NAPAWANIE PLAZMOWE

Napawanie plazmowe jest jedną z najbardziej nowoczesnych technologii nanoszenia warstw. Metodą tą można uzyskać powłoki z materiałów trudno topliwych, trudnościeralnych.

P l a z m ą jest przewodzący elektrycznie, rozrzedzony, zjonizowany gaz, o dostatecznie dużej koncentracji cząstek naładowanych, w którym istnieje w zasadzie taka sama liczba elektronów i jonów dodatnich. Jest to mieszanina quasi obojętna.

Każda substancja może przejść w stan plazmy w wyniku jonizacji termicznej zachodzącej w odpowiednio wysokiej temperaturze; dlatego czasem i dziś plazmą nazywa się czwartym stanem materii (ze wzrostem temperatury następują przejścia: ciało stałe - ciecz - gaz - plazma). Plazma powstaje również podczas wyładowań elektrycznych w rozrzedzonych gazach przy dużych napięciach. Właściwości elektryczne plazmy przypominają właściwości metali.

W technikach elektronowych uszlachetniania powierzchni wykorzystuje się

plazmę wyładowania elektrycznego w gazach, tzw. plazmę niskotemperaturową

otrzymywaną w próżni technicznej (przy ciśnieniu 10^3-10 Pa i niższym, w temperaturze ,

do 104 K). Najczęściej wykorzystuje się wyładowanie jarzeniowe  w gazach:  neonie, argonie i azocie, zachodzące przy małych i średnich ciśnieniach gazu (od kilku paskali do kilku kilopaskali). Charakteryzuje je duży spadek potencjał w pobliżu katody, silnie rozwinięta jonizacja zderzeniowa, emisja wtórna elektronów z katody oraz określony rozkład úświecenia gazu w przestrzeni międzyelektrodowej, będący funkcją rodzaju i ciśnienia gazu .

Przez odpowiednie ukształtowanie obszaru wyładowania i utworzenia układu pól elektrycznych można elektrony powstające w obszarze wyładowania bądż ekstrahować z tego obszaru w celu utworzenia wiązki elektronowej, bądż wykorzystać wraz z innymi cząstkami do bombardowania katody metalowej i wybijania z niej elektronów (emisja wtórna).

Urządzenia do napawania plazmowego

Techniczne urządzenia służące do wytwarzania plazmy zwane są generatorami plazmy, palnikami plazmowymi lub plazmotronami istnieje szereg typów plazmotronów o różnym sposobie doprowadzenia do stanu jonizacji. Najbardziej typowym, używanym w spawalnictwie są palniki łukowe.

rys. 1

1-zasilanie główne, 2-elektroda wolframowa, 3-przedmiot napawany, 4-dysza, 5- jonizator,

6- zasilanie pomocnicze, 7-strumień plazmy, 8-komora jonizacyjna, 9-przewód doprowadzający proszek służący do napawania, 10-dodatkowa komora do gazu ochronnego, 11-przewód doprowadzający argon

Do napawania plazmowego stosuje się palnik kombinowany o luku wewnętrznym i zewnętrznym. Na rysunku 1 pokazano schemat palnika do napawania plazmowego.

Można je podzielić na :

-palniki z łukiem wewnętrznym (pośrednim)

-palniki z łukiem zewnętrznym (bezpośrednie).

jak widać ze schematu palnik plazmowy  do napawania zasilany jest dwoma źródłami prądu : jedno włączone między katoda, a dyszą daje łuk wewnętrzny, który powoduje nagrzanie i nadtopienie proszku podawanego przez dozownik ; drugie zaś włączone między katodą a przedmiotem  napawanym tworzy łuk zewnętrzny, który ma za zadanie nadtopienie podłoża, a tym samym zespawanie z podłożem nadtopionych cząstek. Takie połączenie źródeł prądu daje możliwość napawania materiałami trudnotopliwymi przy małym  stopniu wymieszania z

podłożem.

Technika napawania plazmowego

Przed przystąpieniem do procesu napawania należy : oczyścić i odtłuścić powierzchnie podłoża, dobrać odpowiedni proszek oraz parametry napawania, napawać jedno lub wielowarstwowo.

