Плазматрон для порошкового напыления

Авторы патента:

B23K10 - Сварка или резка с использованием плазмы

Полезная модель относится к сварочному производству и касается плазмотронов, используемых для нанесения износостойких, жаростойких, фрикционных, антикоррозионных и других упрочняющих покрытий методом плазменного напыления. Плазмотрон для напыления порошковых материалов содержит расположенные в корпусе катодный и анодный узлы с токоподводами, межэлектродную вставку, расположенную между катодным и анодным узлами, систему охлаждения с каналами подачи охлаждающей среды, канал подачи плазмообразующего газа в радиальный канал вдувания порошка в струю плазмы. Анодный узел состоит из корпуса и расположенного в нем водоохлаждаемого сопла с каналом длиной 6-10 его диаметра, армированным тугоплавкой молибденовой втулкой, в котором выполнены радиальные каналы для вдувания порошка в струю плазмы, а его наружная поверхность выполнена с винтовым оребрением. Катодный узел состоит из корпуса и размещенного в нем катододержателя с катодом, выполненным из лантанированного вольфрама или гафния или циркония, в котором расположена вихревая трубка для охлаждения катода. Система охлаждения выполнена с возможностью охлаждения сначала катодного узла и затем - анодного узла.

Известен плазмотрон (SU 727369 А), содержащий корпус, катод и охлаждаемый сопло-анод, каналы подачи плазмообразующего газа и напыляемого порошка. Известный плазмотрон относится к группе плазмотронов, у которых катод расположен вблизи анода, что при работе на токах менее 300А не обеспечивает качественное покрытие за счет недостаточной длины дуги.

Известен плазмотрон для напыления порошковых материалов (RU 092981 С1, 10.10.1997), который содержит корпус, расположенные в нем катодный узел и анодный узел с токоподводами, межэлектродную вставку, канал подачи плазмообразующего газа в канал вдувания порошка в струю плазмы (прототип). Этот плазмотрон относится к группе плазмотронов, у которых катод и анод отделены друг от друга межэлектродной вставкой. Такие плазмотроны имеют преимущества перед плазмотронами первой группы, так как длина дуги у них может быть значительно увеличена и соответственно необходимая мощность достигается при более низких токах. Однако при использовании в плазмотронах активных плазмообразующих газов с увеличением мощности снижается степень сжатия дуги, ухудшается формирование газового потока, что может привести к снижению скорости потока плазменной струи и ослаблению воздействия на анодный участок дуги и соответственно ухудшение качества получаемого покрытия.

Задачей создания полезной модели повышение КПД нагрева порошка, увеличение ресурса работы плазматрона, обеспечение равномерного распределения порошка в плазменной струе и увеличения скорости напыляемых частиц.

Для этого в плазмотроне для напыления порошковых материалов, содержащем расположенные в корпусе катодный и анодный узлы с токоподводами, межэлектродную вставку, расположенную между катодным и анодным узлами, систему охлаждения с каналами подачи охлаждающей среды, канал подачи плазмообразующего газа в радиальный канал вдувания порошка в струю плазмы, анодный узел состоит из корпуса и расположенного в нем водоохлаждаемого сопла с каналом длиной 6-10 его диаметра, армированным тугоплавкой молибденовой втулкой, и в котором выполнены радиальные каналы для вдувания порошка в струю плазмы, а его наружная поверхность выполнена с винтовым оребрением, катодный узел состоит из корпуса и размещенного в нем катододержателя с катодом, выполненным из лантанированного вольфрама или гафния или циркония, в котором расположена вихревая трубка охлаждения катода, а система охлаждения выполнена с возможностью охлаждения сначала катодного узла и затем - анодного узла.

На фиг.1 представлен плазмотрон в разрезе.

Плазмотрон состоит из расположенных в корпусе 10 катодного узла и анодного узла, соединенных друг с другом через межэлектродную вставку в виде изоляционно-распределительной прокладки 7. Катодный узел состоит из корпуса 1 и размещенного в нем катододержателя со сменным катодом 5, выполненным из лантанированного вольфрама или гафния или циркония. В катоде размещена вихревая трубка 3 для охлаждения катода 5. Анодный узел состоит из корпуса 9 и расположенного в нем водоохлаждаемого сменного сопла 8 из меди с каналом длиной 6-10 его диаметра, армированным тугоплавкой молибденовой втулкой. В сопле 8 выполнены радиальные каналы 12 для вдувания порошка в струю плазмы. Наружная поверхность сопла 8 выполнена с винтовым оребрением, что позволяет повысить эффективность охлаждения. К анодному корпусу 9 подведен положительный потенциал от источника тока через водоохлаждаемый кабель. Катодный и анодный узлы интенсивно охлаждаются водой, для чего плазмотрон имеет систему охлаждения в виде каналов 2, 13 и 14, которая выполнена так, что сначала охлаждает катодный узел, а затем - анодный.

Плазмотрон обеспечивает преобразование электрической энергии в тепловую в виде плазменной струи, в которой происходит разогрев и транспортирование напыляемых порошковых материалов на обрабатываемую поверхность. Плазменная струя образуется за счет дугового разряда в плазмотроне между водоохлаждаемыми катодом и соплом анодом. К электродам подводится напряжение постоянного тока от источника питания(на чертеже не показано). Плазмообразующие газы подаются в промежуточную область между катодом и соплом. Вид газа, его расход определяют теплофизические характеристики плазменной струи: удельную энтальпию, температуру и скорость истечения газа в различных сечениях по оси потока. На нагрев плазмообразующего газа расходуется около половины подводимой мощности. Подача напыляемых порошков осуществляется в радиальном направлении на анодном участке плазмотрона по двум трубкам 12. Дугу возбуждают между катодом 5 и соплом 8 пробоем высокочастотного искрового разряда высокого напряжения при подаче рабочего напряжения на электроды. Электрическая дуга горит между катодом 5 и внутренней поверхностью медного сопла 8. Анодное пятно дуги перемещается по внутренней стенке канала сопла, а столб дуги оказывается стабилизированным по оси катода и сопла. Плазмообразующий газ, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и истекает из сопла плазмотрона в виде плазменной струи. Наружный слой газа остается холодным и образует электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла, предохраняя сопло от разрушения. Кроме того, наружный слой газа охлаждает столб дуги, в результате чего сечение столба уменьшается, а плотность потока и температура возрастают. Материал покрытия в виде мелкодисперсного порошка подается через сопло 8 в поток плазменной струи, где нагреваясь и расплавляясь в этом потоке, переносится с ним на обрабатываемое изделие. Благодаря высокой скорости плазменной струи частицы порошка приобретают значительную кинетическую энергию и при соударении с напыляемой поверхностью расплющиваются, заполняя неровности. При этом кинетическая энергия частиц при ударе создает условия для образования прочного соединения.

За счет увеличенной в 1,5-2 раза длиной канала сопла обеспечивается повышение стойкости катодно-сопловых элементов. Удлиненные каналы сопла позволяют увеличить длину дуги, повысить напряжение на дуге и ее мощность. Основным преимуществом данной конструкции является то, что мощность дуги повышается не за счет тока дуги, что ограничивается стойкостью анода, а за счет повышения напряжения на дуге. За счет того, что внутренний диаметр канала анода армирован тугоплавкой молибденовой втулкой с толщиной стенки 0,5-1 мм, повышается работоспособность сопла при высоких температурах. Наличие внутренней вихревой трубки позволяет интенсифицировать охлаждение катода и повысить ресурс его работы.

Плазмотрон для напыления порошковых материалов, содержащий расположенные в корпусе катодный и анодный узлы с токоподводами, межэлектродную вставку, расположенную между катодным и анодным узлами, систему охлаждения с каналами подачи охлаждающей среды, канал подачи плазмообразующего газа в радиальный канал вдувания порошка в струю плазмы, отличающийся тем, что анодный узел состоит из корпуса и расположенного в нем водоохлаждаемого сопла с каналом длиной 6-10 его диаметра, армированным тугоплавкой молибденовой втулкой, в котором выполнены радиальные каналы для вдувания порошка в струю плазмы, а его наружная поверхность выполнена с винтовым оребрением, катодный узел состоит из корпуса и размещенного в нем катододержателя с катодом, выполненным из лантанированного вольфрама или гафния или циркония, в котором расположена вихревая трубка для охлаждения катода, а система охлаждения выполнена с возможностью охлаждения сначала катодного узла и затем анодного узла.

РИСУНКИ