Распылительная сварка: Процесс, техники и безопасность

Что такое распылительная сварка?

Распылительная сварка (spray welding) — термин, объединяющий несколько сварочных процессов в форме термического напыления. Это промышленная операция, при которой порошок или проволока распыляются с высокой скоростью сжатым газом и наносятся на металлическую поверхность.

Используются промышленная плазма, пламя, детонационные пушки, дуговое напыление, высокоскоростное окси-топливное напыление (HVOF). Из-за значительного тепла, выделяемого при брызговидном переносе, процедуры и регламенты должны строго соблюдаться для предотвращения вреда людям и окружающей среде.

Связано: Что такое сварка?

Как работает распылительная сварка?

Термическое напыление — общий термин для множества процессов покрытия. Весь процесс включает напыляемый материал (стержень, порошок, проволоку), который плавится различными источниками энергии.

Простыми словами: промышленный процесс покрытия, состоящий из источника тепла и напыляемого материала, расплавленного в капли и распыляемого с высокой скоростью. Распыл направляется на субстрат атомизирующей струей или газом.

Термическое напыление — универсальный и высокоэффективный процесс. Может быть альтернативой термообработке, нитрированию, хромированию, никелированию, анодированию и др.

Толщина покрытия варьируется по желанию. Покрытие восстанавливает изношенные компоненты и базовые детали станков. Также применяется для повышения производительности и долговечности элемента — срок службы может увеличиться на 70% при правильном обращении.

Связано: Что такое термическое напыление?

Различные техники распылительной сварки

1. Дуговая сварка распылением (Spray Arc Welding)

Один из процессов переноса металла от электрода/проволоки к шву. Крошечные капли расплавленного металла проходят через дугу и оседают на основной металл или стык.

Перенос распылением идеален для толстых металлов при стыковых или угловых швах. Не подходит для пространственных позиций: летящие капли и гравитация создают неблагоприятные условия.

Технически: распыл расплавленного металла, переносимый через дугу, как вода из шланга с дюзой. Сварка распылением снижает брызги и дает более тонкий шов.

Процесс

Задействуются высокие ток и напряжение. При приближении проволоки к основному металлу возникает ток до касания. Ток быстро нагревает и плавит проволоку. Расплавленный металл движется в виде микрокапель через дугу — отсюда название.

При идеальном сочетании защитного газа, металла, диаметра проволоки и расстояния кончик-düза достигается высокая производительность наплавки. Процесс также называют осевым распылением.

Ток должен превышать переходной ток. Только тогда металл переносится каплями, а не просто плавится. Требуются высокие токи и достаточное напряжение для бесбрызгового шва.

Преимущества

• Высокая производительность наплавки металла
• Хорошее плавление и прогрев
• Отличный внешний вид шва
• Возможность использования электродов большого диаметра
• Минимальное брызгобразование

Несмотря на обширные плюсы, метод имеет существенные ограничения.

Ограничения

• Только для толстых материалов (~3 мм и более)
• Ограничен плоскими и горизонтальными угловыми швами
• Не подходит для швов с открытым корнем

2. Пламенное напыление (Flame Spraying)

Оригинальная техника термического напыления (~100 лет назад). Использует принципы сварочной горелки с добавлением высокоскоростного воздушного потока для разгона расплавленных частиц на субстрат.

Материал покрытия — проволока или порошок. Пламенные покрытия часто доплавляют после нанесения для улучшения адгезии и плотности.

Преимущества

• Высокая скорость осаждения
• Низкий нагрев поверхности
• Универсальность
• Простота и удобство эксплуатации

Недостатки

• Относительно низкая адгезия
• Повышенная тепловая эффективность (контекстуально)
• Несовместимо с металлами, температура плавления >2800 °C

3. Высокоскоростное окси-топливное напыление (HVOF)

HVOF сжигает кислород и горючие газы (пропан, пропилен, водород). Принцип горения как у окси-топливной горелки, но конструкция пистолета иная — выше температура и скорость пламени. Порошок более полностью расплавляется, частицы получают больше кинетической энергии для «расплющивания» на поверхности. Результат — высокая прочность сцепления и плотность покрытия.

Часто используют для напыления твердых сплавов: карбид вольфрама, карбид хрома.

Преимущества

• Поддерживает толстые покрытия
• Низкая пористость
• Высокая адгезия
• Больше сохраненных карбидов по сравнению с пламенным или плазменным напылением

Недостатки

• Высокий уровень шума (до 130 дБ)
• Низкая производительность осаждения
• Немного дороже

4. Плазменное напыление (PTA)

Процесс (непереносимая дуга) использует инертные газы, проходящие мимо электрода, переходящие в плазменное состояние. При выходе из сопла газы возвращаются в нормальное состояние, выделяя огромное количество тепла.

