Установка для плазмового наплавлення

Установка для плазмового наплавлення з аксіальною подачею плавкого електрода, яка складається з джерела живлення й плазмотрона, що має неплавкий електрод у вигляді внутрішнього сопла з порожнім каналом по осі мундштука для подачі плавкого електрода, розташованого СПІВВІСНО з каналом неплавкого електрода, і плазмоутворювального сопла, розташованого СПІВВІСНО з мундштуком для подачі плавкого електрода і порожнім каналом неплавкого електрода, який відрізняється тим, що джерело живлення виконано у вигляді однофазного трансформатора, який має дві вторинні обмотки із середньою точкою кожна, причому перша вторинна обмотка має відводи від кожної з и половин, з'єднані з анодами двох тиристорів, катоди цих тиристорів з'єднані разом і з'єднані за допомогою дроселя з мундштуком для подачі плавкого електрода, а також з конденсатором, другий полюс конденсатора з'єднаний із середньою точкою цієї обмотки і з загальним проводом, до якого підключено виріб, при цьому в ланцюг анода одного з тиристорів включений трансформатор струму, КІНЦІ обмотки з'єднані з анодами двох тиристорів, причому в анодний ланцюг одного з них включений трансформатор струму, катоди тиристорів з'єднані разом і за допомогою дроселя з'єднані з неплавким електродом плазмотрона, катоди цих тиристорів також підключені до конденсатора, другий кінець якого включений до загального проводу, при цьо му трансформатор струму, включений в анод тиристора, з'єднано зі схемою керування цими тиристорами, яка забезпечує одержання крутоспадної вольт-амперної характеристики, а КІНЦІ другої вторинної обмотки з'єднані з анодами двох тиристорів, причому в анодний ланцюг одного з тиристорів включений трансформатор струму, при цьому середня точка цієї обмотки з'єднана з катодами тих тиристорів, які через дросель підключені до мундштука для подачі плавкого електрода, а катоди тиристорів з'єднані разом і за допомогою дроселя підключені до сопла плазмотрона, до катодів тиристорів приєднаний також один полюс конденсатора, другий полюс якого з'єднаний із середньою точкою цієї обмотки, при цьому керуючі електроди цих тиристорів з'єднані зі схемою керування, яка забезпечує одержання крутоспадної вольт-амперної характеристики, а керуючий вхід цієї схеми з'єднаний з виходом пристрою порівняння, один вхід цього пристрою порівняння з'єднаний із трансформатором струму, який включено в анодний ланцюг одного з цих тиристорів, а другий вхід пристрою порівняння з'єднаний з виходом іншого пристрою порівняння, один із входів якого з'єднаний із трансформатором струму, включеного в анодний ланцюг тиристора, з'єднаного за допомогою дроселя з мундштуком для подачі плавкого електрода, другий вхід цього пристрою з'єднаний із задатчиком напруги, цей же задатчик напруги з'єднаний також із входом ще одного пристрою порівняння, другий вхід цього пристрою порівняння з'єднаний із загальним проводом і мундштуком для подачі плавкого електрода, а вихід пристрою порівняння - з входом схеми керування, яка забезпечує одержання жорсткої вольт-амперної характеристики, вихід цієї схеми керування з'єднано з керуючими електродами тих тиристорів, катоди яких за допомогою дроселів з'єднані з мундштуком для подачі плавкого електрода Винахід відноситься до зварювання, зокрема до плазмового наплавлення з аксіальною подачею плавкого електрода і може знайти застосування в машинобудуванні і при ремонті деталей переважно з легких металів і сплавів на їхній основі в різ (О ^00 ю 58462 них галузях промисловості і сільського господарства Відома установка [1] плазмового зварювання і наплавлення, що має стрижневий неплавкий електрод плазмотрона і мундштук для аксіальної