Сварка напылением: процессы, техники и правила безопасности

Что такое сварка напылением?

Сварка напылением (spray welding) — термин, объединяющий несколько сварочных процессов в форме термического напыления. Промышленная операция: порошок или проволока распыляются в мелкие капли сжатым газом с высокой скоростью на металлическую поверхность.

Используются промышленная плазма, пламя, детонационные пушки, дуговое напыление, HVOF. Из-за значительного тепла от сплевов процедуры и регламенты должны соблюдаться строго для защиты людей и среды.

Как работает сварка напылением?

Термическое напыление — общий термин для множества процессов покрытия. Весь процесс использует напыляемый материал (пруток, порошок, проволоку), плавимый различными источниками энергии.

Простыми словами: промышленный процесс покрытия из источника тепла и напыляемого материала, расплавленного в капли, распыляемых с высокой скоростью. Распыл propulsed к субстрату атомизирующей струей или газом.

Термическое напыление — универсальный и высокоэффективный процесс. Хорошая альтернатива термической/азотировке, хромированию, никелированию, анодированию и др.

Толщина покрытия варьируется по желанию. Ремонтирует изношенные компоненты и базовые детали станков. Повышает производительность и долговечность элемента — до 70% более долгая служба при правильном обращении.

Виды техник сварки напылением

1. Дуговая сварка распылением (Spray Arc Welding)

Один из способов переноса расплавленного материала в виде множества малых капель, диаметр которых меньше диаметра наполнительной проволоки. Нет коротких замыканий — дуга стабильна, без сплевов.

Условие: ток и напряжение выше определенных порогов. Больше тепло на заготовку, чем при короткой дуге — только материалы толщиной ≥5 мм (ручная сварка). Большая ванна — сварка только в горизонтальном положении. Чистый CO₂ не дает чистого распыления — нужны чистый аргон или аргон с ≤25% CO₂ или O₂. Особенно подходит для MIG-сварки алюминия и нержавейки (газ в основном аргон). Тонкая проволока позволяет распыл при меньших токах.

Напряжение дуги — минимальное для поддержания дуги без замыканий. Проволока обычно на плюсе.

Преимущества

• Высокая производительность наплавки.
• Хорошее плавление и проплавление.
• Хороший внешний вид шва.
• Можно использовать проволоку крупного диаметра.
• Минимум сплевов.

Ограничения

• Только материал ≥3 мм (ручная) и ≥5 мм (автоматизированная).
• Только плоское положение и горизонтальные угловые швы.
• Требуется идеальная сборка — нет возможности сварки открытого корня.

2. Пламенной напылением (Flame Spraying Process)

Оригинальная техника термического напыления (~100 лет назад). Принципы горелки для сварки + высокоскоростной воздушный поток для разгона расплавленных частиц на субстрат. Материал — проволока или порошок. Покрытия часто переплавивают после напыления для улучшения адгезии и плотности.

Преимущества

• Высокая скорость напыления.
• Низкий нагрев поверхности.
• Универсальность.
• Простой и удобный процесс.

Недостатки

• Низкая адгезия.
• Повышенная тепловая эффективность (sic — вероятно, имеется в виду низкая эффективность нагрева частиц).
• Несовместимо с металлами, плавищимися выше 2800°C.

3. HVOF (Высокоскоростное кислород-топливное напыление)

Сгорание кислорода и горючих газов (пропан, пропилен, водород). Принцип горения, но пушка другая конструкция — выше температура пламени и скорость. Лучше расплавленные частицы, больше кинетической энергии для «выпрямления» капель. Высокая прочность адгезии и плотность покрытия.

Часто для вольфрамовых карбидов, хромовых карбидов и других твердых сплавов с высокой температурой плавления.

Преимущества

• Поддерживает толстые покрытия.
• Низкая пористость.
• Высокая адгезия.
• Больше сохраненных карбидов vs пламенное/плазменное напыление.

Недостатки

• Громко — до 130 дБ.
• Низкая скорость напыления.
• Дороже.

4. Плазменное напыление (PTA)

Непереносимая дуга: инертные газы проходят мимо электрода, вступают в плазменное состояние. На выходе из сопла возвращаются в нормальное состояние, выделяя огромное тепло. Порошковый материал впрыскивается в плазменное пламя и разгоняется на субстрат.

Керамические покрытия чаще всего плазменным напылением (плавление >3500°F / ~1925°C). Несколько типов керамических покрытий.

Преимущества

• Легко наносить.
• Керметные частицы крупнее.
• Износостойкость.
• Очень низкая или нулевая пористость.
• Толстое покрытие.
• Низкий нагрев субстрата vs GTAW.

Недостатки

• Высокая оксидность напыленного материала.
• Сложно получить тонкий слой ≤1 мм.

5. Детонационное напыление (Detonation Spraying)

Одна из форм термического напыления для защитных покрытий сверхзвуковыми скоростями для изменения поверхностных характеристик — в основном повышение долговечности. Изобретено 1955 г. (H.B. Sargent, R.M. Poorman, H. Lamprey). Применяется специальной детонационной пушкой (D-gun). Подготовка компонента: удаление масел, жиров, грязи, шершавивание поверхности для сильной адгезии.

Самые высокие скорости (~3500 м/с ударная волна) и температуры (~4000°C) среди термических напылений. Дает малопористые (<1%) и низкоокисленные (0.1–0.5%) покрытия против коррозии, абразивного износа, адгезионного износа под низкой нагрузкой.

Очень твердые и плотные покрытия — износостойкие. Применение: двигатели самолетов, концевые меры режущего инструмента, трубчатые сверла, лопатки ротора/статора, направляющие рельсы — детали под высоким износом.

Материалы: порошки металлов, сплавов, керметов и их оксидов (Al, Cu, Fe и др.). Опасный процесс — строгие меры безопасности.

6. Холодное напыление (Cold Spray Process)

Метод осаждения покрытия. Твердые порошки (1–50 мкм) разгоняются сверхзвуковой газовым потоком до ~1200 м/с. При ударе о субстрат частицы пластически деформируются и адгезируют. Насадка сканируется для равномерной толщины. Металлы, полимеры, керамика, композиты, нанокристаллические порошки.

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

Преимущества сварки напылением

• Гладкий шов.
• Глубокое проплавление, для металлов толще 3/16 дюйма (~5 мм).
• Высокая производительность наплавки.
• Минимум сплевов.
• Экономично: дешевые материалы, укрепление напылением.
• Универсальность: большинство металлов, керамика, пластики.
• Различные толщины.
• Высокая скорость: 3–60 кг/ч (зависит от процесса).

Недостатки сварки напылением

• Требуется специальная подготовка сварщиков.
• Затраты на газ выше (>85%) из-за высокой концентрации аргона.
• Только плоское положение и горизонтальные угловые швы.
• Высокое тепло неудобно для сварщика.
• Риск подрезов, особенно на краях швов.
• Механическая, а не металлургическая связь покрытия.
• Процесс «прямой видимости» (line of sight).
• Низкое устойчивость к точечным нагрузкам.

Часто задаваемые вопросы

Что такое сварка напылением? Термин для классификации нескольких сварочных процедур в виде термического напыления. Промышленная активность: атомизация и напыление порошка/проволоки на металл с высокой скоростью сжатым газом.

Что такое дуговая сварка распылением? Способ переноса расплава множеством малых капель (диаметр < проволоки). Нет коротких замыканий — стабильная дуга без сплевов.

Как настроить распыл? Для высокой скорости используйте распыл. >80% аргона, напряжение 23–24 В. Подача проволоки 300–400 дюйм/мин. Регулируйте подачу до ~150 А.

Какую толщину можно напылить? Термическое напыление дает покрытия ~20 мкм – несколько мм (зависит от процесса и заряда), на большой площади с высокой скоростью vs гальваника, ФОС/ХОС.