износа и воздействия высоких температур. В этом слу­чае чаще всего приходится принимать компромиссное решение. В случае, если износ в парах трения носит преимущественно адгезионный характер и сочетается с невысокими контактными нагрузками, эффективным оказывается напыление мягких метал­лов, например алюминиевой бронзы. Такие покрытия используют в подшипниках скольжения, подпятниках упорных подшипников, гидроцилиндрах и плунжерах, на направляющих ползуна компрес­сора и т.п. Они не препятствуют внедрению в него абразивных частиц из смазки, а также допускают деформацию для лучшей приработки сопрягаемых трущихся поверхностей. Стойкость к аб­разивному износу у таких покрытий невысокая, поэтому в усло­виях их эксплуатации должна быть обеспечена хорошая смазка, а шероховатость поверхности покрытия сведена к минимуму, по­скольку чем выше чистота обработки поверхности, тем меньше канавок и углублений для сбора абразивных частиц. При работе пар трения в условиях высоких контактных нагру­зок при относительно небольших скоростях перемещения, поло­жительные результаты получены при использовании покрытий из вольфрамкобальтовых твердых сплавов, механических смесей ни­келевых самофлюсующихся сплавов с молибденом или компози­ционным никельалюминиевым порошком. В последнем случае до­полнительно может быть введен также порошок твердого сплава (типа ВК12). Эффективными в этом случае оказываются и кера­мические плазменные покрытия из оксида алюминия с добавкой 13 - 40 % по массе диоксида титана. Указанные покрытия нашли применение на коленчатых валах штамповочных прессов, валах крыльчаток, шейках валов для из­мельчения сахарного тростника и валов ведущих шестерен, под­шипниках руля направления, роторах топливных насосов, поршне­вых кольцах и т.п. Покрытия из смеси молибдена и никелевого са­мофлюсующегося сплава обеспечивают получение наиболее низ­кого коэффициента трения, хотя ограничены по толщине. Плаз­менное напыление смеси такого сплава с композиционным ни­кельалюминиевым порошком позволяет реализовать вместе с из­носостойкостью также и эффект защиты от коррозии. Вольфрамо­кобальтовые твердые сплавы используют для нанесения покрытий, работающих в условиях интенсивного абразивного износа. Кера­мические покрытия могут оказаться неэффективными в случае на­личия ударных нагрузок, однако при работе в агрессивных корро­зионных средах они после уплотняющей обработки обладают вы­сокой стойкостью. Высокая износостойкость этих покрытий позволяет кратко­временно эксплуатировать их в отсутствие смазки. Интенсивность изнашивания растет с увеличением шероховатости покрытия и по­вышением температуры свыше 540 С. Абразивному износу при невысоких температурах (до 540 С) подвержены такие детали машин и механизмов, как поршневые штоки грязевых насосов, соединительные муфты и другие эле­менты нефтебурового оборудования, шнеки бетономешалок, мо­лотки для измельчения табака и другие, на которых изнашивание происходит благодаря режущему действию абразивных частиц, попадающих в зазоры пар трения. Наибольшее распространение для защиты от такого типа износа получили покрытия на основе никелевых самофлюсующихся сплавов как в чистом виде, так и с добавками порошков упрочняющих материалов (карбидов, бори­дов), в смеси с молибденом или композиционным никельалюми­ниевым порошком. При напылении сплавов с добавками карбидов наибольшая эффективность достигается при термообработке по­крытий на стадии оплавления. Из других видов покрытий, стойких к абразивному износу при температурах до 540 С, целесообразно применение оксидов алюминия, хрома или титана, оксида алюми­ния с добавками диоксида титана, смеси оксидов титана и хрома. Высокой износостойкостью в этих условиях обладают покрытия из порошков карбида вольфрама, плакированных кобальтом. В условиях абразивного износа при 540 – 840 С эффективны плазменные покрытия из кобальтового сплава (стеллита), до 760 С – из самофлюсующихся никелевых сплавов, а также по­кры­тия на основе карбида хрома (в смеси с нихромом или с само­флю­сующимся никелевым сплавом и композиционным никель-а­люми­ниевым порошком). Широко распространен на практике износ в результате сколь­жения по твердой или мягкой поверхности твердых абразивных частиц. В таких условиях изнашиваются кабестаны волочильных станов, тормозные барабаны, вставные калибры, вилки механиз­мов переключения передач, стружколомы, различные виды на­правляющих, матрицы для экструзии, уплотнения насосов, инст­румент для точной штамповки и формовки и т.п. При температу­рах ниже 540 С применяют как мягкие покрытия, например из алюминиевой бронзы, так и твердые из вольфрамкобальтовых сплавов, оксидов алюминия, хрома, титана или их смесей. Наибо­лее распространено напыление никелевых самофлюсующихся сплавов, используемых, как и при абразивном износе, в чистом виде (главным образом с последующим оплавлением), с добавкой упрочнителей (карбидов, боридов), в смеси с молибденом или композиционным никель-алюминием. В агрессивных средах пред­почитают использовать оксидные керамические покрытия (с уп­лотняющей пропиткой). К указанной категории износа относится разрушение рабочих поверхностей деталей машин, работающих в контакте с естественными или искусственными волокнами, кото­рое эффективно предотвращается плазменным напылением окси­дов алюминия, титана, хрома или их композиций. Высокотемпературный износ твердыми поверхностями (при 540 – 840 С) имеет место при горячей ковке, на валках для горячего дробления, фасонных штампах для горячей обработки и т.п. Защита поверхности от воздействия внешних факторов такого рода может быть осуществлена плазменным напылением тех же материалов, что и при защите от абразивного износа при повы­шенных температурах (кобальтовые и никелевые сплавы, карбид хрома). Одним из основных механизмов износа является усталостное разрушение поверхностных слоев, возникающее в результате мно­гократного циклического нагружения поверхности детали и вызы­вающее диспергирование ее материала. Усталостному износу под­вержены такие детали, как неподвижные центры токарных и шли­фовальных станков, рычаги балансиров, поршневые кольца и втулки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, ролики ку­лачковых механизмов и т.п. Аналогично восстановлению поверхности после абразивного износа при низких температурах здесь оказывается эффективным напыление никелевых самофлюсующихся сплавов в различных вариантах (с добавками карбидов и боридов, в смеси с молибденом и никель­алюминиевым порошком), вольфрамкобальтового твердого сплава, оксида алюминия с добавками диоксида титана. Кроме того, воз­можно использование и композиционного порошка никель-алю­миний в чистом виде. Важным моментом в этом случае является обеспечение минимальных остаточных напряжений в поверхност­ном слое, высоких значений когезионной прочности и ударной вязкости материала покрытия. Фреттинг-коррозия служит причиной износа многих деталей газотурбинных двигателей. В соответствии с вышеуказанным де­лением условий эксплуатации при температурах до 540 С рабо­тают, например, направляющие закрылков самолета, компенса­торы теплового расширения, статор и воздушная заслонка ком­прессора, сегменты и ребра жесткости канала вентилятора и т.п. Для борьбы с фреттинг-коррозией в этих условиях применяют плазменное напыление как медных сплавов (алюминиевой бронзы, медноникелевых и медьникельиндиевых сплавов), так и никелевых самофлюсующихся сплавов в смеси с молибденом, композицион­ным порошком никель-алюминий, твердыми сплавами. Высокотемпературной фреттинг-коррозии (540 ‑ 840 С) под­вержены такие детали турбины, как воздушные уплотнения, демп­феры, опоры внутренних сопел четырех ступеней, лопатки и др. Никельалюминиевые и кобальтовые сплавы (в том числе с добав­кой иттрия), композиционные никельалюминиевые порошки, смеси на основе карбида хрома являются эффектив­ными материалами при упрочнении деталей газовых турбин методом плазменного напыления. Одно из основных требований к таким материалам – стойкость к окислению с образованием прочно сцепленных с поверхностью оксидных пленок. Хорошие результаты в условиях фреттинг-коррозии показывают покрытия гетерогенного типа – твердые включения, равномерно распреде­ленные в более мягкой вязкой матрице. Элементы машин, работающие в потоке жидкости, часто пре­терпевают интенсивный локальный износ под воздействием кави­тации. К таковым относятся гильзы цилиндров, корпусы насосов, лопасти и сопла водяных турбин и т.п. Для обеспечения эффектив­ной защиты от кавитационного разрушения, материал покрытия должен обладать вязкостью, стойкостью к коррозии и износу. Та­кие покрытия получаются при плазменном напылении нержавею­щих сталей, алюминиевой бронзы, медноникелевых и никелевых сплавов. Практика показала, что керамические покрытия из окси­дов алюминия с добавками диоксида титана (2,5 – 13 %), подверг­нутые уплотнительной пропитке, также могут быть средством за­щиты от кавитации. При гидроабразивном и газоабразивном износе большое зна­чение имеет угол соударения частиц с поверхностью. Если угол соударения частицы с поверхностью меньше 45, то они, переме­щаясь вдоль поверхностей, вызывают абразивный износ, поэтому необходима высокая твердость покрытия. При угле свыше 45 бо­лее важным свойством является вязкость покрытия. Когда носите­лем абразивных частиц является жидкость, при выборе покрытия должна быть учтена его коррозионная стойкость. Газо– и гидроабразивному износу при относительно низких температурах (до 540 С) подвержены вытяжные вентиляторы, гидроэлектрические клапаны, пылесборники циклонов, клапаны и седла предохранительных клапанов и т.п. Высокотемпературный (более 540 С) газоабразивный износ является одной из причин разрушения экранных труб котельных агрегатов, элементов горе­лок для сжигания твердого топлива, седел выхлопных клапанов и т.п. Практика плазменного напыления показала, что в качестве вязких покрытий для защиты от газо– и гидроабразивного износа могут быть применены покрытия из нержавеющих сталей (при температурах ниже 540 С) или кобальтового сплава (выше 540 С), на основе самофлюсующихся никелевых сплавов (до 760 С). Для получения твердых покрытий при температурах до 540 С используют оксиды хрома и алюминия (в чистом виде и с добавкой диоксида титана), вольфрамокобальтовые твердые сплавы; в высокотемпературной зоне основой покрытия являются карбиды хрома в сочетании со связкой из никелевых сплавов. Покрытия, предназначенные для защиты деталей от разруше­ния при высоких температурах в коррозионных газовых средах (например, выхлопных труб, тары для термической и химико-тер­мической обработки, наружных и внутренних поверхностей вра­щающихся обжиговых печей, головок поршней и камер сгорания дизелей и т. п.), должны удовлетворять следующим требованиям: • противостоять диффузии коррозионного агента из окружаю­щей среды; • не взаимодействовать с подложкой; • иметь температуру плавления выше температуры эксплуата­ции; • иметь низкую упругость пара при температуре эксплуатации. Плазменный метод позволяет получить покрытия, стойкие к коррозии в окислительной и некоторых других агрессивных сре­дах, например серосодержащих, путем напыления алюминия и по­следующего алитирования с применением защит­ной обмазки, а также при формировании покрытий из нихрома, никельалюминиевых сплавов и композиционного порошка ни­хром-алюминий. Типичным случаем высокотемпературного эрозионного из­носа являются условия работы сопел и головок ракет. Как и в слу­чае газоабразивного износа, выбор состава плазменного покрытия связан с углом встречи газовой струи с поверхностью. Практиче­ский опыт применения плазменных покрытий в таких условиях показал, что эффективность их защитных свойств во многом свя­зана с термической стойкостью напыленного материала. Вероят­ность отслаивания покрытия от термических ударов снижается при близких коэффициентах термического расширения покрытия и основы, образовании между ними переходного диффузионного слоя. Задача защиты от высокотемпературной эрозии решается пу­тем плазменного напыления оксидных покрытий (из оксида алю­миния или диоксида циркония и его соединений с оксидами маг­ния или кальция), нанесенных на промежуточный слой из жаро­стойкого материала из никель-алюминиевых сплавов или компози­ционного порошка нихром-алюминий. Для снижения интенсивности теплового воздействия на по­верхность или сокращения потерь тепла используют теплозащит­ные покрытия – термические барьеры. Эффективно работающее покрытие такого назначения обладает низкой теплопроводностью, высокой отражатель­ной способностью, имеет низкую упругость пара в условиях эксплуатации. Такие покрытия могут быть полу­чены при напылении оксида алюминия, диоксида циркония, цир­коната магния на промежуточный слой из жаростойкого мате­риала. Практическими объектами применения теплозащитных по­крытий являются камеры сгорания газотурбинных двигателей, поршни дизелей, индукторы высокочастотных установок, оснастка для пайки и термообработки и т. п. Покрытия для защиты металлургического и литейного обору­дования от воздействия металлических расплавов должны обла­дать стойкостью к коррозионному воздействию шлаков и флюсов, а также паров металла и кислорода на границе раздела расплава с внешней средой и над ней. Учитывают также возможности образо­вания эвтектик при взаимодействии покрытия и расплавов, эрози­онного и абразивного разрушения струей расплава, загрязнения расплава при растворении в нем элементов покрытия, а также стойкость покрытия к термоциклированию. Характерными эле­ментами оборудования, защищаемыми от воздействия расплавов, являются изложницы, кокили, ванны, фурмы, приспособления для разливки и т. п. В расплавах цинка, меди и алюминия высокую стойкость показали плазменные покрытия из оксида алюминия в чистом виде и с добавкой 2 – 3 % диоксида титана и цирконата магния с жаростойким подслоем. Кроме того, в расплаве цинка стойким является покрытие из вольфрама, а в расплаве меди - из вольфрама и молибдена. Для работы в жидком чугуне или стали используют покрытия из цирконата магния или молибдена. Применение плазменного напыления для защиты от атмо­сферной коррозии в водной среде ограничивается напылением цинка или алюминия в сочетании с нанесением лакокрасочных покрытий. В щелочных средах предпочитают использование цинка, а в атмосферах, содержащих серу или ее соединения – алю­миния. Исследование коррозионной стойкости различных видов плазменных покрытий в неорганических, органических, техниче­ских и пищевых средах показало, что в случае пропитки покрытия органическими материалами возможно решать задачи антикорро­зионной защиты. Стойкость в наиболее широком перечне сред (131 вид) имеют оксидные плазменные покрытия из оксида алю­миния, хрома, циркония. В 52 различных средах хорошую стой­кость имеют покрытия из никелевых самофлюсующихся сплавов. Все большее распространение получает в последнее время на­несение методом плазменного напыления покрытий со специаль­ными электрофизическими свойствами. Плазменные покрытия из меди или алюминия ис­пользуют как электропроводящие или экра­нирующие от внешнего электромагнитного воздействия. Электро­изоляционные покрытия формируют из оксида алюминия или композиций на его основе. Специфическим вариантом практического применения газо­термических покрытий, в том числе плазменных, является созда­ние минимальных зазоров между сопряженными элементами ма­шины. От решения этой проблемы зависит эффективность работы машин, приводимых в движение давлением газа, (турбин) и ма­шин, создающих давление газа, (компрессоров), поскольку при этом сокращаются вредные утечки рабочего тела. Газотермическое напыление позволяет нанести на ротор, статор или на то и другое одновременно как режущее, так и срабатываемое покрытия. При первоначальном запуске в результате взаимного касания ротора и статора происходит формирование контура, обеспечивающего наиболее эффективное уплотнение. Режущее покрытие работает эффективно, если оно стойко к эрозии и имеет высокую прочность сцепления с основой. Для на­несения на статор используют оксид алюминия в чистом виде или с добавкой диоксида титана, на ротор - смесь карбида хрома с ни­хромом или никелевого самофлюсующегося сплава с вольфрамо­кобальтовым твердым сплавом и композиционным порошком ни­кель-алюминий. Истираемые покрытия, как правило, имеют гетерогенную структуру и состоят из мягкой (истираемой) компоненты и метал­лической связки, обеспечивающей им достаточную эрозионную стойкость при допустимом износе ответной детали, и получаются при напылении механических смесей или композиционных по­рошков. В качестве истираемой составляющей применяют органи­ческие соединения, графит, нитрид бора, а металлическая связка может представлять собой силумин, никель, нихром, композици­онный порошок нихром-алюминий и т. п. Состав композиции оп­ределяется уровнем рабочих температур в зоне уплотнения. При восстановлении размеров изношенных деталей могут быть использованы либо некоторые из вышерассмотренных по­крытий, когда наращивание массы детали совмещается с улучше­нием эксплуатационных свойств поверхности, либо такие покры­тия, свойства которых совпадают со свойствами материала ос­новы. В последнем случае для восстановления размеров деталей из сталей или чугуна в зависимости от твердости и коррозионной стойкости основного металла применяют порошки малоуглероди­стых и легированных сталей, никельхромжелезные и никельалю­миниевые сплавы, композиционные порошки никель-алюминий и нихром-алюминий, механическую смесь никелевых самофлюсую­щихся сплавов с композиционными порошками. Детали из никеле­вых сплавов восстанавливают напылением никеля, никельхромже­лезных сплавов, композиционного порошка нихром-алюминий. Кобальтовый сплав (стеллит) служит материалом для плазменного напыления покрытий, восстанавливающих размеры изделий из ко­бальтовых сплавов. Подобную задачу для медных сплавов выпол­няют порошки меди или алюминиевой бронзы, для алюминиевых сплавов – порошок алюминия, для титановых – порошок титано­вого сплава, содержащего алюминий и ванадий. Лекция. 7 Сущность процесса плазменной резки. Общие сведения. Сущность процесса плазменной резки заключается в локаль­ном интенсивном расплавлении разрезаемого металла в плоскости реза теплотой, генерируемой сжатой дугой, и в удалении расплавленного жидкого металла из полости высокоскоростным потоком плазменной струи, вы­текающим из сопла плазмотрона. В настоящее время она занимает ведущее место среди других видов плазменной обработки материалов как по объему применения в промышленно­сти, так и по разнообразию выпускаемого оборудования. Наи­большее распространение нашла плазменная резка для раскроя специальных сплавов, легированных сталей, цветных металлов и чугуна для которых газокислородная резка неприемлема. Кроме того, плазменная резка более производительна и при резке черных металлов по сравнению с газокислородной резкой. Возможна также резка неэлектропроводных материалов. Основными преимуществами плазменной резки по сравнению с другими видами резки материалов являются: высокая производительность процесса плазменной резки; возможность применения дешевых и недефи­цитных плазмообразующих сред (воздух, вода, аммиак и др.); высокая скорость резки, благодаря чему снижается деформация тонколистовых металлов, достигается минимальная ширина и высокое качество реза. При плазменной резке нет затрат времени на подогрев металла до его воспламенения, поскольку высокотемпературная плазменная дуга врезается в металл почти мгновенно. Резка плазменной дугой может выполняться по двум схемам (рис.25). Наибольшее распростра­нение нашла дуга прямого действия. В этом случае разрезаемый металл является анодом и плазменная струя, истекающая из сопла плазмотрона, совмещена со столбом дуги по всей его длине, начи­ная от среза канала сопла и кончая анодным пятном на фронталь­ной поверхности полосы реза. При этом в установившейся дуге различают несколько харак­терных однородных участков разряда. На поверхности электрода расположена катодная область. Между катодной областью и верх­ним срезом цилиндрической части отверстия сопла расположен участок, называемый закрытым столбом. Этот участок находится в относительно спокойном потоке холодного газа. Между входным и выходным срезами внутри сопла расположен участок столба, который подвергается сжатию холодными стенками канала сопла. Между нижним срезом сопла и верхней плоскостью разрезаемого листа находится открытый столб дуги, стабилизированный соос­ными потоками собственной плазмы и оболочкой более холодного газа. В полости реза (между верхней плоскостью разрезаемого листа и анодной областью) расположены рабочий участок дуги, а ниже факел плазмы. Тепловая энергия вводится в разрезаемый металл плазменной струей, столбом дуги и электронным потоком в столбе дуги. Эф­фективный КПД плазменной дуги прямого действия составляет 60 ‑ 70 %. Все три источника тепла вносят свою долю либо по всей высоте реза, либо на ее отдельных участках. При этом изменение формы фронтальной поверхности реза по высоте отражает распре­деление количества вводимого тепла по всей плоскости реза. а) б) Рис. 25. Схемы плазменно-дуговой резки: а) дугой прямого действия; б) дугой косвенного действия. 