Повышение качества наплавленного рабочего слоя с регламентированным распределением свойств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006р. Вип.№16

УДК 621.791.75 (088.8)

Псарёва И.С.1, Гулаков C.B.2, Носовский Б.И.3, Ярыза-Стеценко A.B.4

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА НАПЛАВЛЕННОГО РАБОЧЕГО СЛОЯ С РЕГЛАМЕНТИОРОВАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ СВОЙСТВ

Рассмотрены факторы, влияющие на качественные характеристики наплавленного рабочего слоя с регламентированным распределением свойств. Предложены новые подходы к решению задачи формирования качественного рабочего слоя при управлении составом наплавляемого металла.

Постоянное повышение требований к качественным и служебным характеристикам изделий, снижение финансовых, трудовых и энергетических затрат на их производство, возрастание удельных нагрузок на инструмент из-за интенсификации процесса производства требуют новых подходов к их проектированию и изготовлению. В этой связи работы в указанном направлении являются весьма актуальными.

Применение технологических процессов изготовления деталей и инструмента путем наплавки рабочего слоя с регламентированным распределением свойств за счет регулирования химического состава наплавляемого металла позволяет повысить их эксплуатационные характеристики, обеспечить улучшение качественных показателей выпускаемой с их помощью продукции, снизить ее себестоимость [1, 2].

Управление формированием заданного химического состава наплавленного металла может быть осуществлено различными способами [1, 3]:

изменением параметров режима дуговой наплавки при использовании керамических легирующих флюсов;

регулированием количества и состава присадочных материалов, подаваемых в сварочную ванну;

изменением формы и размеров легирующих вставок, помещаемых в основном металле или электроде;

изменением количества электродов, расстояния между ними, управлением параметрами их колебания;

изменением соотношения скоростей подачи разнородных электродов при сохранении на постоянном уровне их суммарной массовой скорости подачи п, т.е.

V,

п =---100% при Vj + v2 = const, (1)

Vj +v2

где Vi и v2 - массовые скорости подачи каждого из электродов; и др.

Наиболее простым и надежным в реализации, обеспечивающим стабильные и достаточно точно прогнозируемые характеристики наплавленного слоя, является последний метод, что и привело к его преимущественному применению. Однако использование данного способа управления химическим составом наплавленного металла имеет ряд особенностей, которые могут отрицательно сказаться на его качественных характеристиках.

1 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель

2 ПГТУ, д-р техн. наук, профессор

3 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент

4 ПГТУ, аспирант

Целью данной работы является исследование и разработка методов управления качеством формирования наплавляемого рабочего слоя с регламентированным распределением свойств при изменении легирования сварочной ванны путем изменения соотношения скоростей подачи двух электродов разного химического состава.

Одним из факторов, определяющим условия горения дуги и формирования наплавленного валика, является изменение эффективной площади торца электродов, с которых горит дуга, при регулировании соотношения скоростей их подачи.

Если в зону горения дуги подаются два электрода с одинаковыми скоростями (примем условие, что электроды имеют одинаковые плотность и площадь поперечного сечения), то активное пятно дуги может существовать (перемещаться) на торцах обоих электродов примерно одинаковое время. При увеличении скорости подачи одного из электродов и соответствующем (в соответствии с выражением (1)) уменьшением второго время горения дуги на электроде с большей скоростью увеличивается, а с меньшей - снижается. Если подавать один электрод, то площадь торца электрода уменьшается вдвое по сравнению со случаем подачи электродов с равными скоростями. При этом увеличится в два раза линейная скорость подачи этого электрода У0 в зону горения дуги, что ведет к увеличению скорости капли или струи электродного металла V [2], поступающего в сварочную ванну, влияющей на условия ее формирования:

где У0 - скорость подачи электрода; g - ускорение в поле гравитации; Н - длина дуги; т - масса капли;

- закон распределения электромагнитных, газодинамических и других сил вдоль дуги, действующих на каплю или струю электродного металла; / - текущее время полета капли в дуговом промежутке.

Этот процесс подобен сварке (наплавке) на постоянных (фиксированных) параметрах режима - тока дуги и напряжения на ней, с применением различных по сечению электродов. Так, уменьшение диаметра электрода ведет к существенному увеличению глубины проплавления к, уменьшению ширины шва Ь, уменьшению относительной массы [-> расплавленного шлака (соответственно кривые 1 и 2 на рис. 1, рис. 2). При использовании керамического легирующего флюса изменение сечения электрода приведет к изменению уровня легирования наплавленного валика (рис. 2).

Аналогичным образом, при управлении составом шва за счет изменения соотношения скоростей подачи электродов п, это изменение влияет на геометрические размеры сварочной ванны - глубину проплав ления и ширину шва (кривые 1 и 2 на рис. 3) и условия легирования шва при использовании легирующих флюсов (рис. 4).

