Электротехнологические установки (стр. 21 из 32)

Различие в способах введения порошка определяется его теплофизическими свойствами. Тугоплавкие порошки вводятся в зону дуги, легко расплавляемые - в струю плазмы. При этом обеспечиваются разное время пребывания в зоне высоких температур и разный уровень теплового воздействия на частицу.

При плазменной наплавке изделие и наносимый материал включаются в цепь тока через токоограничивающие сопротивления (рис. 8.21). Скорость подачи материала и перемещения горелки по обрабатываемой поверхности согласуется с тепловой мощностью плазменной струи и контролируется технологом.

Рис. 8.21. Схема наплавки с присадочной проволокой:

а - изделие под током: б - изделие обесточено; 1 - горелка; 2 - ввод

плазмообразующего газа; 3 - канал для ввода защитного газа; 4 - ограничительное сопротивление; 5 - источник питания; 6 - балластное сопротивление; 7 - присадочная проволока

Совмещенные схемы плазменного напыления и наплавки позволяют получить прочно сплавленный с подложкой слой наплавленного материала. Размеры его можно регулировать в широких пределах (по ширине - от 8 до 45 мм, по глубине - от 0,5 до 6 мм), изменяя количество подаваемого присадочного материала и амплитуду движения плазмотрона перпендикулярно направлению его основного движения.

Компонентами установок плазменного нанесения покрытий являются дозаторы наносимого материала, источники электрического питания, система газоснабжения и охлаждения плазмотрона.

Кроме описанных имеется большое количество других плазменных процессов, в результате которых происходит модификация материала (сфероидизация частиц, травление и испарение поверхности). Описание этих процессов можно найти в специальной литературе.

УСТАНОВКИ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ 9.1. Физико-технические основы дуговой сварки

Электрической дуговой сваркой называют процесс получения неразъемных соединений деталей из различных материалов за счет их сплавления с помощью электрической дуги. Это один из ведущих технологических процессов в машиностроении и строительной индустрии.

При дуговой сварке тепловая энергия, необходимая для плавления металла, получается в результате дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Расплавляясь под действием опорных пятен дуги, кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода образуют сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Сварка плавлением представляет собой комплекс металлургических и физико-химических процессов, протекающих в металле при высоких температурах и значительной концентрации тепловой энергии.

Вместе с металлом плавится электродное покрытие при ручной сварке или флюс при дуговой сварке под флюсом.

Расплавленный металл электрода переходит в сварочную ванну в виде капель. Размер капель и их количество зависят от силы тока, химического состава электрода и покрытия (флюса), электромагнитных явлений в дуге и т. п. При совместном переходе капель расплавленного электродного металла и шлака через дуговой промежуток между металлом, шлаком и газами, окружающими дугу, протекают химические реакции. В процессе сварки сварочная ванна перемещается вдоль шва с определенной скоростью, равной скорости сварки При сварке в газовой среде защитное действие обеспечивается применением аргона, аргонгелия, азота, углекислого газа, паров воды.

Капельный перенос обеспечивает поступление в сварочную ванну до 80- 95 % всего металла плавящегося электрода. Остальные 5-20 % теряют в виде брызг и пара. Механизм переноса капли металла включает в себя следующие стадии: оплавление торца электрода, стенание металла, образование капли грушевидной формы. У основания капли образуется тонкая шейка, имеющая высокое электрическое сопротивление. В области шейки плотность тока резко возрастает, перегревая шейку и удлиняя каплю, которая, касаясь (или не касаясь) сварочной ванны, обрывается, на мгновение замыкая накоротко цепь тока. Одновременно шейка взрывается с образованием большого количества паров и газов, отбрасывающих каплю в направлении сварочной ванны. Затем процесс повторяется. При ручной сварке электрод длиной 450 мм расплавляется за 1,5-2 мин. Давлением дуги р=kI², где k - эмпирический коэффициент, жидкий металл выдавливается со дна кратера дуги на боковую поверхность, создавая определенную глубину сварочной ванны. Количество расплавляемого за единицу времени металла

С = α_пIη,

здесь α_п - коэффициент плавления, г/ч; I - ток дуги, А; η - время горения дуги, ч. Вследствие потерь расплавленного металла количество фактически наплавленного металла оценивается коэффициентом наплавки сен, который на 520 % меньше коэффициента плавления.