1 ‑ закрытый участок, 2 ‑ сжатый участок, 3 ‑ открытый участок, 4 ‑ рабочий участок, 5 ‑ факел плазмы Вся полость реза может быть разбита на три участка по высоте. Первый участок характеризуется тем, что плавление металла осуществляется в основном за счет теплоты, поступающей из столба дуги. Второй участок, расположенный в средней части толщины листа, является основной областью распро­странения анодного пятна. На этом участке основной металл плавится за счет энергии столба дуги и энергии анодного пятна. Добавлением энергии пятна объ­ясняется некоторое выдвижение этого участка по сравнению с верхним участком реза. При прямой полярности анодное пятно существует в ос­новном в центральной части фронтальной поверхности и может занимать довольно широкую область, составляющую от 0,3 до 0,6 толщины разрезаемого листа. На третьем участке плавление ме­талла по фронтальной поверхности осуществляется в основном за счет тепла, которое несет высокотемпературная плазменная струя. На ширину области распространения анодного пятна по толщине листа оказывает влияние и вид плазмообразующей среды. Наиболее широкая область распространения анодного пятна – при использовании N2. При использовании дуги косвенного действия анодное пятно перемещается по внутренней поверхности сопла лишь до выход­ного среза канала плазмотрона. В связи с этим плазма лишь на ко­ротком участке (протяженностью от конца электрода до выходного среза канала сопла плазмотрона) контактирует со столбом дуги, а затем существует независимо от него. Нагревание изделия в этом случае осуществляется только теплом плазменной струи. По мере удаления от выходного среза сопла температура и скорость исте­чения плазменной струи резко уменьшаются, а КПД нагрева изде­лия не превышает 30 – 40 %. Такую плазменную струю исполь­зуют для резки металлов небольшой толщины и неэлектропровод­ных материалов. Характер перемещения анодного пятна влияет и на поведение расплавленного металла в полости реза, а следовательно, и на форму фронтальной поверхности и боковых стенок полости реза, т.е. определяет форму кромок вырезаемых деталей. Плазмообразующие среды, использующиеся при резке. Плазмообразующая среда оказывает непосредственное влияние на технологические показатели процесса и конструкцию всех основных узлов оборудования для плазменной резки. Влияние со­става плазмообразующей среды на технологию резки определяется следующими характеристиками: • при заданной геометрии сопла и данном токе за счет измене­ния состава среды можно регулировать количество тепла, вы­деляющегося в дуге; • состав среды оказывает наибольшее воздействие на максимально допустимое значение , что позволяет регулировать плот­ность тока в дуге, величину теплового потока в плоскости реза и, в конечном счете, ширину реза и скорость резки. Зависимость теплопроводности плазмообразующей смеси от ее состава позволяет существенно влиять на эффективность пере­дачи разрезаемому листу тепловой энергии дуги. Плазмообразую­щая среда, взаимодействуя с выплавляемым металлом, дает воз­можность изменять его вязкость, величину поверхностного натя­жения, химический состав. Изменение состава среды позволяет создавать наиболее благоприятные условия удаления расплавлен­ного металла из полости реза, предотвращая образование подплы­вов на нижних кромках разрезаемого листа или делая их легко удаляемыми. В некоторых случаях химическое взаимодействие плазмообразующей среды с разрезаемым металлом увеличивает количество тепла, используемого для резки. Состав среды влияет на степень и глубину насыщения стенок реза различными газами. При выборе плазмообразующей среды учитывают себестоимость и дефицитность применяемых материалов. Состав плазмообразующей среды влияет также на конструк­цию и характеристики оборудования, в первую очередь, плазмо­трона. От состава среды зависит не только материал катода, но и способ его крепления в плазмотроне, интенсивность охлаждения катода и сопла, а значит, и конструкция плазмотрона в целом. Со­став плазмообразующей среды определяет также мощность дуги, а, следовательно, и мощность источника питания, форму его ВХ и его динамические свойства. В качестве плазмообразующих сред при резке могут приме­няться газы Ar, He, N2, H2, О2 и газовые смеси. Применение для резки аргоновой плазмы приво­дит к появлению повышенной литой зоны и зоны термического влияния (ЗТВ) на кромках реза. Форма реза характеризуется боль­шим скосом кромок и наличием на нижней кромке реза трудноот­делимого грата. Это объясняется тем, что продукты резки в ниж­ней части реза недостаточно жидкотекучи и плохо удаляются газо­вой струей. Поэтому чистый Ar применяют довольно редко, в ос­новном для резки тонколистового металла (до 3 мм). Гелий - одноатомный инертный газ, хорошо защищает вольф­рамовый электрод от окисления, но, в отличие от аргона, обладает большей теплопроводностью (при температуре 10 000 К всего в два раза меньшей, чем у меди). Из-за этого, при применении его в чистом виде для плазменной резки происходят быстрый нагрев и разрушение сопла. При температуре 10 000 К азотная плазма имеет теплосо­держание в пять раз большее, чем аргоновая. Вследствие этого азотно-плазменная резка находит большее применение. Скорость резки значительно выше, чем на аргоне, так как выше проплав­ляющая способность дуги. Ширина реза и грат на кромках при ис­пользовании азота меньше, чем при применении аргона. При резке металлов толщиной до 4 мм грат отсутствует. Напряженность поля столба дуги в азоте и воздухе более высокая, чем в аргоне. По­этому при использовании этих газов эффективность преобразова­ния электрической энергии в тепловую также значительно выше. Однако при использовании азота вольфрамовый электрод менее стоек, чем в случае применения аргона и гелия. Основная причина этого в том, что применяемый технический азот содержит при­меси, в том числе и более 1 % О2. Вместо вольфрамового приме­няют циркониевый или гафниевый электроды. С целью повышения эффективности использования N2 для плазменной резки применяют предварительный подогрев газа до 200 - 300 С перед подачей в плазмотрон. Подогрев N2 обеспечи­вает существенное увеличение производительности резки, улуч­шение качества кромок реза, способствует повышению давления в камере плазмотрона, что при снижении расхода плазмообразую­щего газа позволяет получить необходимую скорость истечения его из канала сопла и обеспечить высокую кинетическую энергию столба дуги. В кислороде напряженность поля дуги ниже, чем в азоте, по­этому он, как газ - преобразователь электрической энергии в теп­ловую, менее эффективен. Однако, вследствие активного протека­ния термохимических реакций при взаимодействии кислородной плазмы с металлом обеспечивается более высокая производитель­ность резки (не только углеродистых, но и легированных сталей), чем при применении азота или воздуха. Однако кислород окисляет не только разрезаемый металл, он снижает стойкость катода и со­пла по сравнению со стойкостью их на воздухе. Наибольший износ или разрушение этих деталей происходит в момент возникновения двойной дуги. Процесс плазменной резки с применением кисло­рода менее надежный и устойчивый, чем с применением воздуха. Водород, как и гелий, обладает высокой теплопроводностью и является наилучшим преобразователем энергии дуги в тепло. Кроме того, стоимость его невысока и он недефицитен. Однако водород не нашел промышленного примене­ния в качестве самостоятельного плазмообразующего газа из-за своих физических свойств (взрывоопасность, легкость воспламе­нения, отсутствие запаха), низкой стабильности горения дуги и быстрого разрушения сопла при больших плотностях тока. Анализ однокомпонентных плазмообразующих сред позво­ляет сделать следующие выводы: • азот можно использовать только в тех случаях, когда скорость и качество резки не играют существенной роли; • аргон не используется из-за плохих режущих свойств дуги и относительно высокой стоимости; • гелий - весьма дефицитный и слишком дорогой газ; • при резке в кислороде трудно обеспечить длительную работу катода; • в водороде весьма низкая стойкость сопла плазмотрона и ве­лика опасность взрыва. Анализ рассмотренных плазмообразующих сред показывает, что ни один из газов не может обеспечить самостоятельно весь комплекс положительных свойств идеального плазмообразующего газа. Чтобы обеспечить наиболее полно комплекс положительных свойств плазмообразующей среды, используют смеси из различ­ных газов. Если процесс резки заключается в локальном выплавлении металла, то основным компонентом должен быть газ, обеспечи­вающий высокие энергетические параметры дуги, второй компо­нент в этом случае выполняет функции стабилизации горения дуги и обеспечения надежной работы плазмотрона. При необходимости использования химического взаимодейст­вия разрезаемого металла с плазмообразующей средой основным компонентом смеси является газ, химически активный по отноше­нию к разрезаемому металлу; второй компонент способствует уменьшению эрозии катода. Все смеси, применяемые при резке, можно разбить на два класса: водородосодержащие и кислородосодержащие. При резке применяют в основном смеси газов: Ar+H2, N2+H2, N2+О2, NH3, «смешанный» газ, воздух, в сочетании с N2 и воздухом применяется H2O. «Смешанный» газ – это смесь газов, основой которой является водород в несвязанном молекулярном виде. Эта газовая смесь имеет низкую стоимость, не взрывоопасна, является отходами азотно-тукового производства. Применяют две разновидности «смешанного газа»: 19,8 % N2, 79,9 % H2, 0,3 % CH4 или 24 % N2, 72–74 % H2, 1,5 % CH4, 1 % CO2, 0,03 % CO. Возможно также применение аммиака NН3, который подается в дуговое пространство плазмотрона, где он диссоциирует на N2 и Н2. Скорость резки и качество реза при использовании аммиака и «смешанного» газа получаются аналогичными, как и при примене­нии азотно-водородных смесей. Для повышения энергетических параметров плазменной дуги можно использовать аргон и азот в смеси с водородом. Добавка Н2 в смесь тем более эффективнее, чем больше толщина разрезаемых металлов. При резке в таких смесях требуется поддерживать высо­кое напряжение. При резке Al и его сплавов применяют смесь Ar и 35 % H2, что обеспечивает качественный рез с чистыми и ровными кромками без натеков и грата. Смесь N2 с концентрацией Н2 до 50 % применяется для резки высоколегированных сталей, алюми­ния, меди и ее сплавов. Получаемые после такой резки кромки можно использовать под сварку без дополнительной механической обработки. Перспективно использование в качестве плазмообразующих – кислородосодержащих сред: воздуха и кислорода в чистом виде, а также в смеси с другими газами. Проникающая способность воз­душной плазмы более высокая, чем у азотной, так как содержа­щийся в составе воздуха кислород обладает высоким теплосодер­жанием и, кроме того, он окисляет металл с выделением значи­тельной тепловой энергии. Продукты окисления и часть неокис­ленного металла выносятся из плоскости реза. При этом резко со­кращаются ширина реза и величина скоса кромок. Воздушная плазма для целей резки с тепловой точки зрения предпочтительнее аргоно-водородной плазмы, так как содержит только двухатомные газы, которые в процессе рекомбинации при контакте со сравни­тельно холодным металлом выделяют значительное количество теплоты. Она обладает также более высокой энтальпией, чем арго­но-водородная плазма. Преимуществом воздушно-плазменной резки является также возможность увеличения расхода плазмооб­разующего газа, что обеспечивает повышение мощности и увели­чивает срок службы плазмотрона. Термическая нагрузка на сопло снижается, что позволяет увеличить плотность тока в дуге. Увели­чение расхода газа благоприятно отражается на распределении теплового потока в анодном пятне. Тепловой поток становится бо­лее концентрированным, благодаря чему возрастают скорость и качество резки. Применяемый воздух должен быть осушен от влаги, не дол­жен содержать масла и твердых частиц, наличие которых может вызвать трудности в зажигании дуги и эрозию электрода. Для резки металла толщиной более 80 мм применяют смеси кислорода и азота, так как стойкость электрода в этом случае выше. Оптимальным является содержание кислорода в смеси 60 ‑ 65 %. В этом случае скорость резки возрастает в 1,5 раза, уменьшается величина скоса кромок, отсутствуют натеки и грат на кромках. В последние годы все большее применение находит плазмен­ная резка с использованием воды. Вода занимает в плазмооб­разующих средах особое место. Вода, как и аммиак, является хи­мически сложным веществом, в состав которого входит водород. Вода может использоваться в качестве плазмообразующей среды самостоятельно, в виде пара или как добавка к рабочему газу. Ве­совой состав воды: водород - 11,11 % – 2 объема; кислород - 88,89 % – 1 объем. Молекулы воды обладают большой устойчиво­стью к нагреванию. Лишь при Т = 1 000 С водяной пар начинает диссоциировать на водород и кислород: . Для того чтобы в заметной степени произошла реакция, при которой вода распадается на водород и кислород, необходима тем­пература 4 000 ‑ 5 000 С. Процесс диссоциации воды происходит с поглощением тепла. При температурах около 5 000 С происходит диссоциация водорода с большим поглощением тепла: . Поглощение большого количества тепла в процессе плаз­менной резки с применением воды обеспечивает интенсивное ох­лаждение периферийных участков столба дуги и концентрирует его, в результате чего температура в ядре дуги возрастает, увели­чивается ее проплавляющая способность. Кроме того, при сопри­косновении горячей плазмы с холодным листом происходит ре­комбинация молекул водорода и кислорода, что обеспечивает вве­дение в разрезаемый металл дополнительного тепла. Применение воды обеспечивает качество реза, уменьшает те­пловые деформации деталей. Вода в дуге диссоциирует на кисло­род и водород, а затем на атомарный кислород и водород. Концен­трация Н2 и О2 в столбе дуги оптимальная, при которой получается лучшее качество реза. Выгорания с поверхности кромок наиболее активных элементов разрезаемого металла не происходит. Плазменную резку с использованием воды можно разделить на три способа: • резка металла, погруженного или полупогруженного в водя­ную ванну; • применение воды в качестве плазмообразующей среды; • подача небольшого количества воды в столб плазмы. Способ резки с погружением разрезаемого листа в воду по­зволяет уменьшить до минимума вредные газы (О3, NO), исключить полностью выделяющийся дым и аэрозоли. Металл и шлак, выплавляемые из полости реза, попадают в воду и в виде мелких частичек и капель оседают на дно ванны. Разновидность этого способа заключается в создании допол­нительного водяного экрана вокруг плазменной дуги. В этом случае разрезаемый лист обычно полупогружен в водяную ванну. Плотный водяной экран вокруг плазмы создается за счет специ­альной насадки, укрепленной на плазмотроне (рис. 26). Рис. 26. Специальная насадка на плазмотрон для создания водяного экрана При экранизации за счет мощного водяного потока уменьша­ется уровень шума и до 99,5 % выделяющихся газов отводятся в воду. Грат и расплавленный металл собираются в резервуаре, за­полненном проточной водой. Для эффективного снижения шума расход воды должен быть не менее 1,2 л/с. Данный способ применяют при резке сталей толщиной до 65 мм. Недостатками указанного способа резки являются сниже­ние производительности процесса, дополнительный расход электроэнергии (при повышении мощности плазменной дуги), труд­ность осуществления контроля за ведением процесса резки и нали­чие некоторой шероховатости плоскости реза. Плазменная резка со стабилиза­цией плазменной дуги водой приме­няется для резки цветных металлов и высоколегированных сталей больших толщин. В качестве плазмообразую­щей среды также применяется вода. Теплоизоляцион­ные свойства воды выше, чем у газов, так как между столбом дуги и слоем воды, непо­средственно прилегающим к внут­ренним стенкам сопла, образу­ется постоянно обновляемая паровая про­слойка. Кромки сопла защищены от теплового воздействия дуги с по­мощью тонкой водяной пленки. Не­достатками способа являются: сложность возбуждения дуги и на­чала процесса; применение гра­фитового электрода, который бы­стро расходуется и требует до­полнительного устройства для его перемещения в направлении сопла в процессе резки. Плазменная резка с подачей небольшого количества воды в плазму, чаще всего в азотную и воздушную, так называемая водо­инъекционная плазменная резка находит более широкое примене­ние. Подвод воды осуществляется в канал сопла. В канале сопла под воздействием высоких температур происходит ее интенсивное испарение, т.е. диссоциация на Н2 и О2. При испарении 1 см3 воды образуются около 1 700 см3 водяного пара. Плазменная дуга уплот­няется, удлиняется и стабилизируется. Кроме того, увеличивается движущая масса, которая обеспечивает лучший перенос энергии, удаление расплавленного металла и шлака из полости реза. Плаз­мообразующий газ подают в катодную камеру плазмотрона, что исключает попадание воды в катодное пространство и препятст­вует повышенной эрозии электрода и сопла. Для обеспечения плазменной резки с использованием воды применяют сопло – на­садку на серийный плазмотрон (рис. 27 и 28), которая сопряжена ко­нусной поверхностью с основным соплом. На внутренней и на­ружной поверхности сопла имеются пазы для прохода воды в зону дуги. Использование такого сопла позволяет подавать воду внутрь общего канала, образованного совмещением двух сопел, концен­трично столбу дуги, создавая вокруг него водяную завесу. Рис.27 Схема головки плазмотрона ПМР-74: а ‑ для обычной плазменной резки; б ‑ для воздушно-водяной плазменной резки Рис. 28 Дополнительное наружное сопло ‑ насадка на серийный плазмотрон Внутрь канала вода подается с завихрением по часовой стрелке, т.е. в том же направлении, что и завихрение газа. Для ис­ключения влияния кольцевого потока воды, создаваемого вокруг столба плазмы, на завихрение газа сопло-насадка на нижнем срезе выполнено в виде цилиндра. Струи воды направлены параллельно столбу дуги. При использовании такой конструкции сопла-насадки создается двойной эффект. Вода, поступающая внутрь канала со­пла, частично испаряется, диссоциирует на водород и кислород, которые, смешиваясь с основным плазмообразующим газом, соз­дают комбинированную высокоэффективную газовую среду. Кроме того, вода обжимает и уплотняет дугу в канале сопла, обес­печивая высокие энергетические характеристики. В результате проникающая способность дуги заметно возрастает, что значи­тельно уменьшает скос кромок. Вода, поступающая концентрично столбу дуги, также частично испаряется и создает вокруг дуги во­допаровую завесу, ограничивая доступ воздуха в зону дуги, что приводит к уменьшению насыщения газами разрезаемых кромок, снижению выделения аэрозолей в окружающую среду и шума. Возможности совершенствования процесса плазменной резки далеко не исчерпаны. Можно надеяться, что в ближайшие годы использование природных естественных плазмообразующих сред выдвинет этот способ на первое место среди других способов резки материалов по объему применения в промышленности. Лекция 8 Устройство плазмотронов для резки По назначению режущие плазмотроны подразделяются на машинные и ручные. Машинные плазмотроны работают с напря­жением холостого хода свыше 300 В при величине рабочего тока до 1 000 А. Ручные плазмотроны для обеспечения безопасности работают при напряжении холостого хода не более 180 В и вели­чине рабочего тока до 300 А. Наиболее распространены плазмо­троны постоянного тока с дугой прямого действия. Плазмотроны для ручной резки обычно имеют воздушное охлаждение, а для ма­шинной резки водяное. Известны также конструкции плазмотро­нов, в которых для охлаждения применяют водовоздушную смесь. Эффективность охлаждения в этом случае не уступает охлажению проточной водой, и одновременно сохраняются легкость и манев­ренность, присущие плазмотронам с воздушным охлаждением. Все плазмотроны для резки являются плазмотронами с прину­дительным сжатием дуги в прикатодной области. Основным узлом плазмотрона является катод. Минимальная плотность тока в ка­тодном пятне может быть принята равной отношению макси­мально допустимого тока к площади канала сопла, если сопло ци­линдрическое, а расстояние между торцом катода и верхним сре­зом отверстия сопла мало. Если материал катода при температуре ниже температуры плавления имеет величину плотности тока тер­моэлектронной эмиссии, равную или превышающую плотность тока в канала сопла, то такой катод будет в нейтральной или инертной среде работать без разрушения. Все катоды плазмотронов для резки можно разделить на тер­мокатоды и термохимические катоды. Принципиальная разница между термокатодом и термохимическим катодом заключается в том, что тепловой поток в первом случае не зависит от состава плазмообразующей среды, в то время как во втором случае эта за­висимость весьма значительна. Типичным примером термокатода являются катоды из вольф­рама. При использовании кислородсодержащих сред вольфрам оказался неприемлемым. В этом случае используются термохими­ческие пленочные катоды из Zr и Hf, обладающие особыми свой­ствами в нагретом состоянии при контакте с воздухом. Особенно­сти работы таких катодов были рассмотрены ранее. Внешний вид термохимических катодов приме­няемых для воздушно-плазменной резки показан на рис. 29. а б Рис. 29. Внешний вид термохимических катодов: а ‑ катод с вставкой из Zr; б ‑ катод с вставкой из Hf При относительно малых силе и плотности тока рекомендуется применять катоды из Zr в связи с его низкой стоимостью. Катоды из Hf имеют более высокую стой­кость при повышенных силе и плотности тока. Одним из способов повышения надежности работы термохи­мических катодов является использование прокладок между ак­тивной вставкой и медью. Прокладки не должны взаимодейство­вать ни с медью, ни с активной вставкой. Тепло и электропровод­ность материала вставки должны быть достаточно высокими, а толщина достаточно малой, чтобы использование прокладок не снижало допустимых тепловых потоков на активную вставку. Наиболее часто применяют в качестве прокладок Mo, Ta и W. Для водоэлектрической резки катоды изготавливаются из гра­фита и являются расходуемыми. Кроме традиционных электродов-катодов в плазмотронах для резки применяют полые медные катоды. Принципиальные схемы плазмотронов с полыми медными катодами приведены на рис. 30. Такие плазмотроны состоят из полого внутреннего электрода, за­вихрителя и соплового электрода. Завихритель расположен между внутренним и сопловым электродами и изготавливается из изолятора или из меди с изолирующими прокладками между ним и обо­ими электродами. а б Рис. 30. Схема плазмотрона с медными полыми катодами: а ‑  с дугой прямого действия; б ‑ с дугой косвенного действия. 1 ‑ полый внутренний электрод; 2 ‑ завихритель; 3 ‑ сопло; 4 ‑ дуга; 5 ‑ разрезаемый металл; 6 ‑ плазменная струя; 7 ‑ баластный реостат; 8 ‑ контактор; 9 ‑ подача охлаждающей воды; 10 ‑ подача сжатого воздуха В плазмотроне прямого действия (рис. 30а) дуга возбужда­ется между внутренним и сопловым электродами с помощью ос­циллятора. Затем газовым вихрем она растягивается и стабилизи­руется по оси разрядной камеры. Как только образовавшийся по­ток плазмы касается разрезаемого металла, дуга переходит на ме­талл, а контактор размыкает цепь прохождения тока через сопло­вой электрод. В плазмотронах с косвенной дугой (рис. 30б) через отверстие в сопле истекает ионизированный поток воздушной плазмы. Дуга обжимается в радиальном направлении только газо­вым вихрем внутри разрядной камеры. Плотность энергии и тем­пература потока плазмы в этом случае ниже, чем в плазмотроне прямого действия. Отличительной особенностью таких плазмотронов является интенсивное перемещение пятна дуги по сильно охлаждаемой по­верхности электрода под воздействием газового циклона, созда­ваемого тангенциальными каналами завихрителя. Газовый циклон обуславливает стабильное положение столба дуги по оси полости электрода и способствует быстрому круговому вращению пятен дуги по поверхности внутренней полости электрода. При этом не происходит локального нагрева электрода, что обеспечивает в со­четании с интенсивным наружным охлаждением длительный срок службы электродов. Применяют также полые катоды с гафниевыми вставками (рис. 31). Гафниевые вставки, расположенные на внутренней поверхности полого электрода, включаются в работу по мере повышения силы тока примерно через каждые 200 А, поэтому при большой суммарной силе тока каждая вставка работает при токе относительно небольшой величины, за счет чего увеличивается стойкость катода. Рис. 31. Схема полого электрода с гафниевыми катодами по внутренней поверхности: 1 ‑ корпус электрода; 2 ‑ гафниевые катоды; 3 ‑ сопло плазмотрона Конструкция плазмотрона с наиболее распространенным термохимическим катодом имеет вполне определенную геометрию дуговой камеры (рис. 32). Рис. 32 Конструктивные параметры дуговой камеры плазмотрона Различают следую­щие конструктивные па­раметры, характеризую­щие геометрию дуговой камеры плазмотрона: Нс – высота канала сопла, Rс – радиус сопряжения ка­нала сопла, Нэс – рас­стояние от среза сопла до рабочей поверхности электрода, Rэ – радиус электрода,  – угол рас­крытия, Dс – диаметр ка­нала сопла, h – расстоя­ние от рабочей поверхно­сти электрода до завих­рителя. Для длительной работы плазмотрона без изменения рабочих характеристик необходимо, чтобы расстояние от среза сопла до рабочей поверхности электрода, диаметр и высота канала сопла всегда оставались неизменными. Диаметр канала сопла влияет на плотность тока, при заданных токе дуги и толщине разрезаемого металла. Изменяя диаметр сопла, а значит, плотность тока, можно увеличивать или уменьшать скорость резки и ширину реза. Кроме того, в таких плазмотронах высота канала обычно равна или немного больше его диаметра. Конструкция плазмотронов определяется также типом плаз­мообразующей среды. В соответствии с классификацией плазмо­образующих смесей, описанной выше, рассмотрим основные осо­бенности соответствующих типов плазмотронов. Для работы в среде аргона, азота и водородосодержащих смесей применяются плазмотроны с катодом из вольфрама. Отличитель­ным признаком плазмотронов для работы в водородосодержащих средах является наличие двух сопел. Во внутреннее сопло пода­ется рабочая смесь (Ar + H2 или N2 + H2), во внешнее - воздух. Для обеспечения более надёжной работы плазмотрона оба сопла должны быть электрически изолированы друг от друга. Это предотвращает выход его из строя при случайном замыкании разрезаемого листа. В качестве материала катода используется вольфрам марок ЭВЛ и ЭВИ, запаянный в катодном узле. Наибольшее распространение получили плазмотроны для воз­душно-плазменной резки. В этих плазмотронах применяют термохимические катоды из гафния или циркония. Одним из первых таких плазмотронов является плазмотрон ВПР-6, которым укомплектовывались установки плаз­менной резки АВПР-1. Плазмотрон состоит из катодного и соплового узлов, собранных с помощью накидных гаек и герметизи­рующих прокладок на диэлектрическом корпусе. Электродная оп­равка и сопло выполняются из меди М1. В качестве катодной вставки используется пруток из циркония. Плазмотрон обладает системой тангенциальной подачи плазмообразующего газа (воз­духа). Охлаждение плазмотрона водяное. Конструкция плазмотронов при использовании кислородосо­держащих сред требует вихревой стабилизации дуги. Процесс резки вызывает повышенный износ и эрозию электродов, а также низкую стабильность зажигания дуги. Плазмотрон ПВР-202 предназначен для ручной воздушно-плазменной резки сталей толщиной до 40 мм, алюминия и его сплавов – до 20 мм, меди и ее сплавов – до 25 мм и применяется в установках серии УПР, а также УПРП-201. Сопло плазмотрона и электродная оправка изготовлены из меди М1, а катодная вставка из циркония. Электрододержатель имеет на боковой поверхности трехзаходную прямоугольную резьбу, которая служит для танген­циальной закрутки плазмообразующего воздуха и шесть отверстий для выхода охлаждающего и плазмообразующего воздуха. Пласт­массовая втулка служит для установки и изоляции сопла и распре­деления воздуха на два потока: плазмообразующий и охлаждаю­щий. Плазмотрон ПВР-402 предназначен для механизированной воздушно-плазменной резки сталей и чугуна толщиной до 130 мм, алюминия и его сплавов – до 160 мм, меди и ее сплавов – до 100 мм. Выпускается для комплектации установок серии АПР и может быть установлен на машинах для термической резки типа «Кристалл» и «Гранат». Для комплектации установок УПВР «Киев», УПЛ‑1 разрабо­тан плазмотрон РПМ‑1. Он предназначен для воздушно-плазменной резки сталей и чугуна толщиной до 80 мм, алюминия и его сплавов – до 60 мм. Охлаждение плазмотрона водяное. Сопло­вая крышка, сопло, электродная оправка и завихритель изготов­лены из меди М3, катодная вставка из циркония, трубка подвода воды из латуни ЛС 59‑1. Для комплектации установки Киев-4 предназначены плазмо­троны ВПР-9А и ВПР-11М, которые используются соответственно для автоматической и механизированной воздушно-плазменной резки черных и цветных металлов толщиной до 80 мм. Охлаждение плазмотронов водяное. Сопловой узел и элек­тродная оправка изготовлены из меди М3, катодная вставка – из циркония. Катодный узел представляет собой полую конструкцию из латуни. В верхней части расположены штуцеры питания водой и сжатым воздухом. В средней части катодного узла расположены два яруса системы тангенциальной стабилизации дуги. Унифицированный плазмотрон ВПР-15 выпускается для ком­плектации установок воздушно-плазменной резки серии «Киев»: «Киев-4М», «Киев-5» и «Киев-6». Он позволяет вести резку ста­лей толщиной до 90 мм, алюминия – до 80 мм, меди – до 60 мм. Плазмотрон ВПР -15 состоит из режущего блока и распределителя, которые соединяются между собой с помощью резьбового соединения. Электродная оправка и сопло изготавливают из меди М1, крышка – из латуни ЛК 59-1, катодную вставку – из циркония. В корпус распределителя подводятся: провод дежурной дуги; ру­кава подачи воды с силовым проводом внутри и воздуха, рукав слива воды. Для комплектации инвер­торной установки ДС-90П предназначен плазмотрон ТТ‑92. Он используется для воздушно-плазменной резки сталей и цветных метал­лов толщиной до 15 мм. Сопло и электродная оправка плазмо­трона изготавливаются из меди М1, цанговый зажим из латуни Л59-1, катодная вставка из циркония, завихритель из не­ржавеющей стали; наконечник из керамики. Электрод имеет две катодные вставки с обоих торцов. Охлаждение плазмо­трона воздушное. Для воздушно-плазменной резки сталей толщиной до 160 мм предназначен плазмо­трон ПВ-47 с полым катодом. Интенсивная направленность потока плазмы обеспечивает хорошее качество реза. Плазмотрон ПВ-47 имеет увеличенный ресурс работы по сравнению с плазмотронами с циркониевыми и гафниевыми катодами. Разработана также конструкция плазмотрона РПТ–1, имею­щего полый электрод-катод с гафниевыми вставками по окружно­сти внутренней стенки. Плазмотрон имеет газовихревую стабилизацию дуги и предназна­чен для резки сталей толщиной до 150 мм, меди и ее сплавов до 80 мм. Для водоэлектрической резки разработан плазмотрон, кото­рый имеет механизм непрерывной подачи электрода в процессе работы. Таким плазмотроном укомплектована установка УПР-401. Лекция 9 Оборудование для плазменной резки Плазменно-дуговая резка может производиться вручную, с помощью переносных и стационарных машин, обеспечивающих необходимую скорость перемещения плазменного резака. Уста­новки для плазменной резки состоят из источника питания с аппа­ратурой управления процессом резки и плазмотрона. Плазмотрон может быть установлен на машинах для тепловой резки, трубоот­резных станках и на любом механизме, обеспечивающем равно­мерное перемещение плазмотрона с заданной скоростью. Аппаратура для плазменно-дуговой резки изготавливается по ГОСТ 12221-74. Типы установок имеют следующие обозначения: Плр - для ручной резки; Плм - для машинной резки; Плмт - для машинной точной резки; Плрм - для ручной и машинной резки. Для ручной плазменно-дуговой резки ВНИИАвтогенмаш раз­работана универсальная аппаратура «Плазморез» типа Плр, со­стоящая из трех комплектов КДП‑1; КДП‑2 и КДП‑3. Комплект КДП-1 предназначен для резки алюминия толщиной до 80 мм, нержавеющих сталей – до 60 мм, меди – до 40 мм. Плаз­мообразующая среда - Ar, N2 и H2. Охлаждение плазмотрона РДП-1 водяное. Комплект КДП-2 применяется для резки Al толщиной до 50 мм, нержавеющих сталей до 40 мм и Cu до 25 мм и исполь­зуется на монтаже на открытом воздухе, так как плазмотрон РДП‑2 имеет воздушное охлаждение. Комплект КДП-3 применяется для воздушно-плазменной резки Al толщиной до 30 мм, нержавеющих сталей до 25 мм, Cu до 15 мм. Источником питания для всех трех комплектов служат выпрямители ВДГ-501 (2 шт.), включенные последовательно. Установка КПМ-1 предназначена для ручной плазменной резки сталей толщиной до 40 мм, алюминия – до 50 мм, меди – до 20 мм в плазмообразующей среде Ar, N2 и Н2. Она состоит из плазменного резака РДП‑2, выпрямителя ВКС-500, двух балласт­ных реостатов РБ-300 и компрессора. Для ручной воздушно-плазменной резки сталей и цветных ме­таллов толщиной до 50 мм выпускаются установки УПР-201, УПР‑202 и УПР-203. Установки УПР-201 и УПР-203 комплекту­ются плазмотронами ПМР-201, ПРВ-202 и источником питания ВПР-203. Установка УПР-202 имеет в комплекте также плазмо­трон ПРВ-401. Для плазменной резки сталей и чугуна толщиной до 60 мм, меди до 30 мм в монтажных условиях выпускалась установка «Вихрь». В комплект установки входит источник питания ВКС‑500 и плазмотрон Т-15. Для вырезки круглых заготовок из стали толщиной до 70 мм, алюминия – до 80 мм, меди – до 60 мм выпускается установка воз­душно-плазменной резки УПЛ-1. Радиус резки от 450 до 1000 мм. Она комплектуется тремя источниками питания ПСО-500, плазмо­тронами ПРВ-1 и РПМ-1. Для водоэлектрической резки Al и его сплавов и нержавею­щих сталей толщиной до 70 мм разработана установка УПР-401. В комплект установки входит источник питания ВПР-401 и плазмо­трон с графитовым электродом. Для машинной воздушно-плазменной резки сталей толщиной до 100 мм, Al – до 100 мм, Cu – до 70 мм предназначены установки УПР-502 и УПР-503, укомплектованные источником питания ИПГ-500 и плазмотроном Т-12-1, шкафом управления и прямо­угольно-координатной машиной СГУ-60-1 с магнитным копирова­нием. Выпускались также установки УПР-601, УПР‑602 и УПР‑1002 для ручной резки в среде аргоноводородной и азотоводородной смеси сталей толщиной до 100 мм и алюминия и его сплавов до 160 мм. Они комплектовались соответственно выпрямителями ВПР‑601 и ВПР-602 и плазмотроном ГПР-601, а установка УПР‑1002 двумя выпрямителями ВПР-602 и плазмотроном ПГР‑1000. Серийно выпускалась установка для ручной плазменной резки УГЭР-300. Она предназначена для резки нержавеющих сталей и цветных металлов толщиной до 30 мм. В комплект установки вхо­дят источник питания ИПГ-300, блок подачи рабочих газов, блок управления и плазмотрон Т-14. Рабочие газы Ar и Ar + N2. Охлаж­дение плазмотрона воздушное. Для механизированной резки металлов толщиной до 150 мм выпускается установка УГЭР-500. В комплект установки входит источник питания ИПГ-500, шкаф управления, плазмотрон Т-18 и газорезательная машина СГУ-60-1. Рабочие газы смеси Ar + N2 и Ar + H2. Охлаждение плазмотрона водяное. Для ручной и механизированной резки нержавеющих сталей, латуни и сплавов алюминия в среде азота, а также смеси аргона с водородом предназначена установка ОПР‑6. В комплект установки входит источник питания ИПР‑120/600 или ИПГ‑500, шкаф управ­ления, два плазмотрона для ручной и механизированной резки, выносной пульт управления. Установка АПР-402 предназначена для механизированной воздушно-плазменной резки сталей, чугуна и алюминия толщиной до 130 мм, а также меди и ее сплавов – до 100 мм. В комплект ус­тановки входит выпрямитель ВПР‑402 и плазмотрон ПВР‑402. Установки АПР-401 и АПР-403 аналогичны АПР-402 и отли­чаются только в размещении элементов схемы управления в кор­пусе источника питания. Они предназначены для механизирован­ной и автоматической резки черных и цветных металлов. Макси­мальная разрезаемая толщина стали 80 мм при механизированной резке и до 100 мм – при автоматической. Установки комплекту­ются выпрямителем ВПР-402М и плазмотронами ПРВ-401 и ПВР‑402. Выпускается также установка АПР‑404 для комплекта­ции машин воздушно-плазменной резки с программным управле­нием. Она может комплектоваться плазмотронами ПМР‑403 или ПВР‑402. Установка УПРД-67 изготавли­валась Одесским заводом «Автоген­маш». Она предназначена для ручной и механизированной резки цветных металлов и нержавеющих сталей в смеси Ar+H2 и Ar+N2. Толщина раз­резаемого металла: алюминия – до 80 мм, меди – до 30 мм, нержавеющих сталей – до 60 мм. В комплект уста­новки входили два источника пита­ния ПСО‑500, включенные последо­вательно, шкаф управления, плазмо­троны для ручной и машинной резки. Охлаждение плазмотронов водяное. Для ручной и механизированной воздушно-плазменной резки заводом «Автогенмаш» производились установки АВПР-1, АВПР‑2 и АВПР «Киев». В комплект установок входят три транс­форматора СТШ-500, шкаф управления, плазмотроны ВПР-6, ВПР-9 и РПМ-1 соответственно. Установки применялись для резки сталей и алюминия толщиной до 50 мм, меди – до 25 мм. Разработана также установка АВПР-3 для микро­плазменной резки с вихревой стабилизацией дуги. Она комплекту­ется источником питания ВД-303, имеет шкаф управления и руч­ную горелку. Применяется электрод с циркониевой вставкой, в качестве плазмообразующего газа – воздух. Диаметр сопла го­релки 0,8 – 1,4  мм. Этим же заводом выпускалась серия установок «Киев» для ручной и механизированной воздушно-плазменной резки сталей и сплавов алюминия и меди толщиной до 90 мм. Установка «Киев» комплектовалась плазмотроном ВПР-7 с водяным охлаждением и тремя трансформаторами СТШ-500, включаемыми последовательно. Дальнейшие модификации уста­новок серии «Киев» отличались маркой плазмотронов и источни­ками питания (см. табл. 43). В настоящее время Чебок­сарским НПП «Технотрон» вы­пускается инверторная воз­душно-плазменная установка ДС‑90П, применяемая для резки сталей и цветных метал­лов толщиной до 15 мм. В ком­плект установки входит источ­ник питания и плазмотрон ТТ‑92. Масса установки всего 32 кг. Для механизированной резки выпускают переносные плазмо­резательные машины нескольких модификаций. Машина ППД‑1‑65 разработана ВНИИАвтогенмаш. Она позволяет вести прямоли­нейную резку по направляющему уголку и по окружности с помощью циркульного устройства. Машина комплектуется плазмотроном ПМР-74, ходовой тележкой, источником питания ВКС-500, шкафом управления. Охлаждение плазмотрона водяное. Барнаульским аппаратурно-механическим заводом выпуска­ются переносные машины ПРП-1, ПРП-2, ПВП-1 и ПВП-В. Ма­шины ПРП-1 и ПРП-2 предназначены для ручной и машинной плазменной резки алюминия толщиной до 120 мм. В комплект машин входят тележка, ручной и машинный плазмотроны, пульт управления и три преобразователя ПСО-500. При ручной резке используют плазмообразующие смеси Ar+N2 и Ar+H2. Для машин­ной резки используют плазмотрон ПМР-74, при этом в качестве плазмообразующей среды могут использоваться как Ar, N2, H2, так и воздух. Машина ПВП-1 предназначена для воздушно-плазменной резки алюминия толщиной до 60 мм. Комплектация ее аналогична с ПРП-2 за исключением источников питания – трех преобразова­телей ПД-501. Машину ПВП-В используют для ручной и машин­ной воздушно-плазменной резки сталей толщиной до 25 мм. Она может выполнять прямолинейную резку по направляющему уголку, вырезку фланцев и дисков с помощью циркульного уст­ройства, а также вырезку деталей любой конфигурации в ручном режиме. Комплектуется тремя преобразователями ПД-305, тележ­кой с суппортом, циркульным устройством, ручным и машинными резаками ПРВ-101 и ПМР-74. Для полуавтоматической воздушно-плазменной резки черных металлов толщиной до 40 мм, алюминия – до 30 мм, меди – до 20 мм в настоящее время выпускается передвижная установка УПО‑201. Она состоит из выпрямителя ВПР-203 с встроенной ап­паратурой управления и плазмотрона ПРВ-401 с водяным охлаж­дением. Кроме переносных машин выпускаются также стационарные машины для воздушно-плазменной резки. Основные изготовители этих машин – Одесский завод «Автогенмаш», Кироваканский завод ав­тогенного машиностроения, Степанованский завод высокочастот­ного оборудования, НПО «Ритм». Одной из первых разработана шарнирная машина АСШ-4 с магнитным копированием. В качестве источника питания исполь­зовались два преобразователя ПСО-500 со шкафом управления и плазмотроном от установки УПРД-67. В дальнейшем были разработаны более совершенные стацио­нарные машины, у которых управление технологическими коман­дами автоматизированное, стабилизация расстояния между разре­заемым листом и плазмотроном в процессе резки – автоматиче­ская. Все эти машины предназначены для прямолинейной и фи­гурной резки. Наиболее часто используются машины следующих марок. Машина Упл1.6/2Ф – портально-консольного типа с фотокопирова­нием для резки стали толщиной до 50 мм, алюминия – до 60 мм. Состоит из портала, ко­пира, направляю­щего рельса, суппорта с плазмотроном ПРМ-1, хобота, пульта управле­ния, источника питания ВПР-403. Машина ППлЦ3.5-6 – портального типа. Предназначена для воздушно-плазменной резки сталей и алюминия толщиной до 100 мм, меди – до 80 мм. Состоит из портала, рельсового пути, суппорта, плазмотрона ПВР‑402, установки АПР‑403, пульта управления. Система управ­ления движением плазмотрона по контуру программная с цифро­вым вводом информации. Машина ППлФ2.5-6 - также портального типа, но с фотоэлек­тронной системой копирования. Комплектация анало­гична машине ППлЦ3.5-6. Машина ПкПЛ2-6Ф (Юг-2.5Пл6) – портально-консольного типа с фотоэлектронной системой управления. Состоит из рамы, фотокопировального стола, двух плазмотронов ПМР-74, рельсо­вого пути, пульта управления и двух установок АПР‑403 или АПР‑404. Машина ППлЛ2.5-10-10 («Днепр») – портального типа пред­назначена для линейной резки листов без скоса кромок. Состоит из портала, рельсового пути, пульта управления и двух установок АПР-403 или АПР-404 с двумя плазмотронами ПВР-402 и ПМР‑74. Толщина стали при воздушно-плазменной резке – 50 мм, алюминия – 60 мм; при аргонодуговой резке стали – 120 мм, алюминия – 160 мм. Машины «Кристалл ТПл-2.5» и «Кристалл ТПл-3.2» – пор­тального типа с про­граммным управлением с цифровым вводом информации. Состоят из портала, рельсового пути, пульта управления и установки АПР-404 с плазмотроном ПВР-402. Машина «Гранат ППлКЦ-2.5» аналогична по конструкции и комплектации машинам портального типа «Кристалл», и отлича­ется только устройством пульта управления . За рубежом производством машин для резки занимаются мно­гие фирмы Швеции, Германии, Швейцарии, Японии и США. Машины, поставляемые зарубежными фирмами, обычно яв­ляются универсальными и могут использоваться как в кислород­ном, так и в плазменном вариантах. Шведской фирмой PuLLmax поставляется комбинированная машина PuLLmatuk 3015R, которая предназначена для плазменной резки листов размером 20501150 мм, толщиной от 3 до 20 мм. Плазмообразующий газ – воздух или аргон с водородом. Отличи­тельной особенностью машины является наличие координатного стола, за счет которого обеспечивается получение заданного кон­тура резки при неподвижном плазмотроне. Шведской фирмой ESAB выпускается целая серия современ­ных универсальных машин. Это машины с фотокопировальным устройством серии Ultrarex: Ultrarex UXC; Ultrarex UXD‑P; Ultrarex UXE‑CD и серии Combirex: Combirex CXB; Combirex CXC‑P; Combirex CXD‑P; Combirex CXE‑P. На них могут устанавливаться до шести плазменных резаков, обеспечивающих скорость резки до 12 ‑ 20 м/мин на листах размером от 1250 до 4500 мм и толщиной до 150 мм. Для плазменной либо лазерной резки эта фирма выпускает ус­тановки Megarex MXA и Alpharex AXB . Они предназначены для резки сталей и алюминия небольших толщин (до 25 мм) со скоростью до 20 м/мин. Немецкая фирма Messer Grisheim изготавливает большую но­менклатуру переносных и стационарных машин, причем послед­ние – шарнирного, портально-консольного и портального типов. Для резки труб фирмой поставляется система машин модели «Tubosex». Компьютерное управление обеспечивает вырезку лю­бых трубных соединений, в том числе и в «ус». Современным требованиям отвечают и машины Omnimat, Statosex, Sicomat. Конструкции этих машин пор­тального типа рассчитаны на большую величину рабочей зоны – от 9 до 20 м. Управление машинами может быть фотоэлектронным, числовым от перфоленты либо компьютерным. Машины обеспечивают как сухую, так и водно-плазменную резку. Технологические особенности плазменной резки различных металлов Процессы тепловой резки сопровождаются выплавлением ме­талла из полости реза. В связи с быстрым перемещением точеч­ного источника нагрева относительно поверхности разрезаемого металла наблюдается большой перепад температур на сравни­тельно узком участке, прилегающем к поверхности реза. В резуль­тате в кромках металла, т.е. в зоне термического влияния (ЗТВ), происходят металлургические процессы, сопровождающиеся из­менением химического состава, структурных составляющих и ме­ханических свойств. Зона термического влияния состоит из двух участков: внешнего литого и примыкающего к нему внутреннего, представляющего собой характерную структуру металла для зоны перегрева с различным ростом зерна по мере уменьшения температуры нагрева в направлении основного металла. Протя­женность зоны термического влияния в зависимости от толщины разрезаемого металла находится в пределах от 0,1 до 2 мм для стали и от 0,2 до 3 мм для алюминиевых сплавов и меди. Доля ли­того участка составляет обычно 20 - 30 % от протяженности ЗТВ. Далее в низкоуглеродистых сталях следует участок укрупненного зерна, затем участки полной и неполной перекристаллизации и ис­ходная структура. Участок укрупненного зерна наблюдается также в алюминиевых сплавах и нержавеющих сталях. Однако в аусте­нитных нержавеющих сталях его протяженность ограничена и со­ставляет всего 5 – 30 %, остальная часть ЗТВ - литой слой. При резке Cu в литом слое могут образовываться шлаковые включения, рыхлоты, оксиды меди. Попадая в сварной шов, они снижают пла­стичность и прочность металла. При резке алюминия на поверхно­сти образуется окисленный слой литого металла. В этом слое мо­гут быть оксиды, микроскопические раковины, рыхлоты. Поверх­ностный слой отличается большой гигроскопичностью, что спо­собствует загрязнению кромок и образованию в сварных швах ок­сидных пленок и микропористости. Поэтому при изготовлении ответственных конструкций из меди и алюминиевых сплавов кромки деталей под сварку необхо­димо обрабатывать механическим способом на глубину до 1,5 мм. При определенных условиях плазменной резки, обеспечивающих минимальную глубину литого слоя, можно получить кромки реза, свободные от перечисленных выше дефектов. В этом случае меха­ническая обработка кромок перед сваркой не требуется. Вследствие больших скоростей нагрева и охлаждения при плазменной резке, достигающих вблизи кромки реза 2 000 С/с, и науглероживания поверхности кромки образуется неравновесная напряженная мартенситная структура с высокой микротвердостью, возникновение которой может привести к образованию микронад­рывов и трещин в поверхностном литом слое. С уменьшением ско­рости охлаждения кромок реза, количество этих дефектов снижа­ется и на механические свойства металла кромок она не оказывает влияния. В литом слое под воздействием плазмы происходит изменение химического состава элементов, входящих в основной металл. Так при воздушно-плазменной и кислородной резке сталей имеет ме­сто выгорание железа, марганца, кремния и обогащения кромок никелем и медью, что объясняется меньшим сродством этих эле­ментов к кислороду. Для уменьшения потерь легирующих элемен­тов, что очень важно для специальных сталей и сплавов, необхо­димо уменьшение окислительного потенциала плазмообразующей среды, например добавлять к воздуху газообразные углеводород­ные смеси, например пропан - бутан и другие восстановители. Недостатком некоторых плазменных способов резки является то, что при сварке вырезанных деталей в швах образуются поры. Особенно велика пористость швов, выполненных воздушно-плаз­менным способом на сталях относительно малой толщины (5 ‑ 14 мм). Причем с уменьшением толщины количество пор в швах уве­личивается. Причиной образования пор является газонасыщение литого слоя кромок при резке. Наибольшую опасность для сварных соединений, выполнен­ных по кромкам плазменного реза, представляет насыщение азо­том. При плазменной резке N2 может попадать в кромки реза двумя путями – из плазмообразующей среды и из окружающей атмо­сферы за счет инжекции в столб плазменной дуги атмосферного воздуха. В зоне дугового разряда происходят диссоциация и иони­зация N2. В присутствии кислорода его способность проникать в металл в условиях электродугового процесса увеличивается, при этом азот может окисляться по реакции . Соединение NO при понижении температуры или окисляется до NO2 или распадается вновь по реакции . Атомарный азот в момент выделения может растворяться в жидком металле. В присутствии кислорода в атмосфере дуги азот сильнее растворяется в металле кромок. Кроме того, возрастание электрического потенциала в анодном пятне также способствует насыщению и даже перенасыщению кромок реза азотом. Азот в поверхностном слое кромки находится в виде перена­сыщенного раствора. Интенсивный отвод тепла от поверхностного слоя плазменного реза, создавая кратковременное воздействие азота на металл и способствуя его «заклиниванию», исключает об­ратный процесс – десорбцию азота. Кратковременным воздейст­вием азота на кромку реза объясняется также незначительная глу­бина его проникновения (примерно 0,025 ‑ 0,030 мм). Для уменьшения насыщения азотом кромок реза добавляют водород в состав плазмообразующего газа или используют для его получения разложение воды в столбе плазменной дуги. При при­менении кислородной плазмы также происходит снижение насы­щения кромок азотом из-за «смыв-процесса», а также из-за того, что кислород образует на поверхности жидкого металла шлаковую пленку, которая уменьшает скорость поглощения азота. Для полного исключения вредного влияния литого газонасыщен­ного поверхностного слоя, образующегося при плазменной резке, рекомендуется перед сваркой механически обработать кромки. Все параметры технологического процесса плазменной резки, т.