Napawanie plazmowe posiada następujące zalety:

-               umożliwia nanoszenie warstw z różnych materiałów o grubości

            0,25-5,0 mm,

-              napawanie warstwy odznaczają się bardzo małym              stopniem

           wymieszania z materiałem podłoża (do5%),

-                     nieznaczne odkształcenia napawanego elementu, dzięki dużej intensywności

            źródła ciepła oraz niedużego przetopu materiału

-               dzięki możliwości zautomatyzowania i znacznej wydajności

            (0,5 - 4,5 kg/h), charakteryzuje się stosunkowo niskim kosztem procesu.

Materiały proszkowe do napawania plazmowego

Ze względu na wysoką temperaturę strumienia plazmy (kilku tysięcy do kilkunastu

tysięcy K), przy jej pomocy nanosi się również materiały trudnotopliwe. Mogą to być czyste metale, stopy metali, tlenki, węgliki i materiały mieszane. W tablicy 1 padano rodzaje materiałów stosowanych do napawania lub napylania plazmowego. Przy napawaniu plazmowym stosuje się proszki o ziarnistości około 200 m. Proszki te powinny mieć kształt sferoidalny lub zbliżony do niego. Proszki węglikowe stosowane przy napawaniu plazmowym

powinny byă połączone z tzw. stopową fazą która zabezpiecza je przed rozpadem w wysokiej temperaturze plazmy. Twardość napoi nakładanych metodą plazmy zawiera się w szerokich

granicach i wynosi 30 - 70 HRC.

Tab. 1

SPAWAME METODĄ TIG

Spawanie łukowe elektrodŕ wolframowe w osłonie gazów obojętnych  (argon, hel),

nazwa pochodzi od skrótu angielskiego określenia Tungsten Inert Gas Welding.

Metoda TIG (w literaturze niemieckiej WIG) praktycznie umożliwia spawanie pra-

wie wszystkich metali i ich stopów, a także łączenie  ze sobą. Różnych metali. Przy-

kłodawo spawaă można stale stopowe, żeliwo, metale nieżelazne jak magnez, alu-

minium, miedź, a także metale rzadkie: tytan, cer. Stopiwo jest :. czyste i zwarte,

a złącze spawane odznacza się bardzo dobrymi właściwościami metalicznymi. Spa-

wanie metali nieżelaznych i ich stopów nie wymaga używania topników, stosowa-

nych przy innych metodach spawania i będących często źródłem korozji. Metoda

TIG stosowana jest również z powodzeniem do napawania, a w szczególności do na-

pawania nowych i regeneracji zużytych narzędzi, na przykład frezów, tłoczników,

wykrojników. ~

Metoda cechuje możliwość spawania we wszystkich pozycjach, dobre formowanie

się warstwy graniowej, nieznaczne odkształcenia wobec dużej koncentracji ciepła.

Zwykle spawa się blachy o grubości od 1 do 10 mm. Metoda TIG stosowana jest głów-

nie w przemyśle: a) lotniczym (Mg, A1 i ich stopy, stal stopowa), b) chemicznym i

browarniczym (Al, Cu, stal nierdzewna), c) budowy turbin 'gazowych, d) elektro-

technicznym, e) elektronicznym.

Istota metody TIG

Łuk jarzy się miedzy elektrodą nietopliwą (wolframową) a przedmiotem spawa-

nym.

Elektrodę, łuk i jeziorko spawalnicze chroni strumień argonu, helu lub mieszanki

tych obojętnych gazów przed szkodliwym działaniem otaczającego powietrza

(rys. 6.2). ;!

Spoiwo w kształcie pręta, doprowadzane do miejsca spawania pod kątem około

15°, stapia się w luku podobnie jak to ma miejsce podczas spawania gazowego. Spoi-

wo może też być doprowadzane w sposób ciągły, pod postaciŕ drutu odwijającego się

z bębna. Spawać też można bez dodatku spoiwa.

Ten lub inny sposób zależny jest od grubości blach i sposobu ich przy-

gotowania do spawania. Blachy o grubości do 5 mm spawa się jednowarstwowo.

Z elektrod nietopliwych najbardziej odpowiednią okazała się elektroda wolframo-

wa (średnica od 0,5 do 8 mm). żywotność (trwałość) elektrody jest tym dłuższa, a

punkt topliwości tym wyższy, im czystsza (chemicznie) jest elektroda. Nieznaczny

dodatek dwutlenku toru Th02 lub dwutlenku ceru Ce02 do elektrody wolframowej

zwiększa emisję elektronów, wpływa na łatwiejsze zajarzenie łuku i jego trwałość

(stabilność), zezwala na większe obciążenie prądowe, a ponadto prawie całkowicie

eliminuje wędrowanie łuku. Własności te pożądane są zwłaszcza przy małych natę-

żeniach prądu. Trwałość (żywotność) elektrody wolframowej wynosi około 40 godzin

nieprzerwanej pracy.

