Разработка конструкции плазмотрона с расширяющимся каналом сопла для плазменной наплавки

Цикл статей:
Глава 1 – Формирование структуры и свойств при плазменной наплавке износостойких покрытий на медь и высокоуглеродистую, марганцовистую стали

Глава 2 – Материлы и методы исследования

Глава 3 – Разработка конструкции плазмотрона с расширяющимся каналом сопла для плазменной наплавки

Глава 4 – Плазменное нанесение жароизносостойкого покрытия на медную основу

Глава 5 – Разработка и опробование технологии плазменной наплавки на рельсовую сталь и сталь гатфильда

Глава 6 – Создание установки. Наплавка и ресурсные испытания опытной партии железнодорожных крестовин из стали гатфильда

Для наплавки использовался плазмотрон с внешним электродом, принципиальная схема которого показана на рис. 3.1. С помощью сжатой стенкой и обдуваемой потоком газа дуги можно получить большие удельные тепловые потоки в изделие. Внешний электрод может выполнять функции, как катода, так и анода. В первом случае может быть использовано явление катодной очистки поверхности изделия ионной бомбардировкой.

В качестве плазмообразующего газа использовался аргон.

Для проведения исследований была создана экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рис.3.2. Установка состоит из плазмотрона с внешним электродом в виде изделия с плоской поверхностью, изготовленного из меди и охлаждаемого водой. Медные водоохлаждаемые сопла плазмотрона выполнялись с различной геометрией внутреннего канала. Водоохлаждаемый стержневой электрод имел вставку из торированного или лантанированного вольфрама. Источник питания имел напряжение холостого хода 220 В и плавную регулировку силы тока от 50 до 500 А. В процессе экспериментов измерялись ток и напряжение дуги, расход и подогрев воды, расход и давление газа. С увеличением длины сопла, особенно при а=0° (рис. 3.1), из-за разрушения сопла возможность проведения экспериментов была ограничена.

Результаты исследований показали, что при увеличении угла а до 2° напряжение дуги уменьшается по сравнению с цилиндрическим соплом постоянного сечения. Дальнейшее увеличение а слабо влияет на напряжение дуги (рис.3.3).

Следует отметить, что вольтамперная характеристика плазмотрона с внешним электродом является возрастающей во всем исследованном диапазоне а(0<а<10°). Напряжение дуги монотонно увеличивается с ростом длины сопла (рис.3.4). Увеличение расстояния /г между торцом сопла и внешним электродом также ведет к росту напряжения дуги (рис.3.5), хотя здесь иногда наблюдается более сложная зависимость, по всей вероятности, из-за изменения состояния поверхности внешнего электрода в результате воздействия струи и прохождения электрического тока. Этим же явлением, а также изменением условий для попадания воздуха из атмосферы в дуговой столб можно объяснить зависимость напряжения от расхода Аг (рис.3.6). Здесь при малых расходах наблюдается линейная зависимость, а при больших – заметно насыщение. При прямой полярности плазмотрон, когда внешний электрод является анодом, картина принципиально не изменяется.

Проведенные эксперименты позволили определить диапозоны регулирования основных технологических параметров.

В плазменных технологиях наплавки широко используются различные порошки. Качество изделий подвергнутых обработке в этих случаях, во многом определяется степенью нагрева и ускорения частиц. Для повышения эффективности нагрева и ускорения частиц, а также КПД процесса разработан плазмотрон с вводом порошка вместе с рабочим газом плазмотрона. В этом случае можно увеличить расход порошка и, соответственно, производительность процесса, при условии обеспечения равномерности ввода порошка по сечению дугового разряда и во время работы.

Для обеспечения равномерности ввода порошка по сечению в настоящей работе использована перфорированная вставка 4 (рис. 3.1) в тракте подачи порошка. Вставка имеет цилиндрические каналы определённой длины и диаметра, оси которых параллельны оси плазмотрона. Вставка помещена в кольцевой зазор около стержневого электрода на определенном расстоянии от минимального сечения между катодом и стенками расширяющегося канала тракта плазмотрона.

Таким образом разработана конструкция плазмотрона с расширяющимся каналом сопла и сняты его вольт – амперные характеристики при различных: углах раскрытия сопла, его длинах, расстояниях между срезом сопла и изделием и расходах плазмообразующего газа – аргона. Серия экспериментов по наплавке с подачей порошка вместе с плазмообразующим газом в разрядный промежуток позволили оптимизировать параметры плазмотрона: угол раскрытия сопла а=6°, длина сопла 8 мм, расстояние между торцом сопла и изделием 10мм, расход газа 0,4 г/с.