CC BY
9
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р Вип. № 13
УДК 621.791..927.5
Чигарев В.В.1, Макаренко Н.А.2, Кондратов К.А.3, Невидомский В.А.4
РАЗРАБОТКА УСТАНОВОК ДЛЯ ПЛАЗМЕННЫХ СПОСОБОВ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА МАССИВНЫЕ СТАЛЬНЫЕ И ЧУГУННЫЕ ДЕТАЛИ
Показано преимущество плазменных способов нанесения покрытий на детали с целью их упрочнения и восстановления. Приведены схемы разработанных установок «Ори-он-250» и «Орион-ЮО». Проведены исследования ряда технико-технологических показателей нанесения покрытий, содержащих никель, на массивные стальные и чугунные изделия
Жаропрочный сплав Х20Н80 (нихром) обладает рядом уникальных свойств: достаточной износостойкостью, прочностью и коррозионной стойкостью, благодаря чему нашел широкое применение в промышленности. Однако высокая стоимость нихрома, обусловленная большим количеством входящего в его состав никеля, предъявляет особые требования к технологии его наплавки на стальные и чугунные изделия. Это - уменьшение доли основного металла в наплавленном, низкие потери нихрома при наплавке, а также возможность получения тонких (до 2 мм) наплавленных слоев [1]. Наиболее полно этим условиям удовлетворяет процесс плазма-МИГ наплавки в среде аргона.
Проведенные исследования показали перспективность плазма-МИГ наплавки нихрома на стальные и чугунные изделия. В этом случае возможно получение крайне низкого проплавления основного металла (доли мм). При этом процесс наплавки на постоянном токе обратной полярности идет стабильно и в ряде случаев приближается к процессу пайки. В то же время наплавка на таких режимах характеризуется недостаточной производительностью и плохим формированием наплавленного валика, что обуславливает необходимость двухслойной наплавки для создания необходимого припуска под последующую мехобработку. Кроме того, наблюдаются выбросы крупных капель присадочного материала.
Цель работы - повышение производительности процесса плазма-МИГ наплавки и улучшение формирования наплавленного валика. Нашей задачей была разработка установок, обеспечивающих повышение технико-технологических показателей нанесения покрытий, содержащих никель, на массивные стальные и чугунные изделия.
На рис. 1 представлена упрощенная схема установки «0рион-250». Установка собрана по однофазной схеме по принципу использования одного силового трансформатора [2 - 7]. Питание плазменной дуги осуществляется от выпрямителя на диодах VI и У2. Для устранения перерывов в горении дуги используется маломощный выпрямитель на диодах УЗ, У4, который имеет на выходе конденсаторную батарею С1 емкостью ЮОООмкФ. Ток этого выпрямителя ограничен резистором 113 и составляет 25-^30 А.
В катодные цепи диодов VI и У2 включены соответственно резисторы Я1 и Я2. причем К2>Я1. Таким образом, в полупериод сетевого напряжения (когда проводящим является диод VI) сила тока плазменной дуги оказывается выше, чем в полупериод напряжения (когда проводящим
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, докторант
3 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
4 НКМЗ, главный инженер
является диод У2). Генератор импульсов тока плавящегося электрода собран по схеме конденсаторного накопителя. Заряд конденсаторной батареи С2-С4 осуществляется через диод У6 в тот полупериод напряжения, когда проводящим является диод VI. Разряд конденсаторной батареи осуществляется через тиристор У7 (когда проводящим является диод У2), а диод VI заперт обратным напряжением. Таким образом, в момент подачи импульса тока на плавящийся электрод, ток плазменной дуги оказывается пониженным, что уменьшает давление дуги на расплавленный металл (тем самым исключает разбрызгивание в момент подачи импульса). Кроме того, уменьшается теп-ловложение в основной металл, что ведет к снижению глубины проплавления основного металла.
МП - механизм подачи проволоки; ПЭ - плавящийся электрод;
С - сопло плазмотрона; НЭ- неплавящийся электрод; И - изделие
Рис. 1 - Упрощенная схема установки для плазма-МИГ наплавки с импульсным питанием дуги плавящегося электрода
Подача импульсов тока на плавящийся электрод обеспечивает мелкокапельный перенос присадочного материала, вследствие чего на конце электрода не образуется крупная капля, которая изолирует электрод от нагрева и, тем самым, скорость его плавления повышается. Улучшение условий переноса электродного материала в сварочную ванну ведет к ликвидации его разбрызгивания и улучшению формирования наплавленного валика.
Установлено, что на глубину проплавления основного металла оказывает влияние фаза подачи импульса тока плавящегося электрода (рис. 2). По-видимому, это связано с охлаждением сварочной ванны при снижении тока плазменной дуги в полупериод подачи импульса тока плавящегося электрода [1-8].
Однако подавать импульс тока при ср > 160 эл.град, нельзя (из-за большой вероятности того, что тиристор У7 не успеет закрыться до смены полярности напряжения питающей сети).
При применении проволоки диаметром 1,0 мм производительность наплавки составила 3,46 кг/ч, что вполне достаточно для наплавки небольших изделий типа пресс-форм для стекла, а также для наплавки первого слоя на большие детали, на которые затем наплавляются более толстые слои. При этом необходимо устанавливать режимы наплавки, которые обеспечивают глубину проплавления, не превышающую толщину первого слоя.
Оаг - 7 л/мин; Унапл - 18 м/ч; 1шазм.дуп1 без подачи импульса - 110 А;
1пл дуги при подаче импульса = 56 А, еМКОСТЬ КОНДеНСЗТОрОВ = 3000 МкФ.
Рис. 2 - Зависимость глубины проплавления основного металла (сталь 20 толщина 12 мм) от фазы подачи импульса на плавящийся электрод
Простота конструкции установки обуславливает ее невысокую стоимость и возможность широкого применения в промышленности для наплавки нержавеющих сталей и бронз, т.е. в тех случаях, когда необходимо получить минимальную глубину проплавления основного металла.
Сплавы N1-8-81 широко применяются для наплавки различных деталей в целях их восстановления и упрочнения. Низкая температура их плавления (около 1000 "С) позволяет наплавлять эти сплавы без плавления основного металла, что особенно важно при сварке и наплавке чугунных изделий. Применяемый для этих целей способ газопорошковой наплавки прост и эффективен. Однако при наплавке массивных деталей его применение затруднено. Это связано с низкой эффективностью нагрева изделия газокислородным пламенем и, как следствие - низкой производительностью процесса, а также большими затратами ацетилена и кислорода.
Кафедрой «Металлургия и технология сварочного производства» Приазовского государственного технического университета разработана установка «Орион-ЮО», позволяющая вести ручную плазменную наплавку дугой косвенного действия (рис 3).
Установка имеет малогабаритный ручной плазмотрон, рассчитанный на ток до 100 А. Для повышения эффективности нагрева изделия в качестве плазмообразующего газа используется водород. Сварочный порошок из бункера 8 транспортируется аргоном.
В целях безопасности корпус и сопло плазмотрона заземлены, при этом изделие изолировано от заземления. Зажигание дуги производится в среде аргона, что позволяет избежать образования взрывоопасных смесей водорода с воздухом.
При зажигании дуги открывается электрогазовый клапан 4, магистраль продувается инертным аргоном, затем возбудитель 2 поджигает дугу в плазмотроне (при этом ток дуги ограничен гасящим резистором Я). При зажигании дуги срабатывает электрогазовый клапан 3 и в плазмотрон подается водород (при этом напряжение на дуге растет, а ток дуги падает). После этого срабатывает контактор К, клапан 4 закрывается, а клапан 5 открывается. Аргон начинает поступать в инжектор и (при открытии клапана 7) порошок подается в факел дуги.
Проведенные испытания показали, что с помощью установки «Орион-ЮО» возможна наплавка стальных и чугунных изделий большой массы (при этом процесс нагрева рабочей зоны идет немного быстрее, чем при ацетилено-кислородной наплавке). Время достижения рабочей температуры поверхности детали в диапазоне толщин 20-100 мм практически одинаково.
Я - токоограничивающий резистор 7 Ом; К - контактор; Аг - баллон с аргоном; Н2 - баллон с водородом; 1 - источник питания; 2 - возбудитель дуги; 3,4,5 - электрогазовые клапана; 6 -инжектор; 7 - клапан подачи сварочного порошка; 8 - бункер с порошком; 9 - плазмотрон; 10 - труба подачи порошка; 11 - изделие; 12 - изолирующая прокладка
Рис. 3 - Схема разработанной установки «Орион-ЮО» для ручной плазменной наплавки дугой косвенного действия
Водород создает восстановительную атмосферу в зоне наплавки, что снижает вероятность возникновения дефектов из-за попадания окислов металла в зону наплавки.
Рабочие токи при наплавке чугуна толщиной 107 мм составляют 50-80 А, производительность наплавки - до 3,8 кг/ч. Для наплавки применялся порошок ПГ-12Н-01.
Результаты работы показали перспективность проведения дальнейших исследований в области улучшения технико-технологических показателей плазменного процесса. С этой целью считаем необходимым доработать некоторые узлы разработанных нами установок, что позволит в дальнейшем получить еще более хорошее формирование наплавленного валика.
Выводы
1. При наплавке нержавеющих сталей и бронз оптимальным способом нанесения покрытий является плазменный метод с использованием разработанной для этой цели установки «0рион-250». Установлено, что подача импульсов тока на плавящийся электрод обеспечивает мелкокапельный перенос присадочного материала, вследствие чего на конце плавящегося электрода не образуется крупная капля, которая изолирует электрод от нагрева и, тем самым, скорость его плавления повышается. Улучшение условий переноса электродного материала в сварочную ванну ведет к ликвидации его разбрызгивания и улучшению формирования наплавленного валика. Импульсное питание дуги плавящегося электрода уменьшает глубину проплавления основного металла. С увеличением угла подачи импульса глубина проплавления основного металла уменьшается.
2. При наплавке стальных и чугунных изделий сплавами Ni-B-Si с целью их восстановления и упрочнения целесообразно применение плазменной наплавки дугой косвенного действия. Установлено, что при использовании для этих целей разработанной установки процесс нагрева рабочей зоны идет быстрее, чем при ацетилено-кислородной наплавке. Время достижения рабочей температуры поверхности детали в диапазоне толщин 20-100 мм практически одинаково.
Перечень ссылок
1. Мровец С. Современные жаростойкие материалы / С.Мровец, Т.Вербер. . - М.: Металлургия, 1986.-59 с.
2. Макаренко H.A. Универсальный источник питания для плазма-МИГ наплавки / Н.А.Макаренко, КЛ.Кондрашов II Зб1рник наукових праць УДМТУ. - Микола1в, 2001.
- С.96-100.
3. Чигарев В.В. Улучшение формирования наплавленного слоя при плазма-МИГ наплавке / В.В. Чигарев, К.А.Кондрашов., H.A. Макаренко II Вюник Приаз. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр.
- Мариуполь, 2000. - Вип. №9. - С. 153-155.
4. Порошковые проволоки для электродуговой сварки: Каталог- справочник / Под ред. И.К. По-
ходни. - К.: Наукова думка, 1960. - 179 с.
5. Макаренко Н.О. Розробка плазмового процесу з акиальним подаванням порошкового дрота для наплавлення прес-форм: Автореф.дис.канд.техн.наук: 05.03.06 / Приазовський державний техшчний ушверситет. - Mapiyno.ib.. 1999. - 19 с.
6. Справочник по пайке / Под ред. И.Е.Петрунина. - М.: Машиностроение, 1984. - 398 с. 7 . Некрасов Б.В. Курс общей химии / Б.В.Некрасов. - М.: Госхимиздат, 1955. - 971 с.
8. Свойства элементов: Справочник под ред. Г.В.Самсонова. - 4.1. - М.: Металлургия, 1976. -248 с.
Статья поступила 23.04.2003