Порошковый напыляемый материал впрыскивается в плазменное «пламя» и разгоняется на субстрат.

Керамические покрытия чаще всего наносят плазменным напылением из-за высоких температур плавления (>2000 °C). Можно наносить несколько типов керамических покрытий.

Преимущества

• Простота нанесения
• Керметные частицы крупнее
• Износостойкость
• Очень низкая или нулевая пористость
• Толстое покрытие
• Низкий нагрев субстрата по сравнению с GTAW

Недостатки

• Высокое окисление напыленного материала
• Сложно получить тонкий слой ≤1 мм

5. Детонационное напыление

Одна из форм термического напыления для нанесения защитного покрытия сверхзвуковыми скоростями с целью изменения поверхностных свойств и повышения долговечности.

Изобретено в 1955 г. (H.B. Sargent, R.M. Poorman, H. Lamprey). Применяется специальная детонационная пушка (D-gun). Деталь должна быть подготовлена: удалены масла, грязь, зашерохована для прочной адгезии.

Процесс дает наивысшие скорости (~3500 м/с ударная волна) и температуры (~4000 °C) среди термических напылений. Позволяет наносить покрытия с пористостью <1% и кислородом 0,1–0,5%, защищающие от коррозии, абразивного износа, адгезионного износа при низких нагрузках.

Наносит сверхтвердые плотные покрытия — износостойкие. Применяют в авиадвигателях, шлицевых калибрах, режущих инструментах, лопастях, направляющих и др. высоконагруженных деталях.

Материалы: порошки металлов, сплавов, керметов и их оксидов (алюминий, медь, железо и др.).

Детонационное напыление опасно при нарушении техники безопасности — строгое соблюдение предосторожностей обязательно.

6. Холодное напыление (Cold Spray)

Метод осаждения покрытий. Твердые порошки (1–50 мкм) разгоняются сверхзвуковой газовой струей до скоростей ~1200 м/с. При ударе о субстрат частицы пластически деформируются и сцепляются с поверхностью.

Для равномерной толщины сопло сканируют по субстрату. Можно осаждать металлы, полимеры, керамику, композиты, нанокристаллические порошки.

Кинетическая энергия частиц (от расширения газа) преобразуется в энергию пластической деформации при сцеплении. В отличие от термического напыления (плазма, дуга, пламя, HVOF), порошки не плавится при напылении.

Преимущества распылительной сварки

• Гладкий шов
• Глубокое плавление (металл ≥5 мм)
• Высокая производительность наплавки
• Минимальные брызги
• Снижение затрат: укрепление дешевого материала
• Низкий тепловой ввод: покрытие не проникает в базовый металл
• Универсальность: большинство металлов, пластиков, керамики
• Широкий диапазон толщин: 0,001–0,1 дюйма, возможно >1 дюйма
• Высокая скорость: 3–60 кг/ч (зависит от процесса)

Недостатки распылительной сварки

• Требуется обучение сварщика
• Расход газа выше из-за высокого содержания аргона (>85%)
• Рекомендуется только плоская позиция и горизонтальные угловые швы
• Высокое тепло вызывает дискомфорт сварщика
• Может возникать подрез, особенно на верхнем краю шва
• Сцепление покрытия механическое, не металлургическое
• Процесс «прямой видимости»
• Низкая устойчивость покрытий к точечным нагрузкам

Часто задаваемые вопросы

Что такое распылительная сварка?

Распылительная сварка — термин для классификации нескольких сварочных процедур в виде термического напыления. Промышленная активность: атомизация и распыл порошка или проволоки на металлическую поверхность с высокой скоростью сжатым газом.

Что такое дуговая сварка распылением?

Один из процессов переноса металла от электрода/проволоки к шву. Микроскопические капли расплавленного металла проходят через дугу на основной металл или стык. Перенос распылением идеален для толстых металлов при стыковых/угловых соединениях.

Как настроить сварку распылением?

Для высокой производительности используйте перенос распылением. Смесь >80% аргона: установите напряжение 23–24 В. Ток через скорость подачи проволоки 300–400 дюйм/мин. Корректируйте подачу до достижения ~150 А.

Какую толщину можно напылить?

Термическое напыление дает покрытия толщиной ~20 мкм до нескольких мм (в зависимости от процесса и заряда), на больших площадях с высокой скоростью по сравнению с гальваникой, PVD, CVD.

Прочна ли распылительная сварка?

Термическое напыление: Типы, применение и преимущества Освоение лужения алюминия: Экспертные техники и практическое руководство