Патент на изобретение №2228799

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к газотермическому напылению, в частности к оборудованию электродуговой металлизации. Для улучшения физико-механических свойств покрытия путем увеличения длины начального участка струи металловоздушного потока с площадью сечения, равной площади сечения входного сопла, устройство для электродуговой металлизации содержит сопло с входным цилиндрическим участком и выходным участком, состоящим из двух цилиндрических сопел равного диаметра, и токоподводы. Оси сопел параллельны оси сопла, два электрода в виде проволок направлены под углом к точке их схождения, расположенной на оси сопла за срезом его выходного участка. Цилиндрические сопла имеют винтовые ребра на внутренней поверхности. Геометрические параметры устройства выражены определенными соотношениями. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к газотермическому напылению, в частности к оборудованию электродуговой металлизации, и может быть использовано для нанесения восстановительных и защитных покрытий в машиностроении, химической промышленности и энергетике.

Известен электродуговой распылитель, содержащий блок с каналами для подачи проволок, токосъемные направляющие элементы, разделенное сопло, выполненное в виде цилиндрической трубки с осевым рассекателем внутри, образующим отверстия в виде сегментов, хорды которых параллельны между собой и расположены одна от другой на расстоянии, равном двойному диаметру проволок (см. а.с. СССР 1565537, кл.⁶ В 05 В 7/22, 1988 г.). Расплавленный металл, частично захватываемый краями воздушных струй, истекающих из отверстий сопла, а большей частью благодаря инжекции атмосферного воздуха дополнительно дробится в зоне формирования основной струи и переносится на изделие.

Однако инжекция атмосферного воздуха в зону плавления не обеспечивает высокую скорость напыляемых частиц из-за потери начальной скорости основного потока металловоздушных частиц. В результате чего угол распыла расплавленных частиц и их размеры увеличиваются, пористость покрытия также увеличивается, а следовательно, ухудшаются его физико-механические свойства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является устройство для электродуговой металлизации, содержащее сопло, имеющее входной цилиндрический участок и выходной участок, и два электрода в виде проволок, направляемых токоподводами под углом к точке их схождения, расположенной на оси сопла за срезом его выходного участка. Выходной участок сопла имеет два цилиндрических сопла равного диаметра для подачи транспортирующего газа, оси которых параллельны оси сопла, и дополнительное центральное сопло, ось которого совпадает с линией пересечения вертикальной плоскости, проходящей через центр электрической дуги и плоскости, проходящей через оси электродов, а сечение центрального сопла в 4-60 раз меньше суммарного сечения симметричных сопел (см. патент РФ №2119389, кл.⁶ В 05 В 7/22, 1997 г.).

Конструкция известного устройства позволяет принудительно дробить расплавленный металл центральной струей и выносить его струей из зоны горения дуги в симметричные газовые струи. Указанные выше преимущества конструкции позволяют увеличить начальную скорость сформированной металловоздушной струи, уменьшить ее угол раскрытия, уменьшить размер распыляемых частиц.

Недостатками данного устройства является возникновение колебаний концов проволок-электродов во время работы (отклонений от начального положения на расстояние до 1/3 d_пров.). Торцы электродов создают в воздушном потоке дополнительного центрального сопла возмущения, приводящие к потере направленности транспортировки расплавленных частиц и расширению металловоздушного потока в плоскости, проходящей через оси электродов (т.е. в горизонтальной плоскости). Таким образом, конструкция сопла по патенту №2119389 сохраняет малый угол раскрытия металловоздушной струи в вертикальной плоскости, но не устраняет пульсирующее дорасширение струи в горизонтальной плоскости.

В результате снижается скорость распыляемой струи, уменьшается длина начального участка струи металловоздушного потока с площадью сечения, равной площади сечения входного сопла, увеличивается размер распыляемых частиц, а значит, увеличивается пористость покрытия и ухудшаются его физико-механические свойства.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для электродуговой металлизации, путем установления соответствующих зависимостей между геометрическими параметрами устройства, что позволяет увеличить длину начального участка струи металловоздушного потока с площадью сечения, равной площади сечения входного сопла, обеспечивая улучшение физико-механических свойств покрытия.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для электродуговой металлизации, содержащем сопло, имеющее входной цилиндрический участок и выходной участок, который состоит из двух цилиндрических сопел равного диаметра, оси которых параллельны оси сопла, два электрода в виде проволок, которые направлены под углом к точке схождения электродов, расположенной на оси сопла за срезом его выходного участка, и токоподводы, согласно изобретению по внутренней поверхности каждого из цилиндрических сопел выполнены винтовые ребра, высота которых определена из соотношения h0,0264D_вх, где h – высота винтового ребра, D_вx – диаметр входного участка сопла, диаметр каждого из цилиндрических сопел определен из соотношения 0,447D_вх d 0,500D_вх, где d – диаметр каждого из цилиндрических сопел, D_вx – диаметр входного участка сопла, оси цилиндрических сопел расположены друг друг относительно на расстоянии 1/2 диаметра входного участка сопла, при этом точка схождения электродов расположена на расстоянии, которое определено из соотношения 1,75D_вхвx, где l – расстояние от среза выходного участка сопла до точки схождения электродов, D_вx – диаметр входного участка сопла, а угол схождения электродов выбран из интервала 43,5<<55,0. Кроме того, входной участок сопла выполнен длиной не менее двух диаметров его входного участка.

Выполнение по внутренней поверхности цилиндрических сопел винтовых ребер и установление соответствующих зависимостей между геометрическими параметрами устройства создает искусственную турбулизацию пограничного слоя струи сжатого воздуха в сопле. Наличие турбулентных пульсаций приводит к интенсивному обмену энергией между пограничным слоем струи сжатого воздуха из сопла и потоком воздуха из окружающей среды. Кинетическая энергия сжатого воздуха, как и образовавшегося металловоздушного потока в пограничном слое увеличивается, следовательно, уменьшается сопротивление движению ядра струи металловоздушного потока, что обеспечивает увеличение длины начального участка струи металловоздушного потока с площадью сечения, равной площади сечения входного сопла, до 10D_вx (D_вx – диаметр входного участка сопла). В результате повышаются физико-механические свойства покрытия.

Если взаимосвязь между геометрическими параметрами устройства будет определяться из следующих соотношений: h>0,0264D_вx; 0,447D_вx>d>0,500D_вx; 1,75D_вх>l>l,80D_вx; 43,5>>55,0, это приведет к увеличению сопротивления струи металловоздушного потока воздуху из окружающей среды. Соответственно, уменьшится скорость распыляемых частиц, увеличится угол раскрытия струи потока и уменьшится длина начального участка струи металловоздушного потока с площадью сечения, равной площади сечения входного участка сопла. Увеличится размер распыляемых частиц, а значит, и пористость покрытия, то есть ухудшаются физико-механические свойства покрытия.

На фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство, вид сверху; на фиг.2 – то же, вид А на фиг.1.

Устройство для электродуговой металлизации содержит два электрода 1 в виде проволок, направляемых токоподводами 2 до их точки схождения с помощью узла регулировки 3 подачи электродов 1, установленного на токоподводах 2. В центре устройства по его оси установлено сопло, имеющее соответственно входной и выходной участки 4 и 5. Выходной участок сопла 5 состоит из двух цилиндрических сопел 6 равного диаметра. Оси цилиндрических сопел 6 параллельны оси входного участка сопла 4 и расположены относительно друга друга на расстоянии 1/2 диаметра входного участка сопла 4. По внутренней поверхности цилиндрических сопел 6 выполнены винтовые ребра 7, высота которых определена из соотношения h0,0264D_вх. Диаметр цилиндрических сопел определен из соотношения 0,447D_вx d 0,500D_вx, где D_вх – диаметр входного участка сопла 4. Точка схождения электродов 1 расположена в горизонтальной плоскости по оси входного участка сопла 4 за срезом его выходного участка 5 на расстоянии, которое связано с диаметром входного участка сопла 4 соотношением 1,75D_вхвx.

Угол схождения электродов 1 выбирают из интервала 43,5<<55,0.

Кроме того, входной участок сопла 4 выполнен с длиной не менее двух диаметров его входного участка.

Устройство для электродуговой металлизации работает следующим образом.

Оператор с помощью узла регулировки 3 подачи электродов 1 устанавливает угол схождения электродов 1, исходя из условия 43,5<<55,0. Затем проверяет положение точки схождения электродов 1, чтобы она находилась в горизонтальной плоскости по оси входного участка сопла 4 за срезом его выходного участка 5. Расстояние от точки схождения электродов 1 до среза выходного участка сопла 5 выбирается исходя из условия 1,75D_вxвx. Далее включают подачу сжатого воздуха, подают напряжение на токоподводы 2 и подают электроды 1. Зажигается дуга. Сжатый воздух, проходя по цилиндрическим соплам 6 выходного участка сопла 5, создает турбулентные пульсации пограничного слоя струи. Наличие турбулентных пульсаций приводит к интенсивному обмену энергией между пограничным слоем сжатого воздуха из сопла и потоком воздуха из окружающей среды. Сформированная струя сжатого воздуха диспергирует расплавленный электрической дугой металл электродов 1 и формирует струю металловоздушного потока, кинетическая энергия которого в пограничном слое увеличивается. Таким образом, уменьшается сопротивление движению ядра струи металловоздушного потока, увеличивается длина начального участка струи металловоздушного потока с площадью сечения, равной площади сечения входного сопла, и углом раскрытия струи 7-9. Металловоздушный поток со скоростью частиц 100-150 м/с и величиной их диспергирования менее 50 мкм осаждается на изделии и образует покрытие с пористостью 3-4%.

В лучшем варианте осуществления изобретения электродуговое напыление проводили на базе электродугового металлизатора ЭМ-17. Для оценки физико-механических свойств покрытия были выбраны следующие показатели: пористость покрытия, прочность покрытия на сцепление (адгезия), прочность покрытия на разрыв (когезия), которая определялась штифтовым методом.

Напыление проводилось при следующих режимах: ток – 190 А, напряжение – 29 В, дистанция напыления – 190 мм, давление сжатого воздуха – 0,7 МПа. Геометрические параметры заявляемого устройства:

диаметр входного участка сопла (D_вx) – 10 мм,

диаметр каждого из цилиндрических сопел выходного участка (d) – 4,475 мм,

высота винтовых ребер (h) – 0,256 мм,

расстояние от среза выходного участка сопла до точки схождения электродов (l) – 17,8 мм,

угол схождения электродов () – 53,5.

В процессе напыления была сформирована струя металловоздушного потока со следующими параметрами: длина начального участка струи 80 мм при площади сечения металловоздушного потока и площади сечения входного сопла, равной 78,5 мм²;

угол раскрытия факела распыла частиц на начальном участке струи потока – 7-9;

величина диспергирования частиц металла – 30 мкм.

В результате напыления на изделии образовалось покрытие со следующими характеристиками: пористость – 3%; когезия – 290 МПа; адгезия – 32 МПа.

Формула изобретения

1. Устройство для электродуговой металлизации, содержащее сопло, имеющее входной цилиндрический участок и выходной участок, который состоит из двух цилиндрических сопел равного диаметра, оси которых параллельны оси сопла, два электрода в виде проволок, которые направлены под углом к точке схождения электродов, расположенной на оси сопла за срезом его выходного участка, и токоподводы, отличающееся тем, что по внутренней поверхности каждого из цилиндрических сопел выполнены винтовые ребра, высота которых определена из соотношения

h0,0264 D_вх,

где h – высота винтового ребра;

D_вх – диаметр входного участка сопла, диаметр каждого из цилиндрических сопел определен из соотношения

0,447 D_вх d 0,500 D_вх,

где d – диаметр каждого из цилиндрических сопел;

D_вх – диаметр входного участка сопла,

оси цилиндрических сопел расположены относительно друг друга на расстоянии 1/2 диаметра входного участка сопла, при этом точка схождения электродов расположена на расстоянии, которое определено из соотношения

1,75 D_вхвх,

где 1 – расстояние от среза выходного участка сопла до точки схождения электродов;

D_вх – диаметр входного участка сопла,

а угол схождения электродов выбран из интервала

43,5<< 55,0.

2. Устройство для электродуговой металлизации по п.1, отличающееся тем, что входной участок сопла выполнен длиной не менее двух диаметров его входного участка.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 20.03.2004

Извещение опубликовано: 10.06.2006 БИ: 16/2006