CC BY
15
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. №11
2001 р.
УДК 621.791..927.5
Чигарев В.В.Кондратов К.А.2, Макаренко Н.А.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА И ФОРМИРОВАНИЯ ВАЛИКА ПРИ ПЛАЗМА-МИГ НАПЛАВКЕ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ
С помощью скоростной киносъемки и измерениями на макрошлифах установлено, что плазменная полоцилиндрическая дуга (обратной полярности) обеспечивает кроме очистки катодным распылением, нагрев наплавляемого участка изделия и хвостовой части ванны. Это воздействие способствует увеличению ширины валика без увеличения глубины проплавления. Замечено, что с увеличением силы тока плазменной дуги размер капель с плавящегося электрода уменьшается.
С целью определения возможности управления шириной наплавленного валика, глубиной проплавления и зоны термического влияния при плазма-МИГ наплавке были проведены эксперименты в диапазоне изменения тока плазменной дуги обратной полярности от 80 до 250 А с интервалом 30...40 А и тока дуги плавящегося электрода - при обратной полярности от 100 до 200 А. Постоянными сохранялись параметры плазмообразующего сопла (диаметр -8 мм, длина 7 мм), расход плазмообразующего газа (аргон - 8,5 л/мин), расход защитного газа (аргон и углекислый газ) - 14 л/мин. Расстояние от кольцевого электрода плазматрона и расстояние от токоподвода к электродной проволоке до поверхности образцов составляли 10 мм и 120 мм соответственно. Скорость перемещения плазматрона (наплавки) - 20 м/ч.
Процесс плавления электрода исследовали с помощью скоростной киносъемки с последующей покадровой расшифровкой. Киносъемка выполнялась камерой СКС-1М на негативной пленке КН-4, длительность съемки до 3 с. Для сравнения были проведены 4 эксперимента без плазменной дуги. Всего было проведено 18 киносъемок
Для изготовления порошковой проволоки применяли ленту марки 08 кп сечением 0,6x12 мм. Проволоки диаметром 2,0 - 3,0 мм трубчатого сечения имели коэффициент заполнения около 30 %. Состав шихты содержал легирующие элементы в соответствии с авторским свидетельством [5]. Наплавку производили на пластины из стали 10ГН2МФА и из чугуна СЧ, что соответствует материалам, из которых изготавливают пресс-формы для прессования изоляторов из стекла.
На состав и структуру наплавленного слоя, кроме состава порошковой проволоки влияют несколько факторов. Первый фактор - диапазон скоростей охлаждения от 20 до 60 град/с. Условия охлаждения при наплавке могут изменяться в широких пределах и зависят, в основном, от скорости наплавки и мощности обеих дуг. Второй фактор, непосредственно влияющий на химический состав наплавленного слоя и его структуру, - это доля участия металла детали в наплавленном слое.
Наплавку выполняли на образцах размером 300 х 150x30 мм при оптимальных режимах. По шлифам определяли параметры зоны термического влияния и размеры наплавляемых валиков. Была проведена серия экспериментов по изучению плазменной дуги, горящей с кольцевого электрода. Особый интерес представляет определение момента образования сплошной цилиндрической дуги. Широкий столб дуги диаметром, соответствующим диаметру канала плазматрона (8 мм), наблюдался при токах выше 120... 150 А. При токах ниже этого значения столб дуги резко сужается, его границы приобретают размытые очертания. Очевидно, что активные пятна такой дуги занимают только часть кольцевой поверхности канала. Скоростная киносъем-
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, специалист
3 ПГТУ, канд. техн. наук, докторант
ка по описанной выше методике проводилась при обесточенной электродной проволоке, конец которой выступал за срез сопла и служил ориентиром, показывающим ось плазматрона. На кинограмме отчетливо заметно, что столб плазменной дуги располагается только с одной стороны от конца плавящегося электрода, т.е. не охватывает все пространство, окружающее аксиально располагающийся плавящийся электрод.
Таким образом, допускается существование обоих видов разрядов: единичного кольцевого или при недостаточной плотности тока - расщепленного, имеющего форму отдельных столбов, с активными пятнами на общем кольцевом электроде. При плазма-МИГ наплавке в нормальном технологическом режиме горят не менее двух дуг, поскольку они питаются от двух источников. На основании наблюдений за плавлением электродной проволоки было принято допущение, что плазменная дуга при токах более 100 А нагревает проволоку равномерно и, следовательно, имеет полоцилиндрическую форму.
Визуальные наблюдения и просмотр кинограмм позволили выявить особенности поведения металла ванны и формирования валиков под действием полоцилиндрической плазменной дуги и процессов, сопровождающих плавление металла осевой дутой. Основным физическим отличием является то, что зона наплавки дважды пересекается плазменной полоцилиндрической дугой. Передний фронт плазменной дуги предварительно подогревает наплавляемый участок, производя одновременно очистку поверхности за счет катодного распыления. При режимах до 180.. 190 А расплавления поверхности не наблюдается. Далее при перемещении плазма-трона на подготовленный таким образом участок наплавки оказывает воздействие дуга, горящая с плавящегося электрода. Тепла этой дуги достаточно для: локального расплавления тонкого слоя на поверхности образцов, куда и попадают капли электродного металла.
Второй особенностью является то, что формирование наплавленного валика происходит не только под действием обычных сил (поверхностного натяжения, силы тяжести, магнитогид-родинамических и др.), но и дополнительного плазменногазового напора. Кроме давления, этот напор дополнительно подогревает застывающую ванну. В результате ширина наплавленного валика увеличивается. При постоянных параметрах режима горения дуги с плавящегося электрода ширина валика тем больше, чем больше ток плазменной дуги, при этом высота валика (максимальная) уменьшается.
Параметры наплавленного валика определяли по макрошлифам при увеличении в 6 раз (лупа) и 100 раз (микроскоп).
Металлографические исследования показали, что при плазма-МИГ наплавке глубина проплавления основного металла не превышает 0,3 мм во всем диапазоне выбранных режимов.
Исследовались размеры зоны термического влияния, процессы плавления и обработки (нагрева и проплавления) поверхности плазменной дуги. Плавящийся электрод находился в канале сопла, но был обесточен. Было установлено, что при токах, менее 75... 80 А дуга оставляет неравномерный след, очищенный катодным распылением поверхности, и ширина зоны термического влияния колеблется от 5 до 10 мм. Вероятно, анодное пятно дуги при малых плотностях тока не охватывает всю поверхность кольцевого электрода. О начале устойчивого процесса горения можно судить как визуально, так и по стабильной ширине зоны катодного распыления, зоны термического влияния и глубины ЗТВ. Измерения этих величин на макрошлифах вывели почти прямолинейную зависимость от тока плазменной дуги.
При максимальных значениях тока (200 А) глубина зоны термического влияния не превышает 0,5 мм. Ширина его незначительно (на 1... 2 мм) превышает диаметр канала сопла.
С целью определения влияния плазменной дуги на характер плавления порошковой проволоки скоростная киносъемка выполнялась при неизменном токе дуги плавящегося электрода и при изменении тока плазменной дуги (75, 100, 150, 200 А). Параметры режима горения дуги между плавящимся электродом и изделием были выбраны из условия мелкокапельного, но не струйного переноса. Критерием служил диаметр отрывающейся капли, который не должен был превышать диаметр электрода на 10... 15 % при процессе, проводимом без плазменной дуги.
На кинограммах заметно уменьшение размера капель с возрастанием тока плазменной дуги со 100 до 200 А на 0,3... 0,5 мм. Наиболее характерным показателем влияния внешней полоцилиндрической дуги служит изменение формы конуса, формирующегося на торце электродной проволоки. Конус удлиняется с 2...3 мм при токе плазменной дуги 100 А до 4...5 мм при токе 200 А. Известно, что при прочих равных факторах (масса капли, давление дуги, сила
Пинч-эффекта и другие) характер переноса определяется силой поверхностного натяжения, почти линейно уменьшается с увеличением температуры, то удлинение конуса подтверждает другие данные о заметном влиянии плазменной дуги на процесс расплавления электродной проволоки.
Дополнительный нагрев порошковой проволоки при плазма-МИГ наплавке по сравнению с процессом наплавки порошковой проволокой свободно горящей дугой приводит к повышению скорости плавления электрода. Увеличение скорости подачи соответственно увеличивает производительность наплавки. Сравнительных исследований этих показателей не проводилось, однако, следует отметить, что при токах плазменной дуги 150 А и дуги с плавящимся электродом - 200 А производительность плавления составляет около 5 кг/ч.
Одной из основных задач разработки технологии наплавки является увеличение ширины наплавленного за один проход валика и уменьшение его выпуклости. Во многих случаях эта задача решается применением поперечных колебаний электрода-дуги [1,2,3]. Однако, такой прием имеет ряд недостатков (сложная сварочная головка, наплывы и неровности поверхности и т.д.). Исследования процесса плазма-МИГ наплавки порошковой проволокой показали, что плазменная полоцилиндрическая дута оказывает заметное влияние на формирование поверхности валика. Замеры на макрошлифах показали, что чем больше ток плазменной дуги, тем больше угол смачивания у края валика. В то же время с ростом тока валик становится менее выпуклым и более широким. Очевидно, что причиной этих положительных изменений является как предварительное воздействие плазменной дуги на наплавленную поверхность, так и последующее воздействие плазменно-газового потока на жидкий металл ванны. Эта особенность процесса плазма-МИГ наплавки дает заметный эффект выравнивания поверхности наплавки при наложении соседних валиков.
Выводы
1. Плазменная дуга незначительно влияет на характер плавления порошковой проволоки: с возрастанием тока плазменной дуги на 100 А размер капель (максимальный диаметр поперечного сечения) уменьшается в среднем на 0,2 мм
2. Ширина наплавляемого валика увеличивается с повышением тока плазменной дуги, при этом высота валика и выпуклости уменьшаются, а поверхность выравнивается.
Перечень ссылок
1. Стеклов О.И., Алексеев О.В., Александров O.A. и др. Высокопроизводительный процесс наплавки плазменной дугой с использованием подогретой присадочной проволоки // Сварочное производство. - 1988. - № 8. - С.5 - 7.
2. Карпенко В.М., Грановский A.B., Макаренко И.А, Восстановление коленчатых валов насосов высокого давления плазменной наплавкой // Сварочное производство. - 1990. - №4. - С. 27.
3. Тищенко В.А., Кондратьев И.А. Наплавка штампового инструмента пульсирующей дугой // Автоматическая сварка. - 1995. - №8. - С. 59 - 60.
Чигарев Валерий Васильевич. Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой МиТСП (ПГТУ), окончил Мариупольский металлургический институт в 1969 г. Основные направления научных исследований - прикладные и теоретические проблемы создания электродных материалов для дуговой наплавки с улучшенным комплексом служебных свойств, технологических процессов их изготовления.
Кондратов Константин Александрович. Специалист кафедры МиТСП (ПГТУ). Окончил Славянский государственный педагогический институт в 1991. Основное направление научных исследований - разработка наплавочных материалов.
Макаренко Наталья Алексеевна. Канд. техн. наук, докторант кафедры МиТСП (ПГТУ). Окончила Краматорский индустриальный институт в 1983. Основные направления научных исследований - плазменная наплавка с аксиальной подачей порошковой проволоки и разработка порошковых проволок.
Статья поступила 27.02.2001.