GAZY OCHRONNE

Przy wyborze gazu ochronnego uwzględnia się tak jego własności chemiczne

(czynny, obojętny), jak i fizyczne, na przykład: potencjaů jonizacji, gradient napiję-

cia, gęstość lepkość, przewodność cieplną i elektryczną Czystość gazu ma istotny

wpływ na przebieg procesu spawania. Gazy lub ich mieszanki, przy pełnej przyda-

tności powinny byă możliwie tanie.

Gazami ochronnymi w przypadku metody TIG sŕ gazy szlachetne: argon Ar

(przeważnie w Europie) oraz hel He (przeważnie w USA posiadających bogate źródła helu). Sŕ to gazy niepalne (bezpieczne), nietoksyczne, bezbarwne, pozbawione

smaku, nie rozpuszczające się ani w ciekłym metalu, ani w cieczach. Pozostałe gazy

szlachetne (neon Ne, krypton Kr, ksenon Xe oraz radon Rn) nie znalazły zastosowania

z uwagi na wysoki koszt otrzymywania.

Należy spodziewać się, że w Polsce hel będzie wykorzystywany do celów :

spawalniczych ze względu na bogate w hel złoża gazu ziemnego w Odolanowie (w pobliżu

Ostrowa Wielkopolskiego). Gaz ziemny w Odolanowie należy do złóż o najbogatszej

w úwiecie zawartości helu. W Odolanowie znajdują się najnowocześniejsze i największe

wytwórnie ciekłego helu w Europie (według prof. Kropa w Krakowie).

Argon

Argon, którego zawartoúă w powietrzu wynosi około 1%, jest ubocznym produktem

przy otrzymywaniu tlenu z powietrza. Liczba atomowa 18, masa cząsteczkowa, 4.-c : a

39,94. Gęstość argonu wynosi 1,78 g/dm(powietrze 1,29) przy 0°C i 760 mm Hg.

więc prawie 1,4 razy cięższy od powietrza. Potencjaů jonizacji argonu wynosi ; , V

(tle, 24,5 V). Gradient napięcia dodatniego słupa łuku argonowego ~ 6 V/c ,

42 V/cm). Argon daje łatwiejsze zajarzenie łuku w porównaniu z He, łuk stabilny

także przy znacznych wahaniach długości. Jego skłonność do turbulencji (burzliwego przepływu)

jest mniejsza od helu. Współczynnik przewodności cieplnej mniejszy niż helu. Dolna granica czysto ci argonu zależna jest od rodzaju spawanego

metalu, przykładowo: stale stopowe 99,2%, metale lekkie - 99,7%, wolfram, tytan,

cyrkon, tantal - 99,995%.

Hel

Hel otrzymuje się z bogatych w niego źródeł gazu ziemnego (USA), nie pot:

go z powietrza dla celów przemysłowych, gdyý jego zawartoúă w powietrzu

zaledwie 0,0005%. Liczba atomowa 2, masa cząsteczkowa 4,003, gęstość  wynosi

0,1785 g/dm3, jest więc to gaz przeszło siedmiokrotnie lżejszy od powietrza, a.

dziesięciokrotnie od argonu. Potencjaů jonizacji helu wynosi 24,5 V (argonu 15,7)

Gradient napięcia dodatniego słupa łuku helu ~42 V/cm (argonu ~6 V/cm). Trudniejsze

zajarzenie łuku w porównaniu z argonem. Współczynnik przewodności cieplnej

większy niý argonu. Do zalet helu należy zaliczyć głębsze wtopienie, większą

prędkość spawania, skuteczniejsze chłodzenie elektrody. Ponadto hel uważany jest za

bardziej odpowiedni w przypadku spawania aluminium i stopów. Wobec małej gęstości

, zużycie helu przy tej samej skuteczności ochrony co argonu jest znacznie

większe i wynosi około 150%. Wymagana czystość helu, jak I argonu zależna jest od

rodzaju spawanego materiału, np. w przypadku Ti wynosi 99,995%.