Значение α_н для электродов с различными покрытиями составляет 7-13 г/(А·ч). Знание коэффициента наплавки важно при нормировании сварочных работ. Скорость сварки (см/ч)

υ = α_нI/(γF),

где α_н - коэффициент наплавки г/(А·ч); γ - удельная масса наплавленного металла (γ_стали = 7,85 г/см³); F - площадь поперечного сечения сварочного шва, см². Длина дугового промежутка при сварке должна быть больше длины капли, отрывающейся от электрода, и на практике составляет 4-7 мм.

По сравнению с плазмой сварочной дуги при температуре (4,5÷8) 10³ К капля металла является холодной, однако вследствие высокой концентрации электронов имеет более высокую электропроводность и шунтирует часть столба электрической дуги. Это определяет низкое значение линейного градиента потенциала столба дуги. Вследствие малой протяженности столба дуги (4-7 мм) и низкого значения линейного градиента потенциала между приэлектродными пятнами дуги реализуется напряжение 8-12 В. Если учесть, что в структуру напряжения дуги входят компоненты анодного и катодного падений напряжения, значения которых зависят от тока дуги, материала электродов и изменяются в узких пределах (U_а = 2÷12 В, U_к = 8÷14 В), то напряжение на сварочной дуге составляет 18-45 В. При некотором увеличении тока напряжение, необходимое для горения дуги, снижается и ВАХ дуги приобретает падающий характер. В области больших токов ВАХ становится жесткой и слабо-возрастающей. Так как интенсивность плавления электрода и свариваемого металла определяется преимущественно мощностью, выделяющейся в опорных пятнах дуги на электродах, а столб дуги выполняет в основном технологические, а не энергети- ческие функции, то главным энергетическим показателем установок дуговой сварки является значение сварочного тока, а напряжение холостого хода источни- ка питания является производным от напряжения на дуге, обеспечивающим ее устойчивое горение. Для падающего и жесткого участков ВАХ дуги напряжение холостого хода источника питания должно быть U_х = (1,4÷2,2) U_д при крутопадающей внешней характеристике. Это дает напряжение 55-80 В, что и обеспечивается источниками сварочного тока. Следует отметить, что напряжение источников питания дуговой сварки безопасно для человека; это обусловило широкое развитие ручной дуговой сварки.

Особенности дуги переменного тока и меры, принимаемые для повышения ее устойчивости, описаны ранее. Отметим, что напряжение зажигания при переходе тока через нуль зависит от ряда факторов, в первую очередь от силы тока. С увеличением тока напряжение зажигания дуги снижается. Зависимость между напряжением зажигания и напряжением горения дуги для сварки открытой дугой имеет вид U_з = (1,3÷2,5) U_д. При сварке на больших токах под флюсом напряжения зажигания дуги почти равно напряжению горения.

По степени механизации различают сварку ручную, полуавтоматическую и автоматическую. Отнесение процесса к тому или иному виду зависит от того, каким образом выполняются: зажигание и поддержание определенной длины дуги, манипуляции электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращение процесса сварки. При ручной сварке операции, необходимые для образования шва, выполняются рабочимсварщиком вручную. Ручная сварка производится плавящимся электродом с покрытием (рис. 9.1) или неплавящимся электродом с газовой защитой.

Рис. 9.1. Схема ручной дуговой сварки:

1 - основной металл; 2 - сварочная ванна; 3 - кратер; 4 – сварочная дуга; 5 - проплавленный металл F_пр; 6 - наплавленный металл F_п; 7 - шлаковая корка; 8 - жидкий шлак; 9 — покрытие электрода; 10 - стержень электрода; 11 - электрододержатель; 12 - сварочная цепь; 13 - источник питания

При полуавтоматической сварке плавящимся электродом механизирована часть операций, например операция по подаче электродной проволоки или флюса в сварочную зону, перемещение горелки по свариваемой детали и др. Остальные операции процесса сварки осуществляются сварщиком вручную.

При автоматической сварке под флюсом (рис. 9.2, а) автоматизировано большинство технологических операций. Сварочная проволока 2 и

гранулированный флюс 1 подаются в зону дуги, горящей в полости 3, заполненной парами металла и материалов флюса. По мере перемещения дуги расплавленный флюс всплывает на поверхность сварочной ванны, образуя легко отделяющуюся от шва шлаковую корку 5, а металл сварочной ванны кристаллизуется в виде сварного шва 4. Шлак защищает металл от воздействия кислорода и азота воздуха, легирует и замедляет охлаждение металла шва, что способствует получению качественного наплавленного металла при высокой производительности.