Из рис. 4 видно, что с ростом п уменьшается относительная масса расплавленного шлака [->. причем характер изменения [-> одинаков для разных марок флюсов (АН-348А - кривая 1, АН-60 - кривая 2, легирующий керамический ЖСН-5 - кривая 3). Уменьшение относительной массы шлака приводит к снижению содержания хрома в металле шва, наплавленном под керамическим флюсом ЖСН-5 (кривая 4). Для наплавки применяли две проволоки СВ-08А диаметром 4 мм. Режимы наплавки: 1Д = 750А, ид = 34 В, Ун = 24,5 м/ч.

Кроме того, при изменении п от 0 до 100 % происходит смещение продольной оси наплавляемого валика в сторону электрода с большей скоростью подачи на расстояние не менее диаметра электрода. Это расстояние может увеличиваться пропорционально зазору между электродами. Это приведет к непрямолинейности наплавляемого валика и возможности появления пропусков наплавленного слоя и неравномерной его высоте. Кроме того, изменение доли участия основного металла или предыдущего наплавленного слоя в металле наплавляемого валика при изменении его геометрических параметров во время регулирования соотношения скоростей подачи электродов существенно усложнит возможность получения требуемого состава шва в заданных его координатах.

Для устранения указанных недостатков процесса формирования валика переменного

т

(2)

Рис. 1 - Влияние площади поперечного |_|_|_|

сечения электрода на глубину проплав- 3 4 5 6

ления (1) и ширину шва (2) " Диаметр электрода, Оэ, мм

Рис. 2 - Влияние площади поперечного сечения электрода на относительную массу расплавленного шлака и степень легирования валика, наплавленного под керамическим флюсом

химического состава авторами предложено осуществлять поперечные относительно вектора скорости наплавки колебания электродов в строну электрода, имеющего меньшую скорость подачи. При этом амплитуду колебаний устанавливают пропорционально разнице скоростей их подачи, и не превышающей расстояние между осями электродов. Такое усложнение технологического процесса позволяет стабилизировать глубин}' проплавления и ширину наплавленного валика (кривые 3 и 4 на рис. 3).

га Я

э

га К

3.19

17

1/ \2

3___

Ю-5; §

я

о ч Й га

к а о

Оч

с

га К

Ю

151_

50 62,5 75 87,5 100 Соотношение скоростей подачи эл-дов, п, %

Рис. 3 - Влияние соотношения скоростей подачи электродов на геометрические параметры наплавленного валика

Рис. 4 - Влияние соотношения скоростей подачи однородных по составу электродов на относительную массу расплавленного шлака (1 - 3) и содержание хрома в наплавленном металле

Соотношение скоростей подачи эл-дов,

п,%

Реализовать управляемый процесс колебания электродов можно, применяя устройство для поперечных колебаний, содержащее специальный кулачек с переменным эксцентриситетом и подвижным обкатывающим его роликом [4]. Устройство позволяет регулировать скорость перемещения сварочной горелки по дуге окружности, изменять радиус колебаний, регулировать их амплитуду в процессе наплавки. Схема и конструкция устройства позволяют реализовать эти регулирования параметрами колебаний в автоматическом режиме под управлением системы автоматизации процессом изменения химического состава наплавляемого металла.

Предложенное научно-техническое направление в области формирования наплавкой слоев с регламентированным распределением свойств позволяет наметить ряд перспективных путей его развития и совершенствования в направлении повышения качества наплавленного металла, обеспечения минимальных различий между заданным и реальным законами распределения химических элементов в наплавляемом валике переменного химического состава.

Выводы

1. На основе анализа технологического процесса формирования дуговой наплавкой рабочего слоя с регламентированным распределением свойств путем регулирования соотношения скоростей подачи двух электродов показано существенное влияние процесса регулирования на параметры наплавляемого валика - его форму, условия взаимодействия жидкого металла с флюсом, характер проплавления основного металла, что, в конечном итоге, искажает заданный закон изменения состава наплавленного металла.

2. Показано, что устранить указанные недостатки при управлении легированием за счет изменения соотношения скоростей подачи разнородных по составу электродов можно, осуществляя управляемые поперечные относительно вектора скорости наплавки колебания последних в сторону электрода, имеющего меньшую скорость подачи.

3. Для осуществления разработанной технологии наплавки предложено оригинальное устройство, конструкцией которого предусмотрена возможность автоматического управления параметрами колебаний.

Перечень ссылок

1. Новожилов Н.М. Изготовление и применение в машиностроении сплавов переменного химического состава /Н.М.Новожилов.- М.: Машиностроение. - 1987. - 80 с.

2. Гулаков C.B. Наплавка рабочего слоя с регламентированным распределением свойств / С.В.Гулаков, Б.И.Носовский.- Мариуполь: ПГТУ. - 2005. - 170 с.

3. Повышение работоспособности прокатных валков наплавкой слоя с изменяющейся по длине бочки износостойкостью / Л.К.Лещинский, С.В.Гулаков, Б.И.Носовский и др. II Автоматическая сварка. - 1978. - №3. - С. 57 - 62.

4. A.c. 1459855 СССР МКИ4 В23К 9/30. Устройство для поперечных колебаний сварочной горелки.

Статья поступила 20.02.2006