W celu wykorzystania zalet argonu i helu stosowane są mieszanki tych gazów

Przykładowo w przypadku spawania metali nieżelaznych mieszanka zawiera zwykle

65% Ar oraz 35% He. Spawanie tytanu i ceru wymaga dodatkowej ochrony za pomocą

Ar od strony grani spoiny, a także uprzednio podgrzania do około 450°C

ŻRÓDŁO PRĄDU

Do spawania metodą TIG stosowane jest zarówno źródło prądu stałego(biegunowość

ujemna, a w jednym tylko przypadku  dodatnia), jak i prądu przemiennego

w zależności od rodzaju materiału rodzimego, przeciwnie niż w przypadku elektrod

otulonych, których biegunowość  zależna jest głównie od rodzaju otuliny. Spoiwo

przeważnie o tym samym składzie co materiał rodzimy.

Metodą TIG, prądem stałym o biegunowości ujemnej spawa się

stale węglowe, stopowe i wysokostopowe  (nierdzewne, kwasoodporne), miedz, ołów,

srebro, tytan, cyrkon i ich stopy. Nie spawa się metali lekkich.

Metodą TIG, prądem stałym o biegunowości dodatniej (z uwagi

na własności oczyszczające) spawa się metale o trudno topliwej warstwie tlenków

małymi napięciami prądu ze wzglądu na silne grzanie się elektrody. 0becnie do

tego celu stosuje się jednak przeważnie prąd przemienny.

Metodą TIG, prądem przemiennym spawa się metale pokrywające się

warstewką trudno topliwych tlenków, jak np. aluminium i jego stopy lub magnez

i jego stopy. Prąd przemienny ma własności oczyszczające, czyli zdolność usuwania

warstwy tlenków. W czasie spawania prądem przemiennym, gdy elektroda jest

w okresie ujemnym, następuje małe jej grzanie ewentualnie nawet chłodzenie. Jeśli

jest w okresie dodatnim, a materiał ujemny, następuje katodowe oczyszczenie ma

teriału spawanego. W celu ułatwienia zajarzenia łuku i jego stabilizacji stosuje się

nakładanie prądu wysokiej częstotliwości rzędu od 300 do 500 Hz. Napięcie jałowe

~ 200 V. Koniec elektrody przybiera kształt odcinka kuli łagodnie przechodzącego

w elektrodę.

Podczas spawania prądem stałym na biegun ujemny przypada około 1/3 ilości

wydzielającego spić ciepła, a na biegun dodatni 2/3. Elektroda przyłączona do bie-

guna ujemnego jest w daleko mniejszym stopniu obciążona cieplnie, dzięki czemu jej

żywotność znacznie wzrasta, a ponadto nie zachodzi niebezpieczeństwo topnienia się

Koniec elektrody przybiera charakterystyczny kształt smukłego stożka. Przy bie-

gunowości ujemnej, elektrod może być obciążona nawet dziesięciokrotnie więk-

szym natężeniem prądu w p~ r. biegunowości dodatnią lub dwukrotnie

większym w porównaniu ze spawaniem prądem przemiennym,  zachowując swą

wartość użytkową.

Elektroda przyłączona do bieguna dodatniego, wobec bardzo dużego obciążenia.

cieplnego, narażona jest na stapianie się, wskutek czego wolfram może przedostać się do jeziorka. Koniec elektrody przybiera kształt sferyczno-kroplowy.

W wyniku spawania otrzymuje się szerokie lico spoiny i stosunkowo płytkie wtopienie. łuk niepewny, błądzący.

Samoczynnie oczyszczanie się metali lekkich z powłok trudno topliwych tlenków podczas spawania prądem stałym (biegunowość dodatnia) lub obecnie prądem ; . przemiennym tłumaczy  się silną emisją elektronów, rozlużniających i rozpylających warstwę tlenków. Ponadto w związku ze stosunkowo niskąŕ temperaturą parowania. a metalu (na przykład aluminium 2500°C), w porównaniu z temperaturą parowania pokrywających ich tlenków (w przypadku tlenków aluminium 3300°C), tworzące się gazy metalu rozrywajŕ powłokę tlenków.

SPAWANIE PUNKTOWE TIG

Spawanie bez przesuwu żródła ciepła względem materiału spawanego­

...