Плазму получают пропусканием газовой струи через дуговой разряд, возбуждаемый между двумя электродами. Дуга горит в замкнутом цилиндрическом канале, стенки которого подвергаются интенсивному охлаждению. Охлаждение наружной поверхности столба дуги вызывает его концентрацию, вследствие чего температура столба дуги резко повышается. Плазмообразующий газ, проходящий через межэлектродное пространство, приобретает высокий запас энергии, которую используют для нагрева в процессе наплавки.

Для плазмы характерна определенная степень ионизации газа, которая, в свою очередь, зависит от температуры и потенциала ионизации. Степенью ионизации газа называется отношение числа образовавшихся заряженных частиц к общему количеству нейтральных частиц в данном объеме газа до ионизации.

Так как выделить плазму в чистом виде весьма трудно, то для технических целей используют дуговой разряд, обогащенный плазмой, т.е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами содержатся и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется низкотемпературной плазмой. В качестве плазмообразующих газов самостоятельно могут быть использованы аргон, азот, гелий, аммиак. Водород и кислород можно применять в смеси с аргоном, азотом. Применение одного водорода невозможно из-за его высокой теплопроводности, что приводит к быстрому нагреву и разрушению сопла. В кислороде из-за быстрого сгорания вольфрамового электрода трудно обеспечить длительную работу катода плазмотрона.

Различные газы и газовые смеси обладают разными физико-химическими свойствами, целесообразность использования которых определяется видом плазменной обработки металлов и степенью воздействия на вольфрамовый электрод. Наилучшим газом, защищающим раскаленный вольфрамовый электрод от окисления, является химически инертный аргон.

Газ в состоянии плазмы находится в термодинамическом равновесии и в целом электрически нейтрален, так как ионизация не создает избытка в зарядах того или иного знака, и отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ионов. Важное значение имеет энергетическое саморегулирование дугового разряда. Это свойство заключается в том, что потери энергии в окружающую среду компенсируются притоком свежей энергии от источника тока. Плазма приобретает новые свойства по сравнению с обычными газами. Высокая концентрация электронов делает ее электропроводной, причем электропроводность плазмы достигает величины электропроводности металлов. Из-за большой насыщенности заряженными магнитными частицами плазма поддается действию магнитных полей. В настоящее время основным методом получения плазмы для технологических целей является метод пропускания газовой струи через пламя сжатой электрической дуги, расположенной в узком медном канале.

В современной сварочной технике применяют три схемы получения плазмы.

Первая соответствует схеме сжатой дуги прямого действия, когда анодом служит обрабатываемый материал. Вторая – сжатая дуга косвенного действия возникает между вольфрамовым электродом и внутренним соплом плазмотрона, из которого вытекает в виде плазменной струи. Дуга косвенного действия (плазменная струя) электрически не связана с обрабатываемым металлом.

Для нашего способа восстановления деталей наибольшее распространение получила третья схема с комбинированным подключением плазмотрона к источнику питания. В этом случае между вольфрамовым электродом и соплом анода зажигается вспомогательная сжатая дуга косвенного действия, обладающая электропроводностью и образующая при соприкосновении с токоведущей обрабатываемой деталью сжатую дугу прямого действия.

В обычных условиях при прямой полярности столб дуги между неплавящимся вольфрамовым электродом и деталью в атмосфере защитного газа имеет вид конуса, размеры которого зависят от силы тока и напряжения. Так как с увеличением силы тока и напряжения столб такой дуги имеет возможность расширяться, то значительного изменения температуры и степени ионизации газа не наблюдается. Если каким-либо образом воспрепятствовать электрической дуге занять естественный объем и принудительно сжать ее, оставив в то же время сварочный ток постоянным, то и количество электронов, проходящих по сечению столба дуги, не изменится, а количество упругих и неупругих соударений увеличится, т.е. повысится степень ионизации, возрастут плотность и напряжение дуги, что вызовет значительное повышение температуры. Таким образом, наличие у плазменных горелок стабилизирующего водоохлаждаемого сопла является основным отличием от обычных горелок. Несмотря на высокую температуру плазменной струи, горелки работают довольно устойчиво. Сжатая дуга косвенного действия может иметь различную длину. Внутри сопла она сжата, однако при выходе за его пределы начинает постепенно расширяться до размеров, равных свободной дуге. При этом расширение происходит тем быстрее, чем сильнее сжат разряд и чем меньше расход газа.

Оборудование для плазменной наплавки распределительных валов. В настоящее время серийно выпускают установки для плазменного напыления (УМП-5, УМП-6, УПУ-3, УПУ-5), плазменной сварки и плазменной наплавки (УПН-303, УПН-602). Сварочные плазменные установки также можно применять для наплавки. Монтажная схема установки состоит:

— источник питания;  — вращатель;  — наплавляемая деталь;  — порошковый питатель;  — плазмотрон;  — пульт управления;  — баллоны с газом;  — балластный реостат;  — дроссель.

Стабильность наплавки порошковыми материалами в первую очередь зависят от надёжности работы плазмотрона и порошкового питателя.

Плазмотроны. Для наплавки порошковыми сплавами и наплавочными проволоками наибольшее распространение получили плазмотроны постоянного тока прямой полярности. Несмотря на большое разнообразие конструкций плазмотронов, принцип их действия и устройство примерно одинаковы. Принцип действия основан на сжатии водоохлаждаемым соплом и проходящим через него газом. Плазмотрон состоит из водоохлаждаемых катода и анода, отдельных друг от друга изолятором, изготовленным чаще всего из текстолита. В катоде крепится вольфрамовый неплавящийся электрод, в аноде предусмотрены каналы для формирования плазменной дуги, подачи газов, наплавочного порошка.

Конструкции плазмотронов должны обеспечивать выполнение следующих требований:

• надёжность защиты сварочной ванны от вредного воздействия окружающего воздуха при минимальном расходе газа;
• стабильность работы плазмотронов в отношении поддержания постоянных заданных параметров сжатой дуги;
• большой срок службы при непрерывной работе;
• свободное прохождение порошка различной формы в зону наплавки через выполненные в плазмотроне каналы;

— достаточное и надёжное охлаждение участков плазмотрона, подверженных высокой наплавкой нагрузке.

Научно-исследовательскими институтами создан ряд плазмотронов и порошковых питателей для наплавки. Принципиальное отличие конструкций этих плазмотронов от других плазменных горелок с подачей порошка в зону дуги — использование газа, транспортирующего порошок и служащего одновременно для защиты сварочной ванны. Эта важная конструктивная особенность позволяет на 50-60% сократить общий расход газов, уменьшить размеры горелок и улучшить защиту сварочной ванны.

Плазмотроны дают возможность наплавлять наружные и внутренние изношенные поверхности. Срок службы плазмотрона не менее полгода. Плазмотрон выходит из строя из-за расплавления плазмообразующего сопла, происходящего в результате нарушения режима наплавки: сила тока больше допустимой величины, замыкание плазмотрона на деталь. Напряжение в зависимости от использования транспортирующего газа составляет 25-35 В при наплавке в аргоне и 45-55 В при наплавке в азоте и углекислом газе.

Порошковый питатель. Порошковые питатели предназначены для содержания порошка, регулирования его расхода и обеспечения стабильной и равномерной подачи через плазмотрон в зону наплавки. После плазмотрона порошковый питатель является наиболее важным узлом, определяющим качество наплавки. В настоящее время в установках, главным образом, для газотермического напыления применяют различные по конструкции типы порошковых питателей: инжекторные, вертикально и горизонтально-барабанные, шнековые. Как правило, перечисленные типы питателей обеспечивают стабильную работу порошка при расходе не менее 25-30 г/мин. В то же время при плазменной наплавке слоев толщиной до 1 мм и при комбинированной наплавке требуется равномерная  и бесперебойная подача порошка от 4 г/мин и более. Для этого серийно выпускаемые питатели приходится дорабатывать путём установки в дозирующее устройство шайбы с меньшим отверстием.

Шкаф управления. На шкафу управления сосредоточены пусковые, измерительные, сигнальные, приборы и устройства, контролирующие процесс плазмообразования и водоснабжения. Основное назначение шкафа управления при плазменной наплавке с подачей порошка в сварочную ванну — обеспечение включения установки только после подачи в плазмотрон охлаждающей воды и плазмообразующего газа. В противном случае плазмообразующее сопло расплавляется и плазмотрон выходит из строя. Однако шкафы управления, входящие в состав установок для плазменного напыления, непригодны для работы в режиме плазменной наплавки и требуют переоборудования газовой и электрической схем. Это связано с тем, что в плазмотронах для напыления расход плазмообразующего газа составляет не менее 25 л/мин, а в плазмотронах для наплавки порошками не превышает 2,5 л/мин, и работа начинается с первоначального зажигания

Колебательный механизм. Колебатель предназначен для возвратно-поступательного перемещения плазменной горелки вдоль оси наплавляемой цилиндрической детали с заданной частотой и амплитудой с целью повышения производительности труда путём получения валика требуемой ширины за один оборот детали. При наплавке плоских поверхностей колебатель перемещает плазмотрон перпендикулярно направлению подачи наплавляемой детали, формируя валик необходимой ширины.

При восстановлении деталей плазменной наплавкой с подачей порошка в зону наплавки необходимо, чтобы колебатель обеспечивал частоту колебаний в пределах 50-70 мин^-1 с амплитудой 4-30 мм. Применяют колебатели с пневматическим и электрическим приводом. Последние обеспечивают плавные и равномерные колебания, что позволяет получать качественные наплавленные слои без подрезов. Однако колебатели с пневматическим приводом проще в устройстве, для их привода не требуется применение дефицитных малогабаритных электродвигателей постоянного тока.

Источники питания. Для питания установки плазменной наплавки с подачей порошка в сварочную ванну требуется источник питания постоянного тока с падающей вольт – амперной характеристикой и напряжением холостого хода не ниже 60 В. Этому требованию удовлетворяют серийно выпускаемые сварочные выпрямители ВД-306, ВД-303, ВДУ-504.

Вращатель. Токарный станок – самый простой и доступный механизм, обеспечивающий заданную частоту вращения детали и скорость перемещения плазмотрона вдоль детали. Поддержание требуемой частоты вращения осуществляется установкой к станку понижающего редуктора. Частота вращения должна быть в пределах 0,3 – 10 мин^-1. При плазменной наплавке на суппорте токарного станка необходимо смонтировать устройство для крепления плазмотрона и его перемещения по вертикали. Лучшим вариантом крепления и перемещения плазмотрона и детали являются специальные станки для плазменной наплавки с электромеханическим приводом, обеспечивающим бесступенчатое регулирование всех необходимых движений плазмотрона и детали в заданных пределах.

Кроме перечисленного оборудования в установку для плазменной наплавки входят:

• балластные реостаты (РБ-300) для регулирования тока и создания падающей характеристики источника тока;
• осциллятор или блок поджога для зажигания плазменной струи, которая возникает в результате ионизации промежутка между вольфрамовым электродом и плазмообразующим соплом;
• дроссель для предохранения изоляции источником питания от пробоя высоковольтными и высокочастотными разрядами осциллятора, обычно применяются дроссели от сварочных трансформаторов;
• баллоны высокого давления;
• редукторы для понижения давления газа до рабочего;
• ротаметры для определения расхода газа.

Выводы:

Плазменную наплавку рационально применять для восстановления деталей машин с использованием в качестве присадочного материала порошковых твёрдых сплавов на железной и на никелевой основе, а также и других порошков.

Conclusions:

Plasma surfacing is rationally used to restore machine parts using powdered hard alloys based on iron and nickel, as well as other powders, as an additive material.