е. точность, производительность и экономичность, связаны со свойствами и толщиной разрезаемого металла, а также с видом плазмообразующей среды. Требования к точности и качеству по­верхности реза регламентирует ГОСТ 14792-80. Оп­тимальные параметры режима резки можно выбрать, исходя из баланса тепловой мощности, идущей на выплавление и испарение металла в объеме, равном объему образующейся полости реза в единицу времени: где п ‑ коэффициент полезного использования мощности дуги; Vр ‑ максимальная скорость резки, см/с; bср ‑ средняя ширина по­лости реза, см;  ‑ толщина разрезаемого металла, см; S ‑ количество тепла, затраченного на единицу массы удаленного из полости реза металла, Дж/г;  ‑ плотность металла, г/см3. Точное определение значений п и S подсчитать довольно трудно. Величина п зависит от коэффициента теплопроводности разрезаемого металла . Чем выше , тем большая доля мощности дуги бесполезно расходуется на нагрев кромок разрезаемого ме­талла и, следовательно, тем ниже п. Чем выше мощность дуги до определенных пределов, тем выше п. Коэффициент п прямо про­порционален скорости резки. При расчетах величина п принима­ется равной приблизительно 0,4 [5]. Величина S рассчитывается по формуле , где Ср1, Ср2 ‑ средняя удельная теплоемкость металла в диапазонах температур Тпл-То и Ткип-Тпл, Дж/(гК); То, Тпл, Ткип ‑ соответственно начальная температура металла, температура его плавления и ки­пения, К; qпл, qкип ‑ скрытая теплота плавления и кипения металла, Дж/г; k ‑ доля испаренного металла в общей массе металла, удаленного из полости реза. В расчетах величину k принимают в пределах 0,05 – 0,1. Скрытая теплота кипения металла определяется по формуле где А – атомная масса металла. Важнейшим параметром режима резки является скорость. Она определяется по формуле Коэффициент теплопередачи от дуги к металлу при одинаковых параметрах дуги и толщине листа не зависит от природы разрезаемого металла. Определив скорость резки одного металла в заданном диапазоне толщин, можно рассчитать скорости резки любых металлов, для которых известны их теплофизические константы, из следующего равенства Процесс резки листа может начинаться или с кромки, или с середины листа. Резка с середины листа, в свою очередь, может производиться с кромки предварительно просверленного отверстия (при больших толщинах металла) или после пробивки металла непосредственно плазменной дугой (при малых и средних толщинах металла), что предпочтительнее. Пробивка металла плазменной дугой является наиболее сложной операцией плазменной резки. Капли расплавленного металла в момент пробивки выдуваются режущей струей из кратера, образующегося в листе, и загрязняют наружную поверхность сопла. Иногда они могут создать сплошной мостик между соплом и разрезаемым листом, что приводит к образованию двойной дуги. Для предотвращения этого явления резак в момент пробивки должен быть поднят над листом на 20 – 25 мм. В то же время для надежного соприкосновения с листом факела плазменной дуги резак должен быть удален от листа перед началом резки на 10 – 12 мм. Поэтому в начальный момент резки резак опускают, а после возникновения прямой дуги приподнимают. В рабочее положение его вновь опускают после того, как металл будет пробит струей плазмы насквозь. Продолжительность пробивки не следует делать слишком долгой, так как отверстие может стать настолько большим, что для обеспечения контакта между металлом и столбом плазменной дуги, последний может сильно искривиться. Это приводит к соприкосновению столба дуги со стенкой сопла, в результате чего происходит либо срабатывание автоматической защиты сопла, либо оплавление его стенок, либо отрыв дуги. Пробивка листов толщиной свыше 30 мм при резке на стационарных машинах должна производиться при движении машины. Это улучшает условия пробивки, так как выплавляемая масса металла выбрасывается в сторону, противоположную направлению движения. Для успешной пробивки таким способом необходимо выполнить несколько основных условий: • мощность дуги должна обеспечивать надежное прорезание металла данной толщины; • должно происходить плавное нарастание тока дуги и подачи плазмообразующего газа; • перемещение резака производить со скоростью в 1,5 ‑ 2 раза меньше рабочей. Плазменная резка низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных сталей выполняется в среде воздуха, воздуха с водой, кислорода с водой. Плазменную резку коррозионно-стойких, жаростойких и плакированных сталей толщиной до 20 мм рекомендуется выполнять в среде азота. При толщине от 20 – 50 мм используют также смеси аргона с водородом или азота с водородом. Возможна также плазменная резка этих сталей в среде воздуха с водой. Плазменную резку Al и его сплавов толщиной до 20 мм следует выполнять в среде аргона с водородом. При ручной резке содержание Н2 в смеси до 35 %. При машинной резке, особенно при резке металла больших толщин (80 ‑ 100 мм), следует увеличить содержание водорода в смеси до 60 ‑ 80 %. Плазменную резку алюминия и его сплавов можно выполнять также в среде воздуха, воздуха с водой и кислорода с водой. Медь и медные сплавы характеризуются высокой теплопроводностью, поэтому при их резке мощность дуги должна быть больше, чем при резке сталей. В качестве плазмообразующей среды применяют аргоноводородную смесь, азот или воздух. При резке меди и ее сплавов малых и средних толщин предпочтительнее использовать воздух с водой. Для разделки сталей и сплавов алюминия толщиной 1 ‑ 10 мм, титана – до 5 мм, меди – до 3 мм, а также неметаллических материалов находит применение микроплазменная резка. Резка производится плазменной дугой прямого действия малой мощности (Jсв до 100 А, Uд до 220 В). Такая дуга имеет форму острой иглы. При резке неметаллических материалов применяется дуга косвенного действия. В процессе резки необходимо следить за состоянием сопел и электродов. При увеличении каналов сопел или изменении формы этих каналов сопла необходимо заменить. Электрод следует заменить, когда его стержень укоротится на 2,5 – 3,0 мм. Для уменьшения или полного устранения появления скоса кромки плазменная резка по кругу должна производиться по часовой стрелке, т.е. таким образом, чтобы деталь по отношению к линии реза находилась с правой стороны. Вырезать отверстия в деталях следует против часовой стрелки. В первую очередь следует вырезать отверстия. Вырезку деталей начинать от одной из кромок листа, последовательно переходя от одной детали к другой, в направлении к противоположной кромке. Узкие и длинные детали (L  6b, где L – длина, а b – ширина детали) надо располагать вдоль продольной кромки листа, более длинные – ближе к кромке, от которой начинается резка, а более короткие – ближе к середине листа и к противоположной кромке. Вырезку следует начинать с узких и длинных деталей, расположенных у кромки. Детали, имеющие одну кромку с вырезами, необходимо располагать этой кромкой в сторону от листа, с которого начинается вырезка деталей. Начало и направление реза каждой детали должны быть такими, чтобы кромка, соединяющая деталь с основной массой листа, обрезалась в последнюю очередь. Вырезку на стационарных машинах листовых деталей свыше 5 м, шириной свыше 0,8 м следует производить с угла, начиная с длинной кромки. Если одна деталь занимает большую часть листа, то вырезку необходимо начинать с этой детали. При кислородной вырезке полос толщиной до 12 мм необходимо оставлять перемычки через 800 мм для ширины до 100 мм, через 1200 мм для ширины 101 ‑ 200 мм, через 1800 мм для ширины 201 ‑ 300 мм, через 2500 мм для ширины свыше 300 мм. При плазменной резке расстояние между перемычками должно быть увеличено в 1,5 раза, длина перемычки должна быть не менее 15 мм. Перемычки необходимо оставлять на обеих продольных кромках таким образом, чтобы они лежали на одной прямой, перпендикулярной к длинным кромкам листа (детали). При вырезке деталей толщиной более 12 мм перемычки не оставляют. При наличии соответствующего оборудования рекомендуется длинные и узкие полосы вырезать одновременно двумя или большим количеством резаков. Детали средних размеров (2b < L < 4b) вырезаются во вторую очередь, после вырезки длинных и узких полос, при этом оставляются перемычки. Плазменная резка применяется в качестве разделительной, к которой не предъявляется требований обеспечения необходимого для детали качества поверхности реза. Основными препятствиями к использованию плазменной резки для вырезки толстолистовых деталей являются сложность пробивки металла большой толщины в любом месте поверхности листа и трудности обеспечения требуемого качества поверхности реза. Для обеспечения хорошего качества кромок деталей, вырезаемых плазменной резкой из листов больших толщин (100 мм и более), требуются повышение мощности дуги и увеличение расхода плазмообразующего газа в два – три раза. Использование больших потоков газа уменьшает образование грата и улучшает качество реза.