Témata
Reklama

Navařování plazmatem - ochranné povlaky ve výrobě i výzkumu

Využití plazmatu v technické praxi zasahuje do nejrůznějších oborů. Jednou z nejdůležitějších aplikací je lokální ohřev materiálu nad bod tání umožňující svařování, navařování, ale i tepelné ovlivnění povrchu. Právě zlepšování povrchových vlastností strojních součástí je intenzivně studováno v laboratoři navařování, která je společným pracovištěm Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT a společnosti KSKa je vybavena moderním plazmovým navařovacím automatem PPC 250 R6 (KSK).

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.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Navařování PTA vřetena (foto Z. Krška, KSK)

Princip PTA

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.

Tab. 1. Ionizační energie plazmových plynů

Navařovací technologie

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.

Plazmové hořáky

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.

Poloha shora dolů

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.

Obr. 3. PTA Návar na šroubovici dopravního šneku (foto Z. Krška, KSK )

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.

Přídavný materiál

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.

Obr. 4. PTA návar slitiny na bázi kobaltu (Stellite 6) na uhlíkové oceli

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.

Obr. 5. Struktura slitiny Stellite 6 (//www.stellite.co.uk

)

Výzkumné a vývojové pracoviště

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“.

Obr. 6. PTA navařovací automat PPC 250 R6 (foto Z. Krška, KSK)

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

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 150122
Datum: 11. 02. 2015
Rubrika: Monotematická příloha / Spojování a dělení
Autor:
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit