Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

210

затвердевания металла образуется наплавленный валик, покрытый

шлаковой коркой и нерасплавившимся флюсом.

Механизм подачи

сварочной проволоки

Сварочная дуга

Газовая полость

Расплавленный флюс (шлак)

Расплавленный металл

Металл шва

Шлак (шлаковая корка)

Капли электродного металла

Изделие

Электрод

Флюс

Сопла

Iсв

Рисунок 4.5 – Схема наплавки под флюсом

4.3.4 Вибродуговая наплавка

Сущность способа состоит в том, что между деталью 1 и

электродной проволокой 6, включенными в цепь источника 5,

периодически возбуждается дуга. Периодичность возбуждения достигается

за счет продольной вибрации электродной проволоки с большой частотой

(до 100 Гц) (рис. 4.6).

В зону дуги подают охлаждающую жидкость (водные растворы

соды или глицерина), которая обеспечивает возможность наплавки

деталей небольшого диаметра. Выполняют вибродуговую наплавку под

флюсом, в среде углекислого газа, водяного пара, в потоке воздуха.

Вибрация электродной проволоки с амплитудой 0,5-4,0 мм

обеспечивает чередование электрических разрядов: дуга – короткое

замыкание – холостой ход. Напряжение источника питания составляет

211

14-24 В, диаметр электродной проволоки 1,6-2,5 мм, сила

сварочного тока 100-250 А.

Вибродуговая наплавка позволяет получать слои от десятых долей

миллиметра до 3 мм за один проход и характеризуется малой зоной

термического влияния. Толщина наплавляемого слоя в основном

зависит от диаметра электродной проволоки.

Вибродуговой послойной наплавкой восстанавливают детали путем

нанесения тонкого слоя металла при минимальной их деформации и

нежестких требованиях к качеству наплавленного металла.

Преимущества вибродуговой наплавки – незначительные нагрев

и деформация детали в процессе наплавки, возможность упрочнения

наплавляемого слоя, простота оборудования и его обслуживания.

Рисунок 4.6 – Схема вибродуговой наплавки:

1 – деталь; 2 – вибродуговая головка; 3 – вибратор; 4 – подающие ролики;

5 – источник питания; 6 – электродная проволока с направлением: а – вращения

изделия; б – перемещения головки; в – вибрации электрода; г – подачи электрода;

д – подачи охлаждающей жидкости

212

4.3.5 Вакуумно-дуговая наплавка

Экспериментальные исследования дугового разряда в вакууме

применительно к сварочной технике относятся к 30-м годам;

практическое его применение началось в конце 60-х годов, когда

были разработаны способы наплавки в вакууме с использованием

дугового разряда с плавящимся электродом, испаряющимся катодом

и с полым катодом (рис.4.7). Эти виды дуговых разрядов в вакууме

отличаются способом создания материальной среды в дуговом

промежутке, характером процессов на катоде и распределением

тепла, выделяемого в анодном пятне.

Сочетание высокой стабильности дуги с возможностью широкого

варьирования удельного теплового потока на изделие обеспечивает схема

процесса с многоканальным полым катодом. Его выполняют в виде

тонкостенной трубки из тугоплавкого металла (обычно тантала), через

которую для поддержания дугового разряда подается рабочий газ (аргон или

гелий). При горении дуги катод нагревается и термоэмиссия электронов

стабилизирует дуговой разряд.

Рисунок 4.7 – Схема вакуумно-дуговой наплавки

с многоканальным полым катодом:

1 – сварочная горелка; 2 – вакуумная камера; 3 – изделие;

4 – индуктор; 5 – микронатекатель

213

Эффективное регулирование подачи тепла в изделие путем

изменения длины дуги, которая в вакууме может достигать 150 мм,

позволяет вести вакуумно-дуговую наплавку практически без

расплавления основного металла. Это особенно важно, например, при

наплавке кобальтового стеллита, свойства которого снижаются с

увеличением содержания в нем железа более 5 %.

Кроме того, вакуумная обработка повышает качество наплавляемого

сплава благодаря химическим реакциям, протекающим с

образованием газообразных продуктов и зависящим от внешнего

давления (например, взаимодействие углерода с находящимися в

расплаве окислами); дегазации и испарению летучих примесей;

диссоциации некоторых химических соединений.

Применение способа вакуумно-дуговой наплавки наиболее

целесообразно при обработке мелкосерийных ответственных деталей

небольшой массы.

4.3.6 Технология и техника электродуговой наплавки

Технология и техника наплавки должны при максимальной

производительности обеспечить хорошее формирование наплавленного слоя с

целью уменьшения припусков на последующую механическую обработку.

Производительность наплавки, качество формирования

наплавленного слоя, его химический состав и структура в значительной

степени зависят от режима наплавки.

Основные показатели режима наплавки: сила тока, напряжение

дуги, скорость наплавки, вылет электрода, шаг наплавки.

Сила тока определяет производительность наплавки. Чем больше

сила тока, тем выше производительность.

Напряжение дуги при данной силе тока в значительной степени

определяет форму наплавленного валика. При слишком малом напряжении

получается узкий и высокий наплавленный валик, повышение напряжения

увеличивает ширину и уменьшает высоту валика.

Напряжение дуги должно быть согласовано с силой тока: для

выбора напряжения в зависимости от силы тока можно

руководствоваться данными графика (рис.4.8), на котором оптимальный

режим показан штриховкой.

214

Напряжение дуги, В

0 200 400 600 800

Сила тока, А

Рисунок 4.8 – Зависимость напряжения дуги от силы тока

при наплавке под флюсом

(заштрихован оптимальный диапазон, пунктиром показаны пределы напряжения,

применяемого в отдельных случаях)

Скорость наплавки (перемещение дуги) влияет на разделение

металла по наплавляемой поверхности (рис. 4.9). При малых скоростях

наплавки (10-16 м/ч) уменьшение скорости приводит к уменьшению

глубины проплавления. При скорости 40 м/ч наблюдается максимальная

глубина провара. Дальнейшее увеличение скорости (до 100 м/ч) ведет к

одновременному уменьшению глубины проплавления и ширины

наплавленного валика.

Производительность наплавки и форма сварочной ванны зависят

также от числа электродов. Многоэлектродную наплавку и электродную

ленту используют при обработке протяженных поверхностей.

Оптимальная величина вылета электрода зависит от

физических свойств проволоки или ленты, от их диаметра или толщины.

Чем больше электрическое сопротивление и чем меньше диаметр

проволоки, тем меньше должен быть вылет.

215

Рисунок 4.9 – Влияние скорости наплавки

на форму поперечного сечения наплавленного валика

Шаг наплавки, т. е. поперечное перемещение электрода при

наплавке очередного валика, определяет гладкость наплавленной

поверхности и долю основного металла в наплавленном. Слишком

большой шаг наплавки может вызвать неровности и чрезмерное

разбавление основным металлом, слишком малый шаг – дефекты в виде

подворотов и непроваров. Для получения качественного слоя шаг

наплавки должен составлять примерно от 0,4 до 0,75 ширины

наплавленного валика (рис. 4.10).

Рисунок 4.10 – Влияние шага наплавки на долю

основного металла в составе наплавленного слоя:

а – шаг наплавки m близок к ширине валика b, доля основного металла

65,0

;

b – шаг наплавки

bm 46,0

45,0

216

Автоматическую наплавку тел вращения, как правило, производят по

винтовой линии или кольцевыми валиками с периодическим смещением на шаг

(рис. 4.11). В первом случае деталь вращается, а электрод медленно движется

параллельно оси вращения, во втором – электрод в конце каждого оборота

детали перемещается на заданную величину шага наплавки. Преимущества

этих способов: непрерывность процесса, обеспечивающая высокую

производительность; хорошее формирование наплавленного слоя, что

позволяет свести к минимуму припуск на обработку; симметричность

остаточных напряжений по отношению к оси изделия, что уменьшает или

совсем устраняет коробление; снижение до минимума доли основного металла

в наплавленном путем уменьшения шага.

Весьма эффективно применение широкослойной наплавки (рис.

4.11, в). При среднем диаметре изделий (100-300 мм) целесообразно

применять поперечные колебания электрода, а при большем (>300 мм) –

использовать многоэлектродную наплавку или наплавку лентами. Эти

способы увеличивают производительность наплавки и в значительной

степени снижают проплавление основного металла.

Электродуговая наплавка эффективно применяется для

многократного восстановления контактной поверхности и реборды

подкранового колеса, плунжеров гидропрессов, роликов машин

непрерывного литья заготовок, валков горячей прокатки, валков

обжимных станов, валков листопрокатных станов, деталей загрузочных

устройств доменных печей, била молотковых дробилок, штампового и

прессового инструмента, ножей горячей резки проката и др.

Рисунок 4.11 – Техника наплавки тел вращения:

а – по винтовой линии; б – кольцевыми валиками с периодическим смещением на шаг;

в – широкослойными валиками

217

4.4 Электрошлаковая наплавка (ЭШН)

В основе электрошлаковых технологий лежит процесс выделения

теплоты в расплавленном шлаке при пропускании через него электрического

тока. Электрошлаковая сварка была разработана в начале 1950-х годов в

Институте электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины. Практически сразу

процесс начали применять для наплавки.

Наиболее общая классификация способов электрошлаковой наплавки

приведена на рис 4.12.

По технико-технологическим признакам различают ЭШН со свободным

или принудительным формированием; с жидким или твердым стартом; одно-

или многоэлектродную; с подвижными или неподвижными электродами; с

горизонтальным, наклонным или вертикальным расположением наплавляемой

поверхности; с питанием постоянным или переменным током.

При ЭШН возможно свободное или принудительное формирование

наплавленного металла. В случае принудительного формирования используют

как стационарные, так и подвижные формирующие устройства – ползуны и

кристаллизаторы. Ползуны имеют простую геометрическую форму, чаще всего

в виде прямоугольных водоохлаждаемых пластин. К кристаллизаторам относят

формирующие устройства развитой формы, как правило, замкнутого сечения.

ЭШН начинают с "твердого" или "жидкого" стартов. При твердом старте

электрод закорачивается на изделие или на стартовую затравку, в некоторых

случаях применяют флюсометаллические смеси или электропроводные флюсы

в твердом состоянии.

ЭШН классифицируют по виду электродных и присадочных материалов.

К электродам, которые могут быть плавящимися или неплавящимися, подводят

напряжение от источника питания. Первые подают в шлаковую ванну, где они

расплавляются, вторые являются нерасходуемыми и служат для поддержания

электрошлакового процесса.

Плавящиеся электроды могут быть подвижными и неподвижными, их

изготавливают в виде проволок и лент сплошного сечения или порошковых

пластин, прутков, труб и т. д.

Неплавящиеся электроды, как правило, изготавливают из меди, графита,

вольфрама либо используются различные комбинированные конструкции.

К присадочным материалам напряжение не подводят, они служат лишь

для формирования наплавленного слоя. Присадочные материалы могут иметь

ту же форму, что и плавящиеся электродные материалы, быть зернистыми или

жидкими. В некоторых случаях применяют различные их комбинации.

218

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ НАПЛАВКА

ТЕХНИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ

Форми-

рование

наплавоч-

ного металла

Род тока

Подвижность

электродов

Располо-

жение

наплав-

ляемой

поверх-

ности

Число

электро-

дов

Схема

получения

электродов

Начало

процесса

ЭШН

Свободное

Принуди-

тельный

Переменный

Постоянный

Подвижные

Неподвижные

Комбиниро-

ванные

Горизонтальное

Вертикальное

Наклонное

Один

Много

"Твердый" старт

"Жидкий" старт

Однофазная

Многофазная

Бифилярная

Промыш-

ленной

частоты

Понижен-

ной частоты

Модули-

рованный

НАПЛАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Электродные Присадочные

Неплавящиеся Плавящиеся Некомпактные Компактные

Вольфра-

мовый

Медный

Графитовый

Комбиниро-

ванный

Проволока

Лента

Большого

сечения

Стружка

Дробь

Гранулы

Проволока

Лента

Большого

сечения

Жидкий

металл

Рисунок 4.12 – Классификация способов электрошлаковой наплавки

219

4.4.1 ЭШН электродными проволоками

Электрошлаковым способом электродными проволоками можно

послойно наплавлять плоские поверхности и тела вращения при

вертикальном или горизонтальном расположении наплавляемой

поверхности. На рис. 4.13 показана схема процесса ЭШН проволоками

в вертикальном положении с помощью трех составных ползунов

(вместо ползунов можно использовать подвижный кристаллизатор).

Рисунок 4.13 – ЭШН плоской поверхности в вертикальном положении

с помощью составных ползунов:

1 – наплавляемая заготовка; 2 – составной ползун; 3 – электроды

Наплавку производят в зазор, образуемый наплавляемой поверхностью

заготовки и ползунами. Электроды при наплавке могут совершать возвратно-

поступательное движение вдоль зазора. Скорость поперечных колебаний

электрода должна быть такой, чтобы шлак не успевал затвердеть до момента

возвращения электрода в исходное положение. Процесс начинают на

подкладке или в специальном кристаллизаторе. Режимы наплавки (количество

электродов, ток, напряжение, скорость поперечного перемещения электродов,