подачі плавкого електрода через плазмотрон При цьому установка має два незалежних джерела живлення постійного струму Один - із жорсткою характеристикою (для живлення дуги плавкого електрода, другий - із крутоспадною ВАХ (для живлення плазмової дуги) Недоліком такої установки є нерівномірне нагрівання плазмовою дугою плавкого електрода, що у випадку застосування порошкового дроту, плющенки, а також дроту з легкоплавких металів (наприклад, алюмінію), веде до місцевого перегріву плавкого електрода, пропалам оболонки порошкового дроту чи плющенки, а при наплавленні алюмінієвим дротом - до вигорання дроту (із боку, зверненого до неплавкого електрода) По цій же причині плавкий електрод повинен бути строго прямолінійним При його кривизні різко росте нагрівання поверхні на внутрішньому радіусі кривизни Продуктивність наплавлення - недостатня для наплавлення великих виробів Установка громіздка і дорога через наявність двох джерел живлення Енерговитрати на наплавлення великі Відома також установка плазмового наплавлення з аксіальною подачею плавкого електрода у плазмотрон [2], прийнята за прототип, що має три неплавких електроди, розташованих по окружності на рівній відстані друг від друга (при цьому, живлення дуги плавкого електрода здійснюється від джерела живлення з жорсткої ВАХ, а живлення дуг неплавкого електрода - перемінним трифазним струмом від трансформатора, вторинні обмотки якого з'єднані зіркою, а середня крапка з'єднана з виробом) Ця установка значно простіше першої, дешевше, має менші енерговитрати при наплавленні, забезпечує більш високу продуктивність наплавлення (за рахунок нагрівання поверхні плавкого електрода активними плямами дуг з усіх боків, що забезпечує рівномірне нагрівання плавкого електрода) Все-таки в цій установці є недоліки 1 Необхідно два джерела живлення (трифазної дуги перемінного струму і постійного струму для дуги плавкого електрода) 2 Через наявність трьох неплавких електродів плазмотрон стає громіздким (як наслідок з цього напівавтоматичне наплавлення вести їм важко, крім того, необхідно 3 кабелі для живлення 3-х фазним струмом 3-х електродів Якість наплавленого металу лише трохи краще, ніж якість наплавленого металу, що забезпечується при наплавленні на установці, описаної в [1] Для роботи установки потрібна 3-х фазна мережа Метою винаходу є зниження вартості установки, зменшення її габаритів і ваги, зниження енерговитрат при наплавленні, зменшення ваги і габаритів плазмотрона, що особливо важливо в разі потреби напівавтоматичного наплавлення, застосування для живлення установки однофазної мережі й підвищення якості наплавленого металу (особливо при наплавленні легких металів) В основу винаходу поставлена задача удоско налити установку для плазмового наплавлення шляхом зміни форми конструктивних елементів, їх наявність та взаємне розташування для забезпечення підвищення якості наплавленого металу, а також зменшення енерговитрат при наплавленні й вартості установки Для вирішення поставленої задачі в установці для плазмового наплавлення з аксіальною подачею плавкого електрода, яка складається з джерела живлення й плазмотрона, що має неплавкий електрод у виді внутрішнього сопла з порожнім каналом по осі мундштука для подачі плавкого електрода, розташованого соосно з каналом неплавкого електрода, і плазмоутворюючого сопла, розташованого соосно з мундштуком для подачі плавкого електрода і порожнім каналом неплавкого електрода, згідно винаходу джерело живлення виконано у виді однофазного трансформатора, який має дві вторинні обмотки із середньою точкою кожна, причому перша вторинна обмотка має відводи від кожної з и половин, з'єднані з анодами двох тиристорів, катоди цих тиристорів з'єднані разом і з'єднані за допомогою дроселя з мундштуком для подачі плавкого електрода, а також з конденсатором, другий полюс конденсатора з'єднаний із середньою точкою цієї обмотки і з загальним проводом, до якого підключений виріб, при цьому в ланцюг анода одного з тиристорів включений трансформатор струму, КІНЦІ обмотки з'єднані з анодами двох тиристорів, причому в анодний ланцюг одного з них включений трансформатор струму, катоди тиристорів з'єднані разом і за допомогою дроселя з'єднані з неплавким електродом плазмотрона, катоди цих тиристорів також підключені до конденсатора, другий кінець якого включений до загального проводу, при цьому трансформатор струму, включений в анод тиристора, з'єднаний зі схемою керування цими тиристорами, яка забезпечує одержання крутоспадної вольтамперної характеристиці, а КІНЦІ другої вторинної обмотки з'єднані з анодами двох тиристорів, причому в анодний ланцюг одного з тиристорів включений трансформатор струму, при цьому середня точка цієї обмотки з'єднана з катодами тих тиристорів, які через дросель підключені до мундштука для подачі плавкого електрода, а катоди тиристорів з'єднані разом і за допомогою дроселя підключені до сопла плазмотрона, до катодів тиристорів приєднаний також один полюс конденсатора, другий полюс якого з'єднаний із середньою точкою цієї обмотки, при цьому керуючі електроди цих тиристорів з'єднані зі схемою керування, яка забезпечує одержання крутоспадної вольтамперної характеристики, а керуючий вхід цієї схеми з'єднаний з виходом пристрою порівняння, один вхід цього пристрою порівняння з'єднаний із трансформатором струму, який включено в анодний ланцюг одного з цих тиристорів, а другий вхід пристрою порівняння з'єднаний з виходом іншого пристрою порівняння, один із входів якого з'єднаний із трансформатором струму, включеного в анодний ланцюг тиристора, з'єднаного за допомогою дроселя з мундштуком для подачі плавкого електрода, другий вхід цього пристрою з'єднаний із задатчиком напруги, цей же задатчик напруги з'єднаний також із входом ще одного пристрою 58462 порівняння, другий вхід цього пристрою порівняння з'єднаний із загальним проводом і мундштуком для подачі плавкого електрода, а вихід пристрою порівняння з входом схеми керування, яка забезпечує одержання жорсткої вольтамперної характеристики вихід цієї схеми керування з'єднано з керуючими електродами тих тиристорів, катоди яких за допомогою дроселів з'єднані з мундштуком для подачі плавкого електрода Установка містить плазмотрон з неплавким електродом у виді внутрішнього сопла, по осі якого подається плавкий електрод, силовий однофазний трансформатор із двома вторинними обмотками, що мають середній ВІДВІД Одна з цих обмоток з'єднана середнім відводом із мундштуком подачі плавкого електрода, а КІНЦІ ЦІЄЇ обмотки - з анодами двох тиристорів Катоди тиристорів з'єднані разом і підключені до сопла плазмотрона через дросель Середній ВІДВІД обмотки й катоди тиристорів зашунтовані конденсатором Друга обмотка також має середній ВІДВІД, ЯКИЙ з'єднаний з виробом, а також відводи, з'єднані з анодами двох тиристорів Катоди цих тиристорів з'єднані через дросель із плавким електродом КІНЦІ другої вторинної обмотки з'єднані з анодами двох тиристорів Катоди цих тиристорів з'єднанні через дросель із неплавким електродом Схема керування передбачає незалежне регулювання струму неплавкого електрода при крутоспадної вольтамперної характеристиці, незалежне регулювання напруги на дузі плавкого електрода - при жорсткої вольтамперної характеристиці й регулювання струму дуги Плавкий електрод - Сопло (ПЕ-С) у залежності від струму плавкого електрода - при спадної вольт амперної характеристиці При роботі установки одночасно горить три дуги Неплавкий електрод - Виріб (НЕ-В), при цьому катодом є виріб Плавкий електрод - Виріб (ПЕ-В) (катод) і Плавкий електрод - Сопло (ПЕ-С), причому катодом є плавкий електрод У результаті горіння останньої дуги поверхня плавкого електрода очищається від окислів, що особливо важливо при наплавленні деталей з легких металів Крім того, забезпечується нагрівання катодною плямою дуги поверхні плавкого електрода, що приводить до збільшення швидкості його плавлення, зменшенню глибини проплавлення основного металу, зниженню частки основного металу в наплавленому шарі Нагрівання плавкого електрода дугою, яка горить між ним і соплом (пряма дуга), більш ефективний ніж нагрівання плазмовою дугою, яка горить між неплавким електродом і виробом (для плавкого електрода ця дуга є непрямою) Тому процес наплавлення стає нечуттєвим до скривлення плавкого електрода (неминучому при напівавтоматичному наплавленні) При напівавтоматичному наплавленні важко витримати постійним відстань від плазмотрона до виробу Зміна цієї відстані порушує режим наплавлення, тому що саморегулювання дуги плавкого електрода (у цьому випадку) нерозвинене через низький градієнт спадання напруги в дузі плавкого електрода, обумовленого як легкоюнізуючим аргоном, так і ЗОВНІШНІМ джерелом іонізації - плазмо 6 вою дугою Тому схема керування установки має вузол керування ВАХ живлення плазмової дуги (це забезпечує стабілізацію струму плазмової дуги при ЗМІНІ и довжини в процесі напівавтоматичного наплавлення) Схема керування тиристорами, які живлять дугу плавкого електрода, має зворотний зв'язок по напрузі і формує жорстку характеристику живлення дуги, що горить між плавким електродом і виробом (що поліпшує процес саморегулювання дуги) Схема керування дугою, що горить між соплом і плавким електродом, має зворотний зв'язок по струму (забезпечуючи крутоспадну характеристику живлення цієї дуги) і зворотний зв'язок по струму плавкого електрода Цим забезпечується пряма залежність струму дуги Сопло Плавкий електрод від струму дуги Плавкий електрод - Виріб Таким чином, при випадковому подовженні дуги (тобто збільшення відстані між плазмотроном і виробом) відбувається зниження струму дуги Плавкий електрод - Виріб, що викликає зниження струму дуги Сопло - Плавкий електрод Нагрівання плавкого електрода зменшується, його швидкість плавлення падає, що (при ПОСТІЙНІЙ ШВИДКОСТІ подачі електрода) веде до зменшення дугового проміжку між виробом і плавким електродом, а параметри процесу наплавлення відновлюються При зменшенні відстані між плазмотроном і виробом відбувається збільшення струму дуги Плавкий електрод - Виріб, при цьому збільшується і струм дуги Сопло - Плавкий електрод Унаслідок цього збільшується швидкість плавлення електрода, що плавиться, тому що збільшується його нагрів дугою Сопло - Плавкий електрод Прискорене плавлення плавкого електрода приводить до збільшення дугового проміжку Плавкий електрод - Виріб, що відновлює необхідний режим наплавлення На фіг 1 наведена схема установки для плазмового наплавлення, на фіг 2 - блок керування установки для плазмового наплавлення В якості джерела живлення застосовується однофазний зварювальний трансформатор ТІ (фіг 1), який має дві вторинні обмотки із середніми виводами Середній вивід верхньої вторинної обмотки 3 за схемою (фіг 1) з'єднано з виробом і заземлений Відводи ЦІЄЇ обмотки з'єднані з анодами тиристорів VS1 і VS2 (катоди яких з'єднані разом) Між катодами тиристорів VS1 і VS2 і виробом включений конденсатор СІ Катоди тиристорів VS1 і VS2 з'єднані через дросель 1 із мундштуком для подачі плавкого електрода В анодний ланцюг тиристора VS2 включений трансформатор струму ТТ1 КІНЦІ ЦІЄЇ обмотки з'єднані з анодами тиристорів VS3 і VS4 (причому в анодний ланцюг тиристора VS3 включений трансформатор струму ТТ2) Катоди ж цих тиристорів з'єднані разом і через дросель L2 приєднані до неплавкого електрода плазмотрона НЕ У точці з'єднання катодів тиристорів VS3 і VS4 приєднаний один полюс конденсатора С2, другий полюс цього конденсатора з'єднаний з виробом Друга вторинна обмотка трансформатора має середній ВІДВІД, з'єднаний з катодами тиристорів VS1 і VS2 КІНЦІ ЦІЄЇ обмотки з'єднані з анодами тиристорів VS5 і VS6 (причому в анодний ланцюг тиристора VS5 включений трансформатор струму ТТЗ) Катоди цих тиристорів з'єднані разом і через дросель L3 підключені до сопла плазмотрона Конденсатор СЗ включений між катодами тиристорів VS5 і VS6 і катодами тиристорів VS1 і VS2 Блок керування установки (фіг 2) містить пристрій порівняння Х2, з'єднаний з виводами 5 і 6 трансформатора струму ТТ2 і схемою керування тиристорами VS3, VS4 Тиристори VS1 і VS2 підключені до схеми керування СУ1, керуючий вхід якої з'єднаний із пристроєм порівняння XI, до якого підключені виводи 3 і 4 (ВІДПОВІДНО - мундштук плавкого електрода й виріб) Пристрій порівняння Х4 з'єднано з виводами обмотки трансформатора струму ТТ1, а його вихід із пристроєм порівняння ХЗ, яке з'єднано з виводами трансформатора струму ТТЗ Вихід цього пристрою порівняння з'єднано із схемою керування СУЗ, виходи схеми керування - із тиристорами VS5 і VS6 При цьому пристрій порівняння Х2 з'єднано з окремим задатчиком напруги ІІздцг, а пристрої порівняння XI і Х4 мають загальний задатчик напруги и3дщ Установка працює таким чином струм плазмової дуги, яка горить між неплавким електродом НЕ і виробом В, задається задатчиком ІІздцг Зворотний зв'язок по струму здійснюється за допомогою трансформатора струму ТТ2, завдяки чому здійснюється негативний зворотний зв'язок по струму й характеристика джерела живлення цієї дуги стає круто спадною Конденсатор С2 і дросель L2 згладжують пульсації живильної напруги, крім того, дросель L2 не дозволяє миттєво розрядитися на дуговий проміжок конденсатору С2 Живлення дуги Плавкий електрод - Виріб (ПЕВ) здійснюється від частини витків вторинної обмотки трансформатора Т1, регулювання напруги, яка живить цю дугу, здійснюється за рахунок тиристорів VS1 і VS2, керованих схемою керування СУ1 Від пристрою порівняння XI на пристрій порівняння Х1 подається напруга від задатчика ІІздці і напруга з крапки 3 (мундштук для подачі плавкого електрода) і крапки 4 - виріб Таким чином схема тиристорного випрямляча VS1-VS2 працює в режимі стабілізації напруги й характеристики джерела живлення дуги Плавкий електрод (ПЕ) -Виріб (В) стає жорсткою, що поліпшує саморегулювання дуги плавкого електрода Конденсатор С1 згладжує пульсації зварювального струму, дросель L1 згладжує пульсації зварювального струму і перешкоджає швидкому розряду конденсатора С1 на дуговий проміжок Між СОПЛОМ (С) І плавким електродом (ПЕ) горить дуга, яка живиться через дросель L3 від випрямляча на тиристорах VS5 і VS6 Конденсатор СЗ служить для згладжування пульсацій струму дуги Дросель L3 також згладжує пульсації струму дуги і перешкоджає швидкому розряду конденсатора СЗ на дуговий проміжок Схема керування випрямляча VS5-VS6 охоплена негативним зворотним зв'язком по струму Датчиком струму служить трансформатор струму ТТЗ Напруга із задатчика ІІздці надходить на пристрій порівняння Х4 На цей же пристрій надходить напруга з трансформатора струму ТТ1 Результуюча напруга подається на пристрій порівняння ХЗ (куди подається і напруга з трансформатора стру 58462 8 му ТТЗ) Вивід ЦЬОГО пристрою зв'язаний з керуючим входом схеми керування СУЗ тиристорами VS5-VS6 (у результаті, при збільшенні струму дуги Плавкий електрод - Сопло, кут відмикання тиристорів VS5 і VS6 збільшується і струм дуги падає) При збільшенні струму дуги Плавкий електрод Виріб сигнал із пристрою порівняння Х4 збільшується (цей сигнал є для пристрою порівняння ХЗ сигналом задатчика), кут відмикання тиристорів VS5 і VS6 зменшується і струм дуги Плавкий електрод - Сопло зростає При цьому зростає і нагрів плавкого електрода дугою Плавкий електрод Сопло, так як активна катодна пляма цієї дуги знаходиться на бічній поверхні плавкого електрода Отже, при збільшенні швидкості плавлення плавкого електрода (що при ПОСТІЙНІЙ ШВИДКОСТІ подачі плавкого електрода веде до збільшення довжини дугового проміжку між плавким електродом і виробом і зниженню струму дуги Плавкий електрод Виріб) - режим наплавлення відновлюється При випадковому подовженні дуги Плавкий електрод - Виріб відбувається зменшення струму дуги Плавкий електрод - Виріб (при цьому зменшується і струм дуги Плавкий електрод - Сопло, підігрів плавкого електрода зменшується, його швидкість плавлення падає, дуговий проміжок Неплавкий електрод - Виріб зменшується, струм плавкого електрода збільшується - режим зварювання відновлюється) Для дуги, що горить між соплом і плавким електродом (С-ПЕ), плавкий електрод є катодом Це приводить до очищення поверхні плавкого електрода від окислів (ефект катодного очищення) і зниженню КІЛЬКОСТІ неметалічних включень оксидного характеру в наплавленому металі (що особливо важливо при наплавленні легких металів, а також - високолепрованих сталей) Так як нагрів активною плямою дуги на порядок вище, ніж нагрівши стовпом дуги, ефективність нагрівання плавкого електрода стає вище (що дозволяє знизити струм плазмової дуги Неплавкий електрод - Виріб) Це приводить до зменшення навантаження в неплавкий електрод, що дозволяє зменшити його розміри, знизити перетин живильного його зварювального кабелю, зменшити потужність зварювального трансформатора Т1 Одночасно при цьому, ефективність нагрівання плавкого електрода теплом плазмової дуги знижується, що дозволяє уникнути підплавлення його поверхні при непрямолінійності форми плавкого електрода Нагрівання плавкого електрода активною плямою дуги Сопло - Плавкий електрод залежить лише від сили струму цієї дуги і (при крутоспадної характеристиці випрямляча VS5, VS6) скривлення електрода не роблять впливу на його нагрів Якщо в установці [2] до плазмотрона необхідно було підвести 6 живильних кабелів, то в розробленій установці - тільки 3 кабелі Однофазна схема живлення установки робить її простіше і менше по вазі й габаритам Через більш ефективне нагрівання металу плавкого електрода активною плямою дуги Плавкий електрод - Сопло, струм плазмової дуги вдається знизити з 140А до 50А Струм же дуги Сопло - Плавкий електрод складає 10-25А, що забезпечує економію електро 58462 10 шиностроение, 1978-501 с енергії при наплавленні 2 Макаренко Н А , Кондратов К А ВосстановТаким чином, запропонована установка доление и упрочнение штампов и пресс-форм // Удозволяє одержати наплавлений метал підвищеної сканалення процесів та обладнання обробки тисякості, зниження енерговитрат при наплавленні й ком в металургії і машинобудуванні Тематичний зменшення вартості установки збірник наукових праць - Краматорськ, ДДМА, СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 2001 - С 101-103 1 Сварка в машиностроении Справочник в 4х томах Т І /Под ред Н А Ольшанского, М Ма Фіг.] Фіг.2 Комп'ютерна верстка Н Кураєва Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа,8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна