автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Технологические характеристики процесса и оборудование прецизионной плазменной наплавки

V ¡,Г{-'-1 / г —'

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. № £

ЕРМАКОВ Сергей Александрович

УДК 621.791.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННОЙ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ

Специальность 05.03.06. - Технология и машины сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Соснин Н. А.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Суздалев И В., к.т.н., Б}&яненко В. Д.,

к.т.н.,

Ведущая организация:

ОАО « Электрик ».

Защита состоится «.

Ь

у> июня 2000 года в 15 часов на заседай!»

диссертационного Совета Д 063.38.17. в Санкт-Петербургском государственно!^ техническом университете по адресу:

Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, химический корпус, ауд. 51 .

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат (2 экз.), заверенные гербовой печатью, просьба направлять по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, ученому секретарю диссертационного Совета Д 063.38.17. КархинуВ.А.

пО аьЬеАЛ.

Автореферат разослан <¿¿<3 » ми $999 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета

д.т.н., профессор

Кархин В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Среди прогрессивных технологий, ффективиость которых основана на многократном повышении надежности и [олговечности деталей машин, механизмов и оборудования с покрытиями, |Дно из главных мест занимает плазменно-дуговая наплавка.

Существующее плазменное оборудование (например, установки типа ■ПН-303, УПН 602 и т.п.) как правило ориентировано на наплавку материалов : нестрого нормируемыми свойствами, слоями большой толщины, на развитые юверхности (изделия металлургической промышленности, судостроения и •.п.). Использование такого оборудования для изготовления изделий (тветственного назначения, имеющих относительно небольшие габариты клапана, детали запорной арматуры, изделия автомобильной промышленности I др.), наплавляемых дорогими сплавами, как правило - на ограниченные юверхности, невозможно. При этом обычно среди требований к аппаратуре февалирует не высокая производительность процесса, а необходимость юлучения стабильной высококачественной наплавки за один проход даже в гонких слоях. Такие задачи требуют подхода к плазменной наплавке как к щецизионной технологии обработки материалов, что определяется:

> необходимостью (и возможностью в плазменных процессах) точного дозирования энергии и материалов в зоне обработки;

> обеспечением при необходимости расчетных значений геометрических, химических и других параметров обрабатываемых материалов;

• высоким уровнем и концентрацией тепловой и механической энергии сжатых дуг и плазменных потоков и значительной областью регулирования; » большой гибкостью многопараметрического регулирования технологических характеристик сжатых дуг при плазменной наплавке и, как следствие, - необходимостью выбора оптимальных параметров режима;

> применением специальных высоконадежных технологических плазмотронов как основного инструмента комплекса оборудования;

» использованием соответствующего алгоритмического обеспечения.

Анализ состояния вопроса разработки процессов и оборудования для прецизионной плазменной наплавки показывает следующее:

- нет достаточных данных по энергетическим и технологическим параметра; разновидностей процессов наплавки, необходимых для создания надежног и эффективного оборудования;

- имеются отдельные разрозненные данные по количественны! характеристикам взаимодействия сжатой дуги и металла при наплавке;

- отсутствует описание процессов наплавки с использованием малы: диаметров плазмообразующего сопла;

- отсутствуют рекомендации по выбору оптимальных режимов и условш наплавки;

- отсутствуют систематизированные данные по комплексному влиянии различных факторов на ход процесса наплавки.

- нет рекомендаций по определению параметров оборудования длг плазменной наплавки и по методам его проектирования;

Работа выполнена в соответствии с:

а) Постановлениями: ГКНТ СССР № 431 от 11.05.90. и Миннауки России № 1169ф от 29.05.92. но Государственной научно-технической программе "Технологии, машины и производства будущего", раздел проекта 0.06.01.0117Т "Создание компьютеризированных технологических модулей плазменной сварки, наплавки, напыления, нанесения финишных упрочняющих плёночных покрытий и поверхностной термообработки для интегрированных гибких производственных систем, обеспечивающих на основе новейших плазменных технологий и их оптимизации коренное улучшение культуры труда и качества продукции".

б) Межвузовской научно-технической Программой "Сварочные процессы" - раздел "Моделирование, разработка технологии и контроль сварочных процессов и оборудования":

- тема 1.4.6. "Исследование и разработка перспективных технологий плазменной сварки, наплавки и поверхностного упрочнения" - 1995-1997г.

