Navařování plazmatem - ochranné povlaky ve výrobě i výzkumu

Plazma jako čtvrté skupenství hmoty je nejrozšířenější formou známé hmoty ve vesmíru, na Zemi se však vyskytuje jen zřídka. Přírodním zdrojem plazmatu může být například elektrický výboj v atmosféře. Častěji se však s plazmatem lze setkat v technické praxi. Jedním z nejtypičtějších příkladů je svařování elektrickým obloukem, jehož jednou z modifikací je svařování, případně navařování plazmatem (PTA – Plasma Transfer Arc), viz obr. 1.

V případě technologie PTA je plazma generované elektrickým obloukem v plazmovém hořáku mezi wolframovou eletrodou – katodou ‒ a navařovanou součástí (přenesený oblouk). Plazma vzniká ionizací, případně disociací a následnou ionizací plazmového plynu, který protéká plazmovým hořákem (plazmatronem). Jde tedy o látku skládající se z kladně nabitých iontů a od atomu oddělených elektronů. Díky tomu je plazma elektricky vodivé a může tak uzavírat elektrický obvod tvořený zdrojem elektrického proudu, vedením, vlastní svařovanou nebo navařovanou součástí a plazmatronem. Nejpoužívanějším plazmovým plynem je v současnosti argon, ale lze použít i jeho směsi, například s vodíkem nebo heliem. Pro snadnou ionizaci je rozhodující ionizační energie (tabulka 1). V případě dusíku je třeba počítat ještě s energií chemické vazby – disociační energie, cca 9,8 eV.

Navařování a zvlášť plazmové navařování zaujímá mezi technologiemi povrchového inženýrství jednu z předních pozic. Na rozdíl od navařování klasickými svařovacími metodami (navařování pod tavidlem, ručně obalenou elektrodou, metodami MIG/MAG, TIG) se navařování plazmatem vyznačuje velice dobrou možností řízení procesu při zachování přijatelných investičních nákladů. Podobné vlastnosti jako navařování plazmatem má také navařování laserem, ale v případě této technologie je okno optimálních navařovacích parametrů velice zúžené, což spolu s vysokou investiční náročností předurčuje tuto metodu k použití pouze ve zvláštních případech. Princip navařování plazmatem je podobný jako u ostatních navařovacích technologií ‒přídavný materiál nejčastěji ve formě prášku je přiváděn do proudu plazmatu a následně dopadá do svarové lázně, vytvořené na navařované součásti – podložce. Návar následně krystalizuje a vytváří na součásti ochranný povlak metalurgicky propojený se základním materiálem. Právě metalurgické propojení navařovaného materiálu se základním materiálem je jednou z hlavních výhod navařování díky svojí pevnosti. Za další výhodu lze považovat možnost navaření návaru téměř libovolné tloušťky při minimálním promísení, ale i možnost řízení tepelného výkonu nezávisle na množství podávaného přídavného materiálu. Přídavný materiál také nemusí být do plazmatu podáván pouze ve formě prášku ‒ je možné využít i drát a při potřebě zvýšení odtavovacího výkonu i metodu „horký drát“, kdy je přídavný materiál předehříván dalším zdrojem elektrické energie. V tomto případě lze dosáhnout odtavovacího výkonu až 6 kg.hod-1.¬ Díky minimálnímu promísení přídavného materiálu s návarovým materiálem se v technické praxi dosahuje použitelné čistoty návaru již v první vrstvě a minimalizuje se tak čas navaření. Celkový čas na výrobu navařené součásti je významně zkrácen také díky vysoké přesnosti povrchu návaru a tím i minimálním přídavkům na obrábění. Toleranci povrchu lze běžně dodržet v rozmezí 0,5 mm. I když je využití plazmatu pro navařování technologie používaná již několik desítek let, stále se objevují zásadní zlepšení celého technologického procesu, jako je například v poslední době velice moderní využití pulzního proudu pro generování plazmatu. Pulzní plazma umožňuje další zpřesnění volby parametrů a snížení vneseného tepla do součásti. Dochází tak ke snížení úrovně vnitřních pnutí.

Samostatnou kapitolou v oblasti plazmového navařování jsou plazmatrony – plazmové hořáky (obr. 2). Vzhledem k vysokým hodnotám proudu (150 –250 A) jsou chlazeny vodou a navrženy zpravidla přímo pro nařování specifických tvarů, například pro vnitřní plochy (již od průměru 45 mm) nebo obtížně přístupné vnější tvary (zúžená dýza). Zásadně konstrukci hořáku ovlivňuje forma použitého přídavného materiálu – drát nebo prášek. Zapalování plazmatronu je u všech strojů dodávaných KSK vyřešeno pomocí tzv. „pilotního oblouku“. Ten je zapálen mezi wolframovou katodou a měděnou anodou plazmatronu. Minimalizuje se tak vzdálenost, kterou je třeba prorazit vysokofrekvenčním výbojem a zapálení hlavního oblouku mezi plazmatronem a navařovanou součástí je následně jednodušší. Plazma jako zdroj tepla může být využito i k pouhému ohřevu nebo přetavení povrchu součásti, a to jak přeneseným, tak i pilotním obloukem. Takové ovlivnění povrchu, například krystalizací amorfní složky ochranného povlaku, zlepšuje otěruvzdornost povrchu.

Kinematika pohybu plazmatronu nad navařovanou součástí je také jedním ze zásadních parametrů ovlivňujících výsledný návar, a to jak z hlediska geometrie navařeného povlaku, tak i z hlediska úrovně tepelného ovlivnění základního materiálu. Ve strojírenské praxi nejvyužívanější je navařování rotačních ploch, proto je základní součástí mechanismu navařovacího stroje rotační polohovadlo. Protože technologie navařování plazmatem se provádí v základní poloze shora dolů, je třeba pohyb hořáku a navařované součásti uzpůsobit tak, aby svislá osa hořáku zůstala zachována při navařování všech ploch. Z tohoto důvodu je polohovadlo opatřeno výkyvným mechanismem. Ten spolu s tříosým polohovacím zařízením hořáku zajišťuje možnost navaření i složitých tvarů, jako například šroubovice podávacích šneků (obr. 3). Z hlediska kinematiky pohybu je neméně zajímavý i případ navařování širokého mezikruží, kdy je třeba kompenzovat pohyb hořáku vzhledem k rozdílné obvodové rychlosti na vnějším a vnitřním průměru návaru tak, aby zůstala zachovaná tloušťka návaru.

Z hlediska řízení tepelného toku i kinematiky pohybu hořáku je vysoce náročný v současnosti rychle se rozvíjející obor vytváření samonosných 3D součástí nánosovým navařováním jednotlivých vrstev (housenek). Tímto způobem lze vytvářet trojrozměrné součásti téměř libovolných tvarů, podobně jako je tomu v případě 3D tisku plastů.

Práškový přídavný materiál poskytuje téměř neomezené možnosti volby navařované směsi. I přesto, že složení prášku může být v podstatě libovolné, lze návarové materiály rozdělit do skupin podle převažujícího prvku. V technické praxi se používají materiály na bázi kobaltu, niklu nebo železa (obr.4). Tyto základní prvky jsou smíchány s dalšími, například chromem, vanadem, wolframem, uhlíkem, ale i bórem, křemíkem a dalšími prvky.

Pro zvýšení otěruvzdornosti za studena i za tepla je dlouhodobě používána slitina vyvinutá společností Stellite před již téměř 100 lety (Stellite 6, viz tabulka 2, obr. 5). Slitiny tohoto složení jsou v technické praxi v současnosti považovány za referenční a většina nově vyvinutých slitin se k těmto slitinám svými vlastnostmi vztahuje.

Tab. 2. Orientační chemické složení návarové slitiny na bázi kobaltu typu Stellite 6 (hm. %). Pro zvětšení lkkikněte na tabulku.

)

Nepřetržitý vývoj v oblasti návarových materiálů, ale i jejich aplikace (ať již plošné nebo 3D návary) vyžadují značné nasazení v oblasti vývoje a výzkumu. Tato skutečnost spolu s potřebou hlubšího poznání celého procesu plazmového navařování byly příčinou založení společného pracoviště společnosti KSK a Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT v Praze. Toto pracoviště je navrženo tak, aby zde bylo možné provádět detailní analýzy procesu navařování měřením elektrických parametrů i optickým sledováním procesu. Je osazené moderním navařovacím automatem PPC250 R6 (obr. 6) se dvěma podavači prášku a směšovacím zařízením, které umožní testovat nová složení návarových směsí. Typová řada strojů, ze které tento stroj vychází, byla navržena pro navařování sklářských forem, a proto je vybavena pokročilým polohovadlem a systémem vedení plazmatronu. Pro hodnocení výsledných návarů jsou využívána zařízení destruktivní (metalografie) i nedestruktivní (ultrazvuk, kapilární zkoušky) zkoušky, kterými jsou vybaveny laboratoře ÚST. Spolu s tribologickými zkouškami a zkušeným personálem tak ÚST ve spolupráci s KSKposkytuje komplexní servis v oblasti návarových materiálů od navržení technologie, materiálu i postupu až po vyhodnocení výsledného návaru. Zároveň toto pracoviště umožní studentům ÚST seznámit se s posledními trendy v oboru povrchového inženýrství, ať již během základního, magisterského nebo i doktorandského studia.

Ukázky návarů byly vytvořeny v rámci řešení projektu SGS13/187/OHK2/3T/12 „Výzkum a vývoj v oblasti progresivních strojírenských technologií“.

Autor: Ing. Pavel Rohan, Ph.D., Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D., Ing. Tomáš Kramár, Ph.D., Ing. Zdeněk Krška

Firma: FS ČVUT v Praze, Ústav strojírenské technologie, KSK

ladislav.kolarik@fs.cvut.cz