Цель работы. Основной целью данной работы является изучение технологических характеристик процесса плазменной наплавки, необходимых для создания нового поколения оборудования прецизионной плазменной обработки, обеспечивающего прогнозируемое качество наплавки за счет использования выявленных технологических закономерностей при проектировании и эксплуатации оборудования.

В задачи работы входило:

1. Изучение энергетических параметров процессов наплавки сжатой дугой поверхностного действия.

2. Исследование особенностей технологических процессов прецизионной плазменной наплавки - на обратной полярности, с пилотной дугой и др.

3. Формирование технологических рекомендаций по выбору оптимальных режимоп и условий плазменной наплавки и определение основных требований к оборудованию.

4. Разработка на основании проведенных исследований инженерного метода расчета и оптимизации плазмотронов для наплавки, определение параметров и разработка базовых элементов аппаратуры прецизионной плазменной наплавки.

Методы исследований. Работа выполнялась в Санкт-Петербургском осударственном техническом университете и включает в себя кспериментальные и теоретические исследования.

В работе использовались стандартные и некоторые оригинальные методики экспериментальных исследований процессов плазменной обработки, I том числе - плоскостное зондирование и калориметрирование сжатой дуги и шазменных струй, металлографические исследования зоны обработки, механические испытания, микрорентгеноспектральный и другие современные методы изучения материалов.

При моделировании процессов использовались аналитические методы, математические методы планирования экспериментов, методы регрессионного шализа, методы оптимизации.

Расчеты и обработка данных велись с применением вычислительной техники и использованием методов прикладной математики. Для проведения расчетов на компьютерах были разработаны специальные прикладные грограммы.

Экспериментальные исследования велись на отечественных плазменных установках - опытных и серийных, созданных при непосредственном участии iвтopa.

Научная новизна. В работе исследованы энергетические и технологические параметры разновидностей поверхностной сжатой дуги, эсобенности и закономерности процессов плазменной наплавки, и на основе их шализа, систематизации и моделирования разработаны методы и алгоритмы

выбора технологических процессов и режимов, необходимые для создания и функционирования нового поколения оборудования для прецизионной плазменной обработки. Среди новых научных результатов следует выделить следующие:

1) Уточнен механизм и определены количественные характеристики взаимодействия сжатой дуги с материалом в технологиях плазменной наплавки (на обратной полярности, с пилотной дугой и др.), необходимые для эффективного регулирования и развития плазменных процессов.

2) В результате изучения особенностей и закономерностей процессов плазменной наплавки предложен метод выбора режимов и оборудования, базирующийся на использовании принципа минимизации погонной энергии и позволяющий упорядочить расчеты и сократить область поиска оптимальных параметров процесса и аппаратуры.

3) Установлена достаточная адекватность реальным процессам аналитической модели и разработанных алгоритмов, использованных в диалоговой компьютерной системе плазменной наплавки. Практическая значимость работы.

Разработаны инженерные методы, алгоритмы и программы расчёта, оптимизации и регулирования гибких плазменных технологий наплавки с применением современной компьютерной техники.

Разработаны и применяются новые технологические процессы прецизионной плазменной наплавки (на обратной полярности, с пилотной дугой, с импульсной подачей порошка), дающие значительный технический и экономический эффект.

Разработаны инженерные методы расчёта и оптимизации теплонагруженных элементов технологических плазмотронов.

На основе выполненных исследований определены параметры и разработаны новые функциональные элементы оборудования (универсальные плазмотроны, импульсный порошковый питатель, двухдуговой источник питания и др.) для универсальных и специальных плазменных технологических установок, на базе которых заводом «Электрик» выпускается серийное унифицированное оборудование со сроком окупаемости менее 1 года.

Материалы данной работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного технического университета; на их основе созданы и ведутся учебные лабораторные работы. 4

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались, начиная с 1979 года, на Международных, и Всесоюзных конференциях, семинарах и выставках, на научных и научно-методических семинарах СПбГТУ, завода (АО) "Электрик" и других организаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, включая 5 авторских свидетельств и патентов на изобретения и публикацию в Германии. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Обьем работы. Диссертация содержит 148 страниц, включая текст, 61 рисунок, 20 таблиц Основная часть состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников из 83 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи работы, кратко перечислены методы исследований, научная новизна, практическая значимость.

Глава 1. Обзор состояния вопроса и постановка задач исследования

Глава посвящена рассмотрению и анализу современных методов плазменной наплавки, применяемых наплавочных материалов и технологического оборудования. Обобщены основные схемы и параметры технологических процессов плазменной наплавки. Сформулированы существующие проблемы создания технологии и аппаратуры прецизионной плазменной наплавки, цель и задачи работы.

При упрочнении и восстановлении деталей в зависимости от их формы, условий работы применяют несколько разновидностей плазменной наплавки, отличающихся типом присадочного материала, способом его подачи и электрической схемой подключения. Применяют два вида сжатой дуги: прямого и косвенного действия. Дуга прямого действия (прямой или обратной полярности) образуется при соприкосновении малоамперной (не более 40 - 60 А) косвенной дуги с токоведущей деталью, в зону дуги могут подаваться присадочные материалы: нейтральная или токоведущая проволока, сразу две проволоки, порошок, порошок одновременно с проволокой. При косвенном методе дуга может гореть только на проволоку. Наиболее универсальным способом плазменной наплавки считается наплавка с вдуванием порошка в дугу, который, частично оплавляясь, переносится на поверхность изделия,

5

оплавляемого дугой прямого действия. За счет широкого диапазона регулирования теплоты, идущей на нагрев порошка и детали, этот способ позволяет получать наплавленные слои высокого качества с минимальной глубиной проплавления. К недостаткам способа относят сложность конструкции плазмотрона, его низкую надежность работы и большие размеры, а также значительный общий расход газа (22 - 26 л/мин).

Стремление к повышению производительности, а следовательно, мощности и надежности плазмотронов приводит к увеличению габаритов, количества технологических выводов, плазмотроны становятся неудобными в эксплуатации. В литературе описываются, главным образом, механизированные процессы и оборудование плазменно-порошковой наплавки. В последнее время уделяется внимание применению микропроцессорной техники для контроля и управления параметрами процесса, в первую очередь, мощностью дуги в зависимости от тепловых условий наплавки.

Расчеты тепловых полей при наплавке проводятся, как правило по схеме нормально распределенного источника на поверхности полубесконечного тела, что во многих случаях вполне оправдано, однако при наплавке деталей ограниченных размеров может приводить к искажению результатов. Расчеты проводятся, главным образом, для оценки влияния параметров поперечных колебаний на тепловую обстановку в наплавляемом металле, при этом, однако, упоминается [Inner Werher, А.И. Данилов], что жидкий металл, попадая под дугу, образует буферный слой, сглаживающий тепловые поля. В зарубежной литературе особо выделяется процесс РТА, при котором помимо дежурной и основной дуги существует независимая, регулируемая (пилотная) дуга, соизмеримая по току с основной дугой.

Анализ состояния вопроса разработки процессов и оборудования для плазменной наплавки показывает, что нет достаточных данных по энергетическим и технологическим параметрам разновидностей процессов наплавки, необходимых для создания надежного и эффективного оборудования. Целью данной работы является изучение технологических характеристик процесса плазменной наплавки, необходимых для создания нового поколения оборудования прецизионной плазменной обработки, обеспечивающего прогнозируемое качество наплавки за счет использования выявленных технологических закономерностей при проектировании и эксплуатации оборудования. 6

Глава 2. Энергетические параметры процесса наплавки сжатой дугой поверхностного действия

Глава посвящена описанию методики исследования энергетических и технологических характеристик сжатой дуги поверхностного действия при наплавке и обсуждению полученных результатов исследований. Проведен анализ тепловой и гидродинамической обстановки в зоне наплавки. Рассмотрены особенности воздействия на металл дуги обратной полярности, в том числе с использованием сопел малого диаметра. Исследованы энергетические параметры процесса плазменной наплавки с пилотной дугой.

Установлено, что коэффициент сосредоточенности теплового потока К„

сжатой дуги для условий наплавки при увеличении расхода

плазмообразующего газа меняется незначительно, при уменьшении диаметра

сопла, - увеличивается. Фактически и Ор определяются только диаметром

сопла с!с: Вч и 2Вр и (2,6.. .2,8)с1с> таким образом, диаметр плазмообразующего

сопла следует рассматривать как один из основных параметров режима

плазменной обработки. Рассмотрены характеристики теплового баланса

процессов наплавки. Установлена значительная доля конвективной

составляющей в тепловом балансе при наплавке сжатой дугой, достигающая 50

% на прямой и 80 % на обратной полярности. Увеличение тока пилотной дуги с

50 % до 100 % от тока

основной сжатой дуги

приводит к возрастанию

Зона отпуска^ \ ^-_^ ДОЛИ эффективной

Расчетная зона .г,

. п ' . мощности пилотнои дуги С

Рис. 1. Поперечное сечение зоны плазменной наплавки при -1

рДН„ = рЛН„ (а) и при рДНн > рДН0 (б) 12 до 22 % В (2,. Мягкое

тепловое воздействие пилотной дуги позволяет осуществлять предварительный плазменный подогрев изделий малого сечения, включая режущие кромки инструмента. Анализ полученной регрессионной модели энергетических параметров плазменной струи показал, что доминирующее влияние одновременно на (2, и 11,, оказывает ток пилотной дуги. Оптимальный режим плазменной наплавки может быть выбран (при необходимости - с учетом дополнительных критериев или ограничений выбора) внутри области минимума погонной энергии для заданной толщины наплавляемого слоя (рис.

Зона наплавки

гпуска___ \

2). При постоянстве 11(1 целесообразно использовать область перехода зависимости чп(СЬ) к пологопадающему виду (рис. 3).

Установлена достаточная адекватность аналитической модели (Ф.1) нормально

О 100 200 Ток, А

—♦—Погонная

амргня при г

в 0,01 ым 3000

К"1 ■ П огонн ая 1

анергия при г I 2500

в 1 МЫ

д-- Погонная | 2000

энергия при г • 2 им о. X 1500

—^—Скорость к 1000

движения при =

г в 0,01 ым е SQ0

О 1 Скорое ть о с

движения при 0

1" 1 мм

—Ф- Скорость

движения При

г»2 мм

25 * S —Ф—qn, Дж/мм

Л • Ь, мм

20

15 а

—А—v, м/ч

10 о

5 о -— ■ Линейный

° (Ь, мм)

2000 4000 6000 8000

Оэ, Вт

Рис. 2 Зависимость погонной энергии и скорости наплавки от тока дуги (1д) при

Рис. 3 Зависимость погонной энергии, ско рости наплавки и ширины зоны от Оэ при

заданных z; (dc = 1д/100 f-1; Rq= 1,35 dc; ДТ заданном 2=1 мм и R, = Const (ДТ= 1000К

= 1000 К и Т„<

773 К)

и Т„од = 773 К)

распределённого поверхностного (при значении интеграла равном СЬ) источника тепла на плоском слое, предложенной В.А. Кархиным, для описания

л2 , „2"

Дт(х у z t ) - Qa *Т 1 cJ (х + У/}'

'0

,t+t

Ф. 1

1 , ~ S Я IX

1 + 2 J cos-ехр

¡=1 s

_2 ¡2 at -я 1 -у

S

-Uq (0со.^£«К;

V3 0 s

dt

процессов в высокотемпературных зонах при плазменной наплавке (с учётом влияния наплавляемого металла). Проведенные численные эксперименты позволили уточнить требования к точности поддержания режимов, в частности, по скорости перемещения.

Таблица 1

Характеристики потока жидкого металла при плазменной наплавке (для Ь — 1...4 мм, \'н = 3...30 м/ч, (Зс = 4,2 мм)

Рис. 4. Схема движения расплавленного металла при наплавке

Параме три Х18Н9Т Он = з; м/ч) Х18Н9Т (v„ = 30 м/ч)

V , м/с 0,002 0,02

РдИН, Па 0,015 1,46

ДРтр, Па 1,9...0,48 19...4,8

Ps? Па 50...200 50...200

о

Наибольший вклад в необходимое полное давление в потоке жидкого металла ванны при плазменной наплавке вносит давление столба жидкого металла р5, достигающее от 71 до 99,7% от полного давления (рис. 4). Этот факт дает возможность упростить методику выбора оптимальных параметров режимов, ответственных за силовое воздействие на ванну.

Полученные обобщенные зависимости энергетических и технологических характеристик поверхностной сжатой дуги обратной полярности и двухдугового плазмотрона с пилотной дугой могут быть использованы в алгоритмах выбора и корректировки параметров режимов и аппаратуры плазменно-порошковой наплавки.

Глава 3. Особенности технологических процессов прецизионной плазменной наплавки

В главе рассмотрены технологические возможности получения наплавленного металла с требуемыми характеристиками при различных схемах плазменной наплавки, в том числе: сжатой дугой обратной полярности, двухдуговым плазмотроном с мощной пилотной дугой, импульсными режимами. Проведен анализ рациональных областей применения схем прецизионной наплавки для конкретных материалов и изделий, включая тела вращения. Изучены особенности и закономерности процессов плазменной наплавки, необходимые для создания развиваемого технологического и алгоритмического сопровождения аппаратуры для прецизионной наплавки.

HVo.cs , ГПа 10

НУ0052,40 | 1 Н\/0с5 3,30' (НР!С22) Й 1 (НТО 34) №/„05 7,50 (НбС 62)

3 $ т

сг Лини ловле пия & 7, О/мл У- ._. Г 1 т

й

^тт

а

Основной металл Зона переменных Наплавка (55ПП) свойств (Н70Х17С4Р4)

Рис 5 Распределение микротвердости по сечению наплавки сплава Н70Х17С4Р4 на углеродистую сталь 55ПП

Со г*

IV (

|Д] И 1

1 ¡1

Зама нал* »АмЛ < Зек* снов чого

1

_ 1

Мс \

I 1 1 {

Г,.

О 32 М Ы 10 Л, ккм

Рис. 6. Распределение элементов в зоне сплавления стали Р9М4К8 со сталью СтЗ после плазменной порошковой наплавки на обратной полярности сжатой дуги

Изучение опыта применения поверхностной сжатой дуги обратной полярности применительно к плазменной наплавке порошковыми материалами и проведенные эксперименты показали определенные преимущества способа:

- надежное сплавление наплавляемых и основных материалов различного состава (включая алюминийсодержащие сплавы, карбидные композиции и др.), благодаря постоянной катодной зачистке поверхности;

- более равномерный и мягкий разогрев поверхности и порошкового материала способствует наплавке тонких слоев практически в отсутствии зоны проплавления основного металла (рис. 6).

Протяженность зоны соединения металла основы и наплавляемого материала на обратной полярности для различных комбинаций находится, как правило, в пределах от 5 до 100 мкм. Плазменно-порошковая прецизионная наплавка при использовании плазмообразующих сопел относительно малого диаметра на обратной полярности дуги возможна с регулируемым, в достаточно широких пределах, тепловложением в основной металл и обеспечивает высокое качество даже тонкого наплавленного слоя при отсутствии зоны перемешивания, структурной неоднородности и других дефектов.

Применение импульсных режимов плазменной порошковой наплавки с использованием новой схемы импульсной подачи порошка импульсами, синхронизированными особым образом с импульсами тока, дает возможность расширить область регулирования процесса, что имеет большое значение при существенно различающихся по теплофизическим свойствам наплавляемом и основном материалах (рис. 1).

Использование пилотной дуги в двух дуговом процессе плазменно-порошковой наплавки стабилизирует основную сжатую дугу, что дает возможность вести качественную наплавку при пониженном токе основной дуги —

- поверхностей сложного профиля, имеющих уступы, острые кромки, канавки и т.п. конфигурацию, в том числе, и в ручном режиме;

- материалов, имеющих локальные вкрапления с повышенной эмиссионной способностью (например, чугуны).

Рис. 7. Смещение дуги при наплавка тел вращения

Приведенные примеры плазменной порошковой наплавки характеризуют чанную технологию как достаточно гибкий метод получения разнообразных по составу, свойствам, назначению и геометрическим размерам покрытий и слоев ¡включая быстрорежущие стали, алюминийсодержащие сплавы, порошковые композиции и др.) на широком круге материалов основы с регулируемой протяженностью переходной зоны (от п • 1 мм до п • 1 мкм).

Анализ литературных и экспериментальных данных показывает, что существенную роль, наряду с характером тепловложения, в формировании зоны перемешивания играет наличие жидкого слоя расплавленного металла, высота которого определяется соотношением давления столба сжатой дуги и гидростатического давления жидкого металла. Поэтому, при прецизионной наплавке тел вращения, величина смещения головной части ванны с зенита является важным технологическим параметром, влияющим на перемешивание и состав наплавленного металла.

Глава 4. Разработка основных элементов аппаратуры плазменной наплавки

С использованием результатов исследований энергетических и технологических характеристик процессов плазменной наплавки определены основные параметры аппаратуры, проведены расчеты и анализ возможностей повышения эксплуатационных свойств и надежности плазмотронов для прецизионной наплавки. Описана методика проектирования плазмотронов, основные параметры, устройство и работа базовых элементов оборудования -плазмотронов, импульсного порошкового питателя, блока аппаратуры и др.

Габариты и мощность наплавочных плазмотронов определяются, главным образом, эффективностью работы наиболее теплонагруженных элементов, в первую очередь, плазмообразующего сопла и электрода - анода при наплавке на обратной полярности. В работе показана возможность существенного повышения технических характеристик технологических плазмотронов путем оптимизации охлаждения высоконагруженных узлов с учетом того, что эффективность охлаждения в значительной степени определяются скоростными характеристиками потока охлаждающей воды.

Установлено, что возрастание допустимого теплоотвода в электрод сопло плазмотрона возможно при определенном увеличении толщины рабочс стенки за счет более эффективного использования поверхности теплоотдачи воде (рис.8).

, кВт

Б,, ммг

Рис. 8 Зависимости результирующего теплоотвода 0о и поверхности теплоотдачи к воде Б,, от толщины стенки сопла 6С (с!с = А мм; Н = 5,75 мм; Тн - Тв = 1050 К)

Рис. 9 Универсальный плазмотрон ПС-3 (а.с. 880654), выпускаемый в составе установок: УПНС-304, УПО-302, УПВ-301

Полученные зависимости позволили разработать инженерную методик; расчета теплонагруженных элементов плазмотронов, дающую возможност: эффективно вести проектирование нового оборудования. С использование? данной методики были спроектированы универсальный плазмотрон ПС-3 с< сменной наплавочной головкой, плазмотрон для механизированно! двухдуговой наплавки ПМН-2 и другое оборудование. Некоторьк энергетические и технологические параметры, необходимые дш проектирования оборудования приведены в таблице 2.

Таблица 2

№ Параметр Значение № Параметр Значение

1 Рабочее значение тока 10, А 50..200 8 Расходы газов, Ю'", м^/с плазмообразующего транспортирующего защитного 20... 75 30...70 130...250

2 Рабочее значение тока I.,, А 60...160

3 Рабочее напряжение и0, В 20...40

4 Рабочее напряжение и„, В 12...20

5 Диаметры сопла, мм 2...4,2 9 Скорость истечения защитного газа из сопла, м/с < 1

6 Диаметры порошкового сопла, мм 6; 8; 11

10 Характерный диапазон скоростей наплавки, м/ч 3...30

7 Относительный теплоотвод в элементы плазмотрона,% Электрод - катод Электрод - анод Сопло Сопло при двойной дуге О/Рд 3..7 15...20 20...25 до 40

11 Точность по скорости,% <4

12 Точность пэиционирования.мм ±0.5

13 Продувка газа после напл., с ДО 12

14 Спад тока линейно, с до 10

Разработанный импульсный порошковый питатель обеспечивает падежную подачу наплавочных материалов в диапазоне расходов от 0,3 до 16 кг/ч при частотах до 10 Гц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определены основные параметры взаимодействия поверхностной сжатой дуги с материалом в технологических процессах плазменной наплавки. Для типичной сжатой дуги выявлена связь эффективных диаметров пятна тепловвода, тока и давления с диаметром плазмообразующего сопла: Dq = 2Dj = 2DP = (2,6...2,8)dc. Как показали исследования, взаимодействие сжатой дуги с материалом при наплавке определяется двумя важнейшими процессами - поверхностными явлениями в активном пятне дугового разряда, зависящими, в частности, от плазменных струй, и конвективной теплопередачей от столба сжатой дуги, достигающей 50-80 % эффективной мощности дуги.

В результате экспериментальных исследований технологии плазменной порошковой наплавки - на прямой и обратной полярности, с пилотной дугой и других вариантов - получены количественные характеристики процессов и определены рациональные области регулируемых режимов, которые обеспечивают качественную наплавку материалов разных типов и составов, включая быстрорежущие стали, алюмшгайсодержащие сплавы и порошковые композиции, на поверхностях различной конфигурации. Установлена достаточная адекватность модели нормально распределённого поверхностного плазменного источника тепла на плоском слое (с учётом влияния наплавляемого металла) для описания процессов в высокотемпературных зонах при наплавке.

Разработаны алгоритмы расчета режимов и выявлены экстремальные связи погонной энергии, удельного тепловложения и скорости охлаждения от тока дуги при заданных значениях высоты наплавляемого слоя, что дало возможность для оптимизации наплавочных технологий, как и при плазменной сварке, использовать принцип минимизации погонной энергии. При постоянстве эффективного радиуса пятна нагрева

целесообразно использовать область перехода зависимости qn(Q,) к пологопадающему виду.

5. Предложенные методы определения оптимальных параметров процесса и аппаратуры прецизионной плазменной наплавки показали свою достаточную эффективность при создании технологических комплексов нового поколения, которые должны объединить плазменное оборудование и алгоритмическое сопровождение.

6. При разработке механизированного оборудования для прецизионной наплавки тел вращения необходимо предусматривать точное регулируемое позиционирование плазмотрона относительно оси изделия.

7. Проведенные исследования плазменных технологических процессов, и в частности наплавки, позволил разработать и освоить в серийном производстве в ' ОАО «Электрик» выпуск универсальных и специализированных установок для наплавки (УПНС-304, УПВ-301, УПО-302 и др.) и составить обоснованные Технические задания на разработку нового технологического оборудования гибких модулей плазменной обработки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Sosnin N.A., Ermakov S.A., Blume F., Rosert R. Dünnschichtauftragsschweissen mit den WIG- und Plasmaverfahren bei plusgepolter Elrektrode.// Schweisstechnik. 1983.-33(5): 202-204. Germany.

2. Соснин H.A., Вичик Б.Л., Ермаков С.А. и др. Прецизионная плазменнопорошковая наплавка быстрорежущей стали. // Сварочное производство.- 1988,- №9.- С.8-9.

3. Соснин H.A., Ермаков С. А., Вичик Б.Л. Технологическое и алгоритмическое обеспечение плазменной сварки и наплавки для гибких производств. // Сварочное производство. - 1986.- №7.- С. 1-2.

4. Слюсарев В.В., Соснин H.A., Ермаков С.А. Энергетические параметры плазменной обработки с пилотной дугой при поверхностном упрочнении и наплавке. / Современные материалы: технологии и исследования. - Труды СПбГТУ.- №463.- СПб: 1996,-С.138-144.

5. Соснин H.A., Ермаков С.А. Оптимизация конструкции охлаждаемых элементов плазмотронов. // Сварочное производство. - 1982,- №6. С.38-39.

5. Соснин H.A., Фридлянд М.Г., Ермаков С.А., Левченко A.M. О возможности восстановления катода в процессе работы плазмотрона. // Автоматическая сварка,- 1982,- №11.- С.54-59.

1. Ермаков С.А., Соснин H.A. Разработка сварочных плазмотронов./ Сварочное производство,- Труды ЛПИ.- №364,- JL: ЛПИ. 1978,- С.81-86.

3. . Энергетические характеристики сжатой дуги в смесях углекислого и природного газов при использовании малогабаритного плазмотрона для сварки. // Электротехническая промышленность. Серия "Электросварка".-1984,- №6.- С.1-3.

). Соснин H.A., Вичик Б.Л., Ермаков С.А. и др. Создание гибких модулей на базе серийной установки для сварки УПС-301. // Промышленность строительных материалов. Серия "Стекольная промышленность".- 1989.-№3.- С.13-17.

10. Соснин H.A., Тополянский П.А., Ермаков С.А., Слюсарев В.В. Современные ресурсосберегающие технологии и материалы плазменных покрытий. // Metall Engineering. - 1996.- №2.- С.б-8.

L1. Соснин H.A., Ермаков С.А. Исследование малогабаритных анодов плазменных горелок. // Электротехническая промышленность. Серия "Электросварка".- 1976,- №6.- С.1-2.

12. Соснин H.A., Слюсарев В.В., Ермаков С.А. Разработка алгоритмического обеспечения гибкой плазменной технологии нанесения покрытий и упрочнения поверхностей деталей энергетического оборудования. В сб. "Энсргетика-96". Симпозиум' и международная специализированная выставка. СПб: 1996.-С.99-101.

13. Ермаков С.А., Тополянский П.А., Соснин H.A. Восстановление вырубных штампов холодного деформирования методом плазменно-порошковой наплавки. В сб. Газотермическое напыление в промышленности - ГТНП-93. Докл. международн. семинара. СПб: 1993.- С.148.

[4. Ермаков С.А., Тополянский П.А., Слюсарев В.В., Соснин H.A. Плазменная порошковая наплавка с пилотной дугой. В сб. Напыление и покрытия - 95. Международн. научно-технич. конфер. СПб: 1995.- С. 126.

■5. Тополянский П.А., Соснин H.A., Ермаков С.А. Плазменные порошковые покрытия в инструментальном производстве машиностроительных предприятий. В сб. Напыление и покрытия - 95. Международн. научно-технич. конфер. СПб: 1995,-С. 140-142.

[6. Слюсарев В.В., Ермаков С.А., Соснин H.A. Плазменная поверхностная закалка и наплавка с пилотной дугой - перспективные технологии в энергомашиностроении и ремонте. В сб. Симпозиум и международная выставка "Энергетика-95". СПб: 1995,- С.252-255.

:7. Соснин H.A., Ермаков С.А., Вичик Б.Л., Каплан В.Ю. Разработка и испытание универсальных малогабаритных плазмотронов. В сб.

Применение в промышленности высокопроизводительных cnocoooi наплавки. Л: 1979,- С.100-101.

18. Соснин H.A., Ермаков С.А., Шемонаев Л.Ф. Усовершенствование плазмотронов для ручной и механизированной сварки. В сб. 31-е итоговое совещание по сварке. Л: 1980,- Судостроение,- С.117-118.

19. Соснин H.A., Ермаков С.А. Определяющая роль плазмообразующего сопла в формировании технологических характеристик сжатой сварочной дуги. В сб. 6-я Всесоюзная конференция "Теплофизика технологических процессов". 4.2. Ташкент: 1984,- С.114.

20. Соснин H.A., Ермаков С.А., Блюме Ф., Росерт Р. Наплавка тонких слоев дуговым и плазменным способами в инертных газах на обратной полярности. //Экспресс-информация "Сварка". - 1984.- №3.- М: ВИНИТИ.

21. Соснин H.A., Тополянский П.А., Ермаков С.А. Использование универсальных плазменных установок при ремонте энергооборудования. В сб. Ремонт и восстановление энергооборудования, обеспечивающие гарантированный ресурс. СПб: МЦЭНТ.- 1995,- С.272.

22. Тополянский П.А., Соснин H.A., Ермаков С.А. Использование прогрессивных плазменных технологий для повышения надёжности и качества энергооборудования. В сб. Стратегия продления и восстановления ресурса энергетического оборудования. Отечественные и зарубежные сварочные и другие технологии. СПб: 1997.- С.181-185.

23. A.c. 880654 СССР. МКИ В23К 9/16. Горелка для плазменной обработки материалов./ Н.А.Соснин, С.А.Ермаков; ЛПИ им.М.И.Калинина. 2885144/25-27. Заявлено 20.02.80. Опубл. Б.И. 1981, № 42.

24. A.c. 1473225 СССР. МКИ В23К 9/16, 9/04. Плазмотрон для наплавки./ Н.А.Соснин, С.А.Ермаков, Б.Л.Вичик, В.П.Зайцев; завод "Электрик" им.Н.М.Шверника и ЛПИ им.М.И.Калинина. 4223603/24-27. Заявлено

09.03.87, Не публ.

25. A.c. 1646743 СССР. МКИ В23К 10/00. Устройство для плазменной обработки./ Б.Л.Вичик, С.А.Ермаков, В.П.Зайцев, А.Ю.Смирнов, Н.А.Соснин; завод "Электрик" им.Н.М.Шверника. 4627834/27. Заявлено

24.10.88. Опубл. Б.И. 1991, № 17.

26. A.c. 1690299 СССР. МКИ В23К 9/04. Способ наплавки или сварки./ Н.М.Ожегов, В.П.Пазына, Н.А.Соснин, С.А.Ермаков, Б.Л.Вичик, В.П.Зайцев. 4690828. Заявлено 12.05.89. Не публ.

27. A.c. 1295617 СССР. МКИ В23К 9/18, G01F 11/00. Импульсный порошковый питатель./ Б.Л.Вичик, С.А.Ермаков, Н.А.Соснин, Ю.И.Филиппов; завод "Электрик" им.Н.М.Шверника и ЛПИ им.М.И.Калинина. 3927315/25-27. Заявлено 27.05.85. Не публ.